第三章 热生长二氧化硅膜2009.ppt

4.8　氧化层厚度测量方法 台阶法：腐蚀部分SiO2膜得到台阶，然后用电镜或显微镜观测得到膜厚。 光学法：包括椭偏光法和干涉法。 电学测量：包括电压击穿法和电容－电压法等。 4.9　氧化系统 高压氧化系统 普通氧化系统 氧化炉实物图 * （111）方向界面态多，所以MOS器件中多用（100）硅片 二氧化硅膜的用途： 作为掺杂的掩蔽膜； MIS栅介质膜； 介质隔离； 保护层或缓冲层。 SiO2 Si 4.1　二氧化硅膜的结构和性质 结构特点：长程无序，短程有序。 组成单元：硅氧四面体。 二氧化硅中也可能存在各种杂质，如氢氧根（替代氧）；硼、磷（替代硅）；钾、钠、钙、钡、铅、铝（填隙杂质），从而对其物理性质产生重要的影响。 Si O 硅暴露在空气中，则在室温下即可产生二氧化硅层，厚度约为250埃。 如果需要得到更厚的氧化层，必须在氧气气氛中加热。 硅的氧化反应是发生在Si/SiO2界面，这是因为：Si在SiO2中的扩散系数比O的扩散系数小几个数量级。 4.2　二氧化硅膜的制备方法 制备二氧化硅膜的方法有：热生长氧化法、化学气相沉积等。但目前主要使用的还是热生长氧化法。 热生长氧化法优点：致密、纯度高、膜厚均匀等； 缺点：需要暴露的硅表面、生长速率低、需要高温。 热生长二氧化硅的方法 干氧法：硅和分子氧反应生成SiO2 特点：氧化速度慢，但氧化层致密。 水汽氧化：硅和水汽反应生成SiO2 特点：氧化速度快，但氧化层疏松。 湿氧法：硅同时和氧分子及水汽反应生成SiO2 特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。 4.3　迪尔－格罗夫氧化模型 J1 J2 J3 Cg Cs C0 Ci 自由气体层 Cg－离硅片表面较远处氧浓度； Cs－硅片表面处的氧浓度； Co－硅片表面氧化层中的氧浓度； Ci－在Si/SiO2界面处的氧浓度； hg－质量输运系数； D－是氧在SiO2中的扩散系数； Ks－是硅与氧反应生成SiO2的化学反应速率常数； H－是亨利气体常数； Pg－氧化炉内氧气的分压。 氧化层生长速率为： 其中N1是SiO2中氧原子浓度（4.4×1022 cm-3 ）除以氧源中氧原子数量。（比如以O2为氧源，则除以2；以H2O为氧源，则除以1） 边界条件：T＝0时刻氧化层厚度假设为t0，则有： 其中： 1、若氧化层厚度足够薄： 2、若氧化层厚度足够厚： 反应速率控制 扩散控制 B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线速率系数 自然氧化层 迪尔－格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用。 在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。 由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔－格罗夫模型需要用τ来修正。 硅（100）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系 薄氧阶段的经验公式 其中：tox为氧化层厚度；L1和L2是特征距离，C1和C2是比例常数。 硅的氧化系数 温度(℃) 干氧 湿氧 A(μm) B(μm2/h) τ(h) A(μm) B(μm2/h) 800 0.37 0.0011 9 — — 920 0.235 0.0049 1.4 0.5 0.203 1000 0.165 0.0117 0.37 0.226 0.287 1100 0.09 0.027 0.076 0.11 0.51 1200 0.04 0.045 0.027 0.05 0.72 其中：τ是考虑到自然氧化层的因素，250?左右。 计算在120分钟内，920℃水汽氧化（640Torr）过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。 4.4　影响氧化速率的因素 温度：氧化速率随温度升高而增大。 气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。 氧化剂分压：氧化速率与氧化剂分压成正比。 硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。 硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)R(110)R(100)。 温度的影响分析 对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。 对于线性速率常数B/A，温度的影响则主要是通过反应速率常数Ks体现的。具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅－硅键的断裂，具有相同的激活能。 抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 氯气氛的影响分析 在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面： 钝化可动离子，特别是钠离子； 增加硅中少数载流子的寿命； 减少中的缺陷，提高了抗击穿能力； 降低界面态密度和固定电荷密度； 减少硅中的堆积层错。 氯对氧化速率的影响 氧化剂分压的影响