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1、主要内容主要内容nSiOSiO2 2的作用（用途）的作用（用途）nSiOSiO2 2的结构与性质的结构与性质n硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学n影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素n热氧化的杂质再分布热氧化的杂质再分布n薄氧化层薄氧化层nSi-SiOSi-SiO2 2界面特性界面特性应用在应用在DRAMDRAM中的中的SiOSiO2 2SiOSiO2 2的作用（用途）的作用（用途）n用途：用途： a. a.杂质扩散掺杂的掩蔽膜杂质扩散掺杂的掩蔽膜 b. b.器件表面保护或钝化膜器件表面保护或钝化膜 c.MOS c.MOS电容的介质材料电容的介质材料 d.MOSFET d.MOSFET的
2、绝缘栅材料的绝缘栅材料 e. e.电路隔离介质或绝缘介质电路隔离介质或绝缘介质nSiOSiO2 2制备：制备：热氧化；热氧化；淀积。淀积。n热氧化：热氧化：SiOSiO2 2质量好，掩蔽能力强。质量好，掩蔽能力强。2.1 SiO2.1 SiO2 2的结构与性质的结构与性质2.1.1. 2.1.1. 结构结构结晶形结构：如石英晶体（水晶），密度结晶形结构：如石英晶体（水晶），密度2.65 2.65 g/cm g/cm3 3无定形无定形（非晶形）结构：如（非晶形）结构：如SiOSiO2 2薄膜，密度薄膜，密度2.15-2.15- 2.25g/cm 2.25g/cm3 3n结构特点：（结构特点：（由
3、无规则排列的由无规则排列的Si-OSi-O4 4四面体组成的三四面体组成的三 维网络结构维网络结构),),即即短程有序，长程无序短程有序，长程无序；nSi-OSi-O4 4四面体四面体: :在顶角处通过氧（在顶角处通过氧（O)O)相互联结相互联结, ,构成三构成三 维网络结构。维网络结构。2.1 SiO2.1 SiO2 2的结构与性质的结构与性质nSi-OSi-O4 4四面体中氧原子：四面体中氧原子： 桥键氧为两个桥键氧为两个SiSi原子共用，是多数；原子共用，是多数； 非桥键氧只与一个非桥键氧只与一个SiSi原子联结，是少数；原子联结，是少数；n无定形无定形SiOSiO2 2网络强度：网络强
4、度：与桥键氧数目成正比，与非桥与桥键氧数目成正比，与非桥键氧数目成反比。键氧数目成反比。nSiSi空位相对（空位相对（O O空位）困难：空位）困难：SiSi与与4 4个个O O形成形成4 4个共价个共价键，键，O O最多形成最多形成2 2个共价键；个共价键；SiSi在在SiOSiO2 2中扩散系数比中扩散系数比O O小几个数量级。小几个数量级。n氧化机理：氧化机理：O O、H H2 2O O穿过穿过SiOSiO2 2扩散到达扩散到达SiSi表面反应。表面反应。2.1.2 2.1.2 主要性质主要性质密度：密度：表征致密度，约表征致密度，约2.2g/cm2.2g/cm3 3，与制备方法有关。，与
5、制备方法有关。折射率折射率: :表征光学性质的参数，表征光学性质的参数， 5500 5500 下约为下约为1.461.46， 与制备方法有关。与制备方法有关。电阻率：电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在与制备方法及杂质数量有关，如干氧在 10 101616cmcm。介电强度：介电强度：表征耐压能力，表征耐压能力，10106 6 10107 7 V/cmV/cm。介电常数介电常数: :表征电容性能，表征电容性能， SiO2SiO2=3.9 =3.9 。熔点：熔点：无固定熔点，无固定熔点， 1700 1700。（不同制备方法，其。（不同制备方法，其 桥键桥键O O数量与非桥键数量比不同）数量
