實驗硅熱氧化工藝分析

1、實驗硅熱氧化工藝在硅片表面生長一層優(yōu)質的氧化層對整個半導體集成電路制造過程具有極為重要的意義。它不僅作為離子注入或熱擴散的掩蔽層， 而且也是保證器件表面不受周圍氣氛影響的鈍化層， 它不光是器件與器件之間電學隔離的絕緣層， 而且也是 MOS 工藝以及多層金屬化系統(tǒng)中保證電隔離的主要組成部分。因此了解硅氧化層的生長機理，控制并重復生長優(yōu)質的硅氧化層方法對保證高質量的集成電路可靠性是至關重要的。在硅片表面形成 SiO2 的技術有很多種：熱氧化生長，熱分解淀積（即 VCD 法），外延生長，真空蒸發(fā)，反應濺射及陽極氧化法等。 其中熱生長氧化在集成電路工藝中用得最多，其操作簡便，且氧化層致密，足以用作為擴

2、散掩蔽層，通過光刻易形成定域擴散圖形等其它應用。一、 實驗目的1、掌握熱生長 SiO 的工藝方法（干氧、濕氧、水汽） 。 22、熟悉 SiO 層在半導體集成電路制造中的重要作用。23、了解影響氧化層質量有哪些因素。4、能建立起厚度 d 和時間 t 的函數關系。5、了解形成 SiO 層的幾種方法及它們之間的不同之處。2 二、實驗原理熱生長二氧化硅法是將硅片放在高溫爐內， 在以水汽、濕氧或干氧作為氧化劑的氧化氣氛中，使氧與硅反應來形成一薄層二氧化硅。 圖 1 和圖 2 分別給出了干氧和水汽氧化裝置的示意圖。圖 1、干氧氧化裝置示意圖圖 2、水汽氧化裝置示意圖將經過嚴格清洗的硅片表面處于高溫的氧化氣

3、氛（干氧、濕氧、水汽）中時，由于硅片表面對氧原子具有很高的親和力，所以硅表面與氧迅速形成SiO 層。 2硅的常壓干氧和水汽氧化的化學反應式分別為： SiO（2Si+O1） 22（ 2 2） +2HO Si+2H SiO(m)，所消耗的硅厚度為，如222果生長的二氧化硅厚度為則由定量分析可i0知：i0. 46（23）0即生長 1 m 的 SiO，要消耗掉 0.46m 的 Si。由于不同熱氧化法所得二氧化硅的 2 值亦不同。圖 3 示出了硅片氧化前后表面位置的變化。 密度不同，故圖 3、SiO 生長對應硅片表面位置的變化2當硅片表面生長一薄層 SiO 以后，它阻擋了 O 或 HO 直接與硅表面接觸

4、，222 此時氧原子和水分子必須穿過SiO 薄膜到達 SiSiO 界面才能與硅繼續(xù)反應生22 長 SiO。顯然，隨著氧化層厚度的增長，氧原子和水分子穿過氧化膜進一步氧2 化就越困難，所以氧化膜的增厚率將越來越小。 Deal Grove 的模型描述了硅氧化的動力學過程。他們的模型對氧化溫度 700至 1300，壓強 0.2 至 1 個大氣壓（也許更高些） ，生長厚度 300?至20000?的干氧和濕氧氧化證明是合適的。SiSiO 界通過多種實驗已經證明， 硅片在熱氧化過程中是氧化劑穿透氧化層向面運動并與硅進行反應，而不是硅向外運動到氧化膜的外表面進行反2 應，其氧化模型如圖 4 所示。氧化劑要到

5、達硅表面并發(fā)生反應，必須經歷下列三個連續(xù)的步驟：圖 4、Deal Grove 熱氧化模型 從氣體內部輸運到氣體氧化物界面，其流密度用 F 表示。 1Si 界面，其流密度用 F 表示。 擴散穿透已生成的氧化層， 到達 SiO 22 在 Si 表面發(fā)生反應生成 SiO，其流密度用 F 表示。 32 Si 界面也就不斷向 Si 內 SiO 所以由于 SiO 層不斷生長，在氧化過程中， 22 移動，因此，這里所碰到的是邊界隨時間變化的擴散問題。 我們可以采用準靜態(tài)近似， 即假定所有反應實際上都立即達到穩(wěn)定條件，這樣變動的邊界對擴散過程的影響可以忽略。 在準靜態(tài)近似下， 上述三個流密度應該相等，則有F=

