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1、Chap 2 Chap 2 氧化氧化SiO2与与Si之间完美的界面特性是成就硅之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因时代的主要原因硅工艺中的一系列重要硅基材料：硅工艺中的一系列重要硅基材料： SiO2：绝缘栅绝缘栅/绝缘绝缘/介质材料；介质材料；Si3N4：介质材料，用作钝化：介质材料，用作钝化/掩蔽等；掩蔽等；多晶硅：可以掺杂，导电；多晶硅：可以掺杂，导电；硅化物：导电，作为接触和互连硅化物：导电，作为接触和互连1Chap2氧化氧化oxide本章重点：本章重点：1、SiO2层用途层用途2、SiO2氧化方法氧化方法3、SiO2质量监测质量监测SiO2层的特点：层的特点：l能紧紧地依附在硅衬底
2、表面，具有良好的化学稳能紧紧地依附在硅衬底表面，具有良好的化学稳定性和电绝缘性。定性和电绝缘性。l对某些杂质能起到掩蔽作用。对某些杂质能起到掩蔽作用。l极易溶解于氢氟酸中，而在其它酸中稳定。极易溶解于氢氟酸中，而在其它酸中稳定。22.1SiO2的结构和性质的结构和性质 一、结构一、结构 1.1.结晶型和非结晶型（无定形）两种结晶型和非结晶型（无定形）两种 2.2.基基本本单单元元：Si-OSi-O四四面面体体，中中心心是是硅硅，四四个个顶顶角角上上是是氧氧原原子子，为为两两个个硅硅原原子子所所共有。（结构见书图）共有。（结构见书图） 3 3.连连接接两两个个Si-OSi-O四四面面体体的的氧氧
3、称称为为桥桥键键氧氧，只有一个只有一个Si-OSi-O四面体的氧称为非桥键氧。四面体的氧称为非桥键氧。3非桥联氧非桥联氧桥联氧桥联氧43.无定形无定形SiOSiO2 2的强度应是的强度应是桥键氧数目与非桥键氧数桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数，桥键氧数目越多，则网络结合的目之比的函数，桥键氧数目越多，则网络结合的就越紧密，否则就越疏松。就越紧密，否则就越疏松。4.4.在无定形在无定形SiOSiO2 2网络中，硅在网络中，硅在SiOSiO2 2中的扩散系数中的扩散系数比氧的扩散系数小几个数量级。在热氧化法制备比氧的扩散系数小几个数量级。在热氧化法制备的过程中，是氧或水汽等氧化剂穿过的过程中，是
4、氧或水汽等氧化剂穿过SiOSiO2 2层，到层，到达达Si- SiOSi- SiO2 2界面，与硅反应生成界面，与硅反应生成SiOSiO2 2 ，而不是硅，而不是硅向向SiOSiO2 2外表面运动，在表面与氧化剂反应生成外表面运动，在表面与氧化剂反应生成SiOSiO2 25二、二氧化硅的性质二、二氧化硅的性质1.1.密度与折射率密度与折射率2. 2. 耐腐蚀性耐腐蚀性 二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外，和别的酸不起作用。氢氟酸腐蚀原氢氟酸外，和别的酸不起作用。氢氟酸腐蚀原理如下：理如下：六氟化硅溶于水。六氟化硅溶于水。 利用这一性质作为掩
5、蔽膜，光刻出利用这一性质作为掩蔽膜，光刻出IC IC 制造中制造中的各种窗口。的各种窗口。63. 3. 二氧化硅膜的掩蔽性质二氧化硅膜的掩蔽性质 B B、P P、AsAs等杂质在等杂质在SiOSiO2 2的扩散系数远小于在的扩散系数远小于在SiSi中的扩散系数。中的扩散系数。D DSiSi D DSiO2SiO2 SiOSiO2 2 膜膜要要有有足足够够的的厚厚度度。杂杂质质在在一一定定的的扩扩散散时时间、扩散温度下，有一最小厚度。间、扩散温度下，有一最小厚度。4. 4. 二氧化硅膜的绝缘性质二氧化硅膜的绝缘性质 热击穿、电击穿、混合击穿：热击穿、电击穿、混合击穿： a.a.最最小小击击穿穿电
6、电场场（非非本本征征）针针孔孔、裂裂缝缝、杂质。杂质。 b.b.最最大大击击穿穿电电场场（本本征征）厚厚度度、导导热热、界界面面态态电电荷荷等等；氧氧化化层层越越薄薄、氧氧化化温温度度越越高高， 击穿电场越低。击穿电场越低。 c.c.介电常数介电常数3 34 4（3.93.9）7三、三、 用途用途 1.1.扩扩散散时时的的掩掩蔽蔽层层，离离子子注注入入的的(有有时时与与光光刻刻胶胶、Si3N4层一起使用层一起使用)阻挡层阻挡层 二二氧氧化化硅硅对对杂杂质质扩扩散散起起到到掩掩蔽蔽作作用用，利利用用这这个性质结合光刻工艺，就可以进行选择性扩散。个性质结合光刻工艺，就可以进行选择性扩散。 这这种种
7、掩掩蔽蔽作作用用是是有有条条件件的的。随随着着温温度度升升高高扩扩散散时时间间延延长长，杂杂质质也也有有可可能能会会扩扩散散穿穿透透二二氧氧化化硅硅膜膜层层，使使掩掩蔽蔽作作用用失失效效。因因此此二二氧氧化化硅硅膜膜起起掩掩蔽蔽作作用用有有两两个个条条件件(1)(1)厚厚度度足足够够；（2 2）所所选选杂杂质质在在二二氧氧化化硅硅中中的的扩扩散散系系数数要要比比在在硅硅中中的的扩扩散散系系数数小小得多。得多。82.器件和电路的器件和电路的保护或钝化膜保护或钝化膜 在在硅硅片片表表面面生生长长一一层层二二氧氧化化硅硅膜膜，可可以以保保护护硅硅表表面面和和P-NP-N结结的的边边缘缘不不受受外外界
8、界影影响响，提提高高器器件件的的稳稳定定性性和和可可靠靠性性。同同时时，在在制制造造工工艺艺流流程程中中，防防止止表表面面或或P-NP-N结结受受到到机机械械损损伤伤和和杂杂质质玷玷污污，起起到到了了保保护护作作用用。另另外外，有有了了这这一一层层二二氧氧化化硅硅膜膜，就就可可以以将将硅硅片片表表面面和和P-NP-N结结与与外外界界气气氛氛隔隔开开。降降低低了了外外界界气气氛氛对对硅硅的的影影响响，起起到到钝钝化化作作用用。但但是是，钝钝化化的的前前提提是是膜膜层层的的质质量量要要好好，如如果果二二氧氧化化硅硅膜膜中中含含有有大大量量纳纳离离子子或或针针孔孔，非非但不能起到钝化作用，反而会造成
