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微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工业基础微电子工业基础 本章（本章（4学时）目标学时）目标：1、掌握硅器件中二氧化硅层的用途2、熟悉热氧化的机制3、熟悉干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点4、掺氯氧化的作用5、氧化膜质量的检测方法微电子工业基础微电子工业基础 一、旧事重提一、旧事重提 1、氧化工艺的定义（、氧化工艺的定义（*） 2、二氧化硅的结构（、二氧化硅的结构（*） 3、二氧化硅膜的作用（、二氧化硅膜的作用（*） 4、二氧化硅膜的厚度（、二氧化硅膜的厚度（*） 5、氧化膜的获得方法（、氧化膜的获得方法（*）二、氧化膜的生长方法二、氧化膜的生长方法 1、热氧化生长机制（、热氧化生长机制（*） 2、热氧化生长方法（、热氧化生长方法（*） 3、热氧化系统和工艺（、热氧化系统和工艺（*）三、氧化膜检验方法三、氧化膜检验方法微电子工业基础微电子工业基础 1、氧化工艺的定义、氧化工艺的定义在在硅或其它衬底上生长一层二氧化硅膜。硅或其它衬底上生长一层二氧化硅膜。微电子工业基础微电子工业基础 2、二氧化硅的结构、二氧化硅的结构（1） 概述B 长程无序但短程有序。A 微电子工艺中采用的二氧化硅薄膜是非晶态， 是四面体网状结构。微电子工业基础微电子工业基础 2、二氧化硅的结构、二氧化硅的结构（2） 几个概念 本征二氧化硅无杂质的二氧化硅无杂质的二氧化硅 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.硅暴露在空气中，则在室温下即可产生二氧化硅层，厚度约为250埃。2.如果需要得到更厚的氧化层，必须在氧气气氛中加热。3.硅的氧化反应是发生在Si/SiO2界面，这是因为：Si在SiO2中的扩散系数比O的扩散系数小几个数量级。微电子工业基础微电子工业基础 3、二氧化硅膜的用途、二氧化硅膜的用途（1） 表面钝化A 保护器件的表面及内部二氧化硅密度非常高，非二氧化硅密度非常高，非常硬，保护器件免于沾污、损伤和化学腐蚀。常硬，保护器件免于沾污、损伤和化学腐蚀。B 禁锢污染物落在晶圆上的污染物（主要是移动的离落在晶圆上的污染物（主要是移动的离 子污染物）在二氧化硅的生长过程中被禁锢在二氧化硅膜子污染物）在二氧化硅的生长过程中被禁锢在二氧化硅膜中，在那里对器件的伤害最小。（教材中，在那里对器件的伤害最小。（教材P105P105）微电子工业基础微电子工业基础 3、二氧化硅膜的用途、二氧化硅膜的用途（2） 掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）A 杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度（P105）B 二氧化硅的热膨胀系数与硅接近（P105）选择二氧化硅的理由：微电子工业基础微电子工业基础 3、二氧化硅膜的用途、二氧化硅膜的用途（2） 掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）二氧化硅起掩蔽作用的条件： A A：D D二氧化硅二氧化硅DD硅硅B B：二氧化硅膜有足够的厚度二氧化硅膜有足够的厚度对于对于B B、P P、AsAs等元素，等元素，D D二氧化硅二氧化硅D1000 ）生长生长1m1m厚厚SiOSiO2 2约消耗约消耗0.45m0.45m厚的硅厚的硅 d dSiSi =0.45d =0.45dSiO2SiO2微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）N NG G 气体内部氧化剂浓度气体内部氧化剂浓度N NGS GS SiOSiO2 2表面外侧氧化剂浓度表面外侧氧化剂浓度N NOS OS SiOSiO2 2表面内侧氧化剂浓度表面内侧氧化剂浓度N NS S SiOSiO2 2/Si/Si界面处氧化剂浓界面处氧化剂浓度度t tox ox SiOSiO2 2薄膜的厚度薄膜的厚度微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）h hG G: : 气相质量转移系数气相质量转移系数F F1 1：氧化剂由气体内部传输到气体和氧化物界面的粒子流密度，即单位氧化剂由气体内部传输到气体和氧化物界面的粒子流密度，即单位时间通过单位面积的原子数或分子数。