集成电路制造工艺作者刘新彭勇蒲大雁主编第6章氧化工艺课件.pptxVIP

第6章 氧化工艺本章学习目标： 1.了解二氧化硅的结构、物理性质与化学性质以及二氧化硅的应用。2. 掌握二氧化硅的热生长工艺的原理和制备方法。3. 掌握影响氧化速率的因素和二氧化硅膜的质量检测。4. 了解几种常见的热氧化设备。5. 掌握热氧化工艺操作流程。6.1 二氧化硅膜的结构、性质与应用1. 二氧化硅的结构图6-1 二氧化硅的结构2. 二氧化硅的物理性质与化学性质2.二氧化硅的化学性质二氧化硅的化学性质不活泼，是硅最稳定的化合物，是酸性氧化物，不溶于水。它不与除氟、氟化氢和氢氟酸以外的卤素、卤化氢和氢卤素以及硫酸、硝酸、高氯酸作用。二氧化硅和氢氟酸发生反应，生成易溶于水的氟硅酸。二氧化硅与氢氟酸作用发生如下化学反应： SiO2+6HF→H2[SiF6]+2H2O　二氧化硅与强碱也能发生作用，其化学反应式为 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O）　　 3. 二氧化硅的用途 （1）作为杂质注入掩膜（2）栅氧层图6-2 二氧化硅的掩蔽作用图6-3　二氧化硅制作栅氧化层图6-4　二氧化硅的介质隔离作用（3）作为器件保护层和钝化层（4）作为器件的绝缘介质（5）介质隔离6.2 热氧化生长二氧化硅薄膜氧化生长机理生长1μm厚的SiO2约消耗0.44μm厚的硅，由生长的二氧化硅薄膜厚度dSiO2就能知道消耗的硅的厚度dSi。图6-5 SiO2生长过程中界面位置随热氧化过程而移动的示意图水汽氧化 水汽氧化的生长过程为：在高温下，水汽与硅片表面的硅原子作用，生成二氧化硅起始层，其反应式如下： Si+2H2O=SiO2+2H2 图6-6 开关水汽氧化示意图3. 干氧氧化 干氧氧化的生长机理是：在高温下，当氧气与硅片接触时，氧分子与表面的硅原子反应，生成二氧化硅起始层，其反应为： 　Si(固)+O2(气)=SiO2(固) 4. 湿氧氧化 湿氧氧化中，用携带水蒸气的氧气代替干氧。氧化剂是氧气和水的混合物，反应过程如下：氧气通过95℃的高纯水，氧气携带水汽一起进入氧化炉在高温下与硅反应，湿氧的化学反应方程式为： ?5. 掺氯氧化（1）掺氯氧化作用　 掺氯氧化的主要作用是减少钠离子的沾污，抑制氧化堆垛层错，提高SiO2/Si界面质量，提高少子寿命，即提高器件的性能和可靠性。（a）可吸收、提取硅中的有害杂质。（b）掺氯不仅可以减少钠离子的沾污，并且集中分布在SiO2/Si界面附近的氯还能使迁移到这里来的钠离子的正电荷效应减弱并被掐住不动，从而使其丧失电活性和不稳定性。（2）掺氯氧化的氯源选择掺氯试剂往往用氯化氢(HCl)、三氯乙烯(C2HCl3)、四氯化碳(CCl4)及氯化铵(NH4Cl)等。HCL较易获得，但吸水后有很强的腐蚀性，对氧化管道和仪器设备都有破坏性，而且HCL易挥发，容易影响环境，损害人体健康，所以使用较少。三氯乙烯既有盐酸的作用，又没有它的缺点，因此，应用较广泛，但它有毒性，使用时要当心。6.影响氧化速率的因素 1. 氧化时间 （1）氧化层厚度与氧化时间成正比，氧化层的生长速率主要取决于在硅表面上的氧化反应的快慢，称为表面反应控制，此时的氧化速率主要取决于化学反应速率常数ks的大小。 （2）氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比，氧化层的生长速率主要取决于氧化剂在氧化层中扩散的快慢，称为扩散控制，此时的氧化速率主要取决于扩散系数Dox的大小。 2. 氧化温度 影响氧化速率的因素主要是质量转移速率和化学反应速率，而决定质量转移快慢和化学反应快慢的因素分别是扩散系数Dox和化学反应速度常数K。3. 氧化压力效应，氧化的速率与氧化剂运动到硅表面的速率有关，而压力可以强迫氧分子更快的通过正在生长的氧化层，所以压力越高，氧化速率越快。4．杂质浓度的影响III-V族杂质可以提高氧化剂在二氧化硅中的扩散速率，所以重掺杂硅的氧化速率高于轻掺杂硅。通常在氧化炉中，都会先通入含氯气体来清洗石英管以及wafer表面，加入氯气也会提高氧化速率。5．晶面方向的影响（111）晶面的原子密度比（100）晶面的大，因此，硅—二氧化硅界面处的反应速率也较快，由于较低的生长成本，经常用于双极器件。但从氧化质量的角度来看，（100）晶面的缺陷密度较低，制造MOS器件最常用的是（100）面的硅片。（100）晶面的表面状态更有利于控制MOS器件开态和关态所要求的阈值电压。6.3 二氧化硅膜的质量检测氧化膜厚度的测量（1）双光干涉法光干涉法需要将氧化膜腐蚀出一个斜面，用短波长的单色光垂直入射至斜面处，用显微镜观察斜面处的干涉条纹。根据条纹的个数即可计算出膜的厚度： 式中，D为二氧化硅膜的厚度，N为干涉条纹数，λ为入射光波长，n为二氧化硅的折射率，约为1.5。（2）比色法比色法是将硅样片，在不同条件下进行氧化，从而得到不同厚度的二氧化硅膜（它们颜色各不相同），再利用双