9、器件不稳定。但不能起到钝化作用，反而会造成器件不稳定。93.3.某些器件的重要组成部分某些器件的重要组成部分(1)MOS(1)MOS管的绝缘栅材料管的绝缘栅材料 在在MOSMOS晶晶体体管管中中，常常以以二二氧氧化化硅硅膜膜作作为为栅栅极极，这这是是因因为为二二氧氧化化硅硅层层的的电电阻阻率率高高，介介电电强强度度大大，几几乎乎不不存存在在漏漏电电流流。但但作作为为绝绝缘缘栅栅要要求求极极高高，因因为为Si-SiOSi-SiO2 2界界面面十十分分敏敏感感（指指电电学学性性能能）， SiOSiO2 2层层质质量量不不好好，这这样样的的绝绝缘缘栅栅极极就就不不是是良良好好的的半导体器件。半导体器
10、件。10(2)(2)电容器的介质材料电容器的介质材料集成电路中的电容器是以集成电路中的电容器是以SiOSiO2 2作作介质介质的，因为的，因为SiOSiO2 2的的介电常数为介电常数为3-43-4，击穿耐，击穿耐压较高，电容温度系数下，这些性能决压较高，电容温度系数下，这些性能决定了它是一种优质的电容器介质材料。定了它是一种优质的电容器介质材料。另外，生长二氧化硅方法很简单，在集另外，生长二氧化硅方法很简单，在集成电路中的电容器都以二氧化硅来代替。成电路中的电容器都以二氧化硅来代替。114.4.集成电路中的隔离介质集成电路中的隔离介质 集集成成电电路路中中的的隔隔离离有有P-NP-N隔隔离离和
11、和介介质质隔隔离离两两种种，而而介介质质隔隔离离中中的的介介质质就就是是二二氧氧化化硅硅。因因为为SiOSiO2 2介介质质隔隔离离的的漏漏电电流流很很小小，岛岛与与岛岛之之间间的的隔隔离离电电压压较较大大，寄寄生生电电容容较较小小。因因此此，用用二二氧氧化化硅硅作作介介质质隔隔离离的的集成电路的开关速度较好。集成电路的开关速度较好。125.5.用用于于电电极极引引线线和和硅硅器器件件之之间间的的绝绝缘缘介介质质在集成电路制备中，电极引线和器件在集成电路制备中，电极引线和器件之间，往往有一种绝缘材料，工艺上大之间，往往有一种绝缘材料，工艺上大多采用二氧化硅作为这一层绝缘材料，多采用二氧化硅作为
12、这一层绝缘材料，使得器件之间，电极引线之间绝缘。使得器件之间，电极引线之间绝缘。130.8nm栅氧化层栅氧化层离子注入掩蔽离子注入掩蔽隔离工艺隔离工艺互连互连层间层间绝缘绝缘介质介质142.2 SiO2.2 SiO2 2的掩蔽作用的掩蔽作用一、杂质在二氧化硅中的存在形式一、杂质在二氧化硅中的存在形式1.1.本本征征二二氧氧化化硅硅：网网络络体体中中，只只有有硅硅和和氧氧两两种种元元素的素的SiOSiO2 2，即不含杂质的即不含杂质的SiOSiO2 22.2.非非本本征征二二氧氧化化硅硅：在在器器件件制制造造中中，往往往往掺掺入入某某些杂质，这样形成的些杂质，这样形成的SiOSiO2 23 3.
13、 .按按杂杂质质在在网网络络中中所所处处位位置置可可分分为为两两类类：网网络络形形成者和网络改变者。成者和网络改变者。（1 1）网网络络形形成成者者：可可以以替替代代网网络络中中硅硅原原子子的的杂杂质。其离子半径与质。其离子半径与SiSi相近。相近。（2 2）网网络络改改变变者者：存存在在于于二二氧氧化化硅硅网网络络间间隙隙中中的的杂杂质质。一一般般是是以以离离子子形形式式存存在在于于网网络络中中，其其离离子半径大，替代硅的可能性很小。子半径大，替代硅的可能性很小。15热氧化生长，水存在的情况：热氧化生长，水存在的情况：Si:O:SiSi:O:H+H:O:Si掺杂杂质：取代掺杂杂质：取代Si的
14、位置，的位置，网络形成体（网络形成体（B，P）占据间隙位置，网络变性体占据间隙位置，网络变性体（金属原子（金属原子Na,K）含杂质的含杂质的SiO2结构结构16 网络改变者往往以氧化物的形式进入二网络改变者往往以氧化物的形式进入二氧化硅中，进入网络之后便离化，并把氧离氧化硅中，进入网络之后便离化，并把氧离子交给子交给SiOSiO2 2网络。网络。 因网络中的氧的增加，结果非桥键氧的因网络中的氧的增加，结果非桥键氧的浓度增大，浓度增大， SiOSiO2 2网络强度减弱，熔点降低。网络强度减弱，熔点降低。存在于网络间隙中的网络改变者容易运动，存在于网络间隙中的网络改变者容易运动，尤其是在外场和温度
15、作用下更是如此，对电尤其是在外场和温度作用下更是如此，对电路的稳定性和可靠性产生极坏影响。路的稳定性和可靠性产生极坏影响。4.4.水汽能以分子态形式进入二氧化硅网络，水汽能以分子态形式进入二氧化硅网络，和桥键氧反应生成非桥键氢氧基，减少了网和桥键氧反应生成非桥键氢氧基，减少了网络中桥键氧数目，网络强度减弱或疏松，使络中桥键氧数目，网络强度减弱或疏松，使杂质的扩散能力增强。其行为和网络改变者杂质的扩散能力增强。其行为和网络改变者或间隙杂质相似。或间隙杂质相似。17二、杂质在二、杂质在SiO2SiO2中的扩散系数中的扩散系数1.1.选择扩散的掩蔽膜选择扩散的掩蔽膜 在在各各种种器器件件制制造造中中
16、往往往往是是通通过过硅硅表表面面特特定定区区域域向向硅硅内内掺掺入入一一定定数数量量的的某某种种杂杂质质，其其余余区区域不进行掺杂。即选择扩散。域不进行掺杂。即选择扩散。 选选择择扩扩散散是是根根据据某某些些杂杂质质，在在条条件件相相同同的的情情况况下下，在在SiOSiO2 2中中的的扩扩散散速速度度远远小小于于在在硅硅中中的的扩扩散散速速度度的的性性质质来来完完成成，即即利利用用SiOSiO2 2层层对对某某些些杂杂质质起起到到“掩掩蔽蔽”作作用用来来达达到到。在在相相同同条条件件下下，杂杂质质在在硅硅中中的的扩扩散散深深度度已已达达到到要要求求时时，而而在在二二氧氧化化硅硅中中的的扩扩散散
17、深深度度还还非非常常浅浅，没没有有扩扩透透预预先先生生长长的的SiOSiO2 2层层，因因而而在在SiOSiO2 2层层保保护护的的硅硅内内没没有有杂质进入，客观上就起到了掩蔽作用。杂质进入，客观上就起到了掩蔽作用。182.2.服从扩散规律服从扩散规律3.3.避免钠一类离子的玷污，因为它在避免钠一类离子的玷污，因为它在SiO2SiO2中的中的扩散系数和迁移率都很大，钠离子的玷污是造扩散系数和迁移率都很大，钠离子的玷污是造成双极器件和成双极器件和MOSMOS器件性能不稳定的重要原因。器件性能不稳定的重要原因。三、掩蔽层厚度的确定三、掩蔽层厚度的确定1.1.在实际生成过程中通过计算和实践相结合的在
