超大规模集成电路技术基础3修改.ppt

第3章硅氧化 VLSI制造中 薄膜工艺是核心 包括热氧化膜 含栅氧化膜和场氧化膜 电介质膜 多晶硅膜 金属膜 黄君凯教授 图3 1MOSFET截面图 3 1热氧化方法 热氧化装置线性升温至氧化温度 900 1200 控温精度 气流速率 黄君凯教授 图3 2热氧化炉截面 垂直层流罩 3 1 1生长动力学 1 生长工艺干氧化 湿氧化 设生长厚度为的层需消耗硅层厚度为 若非晶层中硅原子密度 单晶硅原子密度 则上图中厚的层内的硅原子数 应与厚的单晶硅层内的硅原子数相等 解出 黄君凯教授 图3 3热氧化过程 2 膜结构膜结构 晶态和非晶态 无定形 的密度分别为和热氧化生成的膜结构 非晶态 湿氧化结构比干氧化结构稀疏 黄君凯教授 图3 4膜结构 氧桥 非氧桥 3 生长动力学定义 为氧化物表面附近氧化剂分子平衡浓度为硅表面附近氧化剂分子浓度为氧化物中氧化剂分子浓度其中 干氧化时氧分子在氧化物中的浓度为湿氧化时分子在氧化物中的浓度为则右图中氧化剂扩散过层流量为 3 1 黄君凯教授 图3 5热氧化模型 式中为氧化剂的扩散系数 为已存在的氧化层厚度 氧化剂与硅发生反应产生的流量为 3 2 式中为表面反应速率常数 具有速率量纲 稳态时 联立上两式 黄君凯教授 当氧化物厚度为时 氧化层生长速率为 当时 氧化物初始厚度为 干氧氧化时 从上式可解出 3 3 式中 物理意义为引起的时间坐标平移 从式 3 3 可得 3 4 黄君凯教授 分析 当时 式 3 4 作泰勒展开 可简化为 3 5 对应于氧化物生长初期 限制了生长速率 出现线性型生长关系 当时 式 3 4 可简化为 3 6 对应于氧化物生长后期 限制了生长速率 出现抛物线型生长关系 黄君凯教授 紧凑形式在式 3 3 中 令 抛物线率常数 线性率常数 则式 3 3 3 5 3 6 可写成紧凑式 3 7 3 8 3 9 黄君凯教授 4 结果讨论线性率常数具有形式 为激活能 并取决于单晶硅晶向 实验结果 具有激活能函数形式 且 接近键能 推论 由于与氧原子和硅晶格反应速率有关 也即与硅表面键结构有关 从而与晶向有关 由于晶面键密度比晶面更高 故晶面的值更大 黄君凯教授 图3 6B A T关系 抛物线率常数具有形式 并与晶向无关 实验结果 具有激活能函数形式 且接近氧在中的扩散激活能 接近水在中的扩散激活能 推论 与氧化剂在中的随机扩散有关 从而与单晶硅晶向无关 黄君凯教授 图3 7B T关系 湿氧化速率远高于干氧化 且均与单晶硅晶向有关 实验结果 湿氧化获得的薄膜厚度远大于干氧化 且在晶向的单晶硅衬底生长的薄膜厚度大于晶向 黄君凯教授 图3 8干氧氧化 图3 9湿氧氧化 推论 因湿氧化值和值均大于干氧化 并且晶向的值大于晶向 故相应的薄膜生长更快 注意 由于干氧化膜质量远优于湿氧化膜 故制备厚度相当薄的高质量栅氧化层 采用干氧法 但这时需考虑的影响 即 制备厚度较厚的场氧化层 则要用湿氧法 这时无需考虑的影响 即 黄君凯教授 3 1 2薄氧化层生长 厚度5 20nm 方法 大气压下低温干氧法 低压干氧法 低氧分压干氧法 混合氧化法 干氧化 CVD法 讨论 在干氧化