簡(jiǎn)介在固態(tài)擴(kuò)散、離子注入、外延中作為定域工藝的掩蔽層；作為IC中的隔離介質(zhì)(場(chǎng)氧)及多層布線間的絕緣介質(zhì)層；作為MOS器件的柵介質(zhì)膜；作為晶片表面保護(hù)層或PN結(jié)終端的鈍化層；作為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中的電容氧化膜或光電器件中的反射層。熱氧化:二氧化硅——一種絕緣的介質(zhì)膜用途制備方法熱生長(zhǎng)氧化法**烷氧基硅烷加熱分解硅烷在氧氣中加熱分解電解陽極氧化法（濕法）等離子體陽極氧化法(干法）外延淀積法（SiCl4

水解法）陽極氧化法熱分解淀積法CVD反應(yīng)濺射法7/4/202513.2熱生長(zhǎng)二氧化硅膜

二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)氧化系統(tǒng)簡(jiǎn)介與熱氧化膜的制備方法熱氧化膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)原理**薄/厚膜氧化層的制備硅的局部氧化（選擇性氧化）二氧化硅的掩蔽作用*氧化工藝的設(shè)計(jì)*氧化層錯(cuò)與氧化層質(zhì)量檢測(cè)主要內(nèi)容7/4/202523.2.1

二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)SiO2基本結(jié)構(gòu)單元特點(diǎn):正四面體結(jié)晶形SiO2二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：長(zhǎng)程有序分類：結(jié)晶形和無定形結(jié)構(gòu)一.二氧化硅結(jié)構(gòu)2.27?1.6?7/4/20253本征無定形SiO2橋鍵氧原子非橋鍵氧原子本征無定形SiO2:只含Si、O兩種原子的SiO2，即無摻雜的SiO2氧原子為兩個(gè)硅原子所共有氧原子只和一個(gè)硅原子相聯(lián)結(jié)，沒有形成氧橋有兩種氧原子特點(diǎn)：長(zhǎng)程無序，短程有序Si原子無定形SiO2二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本征非本征按是否含有雜質(zhì)來分7/4/20254SiSi

SiO2二維結(jié)構(gòu)示意圖SiO2結(jié)構(gòu)中有兩種氧原子：橋鍵氧原子與非橋鍵氧原子這兩種氧原子的比例會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、密度等性質(zhì)。橋鍵氧原子越多→SiO2的結(jié)構(gòu)越緊密，強(qiáng)度越大；非橋鍵氧原子越多→SiO2的結(jié)構(gòu)越疏松，強(qiáng)度越弱。

橋鍵氧原子非橋鍵氧原子7/4/20255SiO2中的雜質(zhì)

大多數(shù)被電離，且多數(shù)以正離子的形式存在。按其在網(wǎng)絡(luò)中的位置和作用可分為網(wǎng)絡(luò)形成劑和網(wǎng)絡(luò)改變劑。非本征無定形SiO2網(wǎng)絡(luò)改變劑非本征無定形SiO2：除了Si

、O兩種原子外，還有其他原子的SiO2，即摻入雜質(zhì)的SiO2。網(wǎng)絡(luò)形成劑網(wǎng)絡(luò)形成劑相當(dāng)于替位式雜質(zhì)相當(dāng)于間隙式雜質(zhì)二.二氧化硅中的雜質(zhì)——非本征SiO27/4/20256網(wǎng)絡(luò)形成劑：R雜質(zhì)離子≤RSi離子如：B、P、Al等雜質(zhì)，可在網(wǎng)絡(luò)中取代Si原子的位置。（類比硅中的替位雜質(zhì)）B：以B2O3形式加入到SiO2中，B取代Si原子位于四面體中心；由于B2O3比Si2O4少一個(gè)O原子

非橋鍵氧減少（橋鍵氧數(shù)目增加）

緊密。P：以P2O5形式加入到SiO2中，P取代Si原子位于四面體中心；由于P2O5比Si2O4多出了一個(gè)O原子

或者呈非橋聯(lián)氧，或者交給網(wǎng)絡(luò)，使其中一部分橋聯(lián)氧變?yōu)榉菢蚵?lián)氧

疏松P加入到SiO2中會(huì)使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)富氧狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得更加疏松。含磷的SiO2

稱磷硅玻璃；B加入到SiO2中會(huì)使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)缺氧狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得更加緊密，強(qiáng)度增大。含硼的SiO2

稱硼硅玻璃。7/4/20257網(wǎng)絡(luò)改變劑：R雜質(zhì)離子≥RSi離子如：K、Na、Ga、Al等雜質(zhì)，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中不能取代Si原子的位置，只能占據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的空洞處。（類比硅中的間隙雜質(zhì)）在不太高的溫度和電場(chǎng)作用下，Na就可掙脫價(jià)鍵的束縛，以正離子的形式在結(jié)構(gòu)疏松的SiO2中移動(dòng)。這就是Na離子引起器件性能不穩(wěn)定和劣化的主要原因。(水汽與Na相似）