18、实际生成过程中通过计算和实践相结合的方法估算。方法估算。2.杂质在杂质在SiOSiO2 2中中服从余误差分布和高斯分布服从余误差分布和高斯分布（具体下一章介绍）（具体下一章介绍）192.3硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学 一、硅的热氧化一、硅的热氧化1.1. SiOSiO2 2的的制制备备方方法法很很多多，有有热热分分解解淀淀积积法法、溅溅射射法法、真真空空蒸蒸发发法法、阳阳极极氧氧化化法法、化化学学气气相相淀淀积法、等离子氧化法和热氧化法等等。积法、等离子氧化法和热氧化法等等。2.2.热热氧氧化化是是应应用用最最为为广广泛泛的的。这这是是因因为为它它具具有有工工艺艺简简单单、操操作作
19、方方便便、氧氧化化膜膜质质量量最最佳佳、膜膜的的稳定性和可靠性好等特点。稳定性和可靠性好等特点。3.3.硅的热氧化是指硅与氧或水汽等氧化剂，在硅的热氧化是指硅与氧或水汽等氧化剂，在高温下经化学反应生成高温下经化学反应生成SiOSiO2 2的过程。的过程。20二二、SiOSiO2 2的制备方法的制备方法1.三种氧化三种氧化速度速度均匀重复性均匀重复性结构结构掩蔽性掩蔽性水温水温干氧：慢干氧：慢好好致密致密好好湿氧：快湿氧：快较好较好中中基本满足基本满足95水汽：最快水汽：最快差差疏松疏松较差较差102实际采用：干氧湿氧干氧实际采用：干氧湿氧干氧21进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧
20、化的氧化炉示意图222.2.水汽氯化氢氧化水汽氯化氢氧化（1 1）作用：减少钠离子的玷污，抑制氧化垛层）作用：减少钠离子的玷污，抑制氧化垛层错，提高少子寿命，也就是提高器件的电性能错，提高少子寿命，也就是提高器件的电性能和可靠性。在生产中广泛应用。和可靠性。在生产中广泛应用。SiOSiO2 2-Si-Si界面未界面未饱和键和氯离子结合，减少其被杂质原子的价饱和键和氯离子结合，减少其被杂质原子的价键所占据造成的玷污。键所占据造成的玷污。 在半导体材料中，经常存在一些重金属杂在半导体材料中，经常存在一些重金属杂质，如铜、金等，另外，在氧化过程中，也很质，如铜、金等，另外，在氧化过程中，也很容易引入
21、这些杂质。它们在半导体中形成复合容易引入这些杂质。它们在半导体中形成复合中心，使少子寿命变短，如果面外有氯离子存中心，使少子寿命变短，如果面外有氯离子存在，它能与这些金属杂质发生作用，生成易挥在，它能与这些金属杂质发生作用，生成易挥发的氯化物，而被排除，从而减少了复合中心。发的氯化物，而被排除，从而减少了复合中心。23（2 2）掺氯氧化机理）掺氯氧化机理HClHCl氧化中的反应：氧化中的反应： 氯在氯在Si-SiOSi-SiO2 2界面处以氯硅氧复合体界面处以氯硅氧复合体形式存在，它们与氧反应，释放出氯气。形式存在，它们与氧反应，释放出氯气。因电中性作用氯气对因电中性作用氯气对Na+Na+有吸
22、附作用，将有吸附作用，将Na+Na+固定在固定在Si Si SiOSiO2 2界面附近，改善器件界面附近，改善器件特性及可靠性。特性及可靠性。24氯使界面处的硅形成硅空位，吸收本征氯使界面处的硅形成硅空位，吸收本征层错中的过多的硅原子，减少层错。层错中的过多的硅原子，减少层错。（3 3）掺氯氧化膜的氧化膜的负偏偏压不不稳定性定性掺氯氧化膜加氧化膜加负偏偏压时，高温，高温负电场会会破坏破坏SiSiSiSi、 SiSiO O键，变形或破裂，形或破裂，增加固定氧化物增加固定氧化物电荷和界面陷阱荷和界面陷阱电荷密荷密度，使度，使C CV V曲曲线向向负方向移方向移动。 O Si+ClOOO Si+ +
23、 Cl OO253.3.其他常用氧化其他常用氧化(1).氢氧合成氧化氢氧合成氧化氢氧合成水氢氧合成水-汽化汽化=水汽氧化水汽氧化比湿氧优比湿氧优,均匀均匀/重复性好重复性好(2).低温氧化低温氧化:缺陷少缺陷少,（1000以下）但以下）但钝化效果差钝化效果差-加加1100N2退火退火(3).高压氧化：指高压水汽氧化，高密度、高压氧化：指高压水汽氧化，高密度、高折射率低腐蚀速率，杂质分凝效应小。高折射率低腐蚀速率，杂质分凝效应小。26高压氧化：高压氧化：一种低温快速的氧化方法一种低温快速的氧化方法B和和B/A与氧化剂分压近似成正比与氧化剂分压近似成正比在一个大气压下，每增加一个大气压氧化速率在一
24、个大气压下，每增加一个大气压氧化速率增加一倍增加一倍如速率不变，则每增加一个大气压，温度下降如速率不变，则每增加一个大气压，温度下降30 C但在但在VLSI工艺中，尚未广泛使用，原因：工艺中，尚未广泛使用，原因：1）安全问题，一般设备需要）安全问题，一般设备需要25atm2）设备占地太大，生产产量小）设备占地太大，生产产量小3）厚度不均匀）厚度不均匀27不同方法制作的不同方法制作的SiO2的性质对比（定性）的性质对比（定性）28三、热氧化原理三、热氧化原理1.1.生生长长机机理理：一一般般认认为为有有两两种种模模式式。一一种种是是氧氧或或水水汽汽直直接接穿穿过过氧氧表表面面层层上上的的氧氧化化
25、膜膜；二二是是在在高高温温下下，硅硅原原子子在在二二氧氧化化硅硅界界面面处处，不不断断夺夺取取二二氧氧化化硅硅中中的的氧氧，生生成成新新的的氧氧化化膜膜，使使得得表表面面处处仍仍是是硅硅与与氧氧进进行行氧氧化化，相相当当于于氧氧原原子子进进入入硅硅中中，或或硅硅原原子子逐逐步步扩扩散散到到表表面面。持持前前一一观观点点人多。（生长人多。（生长1umsio1umsio2 2, ,消耗消耗0.46umsi)0.46umsi)29SiO2生长动力学气体中扩散气体中扩散固体中扩散固体中扩散SiO2形成形成SiO2Si衬底气流滞流层氧化剂流动方向(如 O2或 H2O）302.2.热氧化经历步骤：热氧化经
