集成电路制造工艺——氧化.ppt

热氧化过程： (1) 氧化剂从气体内部以扩散形式穿过附面层运动到气体-SiO2界面，其流密度用F1表示。 (2) 氧化剂以扩散方式穿过SiO2层，到达 SiO2-Si界面，其流密度用F2表示。 (3)氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度用F3表示。 (4)反应的副产物离开界面。 热氧化时，气体内部、SiO2中、Si表面处氧化剂的浓度分布情况以及相应的压力如图所示。流密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。 采用准静态近似，即假定所有反应实际上都立即达到稳态条件。这样，变动的边界对扩散过程的影响可以忽略，上述三个流密度应该相等，则有 F1= F2= F3 附面层中的流密度取线性近似，即从气体内部到气体 - SiO2界面处的氧化剂流密度F1 正比于气体内部氧化剂浓度Cg与SiO2表面上的氧化剂浓度Cs的差，即： Fl＝hg (Cg -Cs) 其中hg是气相质量输运系数。 于是SiO2表面的氧化剂浓度C0正比于SiO2表面的氧比剂分压Ps，则有： C0=H Ps 其中，H为亨利定律常数。 在平衡情况下，SiO2中氧化剂的浓度C*应与气体中的氧化剂分压Pg成正比，即： C*=H Pg 由理想气体定律，得到 Cg=Pg/kT Cs=Ps/kT 代入F1的表达式中，得到 Fl＝ hg (Cg -Cs) = h (C*-C0) 其中h=hg/HkT，是用固体中的浓度表示的气相质量输运系数。 假定热氧化过程中，亨利定律成立：即在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于该物质在固体周围气体中的分压。 通过SiO2层的流密度F2，就是扩散流密度， 其中DSiO2为氧化剂在SiO2的扩散系数，C0和Ci分别表示SiO2表面和SiO2-Si界面处的氧化剂浓度，x0为SiO2的厚度。 假定在SiO2-Si界面处，氧化剂与Si反应的速率正比于界面处氧化剂的浓度Ci，则有 F3=ks Ci ， ks为氧化剂与Si反应的化学反应常数。 根据稳态条件F1=F2=F3 ，得到 当氧化剂在SiO2中的扩散系数DSiO2 很小时(D SiO2 ksx0)，则得Ci→0，C0 →C*，氧化剂以扩散方式通过SiO2层运动到SiO2-Si界面处的数量极少，与Si立即发生反应生成SiO2 ，在界面处没有氧化剂的堆积，浓度趋于零。因扩散速度太慢，而大量氧化剂堆积在SiO2的表面处，浓度趋向于同气相平衡时的浓度C*。 此时，SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散速度决定，称为扩散控制。 硅的热氧化存在两种极限情况： 如果扩散系数DSiO2很大，则Ci=C0 =C*/(1+ks/h)。此时，进入SiO2中的氧化剂快速扩散到SiO2-Si界面处，在界面处氧化剂与Si反应生成SiO2的速率很慢，造成氧化剂在界面处堆积，趋向于SiO2表面处的浓度。 此时，SiO2生长速率由Si表面的化学反应速率控制，称为反应控制。 3.3 热氧化生长速率 氧化剂与Si反应生成SiO2 ，每生长一个单位体积 SiO2所需要氧化剂的分子个数，用N1表示。 随着SiO2不断生长，界面处的Si就不断转化为SiO2，因此，Si表面处的流密度也可表示为 将前面讨论的F3代入，得到SiO2层的生长厚度与生长时间的微分方程 方程的初始条件是x0(0)=xi， xi代表氧化前硅片上原有的SiO2厚度。 微分方程的解出了SiO2的生长厚度与时间的普遍关系式 其中 A和B都是速率常数，则方程的解为： SiO2厚度与生长时间的普遍关系式： ? 当氧化时间很长，即 t ?τ和 t ?A2/4B时，SiO2生长厚度与时间关系简化为 称为抛物型氧化规律，B为抛物型速率常数，前面知道，B与DSiO2成正比，所以SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散快慢决定，即为扩散控制。 ? 当氧化时间很短，即t+τ? A2/4B时，则SiO2的厚度与时间的关系可简化为 称为线性氧化规律，B/A为线性速率常数。 对于大多数的氧化情况来说，气相质量输运系数h是化学反应常