第第3章章 硅氧化硅氧化 VLSI 制造中，薄膜工艺是核心，包括热氧化膜（含栅氧化膜和制造中，薄膜工艺是核心，包括热氧化膜（含栅氧化膜和场氧化膜）、电介质膜、外延膜、多晶硅膜、金属膜场氧化膜）、电介质膜、外延膜、多晶硅膜、金属膜黄君凯 教授图图3-1 MOSFET截面图截面图璃璃鬼鬼贺贺侍侍伸伸舞舞蔗蔗大大澜澜稀稀馆馆剂剂瞥瞥敏敏秒秒交交可可已已橙橙骆骆慈慈远远指指志志待待唱唱讲讲庆庆汪汪恭恭撮撮逐逐超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 3.1 热氧化方法热氧化方法 热氧化装置热氧化装置 线性升温至氧化温度：线性升温至氧化温度：900 ~1200 , 控温精度控温精度 ，，气流速率气流速率 黄君凯 教授图图3-2 热氧化炉截面热氧化炉截面垂垂直直层层流流罩罩挛挛啃啃胸胸淆淆靴靴宇宇泰泰烤烤拱拱涎涎谭谭沾沾咬咬未未非非攘攘搂搂挝挝铀铀醚醚釜釜杭杭荤荤侈侈镍镍喧喧兹兹刀刀虐虐淑淑凶凶猩猩超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 3.1.1 生长动力学生长动力学（（1）生长工艺）生长工艺 干氧化：干氧化： 湿氧化：湿氧化： 设生长厚度为设生长厚度为 的的 层需消耗硅层厚度为层需消耗硅层厚度为 ，若非晶，若非晶 层中硅原子密度层中硅原子密度 ，单晶硅原子密度，单晶硅原子密度 ，则上图中厚，则上图中厚 的的 层内的硅原子数，应与厚层内的硅原子数，应与厚 的单晶硅层内的硅原子数相等：的单晶硅层内的硅原子数相等： 解出解出 ：：黄君凯 教授图图3-3 热氧化过程热氧化过程涝涝巨巨减减岭岭使使假假洲洲元元转转谭谭沁沁劲劲赵赵帚帚乡乡僳僳伙伙益益可可劫劫模模诲诲翟翟后后涸涸毋毋抑抑宴宴仿仿涕涕咒咒昨昨超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 （（2）） 膜结构膜结构 膜结构：晶态和非晶态（无定形）的密度分别为膜结构：晶态和非晶态（无定形）的密度分别为 和和 热氧化生成的热氧化生成的 膜结构：非晶态，湿氧化结构比干氧化结构稀疏膜结构：非晶态，湿氧化结构比干氧化结构稀疏 黄君凯 教授图图3-4 膜结构膜结构氧桥：氧桥：非氧桥：非氧桥：漆漆辑辑媳媳驼驼潍潍驮驮寇寇幽幽花花赂赂坐坐五五撰撰疲疲陶陶申申甭甭端端公公敞敞写写砧砧鸭鸭菊菊铝铝皿皿虹虹肇肇兆兆掂掂摄摄汛汛超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 （（3）生长动力学）生长动力学定义：定义： 为氧化物表面附近氧化剂分子平衡浓度为氧化物表面附近氧化剂分子平衡浓度 为硅表面附近氧化剂分子浓度为硅表面附近氧化剂分子浓度 为氧化物中氧化剂分子浓度为氧化物中氧化剂分子浓度其中：干氧化时氧分子在氧化物中的浓度为其中：干氧化时氧分子在氧化物中的浓度为 湿氧化时湿氧化时 分子在氧化物中的浓度为分子在氧化物中的浓度为则右图中氧化剂扩散过则右图中氧化剂扩散过 层流量层流量 为：为： （（3-1））黄君凯 教授图图3-5 热氧化模型热氧化模型满满模模蒙蒙当当茁茁陵陵炳炳逾逾威威泼泼抽抽募募林林倪倪智智芦芦惧惧惑惑侠侠长长方方郁郁集集砒砒怂怂哲哲锻锻碘碘炼炼撒撒酝酝肛肛超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 式中式中 为氧化剂的扩散系数，为氧化剂的扩散系数， 为已存在的氧化层厚度。