时间通过单位面积的原子数或分子数。微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）D D0 0：氧化剂在：氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散系数。中的扩散系数。F F2 2：氧化剂扩散通过已生成的二氧化硅到达：氧化剂扩散通过已生成的二氧化硅到达SiOSiO2 2/Si/Si界面的界面的扩散流密度扩散流密度。微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）K Ks s：表面化学反应速率常数：表面化学反应速率常数F F3 3：SiOSiO2 2/Si/Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiOSiO2 2层的反层的反应流密度。应流密度。微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）假设氧化过程为平衡过程，且氧化气体为理想气体，假设氧化过程为平衡过程，且氧化气体为理想气体，则平衡态下应有：则平衡态下应有： F F1 1 = F= F2 2 = F = F3 3于是有氧化层厚度与时间的关系：其中B/A为线性速率常数 微电子工艺基础微电子工艺基础 边界条件边界条件：T0时刻氧化层厚度假设为时刻氧化层厚度假设为t0，则有：，则有：2()oxoxtAtB t其中：其中：120112 ()2sggoADkhDHPBNtAtB1、若氧化层厚度足够薄：、若氧化层厚度足够薄：2、若氧化层厚度足够厚：、若氧化层厚度足够厚：()oxBttA()oxtB t微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）当时有：当时有：微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（3） 热氧化生长的两个阶段（*）当时有：当时有： 线性阶段（参见教材线性阶段（参见教材P107） 抛物线阶段（生长逐渐变慢，直至不可忍受）抛物线阶段（生长逐渐变慢，直至不可忍受）简记为：简记为： t toxox=B/At=B/At简记为：简记为：BtoxtSiO2生长速率由生长速率由SiO2-Si表面化学反应速率决定（反应速率控制表面化学反应速率决定（反应速率控制）生长速率由氧扩散过氧化物的速率决定（扩散控制）生长速率由氧扩散过氧化物的速率决定（扩散控制） 微电子工艺基础微电子工艺基础 B/A被称为线性速率系数；而被称为线性速率系数；而B被称为抛物线被称为抛物线速率系数速率系数 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.迪尔格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用。2.在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。3.由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔格罗夫模型需要用来修正。 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 其中：tox为氧化层厚度；L1和L2是特征距离，C1和C2是比例常数。12/122oxoxtLtLoxoxdtBC eC edttA 微电子工艺基础微电子工艺基础 温度()干氧湿氧A(m)B(m2/h)(h)A(m)B(m2/h)8000.370.001199200.2350.00491.40.50.20310000.1650.01170.370.2260.28711000.090.0270.0760.110.5112000.040.0450.0270.050.72其中：其中：是考虑到自然氧化层的因素，是考虑到自然氧化层的因素，200左右。左右。 微电子工艺基础微电子工艺基础 计算在120分钟内，920水汽氧化（640Torr）过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。o2222022(0.10.1=920 CA=0.50 mB=0.203 m /hm) +0.5 mm0.2030.295h()AA4 ()m=0.482/hmAooxoxoxoxtAtBtAtB tB ttt据公查表得知，时，式有：，这种情况下不能注意：用近似法。 