6、与非桥键数量比不同）2.1 SiO2.1 SiO2 2的结构与性质的结构与性质2.1 SiO2.1 SiO2 2的结构与性质的结构与性质腐蚀：只与腐蚀：只与HFHF强烈反应。强烈反应。nSiOSiO2 2 + 4HF SiF + 4HF SiF4 4 + 4H + 4H2 2O OnSiFSiF4 4 +2HFH +2HFH2 2（SiFSiF6 6）n总反应式：总反应式： SiOSiO2 2 +6HF H +6HF H2 2（SiFSiF6 6）+ 4H+ 4H2 2O On腐蚀速率：与腐蚀速率：与HFHF的浓度、温度、的浓度、温度、 SiOSiO2 2的质量的质量 （干氧、湿氧）等有关。（
7、干氧、湿氧）等有关。 2.2 SiO2.2 SiO2 2的掩蔽作用的掩蔽作用n选择扩散：选择扩散：杂质在杂质在SiOSiO2 2的扩散速度远小于在的扩散速度远小于在SiSi中的中的 扩散速度。扩散速度。n扩散系数扩散系数: :D DSiO2SiO2=D=D0 0exp(-exp(-E/kT) E/kT) D D0 0- -表观扩散系数（表观扩散系数（kT0kT0时的扩散系数）时的扩散系数） E-E-激活能激活能nB B、P P、AsAs的的D DSiO2SiO2比比D DSiSi小，小，GaGa、AlAl、的、的D DSiO2SiO2比比D DSiSi大得大得多，多， Na Na的的D DSi
8、O2SiO2 和和D DSiSi都大。都大。nNaNa的危害：的危害：造成器件性能不稳定。造成器件性能不稳定。2.2 SiO2.2 SiO2 2的掩蔽作用的掩蔽作用n图图2.52.5：不同温度下掩蔽不同温度下掩蔽B B、P P时，时，SiOSiO2 2厚度与扩散时间的关系厚度与扩散时间的关系n图图2.62.6：SiOSiO2 2掩蔽掩蔽P P扩散扩散 P P2 2O O5 5+SiO+SiO2 2 PSG PSG（磷硅玻璃）（磷硅玻璃）2.3 2.3 硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学2.3.1 Si2.3.1 Si的热氧化的热氧化n热氧化：热氧化：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽化学在
9、高温下，硅片（膜）与氧气或水汽化学 反应生成反应生成SiOSiO2 2。n特点：特点：质量最好、重复性和化学稳定性高、界面陷质量最好、重复性和化学稳定性高、界面陷 阱和固定电荷可控等。阱和固定电荷可控等。n热氧化的种类：热氧化的种类：干氧、湿氧、干氧、湿氧、水汽、掺氯、高压水汽、掺氯、高压2.3.1 2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化n热氧化的种类热氧化的种类1 1）干氧氧化：）干氧氧化：900-1200900-1200高温下，硅片与氧气反应高温下，硅片与氧气反应 Si+O Si+O2 2 SiOSiO2 2n特点：特点：速度慢；速度慢； 氧化层致密氧化层致密（掩蔽能力强）；（掩蔽能力强）； 均
10、匀性和重复性好；均匀性和重复性好； 表面结构是非极性的硅表面结构是非极性的硅- -氧烷氧烷（不易浮胶）。（不易浮胶）。n应用：应用：栅氧化层栅氧化层 2 2）水汽氧化）水汽氧化：高温下，硅片与水蒸汽反应：高温下，硅片与水蒸汽反应 2H 2H2 2O+Si SiOO+Si SiO2 2+2H+2H2 2n特点：特点：氧化速度快；氧化速度快； 氧化层疏松质量差；氧化层疏松质量差； 表面是极性的硅烷醇表面是极性的硅烷醇-易吸水易吸水、易浮胶、易浮胶。 2.3.1 2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化2.3.1 2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化3 3）湿氧氧化）湿氧氧化氧气中携带一定量的水汽氧气中携带一定