橋鍵氧原子微弱的鍵合力SiSiNa2O+SiNa…2Na：以Na2O形式加入到SiO2中，將其O原子交給網(wǎng)絡(luò)，使一部分橋鍵氧變?yōu)榉菢蜴I氧，于是網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得更加疏松。非橋鍵氧原子

Na以微弱的鍵合力與非橋聯(lián)氧連接著，處于網(wǎng)絡(luò)的空洞處。7/4/20258若干雜質(zhì)的離子半徑網(wǎng)絡(luò)改變劑網(wǎng)絡(luò)形成劑7/4/20259①密度：表示SiO2結(jié)構(gòu)的致密程度；密度大，表示致密程度高；二氧化硅的密度約為2.23g/cm2，硅的密度為2.33g/cm2，所以，硅的密度大于二氧化硅的密度。Si

變成SiO2后體積會(huì)膨脹②折射率：表示SiO2的光學(xué)性質(zhì)；

SiO2的折射率約為1.46。③電阻率：表示SiO2的電學(xué)性質(zhì)；SiO2的電阻率約為1016cm。④介電強(qiáng)度：表示單位厚度的SiO2薄膜的耐壓能力；106～107V/cm⑤介電常數(shù)：表示SiO2的電容性能；SiO2的相對(duì)介電常數(shù)

SiO2為3.9。⑥熱膨脹系數(shù):表示SiO2受溫度變化的形變；SiO2熱膨脹系數(shù)小，是Si的1/5；故冷卻時(shí)易產(chǎn)生微細(xì)的裂紋，喪失鈍化和掩蔽的作用；⑦分凝系數(shù)：平衡時(shí)雜質(zhì)在硅和二氧化硅界面的分凝系數(shù)為一常數(shù)；對(duì)于B:m≈0.3;對(duì)于P：m≈10物理性質(zhì)：不同方法制備的SiO2，其密度,折射率,電阻率等不同三、SiO2物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)7/4/202510①SiO2是最穩(wěn)定的硅化物；②SiO2不溶于水；③SiO2能耐較強(qiáng)的侵蝕，但極易與HF作用；化學(xué)性質(zhì)：④SiO2能被強(qiáng)堿熔蝕，也可被H、Al、Si等還原。反應(yīng)式：不同方法制備的SiO2，其腐蝕速度不同。7/4/202511電阻加熱氧化爐截面示意圖3.2.2熱氧化系統(tǒng)與熱氧化膜的制備方法一、氧化系統(tǒng)7/4/202512熱氧化系統(tǒng)與熱擴(kuò)散系統(tǒng)相似二、氧化步驟氧化溫度：1000℃左右7/4/202513熱氧爐內(nèi)溫度分布步驟、時(shí)間溫度/℃12345678

STRTO2H2OO2N25~30/min2~10/minN2熱氧化的步驟：摻氯7/4/202514①干氧氧化(摻氯氧化)；②濕氧氧化；③水汽氧化(氫氧合成氧化)；水汽氧化：通入水汽進(jìn)行氧化。濕氧氧化：氧氣在通入反應(yīng)室之前，先通過加熱高純?nèi)ルx子水，使氧氣中攜帶一定量的水汽；干氧氧化：通入純凈的干燥的氧氣進(jìn)行氧化。按氧化氣氛的不同來分水汽含量的多少由水浴溫度和氣流決定，飽和情況下只與水浴溫度有關(guān)。水汽來源于高純?nèi)ルx子水氣化或H、O直接燃燒化合而成。三、氧化方法分類摻氯氧化:

氧化時(shí)加入少量氯氣(Cl2)、氯化氫(HCl)、三氯乙烯(C2HCl3或TCE)或三氯乙烷(TCA)等含氯的氣態(tài)物。7/4/202515①氧化層結(jié)構(gòu)致密，氧化速度慢；②均勻、重復(fù)性好；③SiO2層表面的硅氧烷與光刻膠粘附性良好，不易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。干氧氧化特點(diǎn)：化學(xué)反應(yīng)：干氧氧化時(shí)，SiO2層的表面結(jié)構(gòu)為硅氧烷結(jié)構(gòu)（如圖）

