热氧化（课堂PPT）

1、1 热氧化热氧化(Thermal Oxidation)2热氧化热氧化(Thermal Oxidation)一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型) 热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？ 氧化膜质量的检测五.文献调研3一一.什么是热氧化？什么是热氧化？1.热氧化定义：将硅片置于高温下，通以氧化的气氛，使硅表面一薄层的硅转变为二氧化硅的方法。42.二氧化硅(Si02)的结构2.1基本架构单元：4个O原子位于四面体的顶点，Si位于四面体中心。56结晶形和非结晶形（无定形）二氧

2、化硅都是SiO正四面体结构组成的。这些四面体通过不同的桥键氧原子连接，形成不同状态和结构的二氧化硅。桥键氧桥键氧非桥键氧非桥键氧热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构(长程无序但短程有序)。SiOSiO2 2有有结晶形结晶形和和无定形无定形两类。两类。7热氧化热氧化(Thermal Oxidation)一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型) 热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？ 氧化膜质量的检测五.文献调研8二二.为什么要热氧化？为什么要热氧化？1.氧化膜作用氧化膜作用

3、.作为杂质扩散或离子注入的掩蔽层.表面钝化层.器件隔离用的绝缘层.mos器件的组成部分栅介质.电容器的介质材料.多层布线间的绝缘层9 介电强度高： 10 MV/cm 2.1二氧化硅的绝缘特性二氧化硅的绝缘特性 电阻率高： 1 1014 cm 1 1016 cm 禁带宽度大： 9 eV 介电常数：3.9 (热氧化二氧化硅膜) 2.SiO2的性质10 B、P、As 等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其 在Si中的扩散系数。DSi DSiO2 SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散温度等，有一最小掩蔽厚度。 2.2 二氧化硅的掩蔽性质二氧化硅的掩蔽性质112.3 二氧化硅的

4、化学稳定性二氧化硅的化学稳定性 二氧化硅是硅的最稳定化合物，属于酸性氧化物， 不溶于水。 耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。12热氧化热氧化(Thermal Oxidation)一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型) 热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？ 氧化膜质量的检测五.文献调研热氧化工艺热氧化工艺22( )( )( )Si sO gSiO s 1、干氧氧化:222( )2( )( )2( )Si sH O gSiO sHg 2、水汽氧化:3、湿氧氧化: 通过高

5、纯水的氧气携带一定水蒸气14干氧氧化系统15水汽氧化系统常压下干氧、水汽、湿氧氧化法的特点及适用范围常压下干氧、水汽、湿氧氧化法的特点及适用范围17在实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层来说往往采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式，既保证了二氧化硅层表面和Si-SiO2界面的质量,又解决了生长效率的问题。1、 氧化剂扩散穿过滞留层达到氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2- 气体界气体界 面，其流密度为面，其流密度为F1。F1= F2= F3 F3=KSNi hG为气相质量转移系数；2SiODKS为氧化剂与Si反应的界面化学反应常数。F1=hG（NG-NS） 为氧化剂在SiO2中的扩散系数;采用准静

6、态近似（即所有反应物立即达到稳态条件），则：采用准静态近似（即所有反应物立即达到稳态条件），则：0222XNNDdxdNDFisSiOSiO 热氧化生长动力学热氧化生长动力学一、热氧化过程一、热氧化过程、氧化剂扩散穿过、氧化剂扩散穿过SiO2层达到层达到SiO2-Si界面，流界面，流 密度为密度为F2。 、氧化剂在、氧化剂在Si表面与表面与Si反应生成反应生成SiO2，流密度，流密度 为为F3。 kTPNGG kTPNSS 根据HenryHenry定律，在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中的分压，则SiO2表面处的氧化剂浓度NS： NS=HPS H为 HenryHenry定律常

7、数。平衡条件下，SiO2中氧化剂的平衡浓度N*与气体中氧化剂分压PG关系： N*=HPG 由理想气体定律：将上述四式代入: 得: F1=h(N*-NS) F1=hG（NG-NS） HkThhG 其中: 再由 F1= F2= F3 得: h(N*-NS)02XNNDisSiO=KSNi 2/1*0SiOSSiDXKhKNN 22/1*100SiOSSSiOSSDXKhKNDXKN 得*, 0NNNSi hKNNNSSi/1* 1）DSiO2KSX0SiOSiO2 2的生长速度由的生长速度由SiSi表面的化学反应速度决定，表面的化学反应速度决定，称为反应控制。称为反应控制。氧化的两种极限下，氧化层

8、中氧化剂的分布示意图氧化的两种极限下，氧化层中氧化剂的分布示意图SiOSiO2 2的生长速度主要由氧化剂的扩散速度决定，的生长速度主要由氧化剂的扩散速度决定，称为扩散控制。称为扩散控制。二、二、SiO2的生长厚度计算的生长厚度计算 dtdXNF013 N1为生长单位体积的SiO2所需的氧化剂分子个数。氧化剂为O2时，N1为2.21022/cm3；氧化剂为H2O时，N1为4.41022/cm3。 2/1*0301SiOSSSisDXKhKNKNKFdtdXN由初始条件X0（0）=Xi 求得：X02+AX0=B（t+） hKDASSiO1122Si表面处的流密度也可表示为表面处的流密度也可表示为其