11、量的水汽 （水汽加热到（水汽加热到9595）n机理：机理：O O2 2+Si+Si SiOSiO2 2 H H2 2O+Si SiOO+Si SiO2 2+H+H2 2n特点：特点：氧化速率介于干氧与水汽之间；氧化速率介于干氧与水汽之间； 氧化层质量介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；n应用：应用：扩散的掩蔽膜扩散的掩蔽膜 2.3.1 2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化4 4）掺氯氧化）掺氯氧化在干氧中掺少量的在干氧中掺少量的ClCl2 2、HClHCl、C C2 2HClHCl3 3 （TCETCE）、）、 C C2 2H H3 3ClCl3 3 （TCATCA） 掺氯的作用：吸
12、收、提取有害大多数重金属杂质及掺氯的作用：吸收、提取有害大多数重金属杂质及 NaNa+ +，减弱，减弱NaNa+ +正电荷效应。正电荷效应。 注意安全：注意安全：TCETCE可致癌；可致癌；TCATCA高温下可形成光气高温下可形成光气 （COClCOCl2 2），俗称芥子气。），俗称芥子气。 5 5）实际生产实际生产干氧干氧- -湿氧湿氧- -干氧干氧工艺工艺n好处：既保证了好处：既保证了SiOSiO2 2的质量，又提高了氧化速度。的质量，又提高了氧化速度。2.3.2 2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学1.1.热氧化步骤热氧化步骤na.a.氧化剂（氧化剂（O O2 2、H H2 2O
13、 O）从气相经）从气相经 附面层扩散到气体附面层扩散到气体Si0Si02 2界面，界面， 流密度为流密度为F F1 1；nb.b.氧化剂扩散穿过氧化剂扩散穿过Si0Si02 2层，到达层，到达 Si SiSi0Si02 2界面，流密度为界面，流密度为F F2 2；nc.c.在界面处与在界面处与SiSi氧化反应，氧化反应， 流密度为流密度为F F3 3；nd.d.反应的副产物（反应的副产物（H H2 2) )扩散出扩散出Si0Si02 2层层 ，逸出反应室。，逸出反应室。（附面层：速度及浓度分布受到扰动（附面层：速度及浓度分布受到扰动的区域，也称边界层）的区域，也称边界层）2.3.2 2.3.2
14、 热氧化生长动力学热氧化生长动力学2.2.热氧化模型：热氧化模型：Deal-GroveDeal-Grove模型模型 假定氧化是平衡过程假定氧化是平衡过程-准静态近似，即准静态近似，即 F F1 1=F=F2 2=F=F3 3n设附面层中的流密度为线性近似，即设附面层中的流密度为线性近似，即 F F1 1=h=hg g(C(Cg g-C-Cs s) ) h hg g- -气相质量转移系数，气相质量转移系数， C Cg g- -气体内部氧化剂浓度，气体内部氧化剂浓度， C Cs s-SiO-SiO2 2表面的氧化剂浓度；表面的氧化剂浓度；2.3.2 2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学n流
15、过流过SiOSiO2 2层的流密度就是层的流密度就是扩散流密度扩散流密度，即，即 F F2 2=-D=-DOXOXdC/dxdC/dx = = D DOXOX(C(CO O-C-Ci i)/x)/xO O（线性近似）（线性近似） D DOXOX- -氧化剂在氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散系数中的扩散系数,C,C0 0-SiO-SiO2 2中表面的氧化剂浓中表面的氧化剂浓度，度，C Ci i- SiO- SiO2 2/Si/Si界面处的氧化剂浓度界面处的氧化剂浓度,x,x0 0-SiO-SiO2 2的厚度的厚度；n氧化剂在氧化剂在SiSi表面的表面的反应流密度反应流密度与与C Ci i成正比