橋鍵氧原子硅氧烷呈非極性，它與光刻膠（非極性）粘附性良好，不易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。1.干氧氧化在高溫下，氧氣與硅片表面的硅原子反應(yīng)生成SiO2起始層。7/4/2025162.水汽氧化化學(xué)反應(yīng)：④所生成的H2將迅速離開SiO2-Si界面，也可能與氧結(jié)合形成羥基(與干氧氧化不同)。②水分子先與表面的SiO2反應(yīng)生成硅烷醇(Si-OH)結(jié)構(gòu)；(與干氧氧化不同)化學(xué)反應(yīng)：③Si-OH再穿過氧化層擴(kuò)散到達(dá)SiO2-Si界面處，與硅原子反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)：①在高溫下，水汽與硅片表面的硅原子反應(yīng)生成SiO2起始層。7/4/202517水汽氧化時(shí)SiO2層的表面結(jié)構(gòu)①氧化層結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)量不如干氧好，水汽氧化速度快；②均勻、重復(fù)性差。③表面是極性的硅烷醇結(jié)構(gòu)，存在的羥基極易吸附水，極性的水不易與非極性光刻膠粘附，所以氧化層容易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。水汽氧化特點(diǎn)：羥基極易吸附水吸附水后呈極性易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象

非橋鍵氧原子硅烷醇硅烷醇7/4/2025183.濕氧氧化：兼有干氧和水汽兩種氧化的共同特點(diǎn)，氧化速度和質(zhì)量介于兩者之間。特點(diǎn)：氧氣系統(tǒng)中含有氧氣和一定量的水汽。速度均勻重復(fù)性結(jié)構(gòu)掩蔽性水溫干氧慢好致密好濕氧快較好中基本滿足95℃水汽最快差疏松較差102℃實(shí)際中，

MOS結(jié)構(gòu)柵氧化層制作采用：干氧氧化;

IC中的場(chǎng)隔離氧化(即場(chǎng)氧)制作采用：濕氧或水汽氧化

掩蔽膜制作采用，干氧(摻氯)

-濕氧-干氧交替氧化三種氧化的特點(diǎn)比較請(qǐng)記錄7/4/2025194.摻氯氧化

目的：減小SiO2中的Na+污染，改善SiO2層的質(zhì)量。摻氯氧化機(jī)理：在干氧氧化的同時(shí)，氯結(jié)合到氧化層中，并集中分布在SiO2-Si界面附近。氯在Si-SiO2界面處以氯-硅-氧復(fù)合體形式存在。－O－Si+…ClOO－O－Si++Cl

－OO

網(wǎng)絡(luò)改變劑氯源：氯氣(Cl2)、氯化氫(HCl)

、三氯乙烯(C2HCl3或TCE)或三氯乙烷(TCA)等。7/4/202520①摻氯氧化可吸收、提取氧化層下面硅中的雜質(zhì)，減少復(fù)合中心，使少子壽命增加。因?yàn)楦邷叵侣葰夂驮S多雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性的化合物而從反應(yīng)室逸出。摻氯氧化的特點(diǎn)：②可鈍化可動(dòng)離子，改善器件特性及可靠性。由于集中分布在SiO2-Si界面附近的氯Cl-可使移到此處的Na+被陷住不動(dòng)，從而使Na+喪失電活性和不穩(wěn)定性。④可提高氧化速度，氯起催化劑的作用。③可降低SiO2層中的固定電荷和界面態(tài)密度，減少二氧化硅中的缺陷。由于氯中和界面電荷，填補(bǔ)了氧空位。反應(yīng)：7/4/202521在高溫下，當(dāng)氧氣與硅片接觸時(shí)，氧氣分子與其表面的硅原子反應(yīng)生成SiO2起始層。由于該起始氧化層會(huì)阻礙氧分子與Si表面的直接接觸，因此，其后的繼續(xù)氧化是氧（負(fù)氧離子）擴(kuò)散穿過已生成的SiO2向Si側(cè)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)SiO2-Si界面進(jìn)行反應(yīng),使氧化層厚度不斷加厚。氧化過程示意圖（SiO2-Si界面不斷發(fā)生變化）SiSiO2SiSiO2一、氧化機(jī)理請(qǐng)記錄3.2.3

熱氧化膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)原理7/4/202522Si-SiO2界面O2-SiO2界面SiO2起始層Si襯底O2SiO2

SiSiOx正生長(zhǎng)的SiO2層二.氧化微觀過程穿過氧化層的氧擴(kuò)散7/4/2025231、在氧化過程中，SiO2-Si界面隨熱氧化而移動(dòng)，隨著氧化層厚度的增加，SiO2-Si界面逐漸向硅襯底內(nèi)部延伸。說明：2、由于硅的密度(2.33g/cm2)大于二氧化硅的密度(2.23g/cm2)，所以，硅變成二氧化硅時(shí)，其硅原子數(shù)保持不變，所以，體積會(huì)增大。生成厚度為xo的氧化層大約需要消耗的0.445xo硅層。7/4/202524較慢很快(不考慮)較快①氧化劑(氧氣或水汽)從氣相內(nèi)部輸運(yùn)到氧化層表面。②擴(kuò)散穿過已經(jīng)生成的氧化層，抵達(dá)SiO2-Si界面；③在界面處與硅發(fā)生氧化反應(yīng)；④反應(yīng)副產(chǎn)物(如H2)離開擴(kuò)散層,并向主氣流轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)氣相H2O硅片SiO2膜層表面氧化過程示意圖界面起始氧化層H2三.氧化過程7/4/202525硅的熱氧化模型——迪爾-格羅夫（Deal-Grove）四.氧化生長(zhǎng)速率dxo/dt