26、历步骤： （1 1）氧氧化化剂剂从从气气体体内内部部以以扩扩散散形形式式穿穿过附面层运动到气体与二氧化硅界面；过附面层运动到气体与二氧化硅界面； （2 2）氧氧化化剂剂以以扩扩散散方方式式穿穿过过二二氧氧化化层层，到达二氧化硅与硅界面；到达二氧化硅与硅界面； （3 3）氧氧化化剂剂在在硅硅表表面面与与硅硅反反应应生生成成二二氧化硅；氧化硅； （4 4）反应副产物离开界面。）反应副产物离开界面。313.硅的热氧化存在两个极限：硅的热氧化存在两个极限：其一是当氧化剂在二氧化硅中的扩散其一是当氧化剂在二氧化硅中的扩散系数很小时，二氧化硅的生长速率主要系数很小时，二氧化硅的生长速率主要由氧化剂在二氧化
27、硅中的扩散速度所决由氧化剂在二氧化硅中的扩散速度所决定，称为定，称为扩散控制扩散控制；其二如果扩散系数很大，在这种情况其二如果扩散系数很大，在这种情况下，氧化剂到达硅和二氧化硅界面的速下，氧化剂到达硅和二氧化硅界面的速度就快，这时，二氧化硅的生长速率就度就快，这时，二氧化硅的生长速率就由硅表面的化学反应速度决定，称为由硅表面的化学反应速度决定，称为反反应控制应控制。32四、热氧化生长速率四、热氧化生长速率 SiOSiO2 2的的生生长长的的快快慢慢将将由由氧氧化化剂剂在在SiOSiO2 2中中的的扩扩散散速速度度以以及及与与SiSi反反应应速速度度中中较较慢慢的的一一个个因因素素来来决决定定。
28、即即由由扩扩散散控控制制和和表表面面化化学学反反应应速速率率来来决定。决定。 当当氧氧化化时时间间很很短短时时，氧氧化化服服从从线线性性规规律律，此此时时SiOSiO2 2的的生生长长速速率率主主要要由由表表面面化化学学反反应应来来决决定。定。 当当氧氧化化时时间间很很长长时时，氧氧化化服服从从抛抛物物型型规规律律，此此时时SiOSiO2 2的的生生长长速速率率主主要要由由氧氧化化剂剂在在SiOSiO2 2中中的的扩散快慢来决定。扩散快慢来决定。332.4 2.4 决定氧化速率常数和影响氧化速率的各种因素决定氧化速率常数和影响氧化速率的各种因素一、决定氧化速率的各种因素一、决定氧化速率的各种因
29、素1.氧化时间氧化时间氧化时间短时，氧化速率与时间呈线性，氧化速率氧化时间短时，氧化速率与时间呈线性，氧化速率很快，且由表面化学反应控制，氧化层厚度增加快；很快，且由表面化学反应控制，氧化层厚度增加快；随着时间的增长，氧化速率与时间成抛物线关系，氧随着时间的增长，氧化速率与时间成抛物线关系，氧化速率变慢，改为由扩散控制，即氧化层加厚的速度化速率变慢，改为由扩散控制，即氧化层加厚的速度变慢。变慢。2.氧化剂分压：氧化剂分压：抛物线型速率常数抛物线型速率常数B以及线性速率常数以及线性速率常数B/A与氧化剂与氧化剂分压都是线性关系，所以在一定的氧化条件下，通过分压都是线性关系，所以在一定的氧化条件下
30、，通过改变氧化剂分压可以达到改变二氧化硅生长速率的目改变氧化剂分压可以达到改变二氧化硅生长速率的目的，即所谓的高压氧化和低压氧化技术。的，即所谓的高压氧化和低压氧化技术。34实验表明：对于和实验表明：对于和H2O氧化，氧化硅生氧化，氧化硅生长速率正比于长速率正比于PG，而，而O2的氧化无法完全的氧化无法完全用线性关系描述。用线性关系描述。在水汽氧化时：在水汽氧化时：在氧气氧化时：在氧气氧化时：n 0.70.8。上标。上标i表示表示1atm下的相应值下的相应值压强对氧化速率的影响压强对氧化速率的影响1)如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧
31、化温度可以降低2)如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则氧化时间可以减少。氧化时间可以减少。353.氧化温度：氧化温度：B与与B/A与温度成指数关系，且在一个大与温度成指数关系，且在一个大气压下气压下B/A的值由表面化学反应来决定，的值由表面化学反应来决定，即由表面化学反应快慢决定氧化速率。即由表面化学反应快慢决定氧化速率。只有低压情况氧化速率才由扩散控制。只有低压情况氧化速率才由扩散控制。36二、影响氧化速率的其他因素二、影响氧化速率的其他因素1.1.硅表面晶向硅表面晶向在在氧氧化化剂剂压压力力一一定定的的情情况况下下，B
32、 B与与硅硅衬衬底底晶晶向向无无关关，而而（111111）面面上上的的B/AB/A比比（100100）面面上上的的大大。随随着着氧氧化化温温度度升升高高，晶晶向向对对B/AB/A影影响响减减小小，因因为为在在高高温温下下氧氧化化速速率率受受B B即即扩扩散散控控制制；同同样样当当氧氧化化时时间间很很长长，氧氧化化层层很很厚厚时时，氧氧化化速速率率受受B B即即扩扩散散控制，因此晶面取向对控制，因此晶面取向对B/AB/A也不起作用。也不起作用。37晶向对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响化学反应速率常数化学反应速率常数ks与晶向有关。因此线性速与晶向有关。因此线性速率常数率常数B/A与晶向有关。
33、在与晶向有关。在适当温度适当温度(111)晶向晶向硅的硅的B/A为为(100)硅的硅的1.68倍倍，（，（110）晶向晶向为为1.45倍的（倍的（100）晶向值。）晶向值。抛物线速率常数抛物线速率常数B与晶向无关。与晶向无关。高温长时间氧化，抛物线速率常数高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作起主要作用，晶向影响减弱。用，晶向影响减弱。38衬底取向对氧化速率影响的原因衬底取向对氧化速率影响的原因B与晶向无关与晶向无关（B/A)111=1.68（B/A)100ks0是常数，与单是常数，与单位晶面上能与氧化位晶面上能与氧化剂反应的硅价键数剂反应的硅价键数成正比。成正比。392.杂质杂质（1）硅衬