6、F=F （24） 312 附面層中的流密度取線性近似，即從氣體內部到氣體氧化物界面處的氧化劑流密度 F 正比于氣體內部氧化劑濃度Cg 與貼近SiO 表面上的氧化劑濃度21Cs 的差，數學表達式為F h(C C)（25）sgg1h 是氣相質量輸運（轉移）系數。其中g 假定在我們所討論的熱氧化過程中，亨利定律是成立的：即認為在平衡條件下， 固體中某種物質的濃度正比于該物質在固體周圍的氣體中的分壓。于是 SiO 表面的氧化劑濃度 Co 正比于貼近 SiO 表面的氧化劑分壓 Ps，2則有 2(26)HPC SO* 應與氣體（主氣流 C 為亨利定律常數。 在平衡情況下， SiO 中氧化劑的濃度 H2 區(qū)

7、）中的氧化劑分壓 Pg 成正比，即有* = HPgC（27）由理想氣體定律可以得到Pg C（28）g KTP S（29）CSKT 把式（2）（）代入式（ ）6 2925中，則有* CC)hF (（210）O1hg h 11）（2THK 其中 h 是用固體中的濃度表示的氣相質量輸運（轉移）系數，而式（210）是用固體中的濃度表示的附面層中的流密度。通過 SiO 層的流密度 F 就是擴散流密度，數學表達式為22iOCCDF（ 2 12）2X O Si 界面 SiO 分別表示 SiO 表面和 CD 為氧化劑在 SiO 中的擴散系數， Co 和 2i22 處的氧化劑濃度， X 為 SiO 的厚度。 2

8、OSi 界面處，氧化劑與 Si 反應的速率正比于界面處氧化劑 SiO 如果假定在 2 的濃度 C，于是有 i（ 2 13）C FKi3SK 為氧化劑與 Si 反應的化學反應常數。 S 根據穩(wěn)態(tài)條件 F=F=F，再經過一定的數學運算，可得到C 和 C 的具體表 o31i2 達式* CC（2 14）i XKK OSS1DhKX*OSC1OKKXOSS1DChD 當上面兩式中擴散系數（ 2 15）D 極大或極小時，硅的熱氧化存在兩種極限情況。 * C，C0，這種情況稱為擴散控制態(tài)。它導致通過氧化層 C 當 D 非常小時，oi 的氧化輸運流量比在 Si SiO 界面處反應的相應流量來得?。ㄒ驗?D 小

9、），因此 2 氧化速率取決于界面處提供的氧。第二種極限情況是 D 非常大時，*CC C（216）oi KS1h 此時稱為反應控制態(tài)。因為在Si SiO 界面處提供足夠的氧，氧化速率是由反2 應速率常數 K 和 C（等于 C）所控制。0iS 為了計算氧化層生長的速率，我們定義N 為進入單位體積氧化層中氧化的122個，每生成一個 SiO 分子密度為 2.2×10分子數，由于每立方厘米氧化層中SiO22223,2.2×10/cm 為分子需要一個氧分子，或者兩個水分子，這樣對氧氣氧化來說N1223。 10 /cm 對水汽氧化來說 N 為 4.4× 1 隨著 SiO 不斷生

10、長，界面處的 Si 也就不斷轉化為 SiO 中的成份，因此 Si22 表面處的流密度也可表示為dX O（2 17） NF13dt 把（ 214）式代入到（ 213）式中，并與上式聯(lián)立，則得到 SiO 層的生長厚 2 度與生長時間的微分方程* CdXK SONF ）（ 2 1813XKKdt OSS 1Dh 厚度。，X 代表氧化前硅片上原有的 SiO（這個微分方程的初始條件是 X0 ）=X 20ii ）的解這樣的初始條件適合兩次或多次連續(xù)氧化的實際情況。微分方程（ 218 給出了 SiO 的生長厚度與時間的普遍關系式。22（ 2 19）X AX B(t )OO 其中 11 20）2（)(A2Dh

