微电子第三章课件

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1、,微电子材料与工艺,微电子材料与工艺材料物理专业本科生选修课 主讲人：张艳辉,微电子材料与工艺,参考书目： 陈力俊主编微电子材料与制程 2005.3 第一版 图书馆书号73.6/C46,教材： 林明祥编著集成电路制造工艺 机械工业出版社,微电子材料与工艺,微电子材料与工艺,第三章 氧化及热处理,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,二氧化硅的结构,二氧化硅（SiO2）又称硅石，在自然界中主要以石英砂矿 的形式存在，按结构可分为结晶型和非结晶型两种。方石英、 鳞石英、水晶等都属于结晶型；在氧化工艺中所长成的二氧化 硅属于非结晶型（或称

2、无定型）。无论结晶型或非结晶型的二 氧化硅都是由Si-O四面体组成，如图，四面体的中心是硅原子， 四个顶角上是氧原子。结晶型二氧化硅是由Si-O四面体在空间 规则排列所组成；无定型SiO2虽然也由Si-O四面体构成，但这 些由Si-O四面体在空间排列是没有规则的。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,二氧化硅的性质 物理性质表征二氧化硅的物理性质的有电阻率、介电强度、介电常 数、密度和折射率等。由于二氧化硅膜制备方法的不同，这些 参数也不尽相同。密度：无定型二氧化硅的密度一般为2.20g/cm3。折

3、射率：（一般密度大的二氧化硅具有较大的折射率）对于 波长为5500左右的光线，二氧化硅的折射率约为1.46。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,电阻率：用不同制备方法制得的膜层的电阻率相差较大。用 热生长法得到的二氧化硅膜电阻率为10151016cm，这表 明二氧化硅是一种良好的绝缘材料；用热分解淀积法得到的 二氧化硅膜电阻率为107108cm，这表明二氧化硅层中含 有较多的杂质。当然，二氧化硅的电阻率还与温度有关。温 度升高，电阻率减小。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,介电强度：介电强度是衡量该材料的耐压能力的大小，热生长法

4、 得到的二氧化硅介电强度一般为106107V/cm。 介电常数：介电常数是表示二氧化硅电容性能的一个重要参数。 热生长法制得的二氧化硅的介电常数为3.23.8。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,化学性质无论是结晶型或无定型的二氧化硅，都具有很高的化学稳 定性，它不溶于水，只能和氢氟酸发生化学反应。在高温下， 能使活泼的金属或非金属还原。 二氧化硅与氢氟酸的化学反应方程式为：,SiO2+4HFSiF4+2H2O SiF4+2HFH2SiF6 也可以把上两式写成：SiO2+6HFH2SiF6 +2H2O 式中H2SiF6称为六氟酸硅，是络合物。生产中，就是利用氢

5、氟酸的这种性质，完成对SiO2的腐蚀。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,二氧化硅与强碱作用的化学反应方程式如下：SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O 二氧化硅在高温下，与活泼金属或非金属作用的化学反应,如果二氧化硅与碳在1800C放在一起，则会生成碳化硅（SiC）,式中SiC的就是我们在研磨中使用的金刚石，它的强度仅次于金 刚砂，是优质的磨料。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,二氧化硅的用途1、二氧化硅对选择性扩散起掩蔽作用 2、二氧化硅对器件表面的保护和钝化作用 3、二氧化硅是某些器件的重要组成部分 4、集成电路中的介

6、质隔离 5、用于电极引线和硅器件之间的绝缘作用,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,1、二氧化硅对选择性扩散起掩蔽作用二氧化硅对杂质扩散能起到掩蔽作用，利用这个性质结合 光刻工艺，就可以进行选择性扩散，制造出半导体器件和集成 电路来。 什么是掩蔽作用呢？就是在高温下，杂质沿着硅片表面 上刻出来的窗口向硅体内扩散，同时在二氧化硅的表面也进 行扩散。以硼扩散为例，当一定浓度的B2O3向硅体扩散的同 时，也向二氧化硅表面进行扩散。但是，由于硼在二氧化硅 中的扩散系数远远小于在硅中的扩散系数，所以当硼在硅中 已经形成P-N结时，在二氧化硼中的扩散深度却很小（无法 穿透二氧

