實驗 硅熱氧化工藝

1、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(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，足以用作為擴散掩蔽層，通過光刻

2、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SiO2的工藝方法（干氧、濕氧、水汽）。2、 熟悉SiO2層在半導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(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，由于硅片表面對氧原子

3、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反應式分別為： Si+O2SiO2 （21） Si+2H2OSiO2+2H2 （22）如果生長的二氧化硅厚度為0(m)，所消耗的硅厚度為i，則由定量分析可知： （23）即生長1m的SiO2，要消耗掉0.46m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。圖3、SiO2生長對應硅片表面位置的變化 當硅片表面生長一薄層SiO2以后，它阻擋了O2或H2O直接與硅表面接觸，此時氧原子和水分子必須穿過SiO2薄膜到達SiSiO2界面才能與硅繼續(xù)反應生長SiO2。顯然，隨著氧

4、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300Å至20000Å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SiSiO2界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應，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，必須經(jīng)歷下列三個連續(xù)的步驟：圖4、DealGrove熱氧化模型 從氣體內(nèi)部輸運到氣體氧化物界面，其流密度用F1表示

5、。 擴散穿透已生成的氧化層，到達SiO2Si界面，其流密度用F2表示。 在Si表面發(fā)生反應生成SiO2，其流密度用F3表示。在氧化過程中，由于SiO2層不斷生長，所以SiO2Si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 F1=F2=F3 （24）附面層中的流密度取線性近似，即從氣體內(nèi)部到氣體氧化物界面處的氧化劑流密度F1正比于氣體內(nèi)部氧化劑濃度Cg與貼近SiO2表面上的氧化劑濃度Cs的差，數(shù)學表達式為 （25）其中是

6、氣相質(zhì)量輸運（轉移）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SiO2表面的氧化劑濃度Co正比于貼近SiO2表面的氧化劑分壓Ps，則有 (26)H為亨利定律常數(shù)。在平衡情況下，SiO2中氧化劑的濃度C*應與氣體（主氣流區(qū)）中的氧化劑分壓Pg成正比，即有 C* = HPg （27） 由理想氣體定律可以得到 （28） （29）把式（26）（29）代入式（25）中，則有 （210） （211）其中h是用固體中的濃度表示的氣相質(zhì)量輸運（轉移）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S

7、iO2層的流密度F2就是擴散流密度，數(shù)學表達式為 （212）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SiO2Si界面處的氧化劑濃度，XO為SiO2的厚度。如果假定在SiO2Si界面處，氧化劑與Si反應的速率正比于界面處氧化劑的濃度Ci，于是有 （213）KS為氧化劑與Si反應的化學反應常數(shù)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件F1=F2=F3，再經(jīng)過一定的數(shù)學運算，可得到Ci和Co的具體表達式 （214） （215）當上面兩式中擴散系數(shù)D極大或極小時，硅的熱氧化存在兩種極限情況。當D非常小時，Ci0，CoC*，這種情況稱為擴散控制態(tài)。它導致通過氧化層的氧化輸運流量比在SiSiO2界面處反應的

8、相應流量來得?。ㄒ驗镈小），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）此時稱為反應控制態(tài)。因為在SiSiO2界面處提供足夠的氧，氧化速率是由反應速率常數(shù)KS和Ci（等于C0）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)，由于每立方厘米氧化層中SiO2分子密度為2.2×1022個，每生成一個SiO2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2.2×1022/cm3,對水汽氧化來說N1為4.4×1022/cm3。隨著SiO2不斷生長，界面處的Si也就不斷轉化為SiO2中的成份，因此S

9、i表面處的流密度也可表示為 （217）把（214）式代入到（213）式中，并與上式聯(lián)立，則得到SiO2層的生長厚度與生長時間的微分方程 （218）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系式。 （219）其中 （220） （221） (222)A和B都是速率常數(shù)。方程（219）的解為 （223） 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

10、說SiO2的生長速率不會受到氧化劑在汽相中輸運（轉移）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反應速度中較慢的一個因素所決定，。即存在上面敘述過的擴散控制和表面化學反應控制兩種極限情況。從SiO2厚度與生長時間的普遍關系式（223）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>>時，則SiO2生長厚度與時間的關系式可簡化為 （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（221）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，

11、即（t +）<<,則SiO2的厚度與時間的關系式可簡化為 （225）這種極限情況下的氧化規(guī)律稱線性規(guī)律，B/A為線性速率常數(shù)，具體表達式為 （226） 表1：硅的濕氧氧化速率 氧化溫度 （） A (m)拋物線型速率常數(shù) B（m2 / h） 線性型速率常數(shù) B / A（m h） 1200 0.05 0.720 14.40 0 1100 0.11 0.510 4.64 0 1000 0.226 0.287 1.27 0 920 0.50 0.203 0.406 0 表2：硅的干氧氧化速率氧化溫度 A(m)拋物線型速率常數(shù) B（m2 / h）線性型速率常數(shù) B / A（m h） 1200

12、 0.040 0.045 1.120.027 1100 0.090 0.027 0.300.076 1000 0.165 0.0117 0.0710.37 920 0.235 0.0049 0.02081.40 800 0.370 0.0011 0.00309.0 700 0.0002681.0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系和濕氧氧化層厚度與時間的關系。圖5、（111）硅干氧氧化層厚度與時間的關系圖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

13、生長的SiO2薄膜結構致密，干燥，均勻性和重復性好，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（SiOH)，因此在生產(chǎn)實踐中，普遍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(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、SiSiO2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1150，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95，時間為20分鐘。3、用橢偏儀并結合干涉法分別測量上述各氧化層的厚度，并作圖求出115