34、底中掺杂）硅衬底中掺杂P，B对氧化速率的影响对氧化速率的影响掺杂浓度增加氧化速率增大，掺杂浓度增加氧化速率增大，因此在氧化过程中，因此在氧化过程中，同一硅片表面上的重区域的氧化层厚度可能比轻掺杂同一硅片表面上的重区域的氧化层厚度可能比轻掺杂区域的大很多。区域的大很多。（2）水汽，钠）水汽，钠加快氧化速率，使得相同条件下生成的氧化层厚度加快氧化速率，使得相同条件下生成的氧化层厚度变大。变大。（3）氯）氯在氧化气氛中加入氯可以改善二氧化硅的特性。在氧化气氛中加入氯可以改善二氧化硅的特性。40掺杂对氧化速率的影响掺杂对氧化速率的影响900 C时干氧氧化速率随表面磷浓时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化。
35、反应速率限制情况度的变化。反应速率限制情况。n：反应速率反应速率限制，限制，B/A起起主要作用，氧化速率取决于主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度硅表面的掺杂浓度41掺氯对掺氯对氧化速率的影响氧化速率的影响v掺氯能掺氯能增大增大B/A和和B。Si-O键能键能4.25eV,Si-Cl键能键能0.5eV,Cl2先与先与Si反应反应生成氯硅化合物，生成氯硅化合物，然后再与氧反应然后再与氧反应生成生成SiO2，起催化起催化作用作用vCl-还可以中和界还可以中和界面的电荷堆积面的电荷堆积,减减少界面态少界面态,BB/ADryO2+1-3%Cl;Clisametalgettercleaneroxide
36、.422.5热氧化过程中的杂质再分布热氧化过程中的杂质再分布 决定杂质再分布的主要因素：（决定杂质再分布的主要因素：（1 1）杂质的分）杂质的分凝现象；（凝现象；（2 2）杂质通过）杂质通过SiOSiO2 2表面逸散；（表面逸散；（3 3）氧化速率的快慢；（氧化速率的快慢；（4 4）杂质在）杂质在SiOSiO2 2的扩散速度的扩散速度一、杂质的再分布一、杂质的再分布1.1.分分凝凝现现象象：硅硅在在热热氧氧化化时时所所形形成成的的界界面面随随着着热热氧氧化化的的进进行行不不断断向向硅硅中中推推进进，原原存存在在硅硅中中的的杂杂质质将将在在界界面面两两边边再再分分布布，直直到到达达到到在在界界面
37、面两两边的化学势相同，边的化学势相同，分分凝凝系系数数 m=m=杂杂质质在在硅硅中中的的平平衡衡浓浓度度/ /杂杂质质在在二二氧化硅中的平衡浓度氧化硅中的平衡浓度432.2.不同杂质的分凝系数不同：不同杂质的分凝系数不同： 磷磷、砷砷等等为为1010左左右右，镓镓,20,20；硼硼的的随随温温度度上升而增大，一般小于上升而增大，一般小于1 1。3.3.再分布的四种可能再分布的四种可能 (1)m1(1)m1，在在二二氧氧化化硅硅中中是是慢慢扩扩散散的的杂杂质质，如硼如硼 (2)m1(2)m1(3)m1，在在二二氧氧化化硅硅中中是是慢慢扩扩散散的的杂杂质质，如磷如磷 (4)m1(4)m1，在二氧化
38、硅中是快扩散的杂质，在二氧化硅中是快扩散的杂质44A.m1，并且杂质在氧化物中扩散很慢慢。例如B，k=0.3杂质在杂质在SiO2界面处浓度很界面处浓度很高高B.m1，并且杂质在氧化物中扩散慢慢。例如 P，As，Sb杂质在硅界面处堆积杂质在硅界面处堆积D.m1，并且杂质在氧化杂质在氧化物中扩散物中扩散快快。例如。例如Ga，硅界面处的杂质浓度低硅界面处的杂质浓度低于体浓度于体浓度。46二、再分布对硅表面杂质浓度的影响二、再分布对硅表面杂质浓度的影响再分布后的硅表面附近的杂质浓度，只与杂再分布后的硅表面附近的杂质浓度，只与杂质的分凝系数；杂质在二氧化硅与在硅中的扩质的分凝系数；杂质在二氧化硅与在硅中
39、的扩散系数之比；以及氧化速率与杂质的扩散速率散系数之比；以及氧化速率与杂质的扩散速率之比有关。之比有关。1.掺杂掺杂P：在一定温度下，快速的水汽氧化比慢：在一定温度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；在同一速的干氧氧化所引起的再分布程度大；在同一氧化气氛中，氧化温度越高，杂质在硅表面浓氧化气氛中，氧化温度越高，杂质在硅表面浓度与在硅内浓度趋于平衡。度与在硅内浓度趋于平衡。2.掺杂掺杂B：在相同温度下，快速的水汽氧化比慢：在相同温度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；温度升速的干氧氧化所引起的再分布程度大；温度升高，高，Cs/CB（杂质在硅表面浓度与硅内浓
40、度之（杂质在硅表面浓度与硅内浓度之比）变大。比）变大。472.6 2.6 初始氧化阶段以及薄氧化层的生长初始氧化阶段以及薄氧化层的生长 生生产产中中3nm3nm厚厚度度高高质质量量的的栅栅氧氧化化层层，自自然然氧氧化化物物，轻轻度度掺掺杂杂硅硅，0.8nm0.8nm，重重度度掺掺杂硅杂硅1.3nm1.3nm厚。厚。一、快速初始氧化阶段一、快速初始氧化阶段二、薄氧化层的制备二、薄氧化层的制备48对于超薄热干氧化，对于超薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实模型无法准确描述，实验表明在验表明在20nm之内的热氧化生长速度和厚度比之内的热氧化生长速度和厚度比G-D模型大的多。模型大的多。超薄热氧化的
41、模拟超薄热氧化的模拟23nmD-G(=0)D-G(=40hr)492.7Si-SiO2界面特性界面特性 在在SiOSiO2 2内内或或者者Si Si SiOSiO2 2的的界界面面处处存存在在着着各各种种电荷和陷阱。电荷和陷阱。（ 1 1 ）单位面积里可动离子电荷：如）单位面积里可动离子电荷：如Na+Na+离子离子-Si-Si表面负电荷（表面负电荷（N N型沟道）清洗、掺氯型沟道）清洗、掺氯氧化工艺氧化工艺PSGPSG SiOSiO2 2（2 2）氧化层固定电荷氧化层固定电荷-过剩的过剩的Si+Si+，存在于存在于离界面离界面20nm20nm左右的左右的SiOSiO2 2一侧。一侧。（3 3）