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.温度：氧化速率随温度升高而增大。2.气氛：掺氯气氛增加氧化速率。3.气压：氧化速率与氧化剂分压成正比。4.硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。5.硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)R(110)R(100)。 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。2.对于线性速率常数B/A，温度的影响则主要是通过反应速率常数Ks体现的。具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅硅键的断裂，具有相同的激活能。1112 ()2sggADkhDHPBN 微电子工艺基础微电子工艺基础 抛物线速率常数抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 微电子工艺基础微电子工艺基础 线性速率常数线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 微电子工艺基础微电子工艺基础 在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：钝化可动离子，特别是钠离子；增加硅中少数载流子的寿命；减少中的缺陷，提高了抗击穿能力；降低界面态密度和固定电荷密度；减少硅中的堆积层错。 微电子工艺基础微电子工艺基础 氯对氧化速率的影响氯对氧化速率的影响 微电子工艺基础微电子工艺基础 1. A与氧化剂分压无关，而B与氧化剂分压成正比。2. 通过改变氧化剂分压可以达到调整SiO2生长速率的目的，因此出现了高压氧化和低压氧化技术。1112 ()2sggADkhDHPBN 微电子工艺基础微电子工艺基础 氧化速率常数随温度和压强的关系氧化速率常数随温度和压强的关系 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.B与晶向无关，因为分压一定的情况下，氧化速率与氧化剂在SiO2中的扩散系数D有关，而SiO2是无定形的，所以扩散具有各向同性。2.A与晶向有关，因为反应速率常数严重依赖于硅表面的键密度。显然，（111）晶面的键密度大于（100）晶面，所以（111）晶面上的氧化速率最大。1112 ()2sggADkhDHPBN 微电子工艺基础微电子工艺基础 硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。1.对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到SiO2中，破坏了SiO2的结构，从而使氧化剂在SiO2中的扩散能力增强，因此增加氧化速率。2.对于磷来说，虽然进入SiO2的磷不多，但在高浓度时，高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面空位增多，从而提供了额外的氧化点，增加了氧化速率。 微电子工艺基础微电子工艺基础 氧化诱生层错是热氧化产生的缺陷，它通常存在于Si/SiO2界面附近硅衬底一侧。产生原因：氧化过程中产生硅自填隙点缺陷，这些点缺陷凝聚起来，在（111）面内形成层错。减少层错的措施：a)磷、硼掺杂引入晶格失配缺陷作为点缺陷的吸收源；b)掺氯氧化可以吸收点缺陷，阻止点缺陷凝聚长大；c)采用高压氧化，从而减少氧化温度和时间；d)采用（111）硅片。 微电子工艺基础微电子工艺基础 1. 台阶法台阶法：腐蚀部分：腐蚀部分SiO2膜得到台阶，然后用电镜膜得到台阶，然后用电镜或显微镜观测得到膜厚。或显微镜观测得到膜厚。2. 光学法光学法：包括椭偏光法和干涉法。：包括椭偏光法和干涉法。3. 电学测量电学测量：包括电压击穿法和电容电压法等。：包括电压击穿法和电容电压法等。 微电子工艺基础微电子工艺基础 随着微电子器件的小型化，随着微电子器件的小型化，SiO2氧化层已经不能满足需求，其矛盾在于：当氧化层已经不能满足需求，其矛盾在于：当SiO2层薄到一定程度时，其漏电流大幅度增加，从而造成器件的不稳定性及层薄到一定程度时，其漏电流大幅度增加，从而造成器件的不稳定性及高功耗。