7、化硼膜层）。这样，二氧化硼膜就保护了硼杂质的 扩散作用，起到了掩蔽作用。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,但是，这种掩蔽作用是有条件的，不是绝对的。随着温度 升高扩散时间延长，杂质也有可能会扩散穿透二氧化硅膜层的， 使掩蔽作用失效。因此，二氧化硅膜起掩蔽作用有两个先决条 件：（1）二氧化硅膜层要有足够厚度，以确保其在扩散时能达 到预想效果；（2）所选杂质在二氧化硅中的扩散系数要比在硅中的扩散 系数小得多。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,2、二氧化硅对器件表面的保护和钝化作用在硅片表面生长一层二氧化硅膜，可以保护硅表面和P-N

8、 结的边缘不受外界影响，提高器件的稳定性和可靠性。同时， 在制造工艺流程中，防止表面或P-N结受到机械损伤和杂质沾 污，起到了保护作用。另外，由于有了这一层二氧化硅膜，就 将硅片表面和P-N结与外界气氛隔开，降低了外界气氛对硅的 影响，起到钝化作用。但是，钝化的前提是膜层的质量要好， 如果二氧化硅膜中含大量的钠离子或针孔，非但不能起到钝化 作用，反而会造成器件不稳定。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,3、二氧化硅是某些器件的重要组成部分二氧化硅可以作为MOS场效应晶体管的绝缘栅极，这是因为 二氧化硅层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。二氧化硅还可作为集

9、成电路中电容器的介质材料，这是因为 二氧化硅的介电常数为34，击穿耐压较高，电容温度系数小。 所以二氧化硅是一种优质的电容器介质材料。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,4、集成电路中的介质隔离集成电路中的隔离有P-N结隔离和介质隔离两种，介质 隔离中的介质就是二氧化硅，因为二氧化硅介质隔离的漏电 流小，所以集成电路的开关速度较好，但因工艺复杂，使用 的还不够广泛。,微电子材料与工艺,3.1二氧化硅的结构、性质和用途,第一章 绪论,5、用于电极引线和硅器件之间的绝缘作用在集成电路制备中，电极引线和器件之间，往往有一种 绝缘材料，大多采用二氧化硅作为这一层绝缘材料

10、，使得器 件之间、电极引线之间绝缘。,微电子材料与工艺,3.2 硅的热氧化,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化二氧化硅的制备方法很多，有热氧化、热分解、溅射、 真空蒸发、阳极氧化、等离子氧化等。其中热氧化是这些方 法中应用最广泛的。这是由于它具有工艺简单、操作方便、 氧化膜质量最好，膜的稳定性和可靠性好等优点。硅的热氧化是指在1000以上的高温下，硅经氧化生成二 氧化硅的过程。热氧化又可分为干氧氧化、湿氧氧化、水汽 氧化及掺氯氧化、氢氧合成等。,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2.1热氧化原理不管是哪种热氧化方法，其生长机理是相同的。当硅 表面上没有氧化层时，氧或水汽可以直接与硅生成二氧化

11、硅；当硅表面已经生长上一层氧化层以后，氧或水汽必须 以扩散的方式运动到Si-SiO2界面，再与硅反应生成二氧化 硅。,3.2 硅的热氧化,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,1、氧化速率与时间的关系 2、温度对氧化速率的影响 3、压力对氧化速率的影响 4、晶向对氧化速率的影响 5、杂质对氧化速率的影响,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,1、氧化速率与时间的关系氧化规律的数学表达式为：,式中，x为二氧化硅的厚度；t为氧化时间；为硅片在空气中 生成的原始氧化层厚度（由于数值太小，可以忽略）；D为常 数；C为常数。从氧化规律的数学表达式可知，当氧化时间很短时，二氧