16、，即成正比，即 F F3 3=k=kS SC Ci i=N=N1 1dxdx0 0/dt/dt k kS S- -氧化剂与氧化剂与SiSi的化学反应常数，的化学反应常数， N N1 1- -生长一个单位体积生长一个单位体积SiOSiO2 2所需的氧化剂的分子个数；所需的氧化剂的分子个数；2.3.2 2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学n热氧化的两种极限情况：热氧化的两种极限情况： A. A.当当D DOXOXkkkS S时，为反应控制。时，为反应控制。2.3.2 2.3.2 热氧化生长速率热氧化生长速率氧化层厚度与氧化时间的关系氧化层厚度与氧化时间的关系 3.3.氧化层厚度与氧化时间关
17、系氧化层厚度与氧化时间关系n平衡时，平衡时，F F1 1=F=F2 2=F=F3 3, ,解得解得nA=2DA=2DOXOX(k(ks s-1-1+h+h-1-1) )；B=2DB=2DOX OX C C* */N/N1 1， N N1 1( (干氧：干氧：2.2X102.2X102222 /cm /cm3 3；水汽：；水汽：4.4X104.4X102222 /cm /cm3 3 ）；）；n 时间常数；时间常数；x x0 0* * - -初始氧化层厚度。初始氧化层厚度。n 详细推导参见详细推导参见p28-29,p28-29,式式2.26-2.322.26-2.322.3.2 2.3.2 热氧化
18、生长动力学热氧化生长动力学n两种氧化极限两种氧化极限a.a.当氧化时间很短，即当氧化时间很短，即A A2 2/4Bt+t/4Bt+t* *，则，则 x x0 0=B/A(t+t=B/A(t+t* *) -) -线性氧化规律线性氧化规律（表面反应控制）（表面反应控制） B/A= kB/A= ks sC C* */N/N1 1 - -线性速度常数线性速度常数b.b.当氧化时间很长，即当氧化时间很长，即A A2 2/4Bt+t/4Bt+t* *，则，则 - -抛物线型氧化规律抛物线型氧化规律（扩散控制）（扩散控制） B-B-抛物型速度常数；抛物型速度常数；2.3.2 2.3.2 热氧化生长动力学热氧
19、化生长动力学2.3.2 2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学2.4 2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素1. 1. 氧化剂分压氧化剂分压nC C* * =Hp=Hpg g （C C* * 为平衡时为平衡时SiOSiO2 2中氧化剂浓度）中氧化剂浓度）n根据亨利定律，有根据亨利定律，有 B=2D B=2DOX OX C C* */N/N1 1 ，A=2DA=2DOXOX(k(ks s-1-1+h+h-1-1) )，n故：故：B B与与p pg g成正比，成正比，A A与与p pg g无关，因而无关，因而 Bp Bpg g ， B/ApB/Apg g （线性关系）（线性关系） ；n
20、改变分压：改变分压：高压氧化高压氧化低压氧化低压氧化 2.4.1 2.4.1 决定氧化速率常数的因素决定氧化速率常数的因素2.4 2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素2.4.1 2.4.1 决定氧化速率常数的因素决定氧化速率常数的因素2. 2. 氧化温度氧化温度n与抛物型速率常数与抛物型速率常数B B的关系：的关系： B=2D B=2DOX OX C C* */N/N1 1 D Dox ox =D=D0 0exp(-Eexp(-Ea a/kT) /kT) B B与氧化温度是与氧化温度是指数关系指数关系干氧氧化：干氧氧化：E Ea a=1.24eV=1.24eV（接近（接近0 02 2在
