第三讲氧化

氧 化硅表面 SiO2的简单实现，是硅材料被广泛应用的一个重要因素。二氧化硅 结构、性质SiO2的极易生成是最大的优点之一。当硅表面暴露在氧气当中时，就会形成 SiO2。 SiO2膜的原子结构如图所示。它是 由一个硅原子被 4个氧样原子包围着的四面体单元组成的。是一种无定型的玻璃状结构，具体地说是一种近程有序的网状结构，没有长程有序的晶格周期。氧化膜的用途1. 保护器件免划伤和隔离沾污2. 限制带电载流子场区隔离（表面钝化）3. 栅氧或储存器单元结构中的介质材料4. 掺杂中的注入掩蔽5. 金属导电层间的介质层硅上热生长的氧化层的温度在 750 1100 之间，称为热氧化层，或热二氧化硅。二氧化硅熔点 1732 ，热生长的 SiO2能紧紧粘附在硅衬底上，并具有优良的介质。当硅片在空气中曝露，就会在表面形成结构原子层的自然氧化膜，室温下最厚可达 40。l半 导 体 应 用 l典型厚度 l栅 氧（ 0.18m工 艺 ） l2060l电 容器的 电 介 质 l5100l掺杂 掩蔽氧化物 l4001200（依 赖 于 掺杂剂 、注入能量、 时间 和温度）lSTI隔离氧化物 l150lLOCOS垫 氧 l200500l场 氧 l250015000不同要求下氧化物厚度范围氧化生长方式慢、密度高快、密度低干氧氧化750 1100 湿氧氧化n 氧化生长模式无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的 0.46，这就意味着每生长 1m的氧化物，就有 0.46m的硅消耗（干、湿氧化略有差别）。氧化系统示意图氧化工艺n 干氧 氧气直接通向高温氧化炉与硅反应，特点是氧化速率小，氧化层致密，非常适合 MOS器件中栅极氧化中低于 0.1微米的薄氧化层的生长。n 湿氧 先让氧气通过气泡发生器，使氧中携带一定量的水汽（水汽含量一般由水浴温度和气源压力决定）。特点 ： 氧化速率大，但氧化层结构疏松，质量 不如干氧。 为了既保证氧化质量又提高氧化速率，通常采用： 干氧 +湿氧 +干氧 的氧化工艺加氯氧化 为了满足薄的 MOS栅极氧化层质量要求，通常采用加氯氧化法。在氧气中加入氯后，氯可以减少氧化层里的移动离子（ Na）电荷，从而减少硅表面及氧化层的结构缺陷，即减少硅氧结合处的电荷。氧化时的氯气可以使用氯化氢、三氯乙烯、氯方等分解得到，也是通过气泡发生器以气态形式进入反应室。从安全和方便的角度讲，氯仿是比较好的氯源。n SiO2-Si界面从单晶硅到无定形 SiO2间的 SiO2/Si界面上存在突变。我们知道，在 SiO2分之中，每个硅原子和四个氧原子键合，每个氧原子和 2个硅原子键合， 但在 SiO2/Si界面上有些硅原子并没有和氧原子键合（见下图）。距SiO2/Si界面 2nm以内的硅不完全氧化是带正电荷的固定氧化物电荷区。 界面处积累的其他一些电荷包括 界面陷阱电荷、可移动氧化物电荷。 前者由结构缺陷、氧化诱生缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成，后者是由于可动离子沾污引起的，在远离界面的氧化物体内，也可能有正的或负的电荷氧化物陷阱电荷。对于器件的正常工作，界面处的电荷堆积是不受欢迎的，它会导致 MOS器件的开启电压值变得无法接受， 通过在氢气或氢氮混合气体中低温（ 450 ）退火可以减少这种不可接受的电荷。从单晶硅到无定形 SiO2间的 SiO2/Si界面上存在突变。我们知道，在 SiO2分之中，每个硅原子和四个氧原子键合，每个氧原子和 2个硅原子键合， 但在 SiO2/Si界面上有些硅原子并没有和氧原子键合。距 SiO2/Si界面 2nm以内的硅不完全氧化是带正电荷的固定氧化物电荷区。 界面处积累的其他一些电荷包括 界面陷阱电荷、可移动氧化物电荷。 前者由结构缺陷、氧化诱生缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成，后者是由于可动离子沾污引起的，在远离界面的氧化物体内，也可能有正的或负的电荷氧化物陷阱电荷。对于器件的正常工作，界面处的电荷堆积是不受欢迎的，它会导致 MOS器件的开启电压值变得无法接受， 通过在氢气或氢氮混合气体中低温（ 450 ）退火可以减少这种不可接受的电荷。氧化过程描述Ts1是滞留层厚度， Cg可用理想气体定律计算hg是质量输运系数Ks是化学反应速率常数两个方程三个未知浓度亨利定律：固体表面吸附元素的浓度与固体表面外气体中该元素的分气压成正比H是亨利气体常数只要将界面流量除以单位体积 SiO2的氧分子数，通常用 NO2标示，就可获得生长速率，对于用分子氧进行的氧化来说， NO2是 SiO2中 氧原子数密度的一半，即2.21022假定在氧化前已存在的氧化层厚度为 t0，则以上微分方程的解为：n 选择性氧化 /局部氧化（ LOCOS）硅片上的选择性氧化区域是利用 SiO2来实现对硅表面相邻器件间的电隔离。传统的 .025m工艺以上的器件隔离方法是硅的局部氧化。在氧化时，当 O2扩散穿越已生长的氧化物是，他是在各个方向上扩散的，纵向扩散的同时也横向扩散，这意味着在 氮化物掩膜下有着 轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边沿。我们称之为 “ 鸟嘴效应 ” 。n 浅槽隔离（ STI）用于亚 0.25m工艺的选择性氧化的主要技术是 浅槽隔离。 STI技术中的主要绝缘材料是淀积氧化物。快速加热工艺主要是用在离子注入后的退火，目的是消除由于注入带来的晶格损伤和缺陷。高温炉设备1. 卧式炉2. 立式炉3. 快速热处理（ RTP），单片水平炉管反应炉最早使用也一直延续至今。主要用在氧化、扩散、热处理及各种淀积工艺中。水平炉管反应炉的截面图如下：整个系统包含反应室、温度控制系统、反应炉、气体柜、清洗站、装片站 等RTP时间 /温度曲线如下加热源（十字钨灯）在晶园的上面，这样晶园就可被快速加热。热辐射偶合进入晶园表面并以 75 125 的速度到达工艺温度，由于加热时间很短，晶园体内温度并未升温，这在传统的反应炉内是不可能实现的。用这个工艺进行离子注入后的退火，就意味着晶格破坏修复了，而掺入杂质的分布没有改变。RTP技术不只是用在 “退火工艺 ”，对于 MOS栅极