高功耗。而目前而目前Intel公司新一代公司新一代45nmCPU工艺中即将采用基于工艺中即将采用基于铪（铪（HfHf）的氧化物的氧化物的高的高K值绝缘层代替值绝缘层代替SiO2，并采用金属栅极代替传统的多晶硅栅极。，并采用金属栅极代替传统的多晶硅栅极。 微电子工艺基础微电子工艺基础 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.固定电荷层：存在于Si/SiO2界面附近，是一些过剩的硅离子。这些过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但还没有与氧分子反应，于是形成固定电荷层。2.界面陷阱电荷：硅表面出现晶格周期中断，从而导致界面处出现悬挂键，成为电子或空穴的陷阱，并在禁带中引入能级，称为界面态。3.可移动离子电荷：来自钾、钠等其它碱金属离子污染，在高温和电场的作用下可在氧化层内移动，非常有害。4.氧化层陷阱电荷：由氧化层内的缺陷引起。 微电子工艺基础微电子工艺基础 1.大多数氧化工艺在硅片从炉子里面拉出来之前，有一个短时的氮气或氩气退火，可以显著改善Si/SiO2界面质量。2.掺氯氧化可以减小可移动离子，减小界面态和固定电荷。3.注意工艺过程中的洁净环境，尽可能减少可动离子。微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（4）影响氧化速率的因素（*） 晶向 氧化剂对氧化速率略有不同，（对氧化速率略有不同，（111111）晶向氧化速率最快，（）晶向氧化速率最快，（100100）晶向氧化）晶向氧化速率最慢，低温时的线性阶段尤为突出。（参阅教材速率最慢，低温时的线性阶段尤为突出。（参阅教材P109P109）与氧化剂本身的关系最为密切：溶解度、扩散速率、化学反应速率与氧化剂本身的关系最为密切：溶解度、扩散速率、化学反应速率微电子工业基础微电子工业基础 1、热氧化机制、热氧化机制（4）影响氧化速率的因素（*） 掺杂类型和浓度掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称为增强氧化。掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称为增强氧化。磷在较低温度增强氧化明显，而硼在低温时增强氧化不明显，高温明磷在较低温度增强氧化明显，而硼在低温时增强氧化不明显，高温明显。（参阅教材显。（参阅教材P110P110中间一段话）中间一段话）提高反应器内氧气或水汽的分压也能提高热氧化速率提高反应器内氧气或水汽的分压也能提高热氧化速率。 氧化剂的分压微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方、热氧化生长方法法热氧化生长方法是最常用的得到二氧化硅薄膜的方法。热氧化生长方法是最常用的得到二氧化硅薄膜的方法。分类：分类： （1）干氧氧化（2）水汽氧化（3）湿氧氧化（4）掺氯氧化微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（1）干氧氧化气源：干燥氧气，不能有水分。（参见气源：干燥氧气，不能有水分。（参见P115P115最下）最下）适用：较薄的氧化层的生长，例如适用：较薄的氧化层的生长，例如MOSMOS器件的栅极。（参器件的栅极。（参见见P115P115最下）最下）原理：原理： 氧化剂扩散到SiO2/Si界面与硅反应。Si + O2 SiO21000度 微电子工艺基础微电子工艺基础 将需氧化的硅片放在托架上将需氧化的硅片放在托架上实验室氧化硅片的工艺 微电子工艺基础微电子工艺基础 准备氧化准备氧化 微电子工艺基础微电子工艺基础 将待氧化的硅片放入氧化炉内将待氧化的硅片放入氧化炉内 微电子工艺基础微电子工艺基础 硅在氧化炉中硅在氧化炉中 微电子工艺基础微电子工艺基础 氧化完后打开氧化炉氧化完后打开氧化炉 微电子工艺基础微电子工艺基础 氧化完后取出硅片氧化完后取出硅片 微电子工艺基础微电子工艺基础 从氧化炉中取出硅片从氧化炉中取出硅片 微电子工艺基础微电子工艺基础 氧化后的硅片氧化后的硅片 微电子工艺基础微电子工艺基础 氧化前（左侧）后（右侧）的硅片氧化前（左侧）后（右侧）的硅片微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（1）干氧氧化微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（1）干氧氧化随着氧化层的增厚，氧气扩散时间延长，生随着氧化层的增厚，氧气扩散时间延长，生长速率减慢。