21、熔融硅在熔融硅 石中的扩散系数活化能）石中的扩散系数活化能）湿氧氧化：湿氧氧化：E Ea a=1.17eV=1.17eV（接近水汽在熔融（接近水汽在熔融 硅石中的扩散系数活化能）硅石中的扩散系数活化能）结论：结论：B B由扩散系数由扩散系数D Doxox支配。支配。 2.4.1 2.4.1 决定氧化速率常数的因素决定氧化速率常数的因素2. 2. 氧化温度氧化温度n与线性速率常数与线性速率常数B/AB/A的关系的关系 B/A= k B/A= ks sC C* */N/N1 1 而而 k ks s=k=ks0s0exp(-Eexp(-Ea a/kT)/kT)无论干氧、湿氧，氧化，温度与无论干氧、湿
22、氧，氧化，温度与B/AB/A都是指数关系都是指数关系干氧：干氧：E Ea a=2.0eV=2.0eV；湿氧：；湿氧：E Ea a=1.96eV=1.96eV； Si-Si Si-Si键键能：键键能：1.83eV1.83eV。结论：结论：B/AB/A由由k ks s支配。支配。2.4 2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素2.4 2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素1.1.硅表面晶向硅表面晶向 D DOXOX与与SiSi片晶向无关，片晶向无关，k ks s与与SiSi表面表面的原子密度的原子密度( (键密度）成正比；键密度）成正比； 抛物型速率常数抛物型速率常数B=2DB=2DOX
23、 OX C C* */N/N1 1，与，与SiSi晶向无关；晶向无关；线性速率常数线性速率常数B/A kB/A ks sC C* */N/N1 1，与，与SiSi晶向有关：晶向有关：（111111）比比 （100100）大）大 2.4.2 2.4.2 影响氧化速率的其它因素影响氧化速率的其它因素2.4 2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素2. 2. 杂质杂质硼：硼：在在SiOSiO2 2中是慢扩散，且分凝系数中是慢扩散，且分凝系数m1m1m1 氧化再分布后：少量的氧化再分布后：少量的P P分凝到分凝到SiOSiO2 2中，使氧化剂在中，使氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散能力增加不多，
24、因而抛物型速率常数中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数B B变化不大；变化不大；大部分大部分P P集中在集中在SiSi表面，使线性速率常数表面，使线性速率常数B/AB/A明显增大。明显增大。 掺掺P P对对B/AB/A影响的解释：影响的解释：SiSi表面的高浓度表面的高浓度P P使使E EF F移动，移动，造成造成SiSi表面空位浓度增加；空位浓度的增加为氧化剂与表面空位浓度增加；空位浓度的增加为氧化剂与SiSi的反应提供了额外的位置，从而增加了反应速率。的反应提供了额外的位置，从而增加了反应速率。2.4.2 2.4.2 影响氧化速率的其它因素影响氧化速率的其它因素P P掺杂浓度对氧化速率
25、的影响掺杂浓度对氧化速率的影响n现象：低温下掺现象：低温下掺P P的氧化速率增大明显，高温下增大消失。的氧化速率增大明显，高温下增大消失。n解释：线性速率常数解释：线性速率常数B/AB/A在低温和起始氧化时起主导主要。在低温和起始氧化时起主导主要。2.4.2 2.4.2 影响氧化速率的其它因素影响氧化速率的其它因素水汽水汽n干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；n水汽会增加陷阱密度。水汽会增加陷阱密度。n水汽来源：水汽来源：SiSi片吸附；片吸附；O O2 2；外界扩散；含氯氧化中氢与氧反；外界扩散；含氯氧化中氢与氧反应。应。钠钠n钠以钠以NaONaO的形