42、界界面面陷陷阱阱电电荷荷( (快快态态界界面面) )分分立立、连连续能级、电子状态，续能级、电子状态， SiOSiO2 2 - Si - Si界面处界面处（4 4）氧氧化化物物陷陷阱阱电电荷荷： Si Si SiOSiO2 2界界面面附附近近（1091091013/cm21013/cm2）-300-300退火退火另外还有氧化层上的离子沾污。另外还有氧化层上的离子沾污。50Na+ + + + + + + AlSiO2SiOXSi Na+Na+:可动离子 表面正负离子+ +氧化物陷阱电荷 : 固定电荷 :界面陷阱电荷Si-SiO2系统中的电荷(图)511、固定氧化物电荷，、固定氧化物电荷，Qf （
43、fixedoxidecharge）位置：靠近界面氧化层内位置：靠近界面氧化层内23nm范围范围电荷：正电荷。电荷密度：电荷：正电荷。电荷密度：109-1011cm-2。电荷态电荷态在器件工作期间不变化。在器件工作期间不变化。来源推测：由不完全氧化的带有净正电荷的来源推测：由不完全氧化的带有净正电荷的Si引引起的。起的。Qf和生长温度关系：温度升高，和生长温度关系：温度升高，Qf下降。下降。降温速率越快，降温速率越快，Qf值越值越低，但硅片直径大于低，但硅片直径大于100mm的硅片不宜降温太快。的硅片不宜降温太快。Qf :Qf:Qf =3:2:1重复性好重复性好 Si522、界面陷阱电荷、界面陷
44、阱电荷/界面态，界面态，Qit（Interfacetrappedcharge）位置位置:Si/SiO2界面界面来源来源推测推测:1)在衬底硅指向氧化层的在衬底硅指向氧化层的Si表面的悬挂键（表面的悬挂键（Danglingbond Si ）2)可以束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心）可以束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心）电荷：能量处于禁带中，可以和电荷：能量处于禁带中，可以和Si交换电荷，电荷态依赖交换电荷，电荷态依赖于偏压，可能是正，负或者中性；密度于偏压，可能是正，负或者中性；密度109-1011cm-2eV-1与与Qf为同一来源：高为同一来源：高Qf一定高一定高Qit。53Qit和下列因
45、素有关：和下列因素有关：氧化温度，氧化气氛（湿氧、干氧），晶向等氧化温度，氧化气氛（湿氧、干氧），晶向等Qit和和干氧氧化温度的关系干氧氧化温度的关系1）Qit 随温度升高而降低；随温度升高而降低；2）在能带中间部分，）在能带中间部分，Qit(100)比比Qit(111)低约低约5倍倍降低降低Qit的的方法方法低温金属化后退火（低温金属化后退火（PMA）（lowtemperaturepost-metallizationanneal)在在H2或或H2N2（FormingGasAnnealing,FGA）中）中350500 C退火退火30分钟分钟退火前，退火前，Qit约约1011cm-2eV-1退
46、火后，退火后，Qit约约1010cm-2eV-1-可应用可应用54q位位置置：可可以以在在氧氧化化层层中中任任意意地地方方。开开始始位位于于栅栅（金金属属或或多多晶晶硅硅）/SiO2界界面面，如如在在正正偏偏或或加加温温情情况况，Qm将向将向Si/SiO2界面移动。界面移动。q来源：金属化来源：金属化(Metallization)及别的污染。及别的污染。q碱碱金金属属离离子子（Na+,K+）玷玷污污引引起起（以以网网络络变变性性体体形形式存在）。式存在）。q会引起会引起MOS器件阈值电压器件阈值电压VT的变化和稳定性问题。的变化和稳定性问题。3、可动离子电荷，、可动离子电荷，Qm（mobile
47、ioniccharge）55减少减少Qm的具体方法的具体方法1)清洗石英管清洗石英管O2-HCl气体气体1150 C/2h2)采用掺氯氧化，源有采用掺氯氧化，源有HCl-O2、TCE、TCA等等3)用磷硅玻璃用磷硅玻璃PSG（phosphosilicateglass）4)Si3N4作为最后钝化层作为最后钝化层56v位置：位置：位于氧化层中任意地方位于氧化层中任意地方。v来源来源:1）氧化层中一些断裂的）氧化层中一些断裂的Si-O、Si-Si、Si-H、Si-OH电离辐照（电离辐照（ionizationirradiation）VLSI工艺过程引入：如电子束蒸发、溅射、等离工艺过程引入：如电子束蒸
48、发、溅射、等离子体刻蚀、电子束或子体刻蚀、电子束或X射线光刻、离子注入射线光刻、离子注入v结果：这些陷阱会捕获空穴或电子，影响器件的工作结果：这些陷阱会捕获空穴或电子，影响器件的工作4、氧化物陷阱电荷，氧化物陷阱电荷，Qot（oxidetrappedcharge）572.8二氧化硅生长的其它方法一、热分解淀积一、热分解淀积二氧化硅二氧化硅 利用含硅的化合物经过热分解，在硅利用含硅的化合物经过热分解，在硅片表面淀积一层片表面淀积一层二氧化硅膜。这种方法二氧化硅膜。这种方法的优点是硅片本身不参加形成氧化膜的的优点是硅片本身不参加形成氧化膜的反应，而作为淀积氧化膜的衬底，所以反应，而作为淀积氧化膜的
49、衬底，所以基片可以是硅片，也可以是金属片、陶基片可以是硅片，也可以是金属片、陶瓷等，这是与热氧化根本的区别。瓷等，这是与热氧化根本的区别。 另外，用这种方法的温度远比热氧另外，用这种方法的温度远比热氧化低，又成为化低，又成为“低温淀积低温淀积”工艺。工艺。58 含硅的化合物有两种，烷氧基硅烷和含硅的化合物有两种，烷氧基硅烷和硅烷。硅烷。1、烷氧基硅烷烷氧基硅烷 6006000 0C-800C-8000 0C,C,二氧化硅膜，不如热氧化二氧化硅膜，不如热氧化生长的致密，再进行致密处理，使其改生长的致密，再进行致密处理，使其改善。善。2 2、硅烷热分解法、硅烷热分解法 SiHSiH4 4+2O+2
