Transcript 集成电路制造技术_第二章氧化(part1).

第二章
主
氧
讲：毛
化
维
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西安电子科技大学微电子学院
第二章 氧化
SiO2作用：
a.杂质扩散掩蔽膜和离子注入屏蔽膜
b.器件表面保护或钝化膜
c. MOS电容的介质材料
d. MOSFET的绝缘栅材料
e. 电路隔离介质或绝缘介质
 SiO2制备：热氧化；热分解淀积；CVD；阳极氧
化；蒸发法(溅射法)。
 热氧化：SiO2质量好，掩蔽能力强。

氧化层应用
掺杂阻挡氧化层
氧化层应用
栅氧化物介电层
Polysilicon gate
Gate Oxide
p-well
n-well
p- Epitaxial layer
p+ Silicon substrate
氧化层应用
场氧化层
Field oxide isolates active regions from each other.
p-well
n-well
p- Epitaxial layer
p+ Silicon substrate
氧化层应用
金属层间的隔离阻挡层
层间氧化物
保护层
M-4
ILD-5
ILD-4
M-3
2.1 SiO2的结构与性质
SiO2的原子结构
2.1 SiO2的结构与性质
2.1.1. 结构（结晶形和无定形）
①结晶形结构：Si – O 四面体在空间排列整齐
如石英晶体（水晶），密度＝ 2.65g/cm3
②无定形（非晶形）结构：
如SiO2薄膜，密度＝2.15-2.25g/cm3
无定形结构特点：（由无规则排列的Si-O四面体组
成的三维网络结构),即短程有序，长程无序；
 Si-O四面体:在顶角处通过氧(O)相互联结,构成三
维网络结构。
2.1 SiO2的结构与性质




Si-O4四面体中氧原子：
桥键氧——为两个Si原子共用，是多数；
非桥键氧——只与一个Si原子联结，是少数；
无定形SiO2网络强度：与桥键氧数目成正比，与非
桥键氧数目成反比。
形成Si空位相对（形成O空位）困难：Si与4个O形成
4个共价键，O最多形成2个共价键；Si在SiO2中扩散
系数比O小几个数量级。
O、H2O穿过SiO2扩散到达Si表面反应。
2.1 SiO2的结构与性质
2.1.2 主要性质
①密度：表征致密度,与制备方法有关，无定形为2.2g/cm3。
②折射率:表征光学性质的参数，与制备方法有关，
一般密度越大则折射率越高。5500Å下约为1.46。
③电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在
1016Ω·cm以上，是较好的绝缘体。
④介电强度：表征耐压能力，一般在106 -107 V/cm。
⑤介电常数：表征电容性能，C   0 SiO
2
S
d
，εSiO2=3.9
⑥熔点：无固定熔点， >1700℃。（不同制备方法，其
桥键O数量与非桥键数量比不同）
2.1 SiO2的结构与性质
⑦腐蚀：化学性质非常稳定，室温下只与HF强烈反应。
 SiO2 + 4HF → SiF4 + 4H2O
SiF4进一步反应：
 SiF4 +2HF→H2（SiF6） （六氟硅酸，可溶于水）
 总反应式： SiO2 +6HF → H2（SiF6）+ 4H2O
 腐蚀速率：与HF的浓度、温度、 SiO2的质量（干
氧、湿氧）等有关。
2.2 SiO2的掩蔽作用
2.2.1 杂质在SiO2中的存在形式
按照是否含有杂质， SiO2可分为：本征二氧化硅（无杂质）
和非本征二氧化硅（有杂质）两类。而后者中的杂质又可以分
为两类：网络形成剂（者）和网络调节剂（改变者）
1.网络形成者：即替位式杂质，取代Si，如B、P、Sb等。其特
点是离子半径与Si接近。


Ⅲ族杂质元素：价电子为3，只与3个O形成共价键，剩余1
个O 变成非桥键氧，导致网络强度降低。
Ⅴ族杂质元素：价电子为5，与4个O形成共价键，多余1个
价电子与附近的非桥键氧形成桥键氧，网络强度增加。
2.2 SiO2的掩蔽作用
2.网络改变者：即间隙式杂质，如Na、K、Pb、Ca、
Ba、Al等。
其特点是离子半径较大，多以氧化物形式掺
入；结果使非桥键氧增加，网络强度减少。
 例如：
Na2O + Si-O-Si → Si-O- +-O-Si + Na+
H2O + Si-O-Si → Si-OH + HO-Si
2.2 SiO2的掩蔽作用
2.2.2 杂质在SiO2中的扩散系数（服从扩散规律）
 选择扩散：杂质在SiO2的扩散速度远小于在Si中的扩
散速度。
 扩散系数:DSiO2=D0exp(-ΔE/kT)
D0-表观扩散系数（ΔE/kT →0时的扩散系数）
ΔE-杂质在SiO2中的扩散激活能