26、式进入的形式进入SiOSiO2 2中，非桥键氧增加，氧化剂的扩散能中，非桥键氧增加，氧化剂的扩散能力增加。力增加。nNaNa来源：管道、容器等；化学药品；人体；来源：管道、容器等；化学药品；人体；氯氯n氯的作用：固定重金属、氯的作用：固定重金属、NaNa+ +等杂质；增加等杂质；增加SiSi中的少子寿命；中的少子寿命；减少减少SiOSiO2 2中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少堆积中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少堆积层错。层错。n掺掺ClCl对速率常数对速率常数B B的影响：使的影响：使B B明显增大；明显增大；掺掺ClCl对速率常数对速率常数B/AB/A的影响：低浓度时增加明显
27、，高浓度时饱和的影响：低浓度时增加明显，高浓度时饱和n机理：机理：4HCl+O4HCl+O2 2 2H2H2 2O+2ClO+2Cl2 2掺氯对氧化速率的影响掺氯对氧化速率的影响2.5 2.5 热氧化的杂质再分布热氧化的杂质再分布2.5.1 2.5.1 杂质的分凝与再分布杂质的分凝与再分布n分凝系数分凝系数 m= m=杂质在杂质在SiSi中的平衡浓度中的平衡浓度/ /杂质在杂质在SiOSiO2 2中的平衡浓度中的平衡浓度 B B：0.1-10.1-1； P P、AsAs、Sb: 10Sb: 10； GaGa：20 20 ；n四种分凝现象：根据四种分凝现象：根据m1m1m1和快、慢扩散和快、慢扩
28、散 （a)m1a)m1、 SiOSiO2 2中慢扩散：中慢扩散：B B (b)m1 (b)m1 (c)m1、 SiOSiO2 2中慢扩散：中慢扩散：P P (d)m1 (d)m1、 SiOSiO2 2中快扩散：中快扩散：GaGa2.5 2.5 热氧化的杂质再分布热氧化的杂质再分布2.5.2 2.5.2 再分布对再分布对SiSi表面杂质浓度的影响表面杂质浓度的影响n影响影响SiSi表面杂质浓度的因素：表面杂质浓度的因素： 分凝系数分凝系数m m D DSiO2SiO2/D/DSiSi 氧化速率氧化速率/ /杂质扩散速率杂质扩散速率1. P1. P的再分布（的再分布（m=10m=10）nC CS
29、S/C/CB B：水汽：水汽 干氧干氧 原因：氧化速率越快，加入原因：氧化速率越快，加入 分凝的分凝的P P越多，且越多，且P P是慢扩散；是慢扩散；nC CS S/C/CB B随温度升高而下降随温度升高而下降:P:P向向SiSi内内 扩散的速度加快。扩散的速度加快。2. B2. B的再分布（的再分布（m=0.3m=0.3）nC CS S/C/CB B：水汽：水汽 900900）快速氧化）快速氧化n界面态、固定电荷、氧化层陷阱随温度升高而减少；界面态、固定电荷、氧化层陷阱随温度升高而减少；n提高了载流子迁移率、抗辐射、抗热载流子效应的能力，改提高了载流子迁移率、抗辐射、抗热载流子效应的能力，改
30、进了可靠性。进了可靠性。3.3.化学改善氧化工艺：化学改善氧化工艺：引入引入ClCl、F F、N N2 2、NHNH3 3、N N2 2O O N N2 2、NHNH3 3、N N2 2O O的作用：的作用： N N2 2（NHNH3 3、N N2 2O O）+ SiO+ SiO2 2 Si Si2 2N N2 2O OnSi-NSi-N键比键比Si-HSi-H键强度大键强度大 可抑制热载流子和电离辐射缺陷；可抑制热载流子和电离辐射缺陷；nN N2 2O O基工艺的优点：工艺简单；无基工艺的优点：工艺简单；无H H。FF的作用：填补的作用：填补Si-SiOSi-SiO2 2界面的悬挂键，抑制热
