微细加工与MEMS技术-4-热氧化.pptVIP

* 第 4 章 热氧化 热氧化的目的 在 Si 衬底的表面生长一层 SiO2 薄膜。 SiO2 薄膜的用途 1、用作选择扩散时的掩蔽膜； 2、用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等； 3、用作绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质等）； 4、用作表面保护及钝化。 制备 SiO2 薄膜的方法 热氧化、化学汽相淀积（CVD）、物理汽相淀积（PVD）、离子注入氧化、阳极氧化等。 热氧化的基本原理：在 T = 900 ~ 1200 oC 的高温下，利用硅与氧化剂之间的氧化反应，在硅衬底上形成 SiO2 薄膜。 氧化剂可以是纯氧 O2（干氧氧化）、水蒸汽 H2O（水汽氧化）或氧和水蒸汽的混合物 O2 + H2O（湿氧氧化）。 4.1 迪尔和格罗夫氧化模型 滞流层（附面层）的概念 将从衬底表面气体流速 v = 0 处到 v = 0.99 v0 处之间的这一层气体层称为滞流层。式中 v0 为主气流流速。 主气流，v0 氧化剂 基座 滞流层 x y L Cg Cs Cs/ = Co Ci tox 1、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到 SiO2 表面， 2、氧化剂从 SiO2 表面扩散到 SiO2/Si 界面上， 3、氧化剂到达 SiO2/Si 界面后同 Si 发生化学反应， tsl 热氧化过程 上式中，hg = Dg/ts1 为 气相质量输运系数，ks 为氧化剂与硅反应的界面 化学反应速率常数 。 Co 与 Cs 的关系可由 Henry 定律 得到。Henry 定律说明，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中该种物质的分压 ，因此 SiO2 表面处的氧化剂浓度 Co 为 在平衡状态下， 式中，H 为 Henry 定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。 将以上各方程联立求解，可以得到 SiO2/Si 界面处的氧化剂浓度为 式中，h = hg/HkT 。在常压下 h ks ，故分母中的第二项可以忽略。这说明在热氧化时，气流的影响极其微弱。于是可得到 SiO2/Si 界面处的氧化剂流密度为 SiO2 膜的生长速率和厚度的计算 将上式的 SiO2/Si 界面处氧化剂流密度 J3 除以单位体积的 SiO2 所含的氧化剂分子数 N1 ，即可得到 SiO2 膜的生长速率 当氧化剂为 O2 时，N1 为 2.2?1022/cm3 ；当氧化剂为 H2O 时，N1 为 4.4?1022/cm3。 利用 tox(0) = t0 的初始条件，以上微分方程的解是 式中 或 方程中的参数 A、B 可利用图 4.2 、图 4.3 直接查到。 要注意的是，当氧化层比较厚时，氧化速率将随氧化层厚度的变化而改变。因此，如果在氧化开始时已存在初始氧化层厚度 t0 ，则氧化完成后的氧化层厚度并不是无 t0 时氧化得到的氧化层厚度与 t0 之和，而必须先用 t0 确定τ，再将τ与 t 相加得到有效氧化时间。 4.2 线性和抛物线速率系数 当 tox 较薄时，DSiO2/tox ks ，t +? A2/4B， 此时 SiO2 的生长由化学反应速率常数 ks 控制，膜厚与时间成正比，称为线性生长阶段，B/A 称为 线性速率系数 。 一、线性速率系数 此时 SiO2 的生长由扩散系数 DSiO2 控制，膜厚与 成正比，称为抛物线生长阶段。B 称为 抛物线速率系数 。 当 tox 较厚时，DSiO2 /tox ks，t +? A2/4B， 二、抛物线速率系数 还有一个问题要注意，氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅 。氧化层厚度 tox 与消耗掉的硅厚度 tsi 的关系是 tsi = 0.44 tox tox = 2.27 tsi 对一个平整的硅片表面进行氧化和光刻后，若再进行一次氧化，则下面的 SiO2/Si 面将不再是平