微電子工藝課件第二章

微電子工藝課件第二章1第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.1SiO2的結(jié)構及性質(zhì)2.1.1結(jié)構2第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六Si-O四面體

結(jié)晶形硅的O-Si-O橋鍵鍵角固定為109.5°，而無定形的不固定(110°-180°)3第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六SiO2二維結(jié)構示意圖

橋鍵氧非橋鍵氧網(wǎng)絡疏松、不均勻，存在空洞，分子占空間體積的43%4第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六一、物理性質(zhì)2.1.2

SiO2的主要性質(zhì)5第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六1.化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅與氫氟酸發(fā)生化學反應：二、化學性質(zhì)2.可與強堿溶液發(fā)生極慢的化學反應，生成相應的硅酸鹽。6第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六一、網(wǎng)絡形成者按雜質(zhì)在網(wǎng)絡中所處位置可分為兩類：網(wǎng)絡形成者和網(wǎng)絡改變者：2.2SiO2的掩蔽作用2.2.1雜質(zhì)在SiO2中的存在形式少一個價電子，故頂角的4個O中剩余一個無法與之形成共價鍵而變成非橋鍵O多一個價電子，還可與近鄰的一個非橋鍵O形成共價鍵而變成橋鍵O7第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六8第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六二、網(wǎng)絡改變者以氧化物的形式進入網(wǎng)絡后離化，把氧離子交給網(wǎng)絡9第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六一、選擇擴散即在器件制造中通過硅表面某些特定區(qū)域向硅內(nèi)摻入雜質(zhì)，其余區(qū)域不進行摻雜；選擇擴散是根據(jù)某些雜質(zhì)在條件相同的情況下，在SiO2中的擴散速度遠小于在硅中擴散速度的性質(zhì)來完成的，即利用該層對某些雜質(zhì)起到“掩蔽”作用來達到的；實際上，掩蔽是相對的、有條件的，因為雜質(zhì)在硅中擴散的同時，在SiO2中也進行擴散，但因擴散系數(shù)相差幾個數(shù)量級，擴散速度相差非常大。在相同條件下，雜質(zhì)在硅中的擴散深度已達到要求時，而在SiO2中的擴散深度還非常淺，沒有擴透預先生長的SiO2層，因而在SiO2層保護的硅內(nèi)沒有雜質(zhì)進入，客觀上就起到了掩蔽作用。2.2.2雜質(zhì)在SiO2中的擴散系數(shù)10第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六二、擴散系數(shù)雜質(zhì)在SiO2中的運動遵循擴散規(guī)律，即擴散系數(shù)為：其中，ΔE為雜質(zhì)在SiO2中的擴散激活能，D0為表觀擴散系數(shù)。B、P等雜質(zhì)在SiO2中的擴散系數(shù)很小，SiO2對該類雜質(zhì)是理想的擴散掩蔽膜；堿金屬離子(如Na離子)，鎵在SiO2中的擴散系數(shù)非常大，SiO2層對該類雜質(zhì)起不到掩蔽作用。11第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.2.3掩蔽層厚度的確定為了保證SiO2層能起到有效的掩蔽作用，要求該層具有一定的厚度，以便保證由SiO2掩蔽的硅中沒與雜質(zhì)擴進。準確確定該厚度可以采用放射性示蹤技術等有關方法進行測量，也可以通過計算和實踐相結(jié)合的辦法，比較準確地估算其厚度。對恒定源和有限源兩種擴散來說，雜質(zhì)在SiO2中服從余誤差分布和高斯分布。對余誤差分布來說。濃度為C(x)所對應的深度表達式為：其中，Cs為擴散溫度下雜質(zhì)在SiO2表面的濃度，t為雜質(zhì)在硅一、確定掩蔽層厚度12第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六理想情況下，SiO2掩蔽層下面沒有雜質(zhì)擴進。而確定SiO2厚度時，往往假定SiO2表面處的雜質(zhì)濃度與Si-SiO2界面處的雜質(zhì)濃度之比為某一個值(如103)時，就認為起到了掩蔽作用，故由上式可得掩蔽層的最小厚度為：中達到擴散濃度所需要的時間。13第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六二、影響掩蔽效果的因素SiO2薄膜的厚度，雜質(zhì)在SiO2中的濃度和擴散系數(shù)；雜質(zhì)在Si襯底中的濃度和擴散系數(shù)；雜質(zhì)在Si-SiO2界面的分凝系數(shù)；制備SiO2薄膜的方法。如下圖，是用干氧氧化方法生長的SiO2層在不同溫度下掩蔽氣態(tài)P2O5和B2O3雜質(zhì)源時，擴散時間與所需最小SiO2層厚度xmin的關系。14第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六各種溫度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度與時間的關系15第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六當P2O5與SiO2