B、P、As的DSiO2比DSi小，Ga、Al的DSiO2比DSi大得
多，Na的DSiO2 和DSi都大。
2.2 SiO2的掩蔽作用
2.2.3 SiO2掩蔽层厚度的确定
1.掺杂杂质的选择：DSi » DOX
 杂质在Si中的扩散深度(结深)：X j  A j Dt
AJ =2erfc-1 (NB /NS）
杂质在SiO2中的扩散深度：Z jO  A jO DOX t

AJO =2erfc-1 (Nob/ NoS）
ZjO:杂质在窗口(Si中)扩散深度达到Xj的同时,而在氧
化层内距表面为ZjO处的杂质浓度达到某一人为指
定值Nob。

2.2 SiO2的掩蔽作用

设氧化层厚度为ZOX，则
SiO2具有掩蔽扩散作用的条件： ZOX≥ ZjO，即
Z jO A jO
Z OX


Xj
Xj
Aj
DOX
D
若DOX>D，则ZOX较厚，难于制备、光刻，如Ga,Al；
DOX<D，则ZOX较薄，如B、P；
∴对D的要求：a. DOX要小；
b. 在Si中的D要大，但不能太大。?
D太大了，则结深太深，同时横向扩散严重。
2.2 SiO2的掩蔽作用
2.最小掩膜厚度ZOX,min的确定


ZOX ,min
Nob（恒定源扩散-再分布）
 Z jo  2 DOX terfc
Nos
若取Nob/Nos=10-3，则
1
ZOX ,min=4.6 DOX t
Nob/Nos=10-6，则
ZOX ,min=6.8 DOX t (双极)
Nob/Nos=10-9，则
ZOX ,min=8.6 DOX t (MOS)
例：SiO2掩蔽P扩散
P2O5+SiO2 →PSG（磷硅玻璃）
2.3 硅的热氧化生长动力学
2.3.1 硅的热氧化
 定义：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽等氧化
剂化学反应生成SiO2。
热氧化法SiO2的特点：质量好、重复性和化学稳定
性高、界面陷阱和固定电荷可控等。

2.3.1 硅的热氧化
热氧化的种类
1.干氧氧化：高温下，氧气与硅片反应生成SiO2



Δ
机理－起始氧化： Si+O2
SiO2
后续氧化：a.O2先向Si/SiO2界面扩散；
b.再在Si/SiO2界面附近继续氧化。
特点－速度慢；
氧化层致密，掩蔽能力强；
均匀性和重复性好；
表面与光刻胶的粘附性好，不易浮胶。
2.3.1 硅的热氧化
供应氧气至反应表面
O2
氧－SiO2界面
SiO2
氧－硅界面
Si
2.3.1 硅的热氧化
2.水汽氧化：高温下，硅片与高纯水蒸汽反应生成SiO2
机理－ ①起始氧化：2H2O+Si Δ SiO2+2H2↑
②后续氧化——两种机理
 一种：H2O先扩散到达Si/SiO2界面；再与Si氧化。
 另一种（包括三个步骤）：
（1）在SiO2表面上，水分子同桥键氧离子反应而形成非
桥键的羟基：
这就使得SiO2网络受到很大的削弱。这时在SiO2表面上生
成了硅烷醇（Si-OH）。
2.3.1 硅的热氧化
（2）硅烷醇扩散通过SiO2层，并在SiO2 -Si界面上，羟基
与硅反应而形成SiO4四面体和氢：
Si
Si OH
+
Si OH
Si
O
Si
+H
Si
2
Si
O
Si
（3）氢离开SiO2，并进一步与SiO2网络中的桥键氧离子反
应而形成非桥键的羟基：
2.3.1 硅的热氧化

