集成电路制造工艺之氧化PPT课件.ppt

第二章氧化2.1、SiO2的结构及性质结晶形SiO2
由Si-O四面体在空间规则排列构成
每个顶角的O原子与两个相邻四面体中心的Si原子形成共价键Si-O四面体在空间的排列无规则，大部分O与相邻的两个Si-O四面体的Si形成共价键（称为桥键氧），也有一部分只与一个Si-O四面体的Si形成共价键（称为非桥键氧）；
无定形网络疏松、不均匀、有孔洞，SiO2分子约占无定形网络空间体积43%，密度2.15-2.25g/cm3，结晶形SiO2密度为2.65g/cm3；
桥键氧数目越多，网络结合越紧密，网络的强度是桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数；
在无定形SiO2网络中，氧的运动(1-2个Si-O键)比Si(4个Si-O键)容易；
室温下Si-O键以共价键为主，也含有离子键成份，随温度的升高，离子键成份比例增大。SiO2的主要性质2.2、SiO2的作用及制备扩散的掩蔽层（DiffusionBarrier）硼、磷一类常用杂质在SiO2中的扩散系数很小，SiO2薄膜对这类杂质是一种很理想的扩散掩蔽膜。
镓在SiO2中的扩散系数非常大，所以SiO2对镓这类杂质就起不到掩蔽作用。
某些碱金属离子，如钠离子，在SiO2中的扩散系数和迁移率都非常大。如果SiO2层玷污钠离子，即使在很低的温度下，只需很短的时间就能扩散到整个SiO2层中。钠离子的玷污是造成双极器件和MOS器件性能不稳定的重要原因之一，应该尽量避免钠一类离子的玷污。为了保证SiO2层能起到有效的掩蔽作用，不但要求杂质的DSi>>DSiO2，而且还要求SiO2层具有一定的厚度，这样才能保证由SiO2掩蔽的硅中没有杂质扩散进去。
杂质在Si中和SiO2中的运动都服从扩散规律，假定当SiO2表面处的杂质浓度与Si-SiO2界面处的杂质浓度之比为103时，就认为SiO2层起到了掩蔽作用，根据这样的假设和杂质在SiO2中的分布规律，就可以得到所需SiO2层的最小厚度xmin，

t为杂质在硅中达到扩散浓度所需要的时间。如图，是用干氧氧化方法生长的SiO2层，在不同温度下掩蔽气态P2O5和B2O3杂质源，扩散时间与所需最小SiO2层厚度xmin的关系。网络形成者的价键数与Si不同，离子半径与Si接近，如B、P都是网络形成者。
当B替代Si之后，顶角上的四个O只有三个O可以同B形成共价键，剩余的一个O因无法与中心的B形成共价键，而变成了非桥键O，因此SiO2网络中非桥键O增加，强度下降。
当P替代Si之后，与原有的四个O形成共价键，还多余一个价电子，这个多余的价电子还可以与近邻的一个非桥键O形成桥键O，因此SiO2网络强度增加。2、网络改变者
存在于SiO2网络间隙的杂质为网络改变者。
一般以离子形式存在，离子半径较大，替代硅的可能性很小。例如Na、K、Pb、Ba等都是网络改变者。
网络改变者往往以氧化物形式进入SiO2中。进入网络之后便离化，并把氧离子交给SiO2网络。

网络中氧的增加，使非桥键氧的浓度增大，SiO2网络的强度减弱。当P2O5与SiO2接触时，SiO2就转变为含磷的玻璃体。
(a)扩散刚开始，只有靠近表面的SiO2转变为含磷的玻璃体。
(b)大部分SiO2层已转变为含磷的玻璃体。
(c)整个SiO2层都转变为含磷的玻璃体。
(d)在SiO2层完全转变为玻璃体后，又经过一定时间，SiO2层保护的硅中磷已经扩进一定深度。2.3硅的热氧化生长动力学氧化如果硅表面上没有SiO2层，则氧或水汽等氧化剂直接与硅反应生成SiO2，SiO2的生长速率由表面化学反应的快慢决定。当Si表面上生成一定厚度的SiO2层之后，氧化剂必须以扩散方式运动到Si-SiO2界面，再与硅反应生成SiO2。
此时，生长速率将由氧化剂通过SiO2层的扩散速率所决定。随着SiO2厚度的增加，生长速率将逐渐下降。

临界厚度：
干氧氧化时，当厚度越过40Å时，
湿氧氧化时，厚度超过1000Å时，
生长过程将由表面化学反应控制转为扩散控制。氧化源干氧氧化是指在高温下，氧气与硅反应生成SiO2。

氧化温度为900-1200℃，为了防止外部气体的玷污，炉内气体压力应比一个大气压稍高些，可通过气体流速来控制。

优点：结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶黏附好，目前制备高质量的SiO2薄膜基本上都是采用这种方法。
缺点：干氧氧化法的生长速率慢，所以经常同湿氧氧化方法相结合生长SiO2。干氧系统水汽氧化：在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成SiO2。

产生的H2分子沿Si-SiO2界面或者以扩散方式通过SiO2层散离。湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水的氧气，高纯水一般被加热到95℃左右。通过高纯水的氧气携带一定水蒸气，所以湿氧氧化的氧化剂既含有氧，又含有水汽。
因此，SiO2的生长速率介于干氧和水汽氧化之