分析氧化模型Si氣體氧化層CGSCGOCOBCOSxo氣流方向⊙x(PGO)(PGS)PGO、CGO—分別是氣相內(nèi)部的氧化劑的分壓和濃度；

PGS、CGS—分別是膜層表面氧化劑的分壓和濃度；COS、COB—分別是膜層內(nèi)靠近氣相和硅表面的氧化劑濃度；xo—氧化層厚度。參數(shù)含義：假設(shè)：氧化劑從氣相通過質(zhì)量傳輸?shù)竭_(dá)氧化層表面后，中性的氧化劑分子擴(kuò)散穿過氧化膜在界面處與硅反應(yīng)，生成新的氧化硅，而使氧化膜不斷增厚。J1J2J37/4/202526③在硅-二氧化硅界面發(fā)生氧化反應(yīng)的粒子流密度J3為：氧化模型Si氣體氧化層CGSCGOCOBCOSxo氣流方向⊙x(PGO)(PGS)②穿過已生成的氧化層，抵達(dá)硅-二氧化硅界面的粒子流密度為J2，如果忽略氧化劑的離解效應(yīng)，在線性近似下可認(rèn)為：利用理想氣體狀態(tài)方程和亨利定律：COS=H

PGS①氧化劑從氣相內(nèi)輸運(yùn)到氧化層表面的粒子流密度J1為：J1J2J3（Dox—氧化劑在膜層中的擴(kuò)散系數(shù)）（kS—界面氧化反應(yīng)速度常數(shù)）其中：h=hG/HkT7/4/202527設(shè)形成單位體積氧化層所需的氧化劑的分子數(shù)為Nr，形成一個(gè)二氧化硅分子，需要一個(gè)氧分子或兩個(gè)水分子。則設(shè)初始氧化層的厚度為xo*，即t=0時(shí)xo=xo*，則根據(jù)該初始條件，求解上述微分方程(1)，可得到：熱氧化的一般表達(dá)式：得到在穩(wěn)定狀態(tài)下,氧化速度

(單位時(shí)間內(nèi)所生長(zhǎng)的氧化層的厚度)為：(SiO2層的分子密度)7/4/202528其中：時(shí)間常數(shù)t*：不僅反映了原始(t=0)氧化層(xo*)對(duì)后繼熱氧化的影響，而且還可用它來修正氧化物的離解效應(yīng)（指氧氣向SiO2中擴(kuò)散時(shí)會(huì)離解成負(fù)氧離子和空穴）對(duì)熱氧化的影響。中的xo寫成t的顯函數(shù)，得到速率常數(shù)——時(shí)間常數(shù)7/4/202529五.影響熱氧化速度的因素1氧化時(shí)間t；2氧化溫度T；3氧化劑的分壓強(qiáng)PGO

(有低壓氧化、高壓水汽氧化技術(shù))4氧化氣氛（即干氧氧化、濕氧氧化、水汽氧化，Dox）5襯底表面勢(shì)效應(yīng)；6時(shí)間常數(shù)t*——薄氧化層xo*根據(jù)及7/4/202530①當(dāng)t+t*<<A2/4B時(shí)，利用

（x<<1）②當(dāng)t+t*>>A2/4B時(shí)，利用

（x>>1）說明當(dāng)氧化時(shí)間很短時(shí)，氧化生長(zhǎng)速度主要取決于氧化反應(yīng)的快慢；氧化劑通過擴(kuò)散供給快，氧化過程受界面反應(yīng)控制，可用線性速率常數(shù)來描述。說明當(dāng)氧化時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，氧化生長(zhǎng)主要取決于氧化劑的固態(tài)擴(kuò)散供給情況；氧化過程轉(zhuǎn)為受擴(kuò)散控制，可用拋物線速率常數(shù)來描述。其中：B/A——線性速率常數(shù)；其中：B——拋物線速率常數(shù)；可得：可得：1.氧化時(shí)間7/4/2025312.

氧化溫度由可知，線性速率常數(shù)中僅有ks與T有關(guān)；由可知，拋物線速率常數(shù)中僅有Dox與T有關(guān)；因此,即氧化速率與1/T呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。3.

