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热氧化生长动力学的研究 摘要 在分立器件与集成电路制造过程中，需要很多类型的薄膜，这些薄膜主要分为四类：热氧化薄膜、介质、多晶硅以及金属膜等。半导体可采用多种氧化方法，包括热氧化法、电化学阳极氧化法以及等离子体反应法。对于硅来说，热氧化法是最重要的。本文主要讲述了在热氧化过程中SIO2的生长原理和影响因素。 一 引言 在分立器件与集成电路制造过程中，需要很多类型的薄膜，这些薄膜主要分为四类：热氧化薄膜、介质、多晶硅以及金属膜等。半导体可采用多种氧化方法，包括热氧化法、电化学阳极氧化法以及等离子体反应法。对于硅来说，热氧化法是最重要的。在热氧化薄膜中，有两种膜最重要：一种是在漏/源极的导通沟道覆盖的栅极氧化膜（gate oxide）;一种是用来隔离其他器件的场氧化膜（field oxide）。这些膜只有通过热氧化才能获得最低界面陷阱密度的高质量氧化膜。 二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4的介电薄膜作用：隔离导电层；作为扩散及离子注入的掩蔽膜；防止薄膜下掺杂物的损失；保护器件使器件免受杂质、水气或刮伤的损害。由于多晶硅电极的可靠性由于铝电极，常用来制作MOS器件的栅极；多晶硅可以作为杂质扩散的浅结接触材料；作为多层金属的导通材料或高电阻值的电阻。金属薄膜有铝或金属硅化物，用来形成具有低电阻值的金属连线、欧姆接触及整流金属-半导体接触势垒器件。 二 二氧化硅简介 2.1 SiO2的结构 SiO2 分为 结晶形 和 无定形 两类。结晶形 SiO2 由 Si-O 四面体 在空间规则排列而成，如水晶 ；无定形 SiO2 是 Si-O 四面体在空间无规则排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度低于前者，如热氧化的 SiO2 、CVD 淀积的 SiO2 等。Si-O 四面体的结构是，4 个氧原子位于四面体的 4 个角上，1 个硅原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体所共有。 2.2 SiO2的性质 1）、二氧化硅的绝缘特性 二氧化硅具有电阻率高、禁带宽度大、介电强度高等特点。而且二氧化硅最小击穿电场(非本征击穿)：由缺陷、杂质引起，最大击穿电场(本征击穿)：由SiO2厚度、导热性、界面态电荷等决定氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低 2）、二氧化硅的掩蔽性质 B、P、As 等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其在SiSiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散温度等条件，有一 3）、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。在一定温度下，能和强碱(如NaOH，KOH等)反应 2.3二氧化硅在IC中的主要用途 二氧化硅可用做杂质选择扩散的掩蔽膜、IC的隔离介质和绝缘介质、 电容器的介质材料以及MOS器件的绝缘栅材料等等。 三 热氧化动力学的原理 3.1原理 热氧化工艺的原理就是在硅衬底上生成高质量的二氧化硅薄膜 Si+2H2O→SiO2+2H2? 湿氧氧化 ??? Si+O2→SiO2? 干氧氧化 热氧化是高温工艺，氧原子与硅原子结合，二氧化硅的生长是一个线性过程。大约长了500?之后，线性阶段达到极限。为了保持氧化层的生长，氧原子与硅原子必须相互接触。在二氧化硅的热生长过程中，氧气扩散通过氧化层进入到硅表面，因此，二氧化硅从硅表面消耗硅原子，氧化层长入硅表面。随着氧化层厚度的增加，氧原子只有扩散通过更长的一段距离才可以到达硅表面因此从时间上来看，氧化层的生长变慢，氧化层厚度、生长率及时间之间的关系成抛物线形。 高质量的二氧化硅都在00℃~1200℃的高温下生成，而且其生成速率极其缓慢。其中湿氧氧化速率要高于干氧氧化。 常用的热氧化装置（图一），由电阻式加热的炉身、圆柱形熔凝石英管、石英舟以及气体源组成。将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，反应管用电阻丝加热炉加热一定温度(常用的温度为900～1200℃，在特殊条件下可降到600℃以下)，氧气或水汽通过反应管（典型的气流速度为1L/min）时生成SiO2层，其厚度一般在几十埃到上万埃之间。 3.2热氧化工艺的Deal-Grove 模型 C：氧化剂浓度 J1：粒子流密度 J2：扩散流密度 J3：反应流密度 1、D – G 模型 (1)氧化剂由气相传输至SiO2的表面，其粒子流密度J1(即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)为： (2)位于SiO2表面的氧化剂穿过已生成的SiO2层扩散到SiO2-Si界面，其扩散流密度J2为： (3) SiO2-Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiO2 ，其 反应流密度J3 四 实验方案 1.氧化工艺的主要步骤 以干氧氧化为例 1) 硅片送入炉管，通入N2及小流量O2； 2) 升温，升温速度为5℃～30℃/分钟； 3) 通大流量O2，氧化