50、O2 2 SiOSiO2 2+2H+2H2 2O O 300 3000 0C C，生长温度低，质量也较好，生长温度低，质量也较好，密度比上一种高。密度比上一种高。59二、其他制备二氧化硅的方法二、其他制备二氧化硅的方法1、反应溅射法、反应溅射法借助两电极间在低气压下的氧化气体借助两电极间在低气压下的氧化气体放电，使阴极（硅棒）在电离气体的轰放电，使阴极（硅棒）在电离气体的轰击下解体，硅原子与气体分子反应物离击下解体，硅原子与气体分子反应物离开阴极，溅射出来的粒子和氧反应生成开阴极，溅射出来的粒子和氧反应生成二氧化硅膜（靠动能或扩散作用到达阳二氧化硅膜（靠动能或扩散作用到达阳极硅片表面）。极硅片
51、表面）。2、真空蒸发法、真空蒸发法是将二氧化硅在真空中加热蒸发，淀积是将二氧化硅在真空中加热蒸发，淀积到硅片表面形成氧化膜。到硅片表面形成氧化膜。60 3、外延法、外延法是利用四氯化硅和二氧化碳及氢气的是利用四氯化硅和二氧化碳及氢气的混合体，在高温下通入反应室，在硅片混合体，在高温下通入反应室，在硅片表面淀积一层氧化硅膜。表面淀积一层氧化硅膜。4、阳极氧化法、阳极氧化法是将硅浸在电解液中，以铂片作阴极，是将硅浸在电解液中，以铂片作阴极，硅片阳极加上电压以后，在电解液中产硅片阳极加上电压以后，在电解液中产生一束离子流。带负电荷的氧离子到达生一束离子流。带负电荷的氧离子到达阳极硅片表面，使硅氧化产
52、生二氧化硅阳极硅片表面，使硅氧化产生二氧化硅膜。膜。612.9二氧化硅膜质量控制一、二氧化硅膜的质量要求一、二氧化硅膜的质量要求 二氧化硅膜的质量，直接关系到半导二氧化硅膜的质量，直接关系到半导体器件及集成电路的性能。因此，对二体器件及集成电路的性能。因此，对二氧化硅膜的质量要求是很严格的。从宏氧化硅膜的质量要求是很严格的。从宏观上看，要求表面无斑点、裂纹、白雾观上看，要求表面无斑点、裂纹、白雾及发花现象以及没有针孔等缺陷存在。及发花现象以及没有针孔等缺陷存在。其膜质量要符合要求而且均匀，结构致其膜质量要符合要求而且均匀，结构致密，对一些缺陷，尤其是可动钠离子要密，对一些缺陷，尤其是可动钠离子
53、要求含量越低越好。求含量越低越好。62二、二氧化硅质量检验二、二氧化硅质量检验 1.厚度测量厚度测量测量测量SiOSiO2 2膜膜厚度的方法很多，如果精度厚度的方法很多，如果精度要求不高，可以用比色法、腐蚀法等。要求不高，可以用比色法、腐蚀法等。如果有一定精度要求可以用双光干涉法、如果有一定精度要求可以用双光干涉法、电解电容法。如果精度要求高，还可以电解电容法。如果精度要求高，还可以用椭圆偏振光法。用椭圆偏振光法。 63 1 1）比色法）比色法( (薄层用）薄层用） 硅片表面生成的硅片表面生成的SiOSiO2 2膜是无色透明的，膜是无色透明的，有白光照射时，有白光照射时， SiOSiO2 2膜
54、表面与膜表面与SiSi SiOSiO2 2界面的反射光相干涉生成干涉色，氧化界面的反射光相干涉生成干涉色，氧化膜的厚度不同，干涉色也不同。因此利膜的厚度不同，干涉色也不同。因此利用干涉色可直接估计氧化膜的厚度。用干涉色可直接估计氧化膜的厚度。 下表列出了不同氧化层厚度的干涉色彩下表列出了不同氧化层厚度的干涉色彩。 6465 用这种方法估计氧化层厚度比较方便，但用这种方法估计氧化层厚度比较方便，但当厚度大于当厚度大于1um时，干涉色变得不明显，时，干涉色变得不明显，不易辨别。另外这种方法有很多主观因不易辨别。另外这种方法有很多主观因素如：与观察者的视角、光源方向等有素如：与观察者的视角、光源方向
55、等有关。因此不同的人可能作出不同的判断。关。因此不同的人可能作出不同的判断。66 2）干涉法）干涉法（a）劈尖干涉劈尖干涉n2-二氧化硅的折射率二氧化硅的折射率，N-干涉条纹数干涉条纹数（b）双光干涉双光干涉67 由由光的光的相干原理，膜表面与界面反射二束光相干原理，膜表面与界面反射二束光相干涉。由光学原理，两束光的光程差为相干涉。由光学原理，两束光的光程差为入入射光射光的波长整数倍时出现加强的亮度的波长整数倍时出现加强的亮度n：二氧化硅折射率：二氧化硅折射率 ：入射光波长入射光波长如如 =589.6nmm：干涉级数：干涉级数垂直入射时垂直入射时:683）椭圆偏振光法）椭圆偏振光法以光的波动性
56、为理论基础。以光的波动性为理论基础。P波（振动波（振动方向在入射面内），方向在入射面内），S波（振动方向垂直波（振动方向垂直于入射面）。于入射面）。69单色光经过起偏器变成偏振光，再经单色光经过起偏器变成偏振光，再经1/4波片变成椭圆偏振波片变成椭圆偏振光，照射样品，再经过膜的反射、检偏后，变成单色光进入光，照射样品，再经过膜的反射、检偏后，变成单色光进入光电管接受。光电管接受。两个相互垂直的偏振光的分量的振幅与相位变化是与膜厚度两个相互垂直的偏振光的分量的振幅与相位变化是与膜厚度及折射率有关，查图表（软件自动计算）可得到厚度。及折射率有关，查图表（软件自动计算）可得到厚度。70椭偏法是一种非
57、常精确、非常灵活的测试方法椭偏法是一种非常精确、非常灵活的测试方法厚度测量厚度测量:测量结果给出周期性的厚度结果测量结果给出周期性的厚度结果需要知道薄膜的一些性质需要知道薄膜的一些性质多种波长测量多种波长测量厚度和折射率（厚度和折射率（refractive index）：）：可以决定不同材料的厚度及折射率可以决定不同材料的厚度及折射率多层薄膜：多层薄膜：可以用多波长和多角度来决定多层薄膜的厚度可以用多波长和多角度来决定多层薄膜的厚度714）高频）高频C-V测试：测试：利用金属利用金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）结构，）结构，测量电容测量电容-电压关系曲线。电压关系曲线。72 2、二
58、氧化硅膜缺陷检验、二氧化硅膜缺陷检验 二氧化硅膜的缺陷有宏观缺陷和微观二氧化硅膜的缺陷有宏观缺陷和微观缺陷两种。所谓宏观缺陷是指用肉眼就缺陷两种。所谓宏观缺陷是指用肉眼就可以直接观察到的缺陷。所谓微观缺陷可以直接观察到的缺陷。所谓微观缺陷是指必须借助于测试仪器方能观察到的是指必须借助于测试仪器方能观察到的缺陷。缺陷。1）宏观缺陷：）宏观缺陷：又称表面缺陷。它是指：氧化层厚度又称表面缺陷。它是指：氧化层厚度不均匀、表面有斑点、氧化层上有针孔不均匀、表面有斑点、氧化层上有针孔等等。等等。73 (a)氧化层厚度不均匀氧化层厚度不均匀造成氧化层厚度不均匀的主要原因是氧化炉管内氧造成氧化层厚度不均匀的主