长速率减慢。微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（2）水汽氧化气源：气泡发生器或氢氧合成气源（参见气源：气泡发生器或氢氧合成气源（参见P116P116页）页） 气泡发生器 氢氧合成氧化缺点：（见缺点：（见P116页）页）A A：水温易波动水温易波动B B：气泡发生器可能成为污染源气泡发生器可能成为污染源优点：（见优点：（见P116页）页）A A：容易得到干净和干燥的气体容易得到干净和干燥的气体B B：气体流量精确可控气体流量精确可控因此是因此是LSILSI和和VLSIVLSI中比较理想的氧化技术中比较理想的氧化技术缺点：（见缺点：（见P116页）页） 易爆炸性（解决办法：氧气过量）易爆炸性（解决办法：氧气过量）微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（2）水汽氧化原理：原理：Si + 2H2O SiO2 + 2H21000度度微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（2）水汽氧化补充说明：微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（2）水汽氧化干氧氧化和水汽氧化的比较：（干氧氧化和水汽氧化的比较：（*）微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（3）湿氧氧化微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（4）掺氯氧化 作用：A A：减弱二氧化硅中的移动离子（主要是钠离减弱二氧化硅中的移动离子（主要是钠离子）的沾污影响子）的沾污影响B B：减少硅表面及氧化层的结构缺陷减少硅表面及氧化层的结构缺陷（参见教材（参见教材P116P116下部分）下部分） 诱因：诱因：薄的薄的MOSMOS栅极氧化要求非常洁净的膜层，如果在栅极氧化要求非常洁净的膜层，如果在氧化中加入氯，器件的性能和洁净度都会得到改氧化中加入氯，器件的性能和洁净度都会得到改善。（参见教材善。（参见教材P116P116下部分）下部分）微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（4）掺氯氧化 气源：气态气源气态气源: Cl2 HCl液态气源液态气源: 三氯乙烯三氯乙烯C2HCl3（TCE） 氯仿氯仿CHCl3（TCA） 都为剧毒物；都为剧毒物；半导体工业常用半导体工业常用HCl，液态也用氯仿。液态也用氯仿。微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（4）掺氯氧化 Cl-Si-O复合体：SiOSiO2 2/Si/Si界面过渡区存在大量过剩的界面过渡区存在大量过剩的SiSi，其中硅键并未饱其中硅键并未饱和，所以可以通过反应生成和，所以可以通过反应生成Cl-Si-OCl-Si-O复合体。复合体。Si-OSi-O键能（键能（870kJ/mol870kJ/mol） Si-ClSi-Cl键能（键能（627kJ/mol627kJ/mol），），所所以在高温下，有氧和水汽存在时，会使以在高温下，有氧和水汽存在时，会使Cl-SiCl-Si键离解。键离解。微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（4）掺氯氧化 Cl-Si-O复合体：微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（4）掺氯氧化 Na+的中性化：微电子工业基础微电子工业基础 2、热氧化生长方法、热氧化生长方法（4）掺氯氧化 Na+的中性化：微电子工业基础微电子工业基础 3、热氧化系统和工艺、热氧化系统和工艺（1）热氧化系统氧化系统由四部分组成：氧化系统由四部分组成： 气源柜 炉体柜 装片台 计算机控制系统微电子工业基础微电子工业基础 3、热氧化系统和工艺、热氧化系统和工艺（1）热氧化系统微电子工业基础微电子工业基础 3、热氧化系统和工艺、热氧化系统和工艺（2）热氧化方法热热氧化方法见氧化方法见P111P111，图，图7.157.15所示。所示。 