11、K S*DC2 21）（2BN12AXX ii22) (2B ）的解為都是速率常數。方程（ 2 19A 和 BAt ） 2 23（1X1O22AB4在氧化過程中，首先是氧化劑由氣體內部擴散到二氧化硅界面處。因為在所以擴散到二氧化硅與氣體界面處的氧化汽相中擴散速度要比在固相中大得多，的生長速率不會受到氧化劑在汽相中輸運（轉移）劑是充足的，也就是說SiO2 Si生長的快慢將由氧化劑在SiO 種的擴散速度以及與速度的影響。因此，SiO22。即存在上面敘述過的擴散控制和表面化學反應速度中較慢的一個因素所決定，反應控制兩種極限情況。 ）中也可以得到上述兩種極限223 從 SiO 厚度與生長時間的普遍關系

12、式（ 22 BA 4 生長厚度與時間的關SiOt>>情況。當氧化時間很長，即 t >>時，則和 2 系式可簡化為 2 X ) B(t）（224O）式可 21 為拋物型速率常數。由（ 2這種情況下的氧化規(guī)律稱拋物型規(guī)律，B中的擴散快 SiO 成正比，所以 SiO 的生長速率主要由氧化劑在以看到， B 與 D22慢所決定，即為擴散控制。2 4BA ,<<則當氧化時間很短，即（ t +SiO）的厚度與時間的關系式可簡 2 化為B ) (X t（225）OA 為線性速率常數，具體表達式為 B/A 這種極限情況下的氧化規(guī)律稱線性規(guī)律，* hKBC S（226）AK h

13、N1S表 1：硅的濕氧氧化速率氧化溫度A拋物線型速率常數2 / h）線性型速率常數）（）( m)B（ mm h B / A12000.050.72014.40011000.110.5104.64010000.2260.2871.2709200.500.2030.4060表 2：硅的干氧氧化速率氧化溫度Am)拋物線型速率常數2 m /線性型速率常數 m h ）(h） （B（ B/A12000.0400.0451.120.02711000.0900.0270.300.07610000.1650.01170.0710.379200.2350.00490.02081.408000.3700.00110

14、.00309.07000.0002681.0表 1 和表 2 分別為硅濕氧氧化和干氧氧化的速率常數。 圖 5 和圖 6 分別為干氧氧化層厚度與時間的關系和濕氧氧化層厚度與時間的關系。）硅干氧氧化層厚度與時間的關系111（、 5 圖圖 6、（ 111）硅濕氧氧化層厚度與時間的關系由表 1 和表 2 以及圖 5 和圖 6 可見，濕氧氧化速率比干氧氧化速率快得多。 雖然干氧方法的生長速度很慢，但生長的 SiO 薄膜結構致密，干燥，均勻性和 2 重復性好，且由于 SiO 表面與光刻膠接觸良好，光刻時不易浮膠。而濕氧氧化 2 速率雖然快，但在氧化后的 Si 片表面存在較多的位錯和腐蝕坑，而且還存在著一層

15、使 SiO 表面與光刻膠接觸差的硅烷醇（ SiOH)，因此在生產實踐中，普遍 2 采用干氧濕氧干氧交替的氧化方式。 這種干、濕氧的交替氧化方式解決了生長速率和質量之間的矛盾， 使生長的 SiO 薄膜更好地滿足實際生產的要求。 2 氧化層質量的檢測包括：測量膜厚、折射率、氧化層中可動正電荷密度、 SiSiO 界面態(tài)密度、氧化層的漏電及介質擊穿等。 2 三、 實驗裝置1、擴散氧化爐2、橢偏儀3、高頻 CV 測試儀四、實驗步驟1、取 5 片清洗的 Si 樣片，用鑷子夾到石英舟上。將爐溫控制在1150，并通入干 O，流量為 500ml / 分鐘。將石英舟緩慢推入爐中恒溫區(qū)，分別以 5 分 2 鐘、 10 分鐘、20 分鐘、40 分鐘、60 分鐘五種不同時間生長厚度不同的 SiO 層。 2 2、另外取一片清潔 Si 片，再同樣溫度下， 通濕 O 進行氧化，水溫控制在 295，時間為 20 分鐘。3、用橢偏儀并結合干涉法分別測量上述