氧化劑的分壓強(qiáng)PGO可見，氧化速率常數(shù)均與PGO成正比，

對(duì)水汽氧化，在高壓范圍內(nèi)（2MPa）B∝PGO對(duì)干氧氧化，在高壓范圍內(nèi)（2MPa）B∝PGO0.75實(shí)驗(yàn)表明出現(xiàn)高壓水汽氧化或低壓氧化技術(shù)。7/4/2025324.氧化氣氛A水汽氧化形成的氧化層結(jié)構(gòu)疏松,Dox大；B由于水汽在二氧化硅中的溶解度（COS=HPGO

）比干氧在其中的溶解度大許多，氧化劑濃度梯度較大；所以，在一定溫度下，水汽氧化比干氧氧化快。②.摻氯的干氧氧化比普通的干氧快；A由于Cl-半徑(1.81?)遠(yuǎn)大于Si4+半徑(0.42?)，因此Cl-

是一個(gè)SiO2網(wǎng)絡(luò)改變劑,會(huì)使二氧化硅的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生疏松；BCl-

對(duì)界面的化學(xué)反應(yīng)有催化作用；C干氧中加入HCl,會(huì)使HCl與氧反應(yīng)生成水，有助于氧化。①.水汽氧化比干氧氧化快；7/4/2025335.

襯底表面勢(shì)效應(yīng)（晶向、襯底雜質(zhì)及其摻雜濃度）襯底表面勢(shì)與化學(xué)反應(yīng)(ks)有關(guān)。當(dāng)氧化層處于化學(xué)反應(yīng)控制時(shí)，襯底表面勢(shì)對(duì)氧化生長(zhǎng)有影響。①.與襯底的取向有關(guān)；襯底硅表面可用鍵密度↑→反應(yīng)越快→ks↑→氧化速度↑；對(duì)Si而言：可用鍵密度(111)>(110)>(100)依次減小。②.與襯底雜質(zhì)的種類及摻雜濃度有關(guān)；不同雜質(zhì)在Si-SiO2界面處分凝系數(shù)m不同(B:m<1;P:m>1)，在Si-SiO2界面處的雜質(zhì)分布不同→氧化速度也不同。CB↑→Si-SiO2界面處需要氧化的硅原子數(shù)目減小→ks↑→氧化速度加快。7/4/202534離解效應(yīng)：對(duì)干氧氧化時(shí)，氧氣向SiO2中擴(kuò)散時(shí)，會(huì)離解成負(fù)氧離子和空穴，即當(dāng)負(fù)氧離子和空穴繼續(xù)向SiO2中擴(kuò)散時(shí)，由于空穴的遷移率比負(fù)氧離子的遷移率高，結(jié)果空穴跑到負(fù)離子的前面，在氧化膜中產(chǎn)生自建電場(chǎng)，該電場(chǎng)會(huì)加速負(fù)氧離子的運(yùn)動(dòng)，使得熱氧化有一個(gè)快速的初始氧化階段。在氧化膜生長(zhǎng)模型中，假設(shè)氧化劑分子是中性的。實(shí)際上，氧化劑是帶有負(fù)電的物質(zhì)。干氧氧化時(shí)，氧氣向SiO2中擴(kuò)散，會(huì)發(fā)生離解效應(yīng)。6.

時(shí)間常數(shù)t*請(qǐng)記錄——反映了初始氧化層對(duì)后續(xù)氧化的影響離解效應(yīng)對(duì)氧化的影響可以通過xo*/時(shí)間常數(shù)t*來修正。7/4/202535離解效應(yīng):使實(shí)際氧化層厚度xo等于xo’(不考慮自建電場(chǎng)時(shí)的厚度)與xo*(考慮自建電場(chǎng)影響時(shí)的厚度)

之和。實(shí)驗(yàn)證明：只要xo小于某個(gè)臨界值xo*時(shí)，就存在一個(gè)快速的初始氧化階段；當(dāng)xo>xo*時(shí),氧化速率就會(huì)變慢。這說明當(dāng)xo>30nm時(shí)可以不考慮離解效應(yīng)。對(duì)干氧氧化：xo*=30nm無電場(chǎng)作用時(shí)考慮電場(chǎng)作用實(shí)際情況對(duì)干氧氧化，只有當(dāng)xo>30nm時(shí)，Deal-Grove模型才正確，此時(shí)才可使用前述的公式來計(jì)算氧化層的厚度。7/4/202536不同溫度下，不同氧化氣氛中的B/A、B、t*之值晶向因子

cl=1<111>0.595<100>P.246頁7/4/202537氧化溫度一般為：800~1000℃一、薄氧化層的制備實(shí)驗(yàn)證明：此時(shí)xo仍與t成正比，即t越長(zhǎng)，xo越厚；并對(duì)應(yīng)有xo*=2nm(與天然氧化層厚度相當(dāng))的初始氧化層。降低干氧氧化的溫度3.2.4薄氧化層與厚氧化層的制備1.低溫氧化技術(shù)7/4/2025382.低壓氧化技術(shù)