微电子工业基础微电子工业基础 3、热氧化系统和工艺、热氧化系统和工艺（3）热氧化工艺氧化工艺流程见图氧化工艺流程见图7.317.31所示。所示。 氧化发生在炉管反应炉中，在不同的气体循环中进行。氧化发生在炉管反应炉中，在不同的气体循环中进行。气体的循环方式参照气体的循环方式参照7.327.32所示。所示。 微电子工业基础微电子工业基础 一、旧事重提一、旧事重提 1、氧化工艺的定义（、氧化工艺的定义（*） 2、二氧化硅的结构（、二氧化硅的结构（*） 3、二氧化硅膜的作用（、二氧化硅膜的作用（*） 4、二氧化硅膜的厚度（、二氧化硅膜的厚度（*） 5、氧化膜的获得方法（、氧化膜的获得方法（*）二、氧化膜的生长方法二、氧化膜的生长方法 1、热氧化生长机制（、热氧化生长机制（*） 2、热氧化生长方法（、热氧化生长方法（*） 3、热氧化系统和工艺（、热氧化系统和工艺（*）三、氧化膜检验方法三、氧化膜检验方法微电子工业基础微电子工业基础 1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）（1）概述热氧化薄膜是由硅表面生长得到的二氧化硅薄膜。高温热氧化薄膜是由硅表面生长得到的二氧化硅薄膜。高温生长工艺将使生长工艺将使SiOSiO2 2/Si/Si界面杂质发生再分布，与二氧化硅界面杂质发生再分布，与二氧化硅接触的硅界面的电学特性也将发生变化。接触的硅界面的电学特性也将发生变化。 微电子工业基础微电子工业基础 （2）杂质再分布有三个因素：有三个因素： 分凝效应 扩散速率 界面移动1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （2）杂质再分布 SiO2/Si界面杂质的分凝效应在一定温度下，杂质在在一定温度下，杂质在SiOSiO2 2与与SiSi中平衡浓度不同的现象；中平衡浓度不同的现象；分凝系数是衡量分凝效应强弱的参数：分凝系数是衡量分凝效应强弱的参数：2SiOSinnK 其中：其中：n nSiSi、n nSiO2SiO2分别表示杂质在分别表示杂质在SiSi与与SiOSiO2 2中的平衡浓度中的平衡浓度1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （2）杂质再分布 SiO2/Si界面杂质的分凝效应2SiOSinnK A：当当K1K1K1，在，在SiOSiO2 2/Si/Si界面杂质向界面杂质向SiSi内扩散，即内扩散，即氧化层排出杂质，氧化层排出杂质，SiSi面杂质浓度高，堆积，面杂质浓度高，堆积，P P K Kp p= 10= 10， As KAs KAsAs=10=10，Ga KGa KGaGa=20=20。1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （2）杂质再分布 扩散速率A：杂质在二氧化硅和硅中扩散速率不同，热氧杂质在二氧化硅和硅中扩散速率不同，热氧化时，将引起化时，将引起SiOSiO2 2/Si/Si界面杂质再分布。扩散系界面杂质再分布。扩散系数数D D是描述杂质扩散快慢的一个参数。是描述杂质扩散快慢的一个参数。B：如果有：如果有：D DSi Si D DSiO2SiO2，n nSiSi n nSiO2SiO2硅（即硅（即K1K1）则杂质在则杂质在SiSi中耗竭更严重。中耗竭更严重。1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （2）杂质再分布 扩散速率杂质在杂质在SiO2/Si界面分布界面分布SiO2/ SiSiO2/ SiK1P, As在在SiO2中扩散慢中扩散慢Ga在在SiO2中中扩散快扩散快1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （2）杂质再分布 界面移动 热氧化时热氧化时SiOSiO2 2/Si/Si界面向界面向SiSi内部移动，界面移动的速内部移动，界面移动的速率对率对SiOSiO2 2/Si/Si界面杂质再分布也有影响，移动速率决定界面杂质再分布也有影响，移动速率决定于氧化速度。于氧化速度。 水汽氧化速率远大于干氧氧化速率，水汽氧化水汽氧化速率远大于干氧氧化速率，水汽氧化SiOSiO2 2/Si/Si界面杂质的再分布就远小于干氧氧化；界面杂质的再分布就远小于干氧氧化； 湿氧氧化速率介于水汽、干氧之间，湿氧氧化速率介于水汽、干氧之间，SiOSiO2 2/Si/Si界面界面杂质的再分布也介于水汽、干氧之间。杂质的再分布也介于水汽、干氧之间。