實驗-硅熱氧化工藝

1、實驗-硅熱氧化工藝實驗硅熱氧化工藝在硅片表面生長一層優(yōu)質(zhì)的氧化層對整個半導(dǎo)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(xué)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(fù)生長優(yōu)質(zhì)的硅氧化層方法對保證高質(zhì)量的 集成電路可靠性是至關(guān)重要的。在硅片表面形成SiO2的技術(shù)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(yīng)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

2、用作為擴散掩蔽層， 通過光刻易形成定域擴散圖形等其它應(yīng)用。一、實驗?zāi)康?、掌握熱生長SiO2的工藝方法（干氧、濕氧、水汽）。2、熟悉SiO2層在半導(dǎo)體集成電路制造中的重要作用。3、了解影響氧化層質(zhì)量有哪些因素。4、能建立起厚度d和時間t的函數(shù)關(guān)系。5、了解形成SiO2層的幾種方法及它們之間的不同之處。二、實驗原理熱生長二氧化硅法是將硅片放在高溫爐內(nèi)，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(yīng)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。卩尺師前減-1 1圖2、水汽氧化裝置示意圖將經(jīng)過嚴格清洗的硅片表面處于高溫的氧化氣氛（干氧、濕氧、水汽）中 時，由于硅片

3、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SiO2層。硅的常壓干氧和水汽氧化的化學(xué)反應(yīng)式分別為：Si+02> SiO2(2 1)Si+2H2O> SQ2+2H2 f(22)如果生長的二氧化硅厚度為x(卩m)所消耗的硅厚度為x,則由定量分析(2 3)可知：0.460即生長1叩的Si02，要消耗掉0.46叩的Si。由于不同熱氧化法所得二氧化硅 的密度不同，故值亦不同。圖3示出了硅片氧化前后表面位置的變化。原睦餐竭-J：-圖3、Si02生長對應(yīng)硅片表面位置的變化當硅片表面生長一薄層Si02以后，它阻擋了 02或H20直接與硅表面接觸， 此時氧原子和水分子必須穿過Si02薄膜到達

4、SiSi02界面才能與硅繼續(xù)反應(yīng)生 長Si02。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 化就越困難，所以氧化膜的增厚率將越來越小。DealGrove的模型描述了硅氧 化的動力學(xué)過程。他們的模型對氧化溫度700C至1300C,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。通過多種實驗已經(jīng)證明，硅片在熱氧化過程中是氧化劑穿透氧化層向Si Si02界面運動并與硅進行反應(yīng)，而不是硅向外運動到氧化膜的外表面進行反 應(yīng)，其氧化模型如圖4所示。氧化劑要到達硅表面并發(fā)生反應(yīng)，必須經(jīng)歷下列 三個連續(xù)的步驟：圖4、Deal Grove熱氧

5、化模型從氣體內(nèi)部輸運到氣體 一一氧化物界面，其流密度用F1表示。擴散穿透已生成的氧化層，到達Si02 Si界面，其流密度用F2表示。在Si表面發(fā)生反應(yīng)生成Si02，其流密度用F3表示。在氧化過程中，由于Si02層不斷生長，所以Si02Si界面也就不斷向Si 內(nèi)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(yīng)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(yīng)該相等，則有F仁 F2=F3（ 24）(2 5)附面層中的流密度取線性近似，即從氣體內(nèi)部到氣體 一一氧化物界面處的 氧化劑流密度F1正比于氣體內(nèi)部氧

6、化劑濃度 Cg與貼近Si02表面上的氧化劑濃 度Cs的差，數(shù)學(xué)表達式為F1 hg （Cg Cs）其中hg是氣相質(zhì)量輸運（轉(zhuǎn)移）系數(shù)。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(zhì)的濃度正比于該物質(zhì)在固體周圍的氣體中的分壓。于是 Si02表面的氧化劑濃度Co正比于貼近Si02表面的氧化劑分壓Ps,則有C° HPs（26）(2 7)H為亨利定律常數(shù)。在平衡情況下，Si02中氧化劑的濃度C*應(yīng)與氣體（主氣流 區(qū)）中的氧化劑分壓Pg成正比，即有C* = HPg由理想氣體定律可以得到CgCS電KTKT(28)(29)(210)把式（26） （ 29）代入

7、式（25）中，則有F1 h(CC。)(211)hgh HKT其中h是用固體中的濃度表示的氣相質(zhì)量輸運（轉(zhuǎn)移）系數(shù)，而式（210）是用固體中的濃度表示的附面層中的流密度。通過Si02層的流密度F2就是擴散流密度，數(shù)學(xué)表達式為(212)Co Cif2 d1X。D為氧化劑在SiO2中的擴散系數(shù)，Co和Ci分別表示SiO2表面和Si02 Si界面 處的氧化劑濃度，Xo為SiO2的厚度。(213)如果假定在SiO2 Si界面處，氧化劑與Si反應(yīng)的速率正比于界面處氧化劑 的濃度Ci，于是有F3KsGKs為氧化劑與Si反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)常數(shù)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件F1=F2=F3，再經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)運算，可得到 Ci和Co

