第二章：氧化教程文件.ppt

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1、第二章氧化硅的热氧化•铁、铜、银等金属的自然氧化•硅、硫、磷等非金属的自然氧化2.1引言氧化是一种自然现象Si的自然氧化层很薄在40埃左右氧化工艺目的：在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。氧化是硅基集成电路的基础工艺之一2.2氧化原理氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。其化学反应式：■干氧氧化：Si＋O2→SiO2■湿氧氧化：Si＋H2O＋O2→SiO2+H2■水汽氧化：Si＋H2O→SiO2＋H2■硅的氧化温度：750℃～1100℃氧化系统氧化过程氧化剂

2、（氧分子或水分子）通过扩散到达Si与Si02界面同Si发生反应，其过程如下：1、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2表面，其流密度为F1。2、氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面，流密度为F2。3、氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度为F3。4、反应的副产物离开界面。氧化物生长速率氧化层生长第一阶段（厚度大约150埃以下）为线性生长阶段：氧化层生长第二阶段（厚度150埃以上）为抛物线生长阶段：其中X为氧化层厚度B/A为线性速率系数、B为抛物线速率系数t为生长时间B/A和B与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素有关。氧化物生长

3、曲线干氧氧化速率曲线常规的氧化工艺硅片清洗（除去硅片上的各种沾污）装片进炉（手动或自动以5cm/分的速度进入850℃的恒温区）斜坡升温（以10℃/分从850℃升到1100℃）氧化温度1100℃时间t＝20分干O2＋60分湿O2＋20分干（O2＋HCl）常规的氧化工艺斜坡降温（以5℃/分从1100℃降到850℃）出片（手动或自动以5cm/分的速度出850℃的恒温区）质量检查（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测）SiO2厚度大约600nm左右先进的氧化工艺氢氧合成工艺■湿氧氧化：Si＋H2O＋O2→SiO2+H2■水汽氧化：Si＋

4、H2O→SiO2＋H2H2＋O2→H2O气体流量比很重要！三种热氧化层质量对比质量氧化水温氧化速率均匀性重复性结构掩蔽性干氧氧化慢好致密好湿氧氧化95℃快较好适中基本满足水汽氧化102℃最快差疏松较差氧化消耗硅氧化前氧化后■氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45％左右选择性氧化：常用于硅的局部场氧化LOCOS（LOCalOxidationofSilicon）氧化前氧化后2.3SiO2结构、性质和用途SiO2的原子结构：属于非晶体、无定形结构，Si-O四面体在空间无规则排列。物理性质SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁带宽度（eV

5、）1.12~8相对介电常数11.73.9熔点（℃）14171700热导（W/cm.k）1.50.01击穿电压（V/cm）3×1056×106■SiO2的物理性质SiO2的化学性质SiO2的化学性质非常稳定，仅被HF酸腐蚀SiO2在集成电路中的用途1.做MOS结构的电介质层2.限制带电载流子场区隔离3.保护器件以免划伤和离子沾污4.掺杂中的注入掩蔽5.减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层6.减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽氧化层7.导电金属之间的层间介质①电介质层：用做MOS晶体管栅和源漏衬底之间的电介质层—栅氧化层注：用热生长方法形成②场区

6、隔离层（场氧化层）（STI形成的）：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此之间电气隔离。STI（ShallowTrenchIsolation）注：用CVD方法形成厚度2500-15000Å②场区隔离层（场氧化层）（硅局域氧化LOCOS形成的）：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此之间电气隔离。厚度2500-15000Å②场区隔离层（场氧化层）（硅局域氧化LOCOS形成的）：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此之间电气隔离。氧化后③保护层：保护有源器件和硅表面免受后续工艺的影响④掺杂掩蔽层：作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽材料⑤

7、垫氧层：做氮化硅与硅之间的缓冲层以减小氮化硅与硅之间的应力⑤垫氧层：做氮化硅与金属之间的缓冲层以减小氮化硅与金属膜之间的应力⑥注入屏蔽氧化层：用于减小注入损伤及减小沟道效应⑦金属间的绝缘层：用作金属连线间的绝缘保护层氧化层应用的典型厚度热生长SiO2–Si系统中的实际电荷情况2.4SiO2－Si界面及掺氯氧化在实际的SiO2–Si系统中，存在四种电荷：1.可动电荷：指Na＋、K＋离子，来源于工艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。2.固定电荷：指位于SiO2–Si界面2nm以内的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。3.界面态：指界面陷阱电荷(缺陷

8、、悬挂键），可以采用氢气退火降低。4.陷阱电荷：由辐射产生。掺氯氧化在氧化工艺中通常在氧化系统中通入少量的氯气（浓度在3％以下）以改善SiO2的质量。其作用有二：1、氯离子进入SiO2－Si界