12、化硅层的厚度与时间成线性关系。如果氧化时间很长，则二氧 化硅层厚度与时间呈抛物线关系。也就是说热生长开始时，氧化速率很快，即xt， 随着时间增加，氧化层加厚的速率变慢，即氧化速率下降， 即,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,2、温度对氧化速率的影响实验表明，温度与氧化速率成指数关系，也就是说，氧 化速率随温度增加而增大。实际生产中，热氧化温度选择在 9001200C之间。 3、压力对氧化速率的影响实验表面，氧化速率与压力成线性关系，即当压力增大 时，氧化速率也大，这样就可以用增大压力的方法实现快速 氧化，也可以用减小压力的方法进行特殊的缓慢氧化。,微电子材料与工艺,第一章 绪

13、论,3.2 硅的热氧化,4、晶向对氧化速率的影响实验表明，对于短时间薄层氧化时，硅晶向的 氧化速率要比晶向大。对于长时间厚层氧化时，晶 向对氧化速率影响不大。 5、杂质对氧化速率的影响在掺硼氧化中，硼元素可以使氧化剂在二氧化硅中扩 散加快，从而提高氧化速率。在掺氯氧化时，氯元素的存 在可以使氧化速率明显增加。,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,3.2.2热氧化方法1、干氧氧化 2、水汽氧化 3、湿氧氧化 4、掺氯氧化 （1）掺氯氧化的作用 （2）掺氯氧化工艺 5、氢氧合成法,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,1、干氧氧化干氧氧化是在高温下，氧分子与硅直接反应

14、生成二氧化硅， 其反应式如下：,其氧化温度一般为9001200C，氧气流量为左右1ml/s。为了 防止氧化炉外部气体对氧化的影响，一般设计氧化炉内气体压 力稍高于炉外气压。干氧氧化温度很高，而且时间又长，所以氧化层厚度与时 间的关系呈抛物线规律。,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,2、水汽氧化水汽氧化是在高温下水汽与硅反应生成二氧化硅，其反应 式如下：,在水汽氧化过程中，水分子在二氧化硅中的扩散速率要比 干氧氧化的扩散速率快，所以，水汽氧化生成的二氧化硅质量 不如干氧氧化生成的二氧化硅的质量。,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,3、湿氧氧化湿氧氧化的氧化剂是

15、通过高纯水的氧气，高纯水加热到 95C以上。通过高纯水的氧气，携带一定的水汽，所以，湿 氧氧化的氧化剂既含有氧气，又含有水汽，湿氧氧化则既有 干氧氧化，又有水汽氧化两种氧化模式。二氧化硅的生长速 率介于干氧氧化和水汽氧化之间。,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,4、掺氯氧化 （1）掺氯氧化的作用掺氯氧化的作用是减少钠离子的沾污，抑制氧化垛层错， 提高少子寿命，也就是提高器件的电性能和可靠性。因此，生 产中广泛的应用。由于SiO2-Si界面处有些价键未饱和，这些未饱和价键很有 可能被杂质原子的价键所占据造成污染。如果有氯离子存在， 则氯离子就和这些未饱和价键结合成氯-硅-氧复合

16、体结构，如 图，同时当钠离子移动到SiO2-Si界面Cl-Si-O复合体附近时， 钠离子将被束缚在氯离子周围，而且中性化，从而减少了SiO2 中可动钠离子的数目。,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,界面处氯的存在可以形成大量硅空位，这些硅空位可以吸 收堆垛层错中过多的硅原子，使层错减少直至消失。在半导体中，经常存在一些重金属杂质，这些杂质使少子 寿命变短，如果界面处有氯存在，它与重金属杂质发生作用， 生成易挥发的氯化物，而被排除，从而提高少子寿命。,微电子材料与工艺,第一章 绪论,3.2 硅的热氧化,（2）掺氯氧化工艺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由于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。三氯乙烯既具有HCl的作用，又没有它的缺点， 因此，使用的较广泛。但它具有毒性，使用时要当心。,