集成电路制造技术 西交大 工程硕士 热氧化

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1、微电子工艺第2单元热氧化与掺杂西安交通大学微电子学1绪论热氧化与掺杂是最基本的平面制造工艺；在热氧化过程中，硅衬底被氧化生长出所需厚度的二氧化硅薄膜；掺杂就是在衬底选择区域掺入一定数量的杂质，包括热扩散和离子注入两项工艺；热氧化和扩散都属于高温工艺。2第4章热氧化4.1二氧化硅薄膜概述4.2SiO2的掩蔽作用4.3氧化机理4.4氧化系统、工艺4.5影响氧化速率的各种因素4.6杂质再分布4.7SiO2/Si界面特性4.8氧化层的检测34.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜。二氧化硅薄膜的制备方法有：热氧化化学气相淀积

2、物理气相淀积阳极氧化等热氧化是最常用的氧化方法，氧化时需要消耗硅衬底，是一种本征氧化法。44.1.1二氧化硅结构SiO2基本结构单元5热氧化的SiO2是非晶态，是四面体网络状结构，两四面体之间的氧原子称桥键氧原子，只与一个四面体相联的氧原子称非桥联氧原子，原子密度2.2*1022/cm3石英晶格结构非晶态二氧化硅结构64.1.2二氧化硅的理化性质及用途密度SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程度高，约2-2.2g/cm3；熔点石英晶体1732℃，而非晶态的SiO2无熔点，软化点1500℃；电阻率与制备方法及所含杂质有关，高温干氧可达101

3、6Ω·cm，一般在107-1015Ω·cm；介电性介电常数3.9；介电强度100-1000V/mm；折射率在1.33-1.37之间；腐蚀性只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。7隔离工艺互连层间绝缘介质HighK离子注入掩蔽作为掩蔽膜0.8nm栅氧化层元器件的组成部分二氧化硅膜用途89TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜透射电子显微镜（Transmissionelectronmicroscopy，缩写TEM）SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因104.1.3二氧化硅薄膜中的杂质PB网络改变剂，Na、K、Ca网络形成

4、者，B、P114.1.4杂质在SiO2中的扩散杂质在SiO2中扩散系数：DSiO2=D0exp(-ΔE/kT)利用相同情况下，硼、磷等常用杂质在SiO2中的扩散速度远小于在硅中扩散速度，SiO2层对这些杂质起到“掩蔽”作用。镓和钠等碱金属在SiO2扩散速度快，SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用。124.1.4杂质在SiO2中的扩散硅衬底上的SiO2作掩膜实现定域扩散，要求杂质在SiO2层中的扩散深度小于SiO2本身的厚度。氧化硅p+硅衬底掺杂气体N扩散区杂质在氧化硅中的扩散深度氧化硅厚度13SiO2掩蔽层厚度的确定二氧化硅的早期研究主要

5、是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向Si中扩散的同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩散深度为在SiO2层中的扩散深度为式中：扩散时间，、分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的条件是，即当杂质在硅中的扩散深度达到时杂质在SiO2中的扩散深度应所以，氧化层厚度14硅热氧化的基本模型要确定最小厚度，就需知道杂质在氧化硅中的分布形式，据实验研究结果，一般为余误差分布和高斯分布，大多数情况下用余误差比较接近。CSCOC(x)15在扩散时要完全使杂质不扩入硅中是很难实现的(除非氧化层厚度非常厚)，通常就定

6、义扩入硅中的杂质数量不足以引起硅表面电学性能的变化，就认为氧化硅的掩蔽有效。对不同器件要求不同，一般来说，MOS器件要求比双极高。通常用下式表示式中：CO氧化硅与硅界面处的浓度；CS氧化层表面处的浓度。16显然，所要求的C0不同，氧化层最小厚度就不同，通常人们根据大量实验研究，针对不同器件对硅表面的要求，总结出C0/CS的取直在10-3～10-9之间。用上述结果作为估算，还必须知道杂质在氧化硅中的扩散系数(有关杂质在氧化硅中的扩散系数可查阅其它资料)。17不同温度下掩蔽P、B所需氧化层厚度与扩散时间关系图184.2硅的热氧化热氧化制备SiO

7、2工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散和化学反应实现。O2或H2O在生成的二氧化硅内扩散，到达Si/SiO2界面后再与Si反应，O2+Si→SiO2；H2O+Si→SiO2+H2，硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增厚。生长1μm厚SiO2约消耗0.44μm厚的硅t0.56t0.44tAfteroxidation194.2.1热氧化工艺热氧化的设备主要有水平式(6英寸以下的硅片)和直立式(8英寸以上的硅片)两种。氧化系统由四部分组成：气源柜炉体

8、柜装片台计算机控制系统20氧化炉电阻加热氧化炉（水平式）注意：在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。21热氧化工艺干氧