1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （3）电学特性 概述二氧化硅层中存在着与制备工艺有关的正电荷，这种正二氧化硅层中存在着与制备工艺有关的正电荷，这种正电荷将引起电荷将引起SiOSiO2 2/Si/Si界面界面P-SiP-Si的反型层，以及的反型层，以及MOSMOS器件阈器件阈值电压不稳定等现象。值电压不稳定等现象。正电荷有两种：正电荷有两种：可动离子；固定离子。可动离子；固定离子。1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （3）电学特性 可动离子或可动电荷 主要是主要是NaNa+ +、K K+ +、H H+ + 等，这些离子在二氧化硅中都是等，这些离子在二氧化硅中都是网络修正杂质，为快扩散杂质。其中主要是网络修正杂质，为快扩散杂质。其中主要是NaNa+ +。在人在人体与环境中大量存在体与环境中大量存在NaNa+ +，热氧化时容易发生热氧化时容易发生NaNa+ +沾污。沾污。加强工艺卫生方可以避免加强工艺卫生方可以避免NaNa+ +沾污；也可采用掺氯氧化，沾污；也可采用掺氯氧化，固定固定NaNa+ +离子。离子。1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （3）电学特性 固定离子或固定电荷 主要是氧空位。一般认为：固定电荷与界面一个很主要是氧空位。一般认为：固定电荷与界面一个很薄的（约薄的（约3030）过渡区有关，过渡区有过剩的硅离子，过渡区有关，过渡区有过剩的硅离子，过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完全反应。过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完全反应。干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化时，干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化时，首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象。首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 （3）电学特性 固定离子或固定电荷带有可动电荷固定电带有可动电荷固定电荷和界面态的荷和界面态的SiOSiO2 2/Si/Si界面界面1、SiO2/Si界面特性（界面特性（*）微电子工业基础微电子工业基础 2、氧化膜厚度的检测（、氧化膜厚度的检测（*）（1）劈尖干涉和双光干涉 劈尖劈尖干涉和双光干涉利用干涉条纹进行测量，因为要干涉和双光干涉利用干涉条纹进行测量，因为要制造台阶，所以为破坏性测量。制造台阶，所以为破坏性测量。微电子工业基础微电子工业基础 （2）比色法 以一定角度观察以一定角度观察SiOSiO2 2膜，膜，SiOSiO2 2膜膜呈现干涉色彩，颜呈现干涉色彩，颜色与厚度存在相应关系。比色法方便迅速，但只是色与厚度存在相应关系。比色法方便迅速，但只是粗略估计。粗略估计。2、氧化膜厚度的检测（、氧化膜厚度的检测（*）微电子工业基础微电子工业基础 （3）椭圆仪法2、氧化膜厚度的检测（、氧化膜厚度的检测（*）微电子工业基础微电子工业基础 （4）高频MOS结构C-V法2、氧化膜厚度的检测（、氧化膜厚度的检测（*）微电子工业基础微电子工业基础 3、氧化膜针孔的检测（、氧化膜针孔的检测（*）（1）PAW法微电子工业基础微电子工业基础 （2）铜缀法3、氧化膜针孔的检测（、氧化膜针孔的检测（*）微电子工业基础微电子工业基础 （1）硅器件中二氧化硅膜的作用？）硅器件中二氧化硅膜的作用？（2）二氧化硅膜的获得方法有哪些？）二氧化硅膜的获得方法有哪些？（3）描述热氧化的基本机理和两个阶段。）描述热氧化的基本机理和两个阶段。（4）影响氧化速率的因素？）影响氧化速率的因素？（5）常见的热氧化生长二氧化硅的方法有哪些？）常见的热氧化生长二氧化硅的方法有哪些？（6）比较干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点。）比较干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点。（7）为什么要采用掺氯氧化，作用如何？）为什么要采用掺氯氧化，作用如何？ 微电子工艺基础微电子工艺基础