31、载流子和电离辐界面的悬挂键，抑制热载流子和电离辐射产生的缺陷；可使界面应力弛豫。射产生的缺陷；可使界面应力弛豫。2.6 2.6 薄氧化层薄氧化层4. 4. 多层氧化硅：多层氧化硅： SiO SiO2 2/SiO/SiO2 2，SiOSiO2 2/Si/Si3 3N N4 4，SiOSiO2 2/HfO/HfO2 2 ， SiO SiO2 2/Si/Si3 3N N4 4/SiO/SiO2 2；采用采用CVDCVD法淀积法淀积SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4、HfOHfO2 2n优点：不受优点：不受SiSi衬底缺陷影响；低温；衬底缺陷影响；低温；缺陷密度明显减少缺陷密度明显减少n原
32、因：各层缺陷不重合原因：各层缺陷不重合Si-SiOSi-SiO2 2界面的应力接近零界面的应力接近零n原因：各层间的应力补偿原因：各层间的应力补偿增加了薄膜的增加了薄膜的，提高了抗，提高了抗B B透入能力。透入能力。2.6 2.6 薄氧化层薄氧化层2.7 Si-SiO2.7 Si-SiO2 2界面特性界面特性（参考史宝华著（参考史宝华著微电子器件可靠性微电子器件可靠性，西电出版社），西电出版社）nSiOSiO2 2内和内和Si-SiOSi-SiO2 2界面处，存在四种界面电荷界面处，存在四种界面电荷可动离子电荷可动离子电荷：Q Qm m(C/cm(C/cm2 2),),正电荷，如正电荷，如Na
33、Na+ +、K K+ +；氧化层固定电荷氧化层固定电荷：Q Qf f(C/cm(C/cm2 2) )，正电荷，如，正电荷，如SiSi+ +、荷正电的氧、荷正电的氧空位；空位；界面陷阱电荷界面陷阱电荷：Q Qitit(C/cm(C/cm2 2) )，正或负电荷，如，正或负电荷，如SiSi的悬挂键；的悬挂键；氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷：Q Qotot(C/cm(C/cm2 2),),正或负电荷。正或负电荷。n界面电荷的危害：界面电荷的危害：在在SiSi表面感应出极性相反的电荷，表面感应出极性相反的电荷，影响影响MOSMOS器件的理想特性，造成成品率和可靠性的下降。器件的理想特性，造成成品率和可靠
34、性的下降。四种界面电荷四种界面电荷n悬挂键悬挂键n界面电荷界面电荷2.7.1 2.7.1 可动离子电荷可动离子电荷Q Qm mn主要来源：大量存在于环境中的主要来源：大量存在于环境中的NaNa+ + 。nNaNa+ +的分布：遍布整个的分布：遍布整个SiOSiO2 2层。层。nNaNa+ +的特性：的特性：其其D DSiO2SiO2很大（很大（D D0 0=5.0cm=5.0cm2 2/s,/s,而而P P的的D D0 0=1.0x10=1.0x10-8-8cmcm2 2/s/s， B B的的D D0 0=1.0x10=1.0x10-6-6 cm cm2 2/s /s ）；）； 在电场作用下，
35、有显著的漂移（迁移率与成在电场作用下，有显著的漂移（迁移率与成D D正比）。正比）。2.7 Si-SiO2.7 Si-SiO2 2界面特性界面特性2.7.1 2.7.1 可动离子电荷可动离子电荷Q Qm mnNaNa+ +对器件性能的影响：对器件性能的影响：引起引起MOSMOS管管V VT T的漂移：的漂移： V VT T = - = -（Q Qf f+Q+Qm m+Q+Qotot)/C)/C0 0+ +msms, , C C0 0-SiO-SiO2 2层电容，层电容，msms- - 金金- -半接触电位差；半接触电位差；引起引起MOSMOS管栅极的局部低击穿：由管栅极的局部低击穿：由NaNa