考慮壓力對(duì)氧化的影響，氧化方程:應(yīng)修改為：其解為：分析：1.當(dāng)氧化劑的壓力較高時(shí)，Cox增加(亨利定律)，氧化劑的擴(kuò)散流密度大大增加，所以氧化速度受界面反應(yīng)的控制；此時(shí)氧化層厚度與t為線性關(guān)系，即2.當(dāng)氧化劑的壓力較低時(shí)，氧化處于固態(tài)擴(kuò)散的控制；此時(shí)氧化層厚度與t為拋物線關(guān)系；即降低PGO(或溫度)可降低氧化速度，獲得較薄的氧化層。如900~1000℃時(shí)，33~266Pa的干氧可生長(zhǎng)出1~14nm的氧化層7/4/2025391.高溫氧化系統(tǒng)特點(diǎn)：氧化爐是密封的，用10~25倍大氣壓的壓力將氧化劑泵入爐管。在該壓力下，氧化溫度可降到300~700℃，并能保證正常的氧化速率。此時(shí)硅中的錯(cuò)位生長(zhǎng)可降到最小。二.厚氧化層的制備——高壓水汽氧化技術(shù)在開管氧化中，提高水浴溫度可增加水汽的分壓7/4/2025402.高壓水汽氧化層厚度的計(jì)算根據(jù)不同溫度下,BP/A、BP之值可利用下表(P131表3.8)求得,再根據(jù)上式求出高壓水汽氧化所生長(zhǎng)的氧化層的厚度。溫度(℃)A(

m)BP(

m2·min-1/Pa-1)BP/A(

m·min-1/Pa-1)9500.53.5×10-87.0×10-89000.642.44×10-83.81×10-88003.21.74×10-80.54×10-8高壓氧化的特點(diǎn)及應(yīng)用：采用高壓水汽氧化，速度快，溫度低、時(shí)間短，用于厚氧化層的生長(zhǎng)，且有利于減小氧化層錯(cuò)。PGOxo

高壓氧化也是MOS柵極氧化的優(yōu)選工藝之一，因?yàn)楦邏貉趸猩傻臇艠O氧化層比常壓下生成的絕緣性要好。7/4/202541氧化層的厚度的計(jì)算：由xo~t圖查知不同T下，不同氧化氣氛中，隨t變化的xo。(2)由圖查得氧化層厚度B、對(duì)低壓氧化和高壓水汽氧化：A、對(duì)干氧、濕氧和水汽氧化：(1)根據(jù)公式計(jì)算B/A、B、t*之值可查給定晶向的硅襯低在不同溫度下，不同氧化氣氛中的數(shù)據(jù)。7/4/202542[例1]：某晶體管在1200℃進(jìn)行基區(qū)氧化，氧化過程為15min干氧加45min濕氧再加15min干氧，試求所生成的氧化層厚度（視為低摻雜<111>硅的熱氧化問題）。解：由題意知：氧化溫度T=1200℃，對(duì)低摻雜<111>硅，查表可知：對(duì)干氧氧化：A=0.04m，B=7.5×10-4

m2/min，

B/A=1.87×10-2

m/min，t*=1.62min;

對(duì)濕氧氧化：A=0.05m，B=1.2×10-2

m2/min，

B/A=2.4×10-1

m/min，t*=0min;（1）15min干氧生成的SiO2的厚度xo1:代入干氧氧化的參數(shù)7/4/202543（2）45min濕氧生成的SiO2的厚度xo2:

此時(shí)，表面已有0.093m的SiO2,設(shè)用濕氧生成這樣厚的氧化層所需的時(shí)間為t2*。代入濕氧氧化的參數(shù)第二步（濕氧）氧化的起始氧化層所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2*：7/4/202544（3）15min干氧生成的SiO2的厚度xo3:

此時(shí)，表面已有0.719m的SiO2,干氧生成這樣厚的氧化層所需的時(shí)間為t3*代入干氧氧化的參數(shù)7/4/202545即所求的氧化層厚度為0.727m。則第3次氧化的起始氧化層所對(duì)應(yīng)時(shí)間：7/4/202546由圖查知不同溫度下和不同氧化氣氛中隨時(shí)間變化的xo(2)可由圖查得氧化層厚度干氧氧化氣氛由圖可見：①當(dāng)T一定時(shí)，t↑→xo↑；