9、中：1*22NNDBSiO BAXXii 2 进一步： 14/)(1220BAtAX (无定形二氧化硅的分子密度NSiO2=2.21022/cm3) 14/)(1220BAtAX 1）氧化初期 t + , t A2/4B，抛物线氧化规律 B为抛物线氧化速率。SiO2生长速率由氧化剂在SiO2中的扩散快慢决定。此时B/A为线性速率常数，SiO2生长速率由SiO2-Si表面化学反应速率常数KS决定。1*22NNDBSiO 氧化层厚度)(tBXo23热氧化热氧化(Thermal Oxidation)一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途三

10、.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型) 热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？ 氧化膜质量的检测五.文献调研24氧化膜质量检测 质量检测是氧化工艺的一个关键步骤 氧化层质量的含义包括：厚度、介电常数、折射率、介电强度、缺陷密度等 质量检测需要对上述各项指标的绝对值、其在片内及片的均匀性进行测量 质量检测的方法一般可分为：物理测量、光学测量、电学测量 1.氧化膜厚度测量方法氧化膜厚度测量方法282.氧化膜的电学测量方法：（1）.击穿电压（2）.电荷击穿特性 (3).电容-电压(C-V)测试：增加电容器电压，测量通过氧化层的电流热氧化硅的介电强度大约为12MV/cm；给氧化

11、层加刚好低于击穿电场的电应力，测量电流随时间的变化关系。TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown) 测试根据C-V曲线及其温偏特性，可以判断氧化层中的固定电荷密度、可动电荷密度和界面态密度等。29击穿电压的统计分布反映氧化层质量。 击穿电压：击穿电压：二氧化硅膜击穿电压的典型直方图30 电荷击穿特性：击穿由电荷在氧化层中的积累而造成。200埃SIO2膜的恒定压力测量,曲线末端电流急剧上升表明发生了不可恢复的介质击穿.31 电容-电压(C-V)测试：温度-偏压法：1) 提取MOS电容C-V曲线；2) 样品加热到 100C，在栅极加2-5meV/cm,保持1

12、0-20分钟,冷却到室温做C-V曲线；3) 加负偏压，重复上述过程。C-V曲线32热氧化热氧化(Thermal Oxidation)一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型) 热氧化工艺（方法）和系统四.氧化完之后呢？ 氧化膜质量的检测五.文献调研33Improved Si/SiOx interface passivation by ultra-thin tunneling oxide layers prepared by rapid thermal oxidation(RTO

13、)We analyze the influence of different oxidation methods on the chemical passivation quality of silicon oxide-nanolayers on crystalline silicon wafers with surface photo voltage(SPV) and quasi-steady-state photo conductance (QSSPC)measurements.These results are compared with silicon oxide-nanolayers

14、 prepared by wet chemical oxidation and plasma oxidation .Appiled Surface Science34Experimental setup and procedure 1.RCA cleaning measure roughness(UV-vis) 2.Re-oxidized measure thickness(UV-vis) 3.Cleaved into two halves 4.Measure Dit by SPV 5.Measure eff by QSSPC remained in the as-deposited stat

15、e anneal inFGA 450 60minChemical oxidationPlasma oxidation Rapid Thermal Oxidation 35 1. Wet chemical oxidation in boiling nitric acid NAOS (69.5% HNO3)for 30 min. 2. Plasma oxidation in a gaseous mixture of nitrogen and oxygen(1000 sccm N2: 100 sccm O2) at 300 C using a Surface Technol-ogy Systems

16、(STS) PECVD system. 3. Thermal oxidation in a gaseous mixture of argon and oxygen(2000 sccm Ar: 200 sccm O2) at 950 C using a Jipelec JetFirst Rapid Thermal Oxidation (RTO) system.36Tab.1.37Fig.1.38Fig.2.39Fig.3.40Fig.4.41Fig.5.42Fig.6.143Fig.6.244Tab.2.45Fig.7.46ConclusionA reason for the improveme

17、nt by annealing in forming gas environment could be the passivationof dangling bonds with hydrogen atoms present in the form-ing gas.The surface passivation quality of the a-SiNx:H layer can be enhanced tremendously by using a RTO oxide-nanolayer as intermediate layer.Using this RTO oxide-nanolayer

18、in passivated contacts for solar cells could improve the achievable Voc and thus to improve the efficiency.47Surface Passivation of Crystalline Silicon Sloar Cells by High-Pressure Thermal Oxidation at Low Temperature It was revealed that high-quality surface passivation could be realized by the Hp oxidation at 2MPa and 550. It was also demonstrated that the HP oxidation can