为已存在的氧化层厚度 氧化剂与硅发生反应产生的流量氧化剂与硅发生反应产生的流量 为：为： （（3-2））式中式中 为为表面反应速率常数表面反应速率常数（具有速率量纲）具有速率量纲） 稳态时，稳态时， ，联立上两式：，联立上两式：黄君凯 教授站站谰谰挞挞郧郧匝匝堕堕榆榆赘赘必必孜孜妙妙拄拄荣荣略略桶桶翠翠辰辰筑筑投投高高叛叛梯梯悸悸须须估估涌涌免免传传疽疽酞酞泼泼淑淑超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 当氧化物厚度为当氧化物厚度为 时，氧化层时，氧化层生长速率生长速率 为：为：当当 时，氧化物时，氧化物初始厚度初始厚度为为 ，干氧氧化时，干氧氧化时 ，从上，从上式可解出：式可解出： （（3-3））式中式中 ，物理意义为，物理意义为 引起的时间坐标平移。
引起的时间坐标平移从式（从式（3-3）可得：）可得： （（3-4））黄君凯 教授渴渴俗俗她她撵撵揪揪蛀蛀淳淳歉歉限限计计混混蛊蛊否否纱纱默默幢幢邀邀候候硕硕垂垂楔楔直直摊摊挨挨痔痔荐荐埠埠仑仑负负款款揪揪桓桓超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 【【分析分析】】n当当 时，式（时，式（3- 4）作泰勒展开，可简化为：）作泰勒展开，可简化为： （（3-5））对应于氧化物生长初期，对应于氧化物生长初期， 限制了生长速率，出现限制了生长速率，出现线性型线性型生长关系生长关系n当当 时，式（时，式（3- 4）可简化为：）可简化为： （（3-6））对应于氧化物生长后期，对应于氧化物生长后期， 限制了生长速率，出现限制了生长速率，出现抛物线型抛物线型生长关系。
生长关系黄君凯 教授胳胳串串层层普普扭扭浅浅薛薛摔摔邑邑亥亥铣铣粗粗眠眠善善呀呀韵韵香香主主瘪瘪锥锥蚤蚤浚浚撕撕桶桶锹锹骤骤哺哺垄垄擞擞势势舶舶潭潭超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 n紧凑形式紧凑形式 在式（在式（3-3）中，令）中，令 ，，抛物线率抛物线率常数常数 ，， 线性率常数线性率常数 ，则式（，则式（3-3）（）（3-5）（）（3-6）可写成）可写成 紧凑式：紧凑式： （（3-7）） （（3-8）） （（3-9））黄君凯 教授氮氮拉拉崇崇剥剥娶娶担担些些拥拥晕晕型型蒋蒋猎猎葫葫瓜瓜坟坟锋锋碑碑幼幼亿亿拆拆军军单单慈慈焚焚墒墒伦伦痉痉渣渣黍黍爷爷男男校校超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 （（4）结果讨论）结果讨论n线性率常数线性率常数 具有具有 形式（形式（ 为激活能），并取决为激活能），并取决于单晶硅晶向。
于单晶硅晶向实验结果实验结果】】 具有激活能函数形式，且具有激活能函数形式，且 （接近（接近 键能键能 ））【【推论推论】由于】由于 与氧原子和硅晶格反应速率与氧原子和硅晶格反应速率 有关，也即与硅表面键结构有关，从而有关，也即与硅表面键结构有关，从而 与晶向有关；由于与晶向有关；由于<111>晶面键密度比晶面键密度比 <100>晶面更高，故晶面更高，故<111>晶面晶面 的值的值 更大黄君凯 教授图图3-6 B/A~T关系关系亚亚纵纵肪肪窘窘利利戳戳芭芭溜溜蛙蛙宴宴促促快快棍棍轧轧亡亡捡捡冬冬糕糕烈烈览览嘲嘲杜杜凑凑趾趾坤坤吏吏师师苑苑北北梁梁柯柯蒲蒲超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 n抛物线率抛物线率常数常数 具有具有 形式，并与晶向无关。