8、的具體 表達式Ci(214)CKsKsXoh DCO當上面兩式中擴散系數(shù)當D非常小時，Ci0, CoC1涯DKs KsXO h DD極大或極小時，硅的熱氧化存在兩種極限情況。*，這種情況稱為擴散控制態(tài)。它導(dǎo)致通過氧化層(215)的氧化輸運流量比在SiSi02界面處反應(yīng)的相應(yīng)流量來得小（因為D?。?，因此 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，(216)Ci Co Ci1 Ksh此時稱為反應(yīng)控制態(tài)。因為在SiSi02界面處提供足夠的氧，氧化速率是由反應(yīng)速率常數(shù)Ks和Ci （等于Co）所控制。為了計算氧化層生長的速率，我們定義N1為進入單位體積氧化層中氧化的分子數(shù)，由于每立方厘米

9、氧化層中Si02分子密度為2.2 X022個，每生成一個SiO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N1為2.2 X1022/cm3, 對水汽氧化來說N1為4.4 >1022/cm3。隨著Si02不斷生長，界面處的Si也就不斷轉(zhuǎn)化為Si02中的成份，因此Si 表面處的流密度也可表示為(217)dXo31 dt把（214）式代入到（213）式中，并與上式聯(lián)立，則得到 Si02層的生長厚 度與生長時間的微分方程dXo匸KsC*N1F 3dt 1 Ks h D這個微分方程的初始條件是 X0（0） =Xi，Xi代表氧化前硅片上原有的SiO2厚度。這樣的初始條件適合兩次或多次連續(xù)氧

10、化的實際情況。微分方程（218）的解給出了 SiO2的生長厚度與時間的普遍關(guān)系式。XO AXoB(t )其中KsX。(218)(219)(220)A 2D(丄KsA和B都是速率常數(shù)。方程B叱N12Xi AXiB(219)的解為(221)(2 22)t1 a214B在氧化過程中，首先是氧化劑由氣體內(nèi)部擴散到二氧化硅界面處。因為在 汽相中擴散速度要比在固相中大得多，所以擴散到二氧化硅與氣體界面處的氧 化劑是充足的，也就是說SiO2的生長速率不會受到氧化劑在汽相中輸運（轉(zhuǎn)移） 速度的影響。因此，SiO2生長的快慢將由氧化劑在SiO2種的擴散速度以及與Si 反應(yīng)速度中較慢的一個因素所決定，。即存在上面

11、敘述過的擴散控制和表面化學(xué) 反應(yīng)控制兩種極限情況。從SiO2厚度與生長時間的普遍關(guān)系式 （2 23）中也可以得到上述兩種極限 情況。當氧化時間很長，即t >>和t>>A2/4B時，則SiO2生長厚度與時間的關(guān) 系式可簡化為Xo(223)2Xo B（t ）（ 224）這種情況下的氧化規(guī)律稱拋物型規(guī)律， B為拋物型速率常數(shù)。由（2 21）式可 以看到，B與D成正比，所以SiO2的生長速率主要由氧化劑在 SiO2中的擴散快 慢所決定，即為擴散控制。當氧化時間很短，即（化為t + ） v<A24B,則SiO2的厚度與時間的關(guān)系式可簡BI（t ）這種極限情況下的氧化規(guī)律稱線

12、性規(guī)律，B/A為線性速率常數(shù)，具體表達式為Xo(225)氧化A拋物線型線性型速溫度C）（卩m速率常數(shù)）B （討 /h）率常數(shù)B / A （卩 m h）12000.050.72014.40011000.110.5104.64010000.2260.2871.2709200.500.2030.4060BKshC（2 26）A Ks h Ni表1:硅的濕氧氧化速率表2:硅的干氧氧化速率氧化 溫度A（卩mi拋物線型 ）速率常數(shù)B （m2 /h）線性型速 率常數(shù)B / A （卩 m h）112000.0400.0451.120.02711000.0900.0270.300.07610000.1650.0

13、1 仃0.0710.379200.2350.00490.02081.409.08000.3700.00110.00307000.0002681.0表1和表2分別為硅濕氧氧化和干氧氧化的速率常數(shù)。圖 5和圖6分別為干氧氧化層厚度與時間的關(guān)系和濕氧氧化層厚度與時間的關(guān)系。-三-n-一RIMI01W 246 S 1024 b 8 101:5、（ 111）硅干氧氧化層厚度與時間的關(guān)系MW-1$職IQTfiniT'imn4 口T時 M-miiii圖6、（ 111）硅濕氧氧化層厚度與時間的關(guān)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Si

14、O2薄膜結(jié)構(gòu)致密，干燥，均勻性和重復(fù)性好，且由于SiO2表面與光刻膠接觸良好，光刻時不易浮膠。而濕氧氧化 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 一層使SiO2表面與光刻膠接觸差的硅烷醇（Si OH），因此在生產(chǎn)實踐中，普 遍采用干氧T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(zhì)量之間的矛盾，使生長的SiO2薄膜更好地滿足實際生產(chǎn)的要求。氧化層質(zhì)量的檢測包括：測量膜厚、折射率、氧化層中可動正電荷密度、 Si SiO2界面態(tài)密度、氧化層的漏電及介質(zhì)擊穿等。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1150C, 并通入干O2,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 SiO2 層。2、另外取一片清潔Si片，再同樣溫度下，通濕 O2進行氧化，水溫控制在 95C,時間為20分鐘。3、用橢偏儀并結(jié)合干涉法分別測量上述各氧化層的厚