59、要原因是氧化炉管内氧气或水汽不均匀。此外，氧化炉温不稳定、恒温区太气或水汽不均匀。此外，氧化炉温不稳定、恒温区太短、水温变化不均匀等也都会造成氧化层厚度不均匀。短、水温变化不均匀等也都会造成氧化层厚度不均匀。这种不均匀现象，不仅影响了二氧化硅的掩蔽功能，这种不均匀现象，不仅影响了二氧化硅的掩蔽功能，也使得绝缘性变差，而且光刻工序也会出现钻蚀现象。也使得绝缘性变差，而且光刻工序也会出现钻蚀现象。要想得到厚度均匀的氧化层，必须使恒温区长而要想得到厚度均匀的氧化层，必须使恒温区长而稳定，石英舟必须严格控制在恒温区中间，对于气体稳定，石英舟必须严格控制在恒温区中间，对于气体流量、炉温、水温都要很好地控
60、制。流量、炉温、水温都要很好地控制。 74 （b)氧化斑点氧化斑点 造成氧化层斑点的原因是硅片表面处造成氧化层斑点的原因是硅片表面处理的不干净，残留一些玷污杂质颗粒，理的不干净，残留一些玷污杂质颗粒，在高温下粘附在二氧化硅层表面，形成在高温下粘附在二氧化硅层表面，形成局部黑点。局部黑点。解决方法是认真处理硅片表面，对石解决方法是认真处理硅片表面，对石英管进行严格的清洗，严格控制水温合英管进行严格的清洗，严格控制水温合氧化流量。氧化流量。75 (c)氧化层针孔氧化层针孔 针孔的产生与氧化方法有关。针孔的产生与氧化方法有关。一般来说热氧一般来说热氧化产生的针孔较少，只有当硅片质量不好时化产生的针孔
61、较少，只有当硅片质量不好时（有严重的位错），扩散系数较大的杂质（如（有严重的位错），扩散系数较大的杂质（如铜、铁等），在位错线处不太会很好地形成二铜、铁等），在位错线处不太会很好地形成二氧化硅于是就形成针孔。氧化硅于是就形成针孔。解决方法是严格选择衬底材料，氧化前进解决方法是严格选择衬底材料，氧化前进行严格的清洗。行严格的清洗。76 2）微观缺陷：）微观缺陷：指的是钠离子玷污和热氧化层层错指的是钠离子玷污和热氧化层层错（a)钠离子玷污钠离子玷污主要来源于操作环境；去离子水及化学试剂；石英管主要来源于操作环境；去离子水及化学试剂；石英管道和气体系统。道和气体系统。另外在热氧化时，炉温很高，钠离子
62、扩散系数很大，另外在热氧化时，炉温很高，钠离子扩散系数很大，钠离子会穿过石英管壁进入二氧化硅层。采用双层，钠离子会穿过石英管壁进入二氧化硅层。采用双层，夹层中通惰性气体。夹层中通惰性气体。(b)热氧化层错热氧化层错含氧的气氛中，由表面和体内某些缺陷先构成层错含氧的气氛中，由表面和体内某些缺陷先构成层错的核，然后再高温下核运动加剧，形成层错。原因：的核，然后再高温下核运动加剧，形成层错。原因：硅片表面机械损伤，离子注入的损伤点缺陷的凝聚，硅片表面机械损伤，离子注入的损伤点缺陷的凝聚，氧化物的淀积等。会造成杂质的局部堆积，形成扩散氧化物的淀积等。会造成杂质的局部堆积，形成扩散“管道管道”，造成电极
63、间短路，严重影响器件的电学性，造成电极间短路，严重影响器件的电学性能。能。77七七.质量检测质量检测1.厚度测量：厚度测量：干涉法，劈尖磨角，比色，椭偏仪，高频干涉法，劈尖磨角，比色，椭偏仪，高频CV法：法：tox= 0 Sio2A/Cmax2.氧化膜针孔：阳极氧化、涂液晶法、氯氧化膜针孔：阳极氧化、涂液晶法、氯气腐蚀等气腐蚀等3.可动电荷：可动电荷：78氧化膜中可动离子氧化膜中可动离子(Na+)含量测定（含量测定（B-T）1、初次测量、初次测量C-V曲线曲线2、栅极加约、栅极加约1MV/cm的正向偏的正向偏压，同时器件加热至压，同时器件加热至200-300 C。预定温度下栅电压维持预定温度下
64、栅电压维持1030分分钟，确保可动离子都到达钟，确保可动离子都到达Si-SiO2界面。保持偏压，器件冷却界面。保持偏压，器件冷却至室温。再次测量至室温。再次测量C-V曲线曲线。3、重复步骤、重复步骤2，但是栅极加负偏，但是栅极加负偏压。测得压。测得C-V曲线曲线。79CV特性测试固定电荷固定电荷Nf可动电荷可动电荷总电荷可动电荷MOS电容瞬态特性80Chap2氧化氧化2.1-2.31.SiO2结构：结构：Si-O四面体四面体桥键氧，非桥键氧桥键氧，非桥键氧2.SiO2膜用途膜用途3.按杂质在二氧化硅网络中所处的位置可以分类哪按杂质在二氧化硅网络中所处的位置可以分类哪两类？两类？4.什么是热氧化
65、？什么是热氧化？5.热氧化二氧化硅制备方法，厚膜制备方法？热氧化二氧化硅制备方法，厚膜制备方法？6.热氧化经历步骤热氧化经历步骤7.热氧化过程中的扩散控制和表面化学方应控制热氧化过程中的扩散控制和表面化学方应控制8.氧化时间与氧化速率的关系氧化时间与氧化速率的关系812.4-2.71.决定氧化速率常数及它们和氧化速率的关系：决定氧化速率常数及它们和氧化速率的关系：氧化剂分压氧化剂分压线性关系线性关系温度温度指数关系指数关系2.影响氧化速率的因数及它们和氧化速率的关系：影响氧化速率的因数及它们和氧化速率的关系：硅表面晶向硅表面晶向低温，短时间和高温长时间低温，短时间和高温长时间的区分的区分杂质（
66、杂质（族元素，水汽，钠，氯）族元素，水汽，钠，氯）3.决定杂质再分布的主要因数：决定杂质再分布的主要因数：4.分凝现象，分凝系数分凝现象，分凝系数825.杂质再分布的四种可能：图杂质再分布的四种可能：图6.再分布对硅表面杂质浓度的影响：主要再分布对硅表面杂质浓度的影响：主要讨论氧化速率与扩散速率之比讨论氧化速率与扩散速率之比7.快速氧化初始阶段即氧化初期不符合快速氧化初始阶段即氧化初期不符合D-G模型模型8.了解薄氧化层制备采取的方法了解薄氧化层制备采取的方法9.Si-Sio2界面存在哪四种电荷，各自特点，界面存在哪四种电荷，各自特点，对器件影响，克服方法对器件影响，克服方法832.91.二氧化硅厚度测量方法，简述其原理二氧化硅厚度测量方法，简述其原理2.二氧化硅膜的宏观缺陷和微观缺陷各自二氧化硅膜的宏观缺陷和微观缺陷各自包括哪几种？包括哪几种？84