接觸時，SiO2就轉(zhuǎn)變?yōu)楹椎牟Ａw。擴散剛開始，只有靠近表面的SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)楹椎牟Ａw。(b)大部分SiO2層已轉(zhuǎn)變?yōu)楹椎牟Ａw。(c)整個SiO2層都轉(zhuǎn)變?yōu)楹椎牟Ａw。(d)在SiO2層完全轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw后，又經(jīng)過一定時間，SiO2層保護的硅中磷已經(jīng)擴進一定深度。以P2O5雜質(zhì)源為例來說明SiO2的掩蔽過程16第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.3硅的熱氧化生長動力學2.3.1硅的熱氧化一、硅的熱氧化法

指硅與氧或水汽等氧化劑在高溫下經(jīng)化學反應生成SiO2。高壓氧化也屬于熱氧化法：基本過程：硅與氧化劑之間經(jīng)化學反應形成具有四個Si-O鍵的Si-O四面體；反應初始階段，硅表面沒有SiO2層，則氧或水汽等氧化劑直接與硅反應生成SiO2，其生長速率由表面化學反應的快慢決定；當硅表面上生成(或者原有)一定厚度的SiO2層，氧化劑必須以擴散方式運動到Si-SiO2界面，再與硅反應生成SiO2，故17第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六隨著SiO2厚度的增加，生長速率將逐漸下降。其生長速率將由氧化劑通過SiO2層的擴散速率所決定。干氧氧化時厚度超過40?，濕氧氧化時厚度超過1000?時，生長過程將由表面化學反應控制轉(zhuǎn)為擴散控制。18第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六19第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六表面硅經(jīng)化學反應轉(zhuǎn)變?yōu)镾iO2，隨反應的進行，硅表面位置不斷向硅內(nèi)方向移動，如下圖所示。其中，xo為SiO2層20第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六厚度，x為氧化前后硅表面位置的變化量。設SiO2和Si的原子密度分別為CSiO2和CSi。則有：每平方厘米中轉(zhuǎn)變?yōu)镾iO2的分子數(shù)每平方厘米中所轉(zhuǎn)變的Si原子數(shù)即要生長一個單位厚度的SiO2，需要消耗0.44個單位厚度的Si層。21第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六22第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六干氧氧化23第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六二、幾種氧化方法1.干氧氧化干氧氧化是指在高溫下，氧氣與硅反應生成SiO2。

氧化溫度為900-1200℃，為了防止外部氣體的玷污，爐內(nèi)氣體壓力應比一個大氣壓稍高些，可通過氣體流速來控制。優(yōu)點：結(jié)構致密、干燥、均勻性和重復性好，掩蔽能力強，與光刻膠黏附好，目前制備高質(zhì)量的SiO2薄膜基本上都是采用這種方法。缺點：干氧氧化法的生長速率慢，所以經(jīng)常同濕氧氧化方法相結(jié)合生長SiO2

。24第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六水汽氧化：在高溫下，硅與高純水產(chǎn)生的蒸氣反應生成SiO2。產(chǎn)生的H2分子沿Si-SiO2界面或者以擴散方式通過SiO2層散離。水汽氧化的生長速率一般比較高，原因是水比氧在SiO2中有更高的擴散系數(shù)和大得多的溶解度。2.水汽氧化25第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六3.濕氧氧化濕氧氧化的氧比劑是通過高純水的氧氣，高純水一般被加熱到95℃左右。通過高純水的氧氣攜帶一定水蒸氣，所以濕氧氧化的氧化劑既含有氧，又含有水汽。因此，SiO2的生長速率介于干氧和水汽氧化之間，具體情況與氧氣流量、水汽的含量有著密切關系。水汽含量與水溫和氧氣流量有關。氧氣流量越大，水溫越高，則水汽含量就越大。如果水汽含量很少，SiO2的生長速率和質(zhì)量就越接近于干氧氧化的情況，反之，就越接近水汽氧化情況。

26第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六4.其它氧化方法也可以用情性氣體(氮氣或氬氣)攜帶水汽進行氧化，在這種情況下的氧化完全由水汽引起的；采用高溫合成技術進行水汽氧化，在這種氧化系統(tǒng)中，氧化劑是由純氫和純氧直接反應生成的水汽。這種方法可在很寬的范圍內(nèi)變化H2O的壓力，并能減少污染。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)要求選擇干氧氧化、水汽氧化或濕氧氧化。對于制備較厚的SiO2層來說，往往采用的是干氧-濕氧-干氧相結(jié)合的氧化式。這種氧化方式既保證SiO2表面和Si-SiO2界面質(zhì)量，又解決了生長效率的問題。27第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.3.2熱氧化生長動力學一、其厚度與氣體流速、氣體成份、溫度和SiO2表面等情況有關.28第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六二、迪爾(Deal)-格羅夫(Grove)氧化動力學(D-G)模型1.適用條件氧氣氧化和水汽氧化；溫度范圍700—1300℃；壓強范圍2×104Pa—1.0l×105Pa；氧化層厚度范圍300—20000?。2.準靜態(tài)近似：由于SiO2層不斷生長，SiO2-Si界面也就不斷向Si內(nèi)移動，所以氧化過程中的擴散問題是邊界隨時間變化的問題。采用準靜態(tài)近似后，變動的邊界對擴散過程的影響就可以忽略。