②當(dāng)t一定時(shí)，T↑→xo↑；比如：當(dāng)T=1100℃,t=100min時(shí)，

xo=0.16

m；

7/4/202547濕氧氧化氣氛由圖可見：①當(dāng)T一定時(shí)，t↑→xo↑；

②當(dāng)t一定時(shí)，T↑→xo↑；比如：當(dāng)T=1100℃,t=100min時(shí)，

xo=0.9

m；可見，濕氧氧化的厚度比干氧大。

7/4/202548硅氧化膜厚度與水浴溫度和時(shí)間的關(guān)系可由此圖查氧化層厚度xo由圖可見：①水汽氧化速率比干氧氧化速率大；

②濕氧時(shí)，當(dāng)氧化溫度T相同，水浴溫度TH2O↑→氧化速率↑；

③同一水浴溫度TH2O下，氧化溫度T不同，氧化速率也不同。TH2O干氧-濕氧-干氧氧化7/4/202549例[2]：某晶體管制備二氧化硅膜時(shí)，先在1000℃下用濕氧（TH2O=95℃）氧化60min，后來又在1200℃下用濕氧（TH2O=95℃）氧化60min，試用圖解法由圖3-40求出兩次氧化后所生成的氧化層厚度(說明圖解步驟)。由題意知兩次氧化溫度分別為T1=1000℃和T2=1200℃，氧化時(shí)間為60min。解：(1).在T1=1000℃、TH2O=95℃時(shí),查xo~t關(guān)系曲線圖可知當(dāng)t1=60min時(shí)，對(duì)濕氧氧化的厚度為xo1；(2).當(dāng)T2=1200℃、TH2O=95℃,查xo~t關(guān)系曲線圖可知，生長(zhǎng)xo1厚的氧化層，所需的時(shí)間為t*，(3).當(dāng)t=t2+t*時(shí)，查xo~t關(guān)系曲線圖可知，在T=1200℃、TH2O=95℃曲線所對(duì)應(yīng)的xo2=0.95m。7/4/202550<111>硅氧化膜厚度與水浴溫度和時(shí)間的關(guān)系氧化層厚度的計(jì)算步驟：2.在T=1200℃線上，由xo1查t*

21min

；1.在T=1000℃線上，由t1=60min查出xo1

0.5m;3.在T=1200℃線上，由t2+t*=81min查得：xo2

0.95m7/4/202551用氮化硅（Si3N4

）作為氧化掩蔽膜+SiO2

作緩沖層比如：MOSIC中的場(chǎng)區(qū)需要較厚的SiO2，而柵、源、漏有源區(qū)就要掩蔽起來。局部氧化(或選擇氧化)：

在規(guī)定的地方熱生長(zhǎng)形成氧化膜，其它地方要用掩蔽膜遮蓋起來。（類比定域摻雜）Si3N4SiO2Si場(chǎng)區(qū)SiO2Si3N4有源區(qū)有源區(qū)3.2.5

硅的局部氧化(LOCOS)氧化掩蔽膜的選用:7/4/202552①Si3N4較為致密，能阻擋氧和水。因此，可用來作為局部氧化的掩蔽膜；②由于Si與Si3N4在結(jié)構(gòu)、熱性能上差異較大，所以通常在兩者之間夾一層數(shù)十納米左右的SiO2作為緩沖層。③Si3N4的掩蔽作用也是相對(duì)的，Si3N4在水汽中也會(huì)被慢慢氧化，生成氨氣(NH3)。NH3會(huì)穿過膜層到達(dá)(待生長(zhǎng)的)硅表面，并與硅反應(yīng)變成Si3N4層，它會(huì)阻擋后續(xù)氧化膜的生長(zhǎng)。④存在問題：局部氧化會(huì)形成所謂的“鳥嘴效應(yīng)”SiSiO2Si3N4有源區(qū)有源區(qū)7/4/202553局部氧化時(shí)，O2擴(kuò)散穿越已生長(zhǎng)的氧化物向各個(gè)方向上擴(kuò)散，縱向擴(kuò)散的同時(shí)也橫向擴(kuò)散，因此，在氮化物掩膜下有著輕微的側(cè)面氧化生長(zhǎng)。由于Si氧化生成SiO2后體積膨脹，使掩蔽的Si3N4-

SiO2膜周邊受影響而向上翹起，形成鳥嘴。“鳥嘴”效應(yīng)：請(qǐng)記錄7/4/202554鳥嘴的長(zhǎng)度

與中間二氧化硅夾層的厚度xo成正比。影響：影響有源區(qū)的尺寸，使有效柵寬變窄，電容增加。消除方法：高壓氧化工藝；在氧化前，將窗口處的硅腐蝕掉0.555xo深度，再進(jìn)行局部氧化,便可得一到近乎平面的表面結(jié)構(gòu)。7/4/202555實(shí)現(xiàn)掩蔽的條件：

要使氧化層具有掩蔽作用，氧化層厚度必須滿足xo≥xjo當(dāng)用SiO2作為定域摻雜的掩蔽膜時(shí)，雜質(zhì)在Si和SiO2中的擴(kuò)散情況如圖所示。xjo—在SiO2中的擴(kuò)散深度；xj—在Si