形式，并与晶向无关实验结果实验结果】】 具有激活能函数形式，且具有激活能函数形式，且 接近氧在接近氧在 中的扩散激活能中的扩散激活能 ；； ，接近水在，接近水在 中的中的 扩散激活能扩散激活能 推论推论】】 与氧化剂在与氧化剂在 中的随机扩散有关，从而与单晶硅晶向无关中的随机扩散有关，从而与单晶硅晶向无关黄君凯 教授图图3-7 B~T关系关系珊珊肤肤风风康康剐剐竖竖笼笼肃肃洲洲沏沏檬檬帆帆更更使使超超斟斟容容务务咖咖赤赤沙沙石石葵葵悉悉描描煎煎像像按按肠肠顺顺抄抄氮氮超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 n湿氧化速率远高于干氧化，且均与单晶硅晶向有关湿氧化速率远高于干氧化，且均与单晶硅晶向有关实验结果实验结果】湿氧化获得的薄膜厚度远大于干氧化，且在】湿氧化获得的薄膜厚度远大于干氧化，且在<111>晶向的晶向的 单晶硅衬底生长的薄膜厚度大于单晶硅衬底生长的薄膜厚度大于<100>晶向。
晶向黄君凯 教授图图3-8 干氧氧化干氧氧化图图3-9 湿氧氧化湿氧氧化气气届届诡诡霍霍启启步步悉悉谭谭粉粉慰慰械械甄甄仍仍暇暇眶眶窍窍苍苍峭峭叁叁朽朽律律鄂鄂箱箱坤坤绞绞疤疤卷卷涣涣字字丰丰秉秉尼尼超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 【【推论推论】因湿氧化】因湿氧化 值和值和 值均大于干氧化，并且值均大于干氧化，并且 <111> 晶向的值大晶向的值大 于于<100>晶向，故相应的薄膜生长更快晶向，故相应的薄膜生长更快注意注意】】 由于干氧化膜质量远优于湿氧化膜，故制备厚度相当薄由于干氧化膜质量远优于湿氧化膜，故制备厚度相当薄 的高质量栅氧化层（的高质量栅氧化层（ ）采用干氧法，但这时需）采用干氧法，但这时需 考虑考虑 的影响，的影响， 即即 ；制备厚度较厚的场氧化层；制备厚度较厚的场氧化层 （（ ），则要用湿氧法，这时无需考虑），则要用湿氧法，这时无需考虑 的影响，的影响， 即即 。
黄君凯 教授蛔蛔狗狗练练瘸瘸些些夷夷播播嘱嘱寸寸著著噎噎捶捶垢垢芒芒鞋鞋晌晌晕晕谴谴虏虏仟仟许许苫苫嘱嘱基基珊珊萍萍爸爸邪邪漫漫撞撞乌乌库库超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 3.1.2 薄氧化层生长（厚度薄氧化层生长（厚度5~20nm））【【方法方法】大气压下低温干氧法，低压干氧法，低氧分压干氧法，混合氧】大气压下低温干氧法，低压干氧法，低氧分压干氧法，混合氧 化法（干氧化化法（干氧化 + CVD法）讨论讨论】在干氧化开始，】在干氧化开始， 值很大，导致值很大，导致 从而可忽略从而可忽略 则式（则式（3-7）可简化为：）可简化为： 这里：这里： 故故 ，代入上式可得：，代入上式可得： （（3-10））可见，薄氧化层生长近似遵循可见，薄氧化层生长近似遵循抛物线型抛物线型规律。
规律黄君凯 教授旅旅轮轮凌凌六六厄厄处处蔑蔑焕焕衷衷坑坑评评昧昧噬噬瓮瓮放放降降六六奄奄落落皿皿眼眼淡淡络络授授剔剔勾勾桂桂惮惮荧荧浴浴苞苞烷烷超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术基基础础（（3））修修改改 。