36、+ +在在Si-SiOSi-SiO2 2界面分布不均界面分布不均匀引起局部电场的加强所致；匀引起局部电场的加强所致；降低了降低了PNPN结的击穿电压：由结的击穿电压：由NaNa+ + 在在Si-SiOSi-SiO2 2界面的堆积使界面的堆积使P P沟道沟道表面反型，形成沟道漏电所致；表面反型，形成沟道漏电所致；2.7 Si-SiO2.7 Si-SiO2 2界面特性界面特性2.7.2 2.7.2 界面陷阱电荷（界面态）界面陷阱电荷（界面态）Q Qititn来源：来源： Si-SiOSi-SiO2 2界面缺陷、金属杂质及辐射界面缺陷、金属杂质及辐射n能量：能量：在在SiSi的禁带中的禁带中； 高于
37、禁带中心能级，高于禁带中心能级， 具有受主特性；具有受主特性； 低于禁带中心能级，低于禁带中心能级， 具有施主特性；具有施主特性；n界面态密度界面态密度D Ditit：单位能量：单位能量 的界面陷阱密度。的界面陷阱密度。 （/cm/cm2 2eVeV）（图）（图2.302.30）2.7 Si-SiO2.7 Si-SiO2 2界面特性界面特性n解释解释Q Qitit的三种物理机理（模型）的三种物理机理（模型）少量少量SiSi悬挂键；悬挂键； 在在Si-SiOSi-SiO2 2 过渡区（过渡区（SiOSiOx x层层),),未完全氧化的三价未完全氧化的三价SiSi。SiOSiO2 2中的电离杂质（
38、荷电中心）俘获电子或空穴。中的电离杂质（荷电中心）俘获电子或空穴。化学杂质，如化学杂质，如CuCu、FeFe等。等。2.7 Si-SiO2.7 Si-SiO2 2界面特性界面特性2.7.3 2.7.3 氧化层固定电荷氧化层固定电荷Q Qf fn机理：氧化停止时，在机理：氧化停止时，在Si-SiOSi-SiO2 2附近附近 （SiOSiOx x ）存在大量过剩）存在大量过剩SiSi离子离子 或氧空位。或氧空位。n特性：通常带正电；特性：通常带正电； 极性不随表面势和时间变化；极性不随表面势和时间变化； 电荷密度不随表面势变化。电荷密度不随表面势变化。2.7 Si-SiO2.7 Si-SiO2 2
39、界面特性界面特性n能级：在能级：在SiSi禁带外，但在禁带外，但在SiOSiO2 2 禁带内。禁带内。n对器件的影响：对器件的影响：n-MOSn-MOS的阈值降低，的阈值降低，p-MOSp-MOS的阈值增加；的阈值增加；其散射作用减小了沟道载流子的迁移率，影响了跨导。其散射作用减小了沟道载流子的迁移率，影响了跨导。n2.7.4 2.7.4 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷Q Qototn机理：机理：悬挂键悬挂键界面陷阱界面陷阱氧的悬挂键氧的悬挂键 弱的弱的Si-Si- Si Si键键 扭曲的扭曲的Si-OSi-O键键 Si-HSi-H键键Si-OHSi-OH键。键。n产生方式：产生方式： 电离辐射
40、电离辐射；热电子注入。热电子注入。n减少电离辐射陷阱的方法减少电离辐射陷阱的方法 高温干氧氧化：高温干氧氧化：10001000； 惰性气氛低温退火：惰性气氛低温退火：150-400150-400； 采用抗辐射的采用抗辐射的AlAl2 2O O3 3、SiSi3 3N N4 4等钝化层。等钝化层。2.7 Si-SiO2.7 Si-SiO2 2界面特性界面特性第2次作业（第1组交）n4. 证明硅热氧化时，生成厚度为zox的二氧化硅膜，约需消耗0.45zox厚的硅层（二氧化硅的密度为2.24g/cm3；硅的密度为2.33g/cm3）。n5. 某npn硅晶体管在1200下进行基区氧化，氧化过程为：15min干氧加45min湿氧（TH2O=95 ）再加15min干氧，试求所生成的氧化层厚度。 第3次作业（第2组）n6.现有若干硅片，分别用干氧、湿氧（TH2O=95）和水汽进行氧化，氧化温度为1200 。如果它们所要求的氧化层厚度是50nm，试求它们各自需要的氧化时间（精确到分）。n7.某一硅片上面已覆盖有0.2m厚的二氧化硅，现需要在1200 下用干氧再生长0.1m厚的氧化层，问干氧氧化的时间需要多少？