特点：氧化速度快；
氧化层疏松－质量差；
表面是极性的硅烷醇--易吸水、易浮胶。
3.湿氧氧化——氧气中携带一定量的水汽
(兼有上述两种氧化机理)
 机理： O2+Si Δ SiO2
H2O+Si Δ SiO2+H2
 特点：氧化速率介于干氧与水汽之间；
氧化层质量介于干氧与水汽之间；
2.3.1 硅的热氧化
4.掺氯氧化——在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3
（TCE）、 C2H3Cl3 （TCA）
掺氯的作用：吸收、提取大多数有害的重金属杂质及
Na+，减弱Na+正电荷效应。
注意安全：TCE可致癌；TCA高温下可形成光气
（COCl2），俗称芥子气，是高毒物质，
而且TCA会对臭氧造成破坏。
5.实际生产—干氧-湿氧-干氧工艺
 好处：兼顾SiO2生长速度、界面特性、氧化层质量以
及与光刻胶的粘附性
2.3.1 硅的热氧化
2.3.2 热氧化生长动力学
自由流体(气体)
附面层
SiO2
Si
PG, CG
PS, CS
CO
Ci
F1
-xi
F2
0
F3
x0
x
2.3.2 热氧化生长动力学
1.氧化步骤
 a.氧化剂（O2、H2O）从气相经附面层扩散到气体－
Si02界面，流密度为F1；
 b.氧化剂扩散穿过Si02层，到达Si－Si02界面，流密
度为F2；
 c.在界面处与Si氧化反应，流密度为F3；
 d.反应的副产物（H2)扩散出Si02层，逸出反应室。
（附面层：速度及浓度分布受到扰动的区域，也称滞留
层）
2.3.2 热氧化生长动力学
2.热氧化模型--Deal-Grove模型（迪尔-格罗夫）
假定氧化是平衡过程--准静态近似，即
F1=F2=F3
 设附面层中的流密度为线性近似，即
F1=hg(Cg-Cs)
hg-气相质量转移系数，
Cg-气体内部氧化剂浓度，
Cs-SiO2表面的氧化剂浓度；
2.3.2 热氧化生长动力学


流过SiO2层的流密度就是扩散流密度，即
F2=-DOXdC/dx= DOX(CO-Ci)/XO（线性近似）
DOX——氧化剂在SiO2中的扩散系数
C0——SiO2表面的氧化剂浓度，
Ci——SiO2-Si界面处的氧化剂浓度；
X0——SiO2的厚度。
氧化剂在Si表面的反应流密度与Ci成正比，即
F3=kSCi，
kS——氧化剂与Si反应的化学反应常数；
2.3.2 热氧化生长动力学
根据稳态条件F1=F2=F3可以得到：
*
*
(1

k
x
D
)C
C
S O
SiO 2
Ci 
CO 
1  k S h  k S x O DSiO 2
1  k S h  k S x O DSiO 2
以上两式中C*表示平衡情况下的SiO2中氧化剂浓度。
根据以上两式可得硅热氧化的两种极限情况：
①氧化剂在SiO2中的扩散系数很小： DSiO2  k S x O
可得： Ci  0, C0  C *
——扩散控制
②氧化剂在SiO2中的扩散系数很大： DSiO2  k S x O
可得：Ci  C0  C * (1  kS h) ——反应控制
热氧化生长速率—
氧化层厚度与氧化时间的关系
 平衡时，得到氧化层厚度ZOX与氧化时间的一般方程为：
Z
2
OX
 AZOX  B(t   )
式中： A  2DSiO2 (1 kS 1 h)
B  2DSiO2 C * N1 )
  (Z
* 2
OX
 AZ *OX ) B 时间常数，反映了初始氧化层对后继热
氧化的影响（初始氧化层修正系数）。

——初始氧化层厚度。
Z OX
N1(干氧：2.2×1022 /cm3；水汽：4.4×1022 /cm3 ）
 解上述方程得： Z OX

A
t 
  1 2
 1
2
A / 4B 
2.3.2 热氧化生长动力学
两种氧化极限：
2
(
t


)

A
4B
a.当氧化时间很短，即
则 ZOX = B (t   ) ---线性氧化规律
A
kS h C *
B
其中： 
A kS  h N1 --线性速度常数；反应控制
b.当氧化时间很长，即 (t  )  A2 4B
2
Z
则
---抛物线型氧化规律
OX =B(t   )
其中：B  2DSiO C * N1 )---抛物型速度常数；扩散控制
2
练习：
计算在120分钟内，973 ℃水汽氧化过程中生长
的二氧化硅厚度，假定硅片在初始状态时已有1000Å
的氧化层。
2.3.2 热氧化生长动力学
SiO2表面
SiO2
原先的硅界面
x0
x2
硅衬底
3.硅的消耗问题
问题：生长厚度为Zox的二氧化硅，估算需要消
耗多少厚度Z的硅？
由Zox与Z的关系得到： NSi Z  NSiO2 ZOX
式中 NSi  5.0 1022 / cm3 ——硅晶体的原子密度
NSiO2  2.2 1022 / cm3 ——无定形SiO2的分子密度
所以 Z 
N SiO2
N Si
ZOX  0.44ZOX
说明：要生长一个单位厚度的二氧化硅，就需要
消耗0.44个单位厚度的硅。