中的擴(kuò)散深度；置于擴(kuò)散氣氛中的硅片xjxjoxo3.2.6二氧化硅的掩蔽作用說明：當(dāng)雜質(zhì)擴(kuò)散深度達(dá)到所要求的結(jié)深時(shí)，雜質(zhì)不能“穿透”掩蔽膜。即說明SiO2能有效的掩蔽雜質(zhì)。雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散與在硅中一樣，也遵循相同的擴(kuò)散規(guī)律。7/4/202556實(shí)現(xiàn)掩蔽擴(kuò)散所需的SiO2的厚度xo與Dox和D的相對(duì)大小有關(guān)，一般只要滿足Dox<D條件，便可實(shí)現(xiàn)有效的掩蔽。③對(duì)Au而言：由于Dox<<D，擴(kuò)散時(shí)Au會(huì)沿著SiO2-Si界面迅速擴(kuò)入被膜層所掩蔽的硅表面處，相當(dāng)于SiO2沒有起掩蔽作用。因此，不能用SiO2來掩蔽雜質(zhì)Au。SiSiO2①對(duì)B、P而言：由于Dox<D，在一般氧化條件下，xo容易滿足xo≥xjo，故可以用SiO2來掩蔽雜質(zhì)B、P；②對(duì)Ga、Al而言：由于Dox>D，在一般氧化條件下，

xo不容易滿足xo≥xjo

,故不能用SiO2來掩蔽雜質(zhì)Ga、Al；要求：雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)要小，在Si中的擴(kuò)散系數(shù)要大，但不能太大。即Dox稍小于D7/4/202557擴(kuò)散掩蔽膜的最小厚度—xomin實(shí)現(xiàn)有效掩蔽的條件為xo≥xjo

；否則，當(dāng)xo<xjo時(shí)，雜質(zhì)會(huì)穿透掩蔽膜而進(jìn)入硅襯底。因此xomin=xjo

對(duì)B、P等雜質(zhì)在SiO2中的分布大多數(shù)情況可用余誤差分布描述：COS—雜質(zhì)在SiO2中的表面濃度；COB—雜質(zhì)在SiO2-Si界面的濃度；CS—雜質(zhì)在Si表面的濃度。(P:m>1)7/4/202558掩蔽效果：COB/COS即雜質(zhì)在SiO2中濃度降低到一定數(shù)量級(jí)；對(duì)特殊要求的掩蔽效果，可按公式(1)來計(jì)算。請(qǐng)記錄對(duì)MOS型器件的要求比雙極型高;對(duì)雜質(zhì)磷的要求比硼高。當(dāng)COB/COS=10-3時(shí)，當(dāng)COB/COS=10-6時(shí)，（雙極型器件）(2)當(dāng)COB/COS=10-9時(shí)，（MOS型器件）(3)簡(jiǎn)化：實(shí)際上，進(jìn)入SiO2層的雜質(zhì)，完全不擴(kuò)到硅中是不可能的。只要擴(kuò)到硅中的雜質(zhì)對(duì)硅的性質(zhì)影響小到可以忽略不計(jì)時(shí)，就可認(rèn)為SiO2的掩蔽有效。具體情況要求視器件(MOS型、雙極型)和雜質(zhì)(B、P)而定。7/4/202559右圖給出了常用雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)。可見，雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)與在Si中的擴(kuò)散系數(shù)一樣，隨溫度的降低按負(fù)指數(shù)下降。雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)比如，當(dāng)擴(kuò)散溫度T=1200℃，P含量為3%時(shí),Dox=210-14cm2/s;B含量為0.1%時(shí),Dox=610-15cm2/s.

E為雜質(zhì)在SiO2中擴(kuò)散激活能；D∞表觀擴(kuò)散系數(shù)。7/4/202560以氧化掩蔽膜為例：1、與擴(kuò)散相結(jié)合，根據(jù)雜質(zhì)擴(kuò)散目標(biāo)參數(shù)(Cs,xj)的要求，確定擴(kuò)散的溫度T和時(shí)間t。2、確定對(duì)應(yīng)的溫度T和時(shí)間t下，雜質(zhì)擴(kuò)散所需的最小掩蔽膜厚度xomin;3、根據(jù)掩蔽膜所要求的厚度xo，確定氧化工藝方法；4、確定掩蔽膜的生長(zhǎng)步驟，選擇干-濕-干對(duì)應(yīng)的溫度和時(shí)間，注意盡量避免長(zhǎng)時(shí)間的高溫過程。5、根據(jù)確定溫度和時(shí)間計(jì)算膜厚；6、驗(yàn)證膜厚是否滿足要求，并進(jìn)行修