半导体制造工艺 教学课件 作者 张渊 第4章　氧　　化.ppt

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1、半导体制造工艺第4章　氧　　化第4章　氧　　化4.1　引言4.2　二氧化硅膜的性质4.3　二氧化硅膜的用途4.4　热氧化原理4.5　氧化设备4.6　氧化膜的质量控制4.7　氧化工艺模拟4.1　引言二氧化硅(SiO2)是一种绝缘介质。它在半导体器件中起着十分重要的作用。硅暴露在空气中，即使在室温条件下，其表面也能生长一层4nm左右的氧化膜。这一层氧化膜结构致密，能防止硅表面继续被氧化，且具有极稳定的化学性质和绝缘性质。正因为二氧化硅膜的这些特性，才引起人们的广泛关注，并在半导体工艺中得到越来越广泛的应用。4

2、.2　二氧化硅膜的性质1.二氧化硅的物理性质(1)密度　密度是表示二氧化硅致密程度的标志。图4-1　二氧化硅结构平面图4.2　二氧化硅膜的性质图4-2　硅-氧四面体结构示意图4.2　二氧化硅膜的性质表4-1　二氧化硅膜主要物理性质(2)折射率　折射率是表示二氧化硅光学特性的参数。(3)电阻率　电阻率是表示二氧化硅电学性能的重要参数。(4)相对介电常数　相对介电常数是表示二氧化硅膜电容性能的一个重要参数。4.2　二氧化硅膜的性质(5)介电强度　介电强度是衡量材料耐压能力大小的，单位为V/cm。2.二氧化硅的化

3、学性质1)随着氢氟酸浓度的增加，二氧化硅的腐蚀速率也增加，其关系曲线如图4-3所示。2)随着腐蚀反应温度的增加，腐蚀速率也加快，其曲线关系如图4-4所示。图4-3　二氧化硅的腐蚀速率与氢氟酸浓度的关系4.2　二氧化硅膜的性质图4-4　二氧化硅腐蚀速率与温度的关系4.3　二氧化硅膜的用途1.二氧化硅膜的掩蔽作用1)二氧化硅层要有足够的厚度，以确保杂质在其内部扩散时能达到理想的掩蔽效果。2)所选杂质在二氧化硅中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多。2.二氧化硅膜的保护和钝化作用3.二氧化硅的隔离作用4.二氧化硅

4、在某些器件中的重要作用(1)MOS器件中的栅极材料　在MOS管中，常常以二氧化硅膜作为栅极，这是因为二氧化硅层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。4.3　二氧化硅膜的用途(2)电容器的介质材料　集成电路中的电容器大都是用二氧化硅来做的，因为二氧化硅的相对介电常数为3~4，击穿电压较高，电容温度系数小，这些优越的性能决定了二氧化硅是一种优质的电容器介质材料。5.用于电极引线和硅器件之间的绝缘4.4　热氧化原理4.4.1　常用热氧化方法1.干氧氧化图4-5　硅干氧氧化层厚度与氧化时间的关系4.4　热氧化原

5、理2.水汽氧化解决措施：经过吹干氧(或干氮)热处理，硅烷醇可分解为硅氧烷结构，并排除水3.湿氧氧化4.掺氯氧化(1)掺氯氧化作用　掺氯氧化的主要作用是减少钠离子的沾污，抑制氧化堆垛层错，提高少子寿命，即提高器件的性能和可靠性。1)可吸收、提取硅中的有害杂质。2)掺氯不仅可以减少钠离子的沾污，并且集中分布在SiO2-Si界面附近的氯还能使迁移到这里来的钠离子的正电荷效应减弱并被掐住不动，从而使其丧失电活性和不稳定性。4.4　热氧化原理(2)掺氯氧化的氯源选择　掺氯试剂往往用氯化氢(HCl)、三氯乙烯(C2HC

6、l3)、四氯化碳(CCl4)及氯化铵(NH4Cl)等。5.氢氧合成氧化4.4.2　影响氧化速率的因素1.氧化层厚度与氧化时间的关系1)由上述各种热氧化膜制备过程可知，硅的热氧化过程是氧化剂通过氧化层向SiO2-Si界面运动，再与界面的硅发生反应，而不是硅穿透氧化层向外运动的。①氧化剂(O2和H2O)从气相内部输运到气体-氧化层界面(又称膜层表面)；②氧化剂扩散穿透已生成的二氧化硅起始层，抵达SiO2-Si界面；③在界面处与硅发生氧化反应；4.4　热氧化原理④生成的副产物扩散出氧化层，并随主气流转移。2)通过

7、求解相关方程式，可以得到氧化层厚度与氧化时间的关系主要有以下两种典型情况：①氧化层厚度与氧化时间成正比，氧化层的生长速率主要取决于在硅表面上的氧化反应的快慢，称为表面反应控制，此时的氧化速率主要取决于化学反应速率常数ks的大小。②氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比，氧化层的生长速率主要取决于氧化剂在氧化层中扩散的快慢，称为扩散控制，此时的氧化速率主要取决于扩散系数Dox的大小。2.氧化温度的影响3.氧化剂分压的影响4.4　热氧化原理图4-6　氧化层厚度与氧化温度的关系曲线图4.氧化气氛的影响4.4　热氧化原

8、理5.衬底表面势的影响衬底表面势的影响主要发生在氧化处于表面反应控制过程中，这是因为化学反应速率常数ks与衬底表面势有关。而衬底表面势除了与衬底取向、掺杂浓度有关外，还与氧化前的表面处理等因素有关。4.5　氧化设备1.常规氧化设备图4-7　卧式氧化炉示意图4.5　氧化设备图4-8　立式氧化炉的装置部分4.5　氧化设备图4-9　掺氯氧化设备示意图2.掺氯氧化设备4.5　氧化设备图4-10　氢氧合成氧化设备示意图3