定義：氧化過程中假定所有反應都立即達到穩(wěn)態(tài)條件。29第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六3.亨利定律在平衡條件下，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。4.熱氧化過程（1）氧化劑從氣體內(nèi)部以擴散形式穿過滯留層運動到氣體-SiO2界面，其流密度用F1表示，如下圖所示。30第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六氣體內(nèi)部氧化劑濃度貼近SiO2表面的氧化劑濃度SiO2表面的氧化劑濃度Si-SiO2界面的氧化劑濃度主氣流區(qū)的氧化劑分壓貼近SiO2表面的氧化劑分壓31第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六32第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六從氣體內(nèi)部到氣體-SiO2界面處的氧化劑流密度為正比于二者相對應區(qū)域中的濃度差其中，hg是氣相質(zhì)量輸運(轉(zhuǎn)移)系數(shù)。由亨利定律可得：其中，H是亨利定律系數(shù)。由理想氣體定律可得：SiO2中氧化劑濃度故可得：33第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六用固體中的濃度表示的附面層中的流密度用固體中的濃度表示的氣相質(zhì)量輸運系數(shù)34第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六（2）氧化劑以擴散方式穿過SiO2層(忽略漂移的影響)，到達SiO2/Si界面，其流密度為F2：即擴散流密度其中，DSiO2是SiO2中的擴散系數(shù)。（3）氧化劑在Si表面與Si反應生成SiO2，其流密度為F3：其中，ks是氧化劑與Si反應的化學反應常數(shù)。在準靜態(tài)近似下，三個流密度應該相等，則有：35第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六故可得：由上兩式可得到硅的熱氧化存在兩種極限情況(h>>ks)：擴散控制36第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六該極限情況下，氧化劑以擴散方式通過SiO2層運動到Si-SiO2界面處的數(shù)量極少，以至于到達界面處的氧化劑與Si立即發(fā)生反應生成SiO2，在界面處沒有氧化劑的堆積，濃度趨于零；因擴散速度太慢，而大量氧化劑堆積在SiO2表面處，濃度趨向于同氣相平衡時的濃度C*；由此可知，在該情況下，SiO2的生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴散速度所決定，故稱為擴散控制，如下圖所示。37第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六擴散控制反應控制38第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六該極限情況下，進入SiO2中的氧化劑快速擴散到Si-SiO2界面處；相比之下，在界面處氧化劑與Si反應生成SiO2的速率很慢，結(jié)果造成氧化劑在界面處堆積，趨向于SiO2表面處的濃度；因此，SiO2的生長速率主要由Si表面的化學反應速度控制，故稱為反應控制。如上圖所示。反應控制（4）反應的副產(chǎn)物離開界面。39第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.3.3熱氧化生長速率一、隨著SiO2的生長，界面處的Si不斷地轉(zhuǎn)化為SiO2中的成份，所以Si表面處的流密度為：其中，N1表示生長單位體積SiO2所需的氧化劑的分子數(shù)。SiO2的分子密度為2.2×1022個/cm3，則有：40第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六SiO2薄膜生長速率41第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六其中：由上式也可得到硅熱氧化存在的兩種極限情況：擴散控制42第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六該情況下的氧化規(guī)律稱拋物型規(guī)律，B為拋物型速率常數(shù)；B與DSiO2成正比，故SiO2的生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴散快慢決定，即為擴散控制。該情況下的氧化規(guī)律稱線性規(guī)律，B/A為線性速率常數(shù)：反應控制大多數(shù)情況下，h是ks的103倍，SiO2的生長速率主要由表面化學反應速率常數(shù)ks決定，即為化學反應控制。43第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.4決定氧化速率常數(shù)和影響氧化速率的各種因素2.4.1決定氧化速率常數(shù)的各種因素一、氧化劑44第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六二、氧化劑分壓即氧化速率與氧化劑分壓成正比。如下圖所示。因此，在一定氧化條件下，通過改變氧化劑分壓可達到改變二氧化硅生長速率的目的，由此而出現(xiàn)了高壓氧化和低壓氧化技術。45第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六氧化速率與壓強成正比46第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六三、氧化溫度拋物型速率常數(shù)B和線性速率常數(shù)B/A與溫度之間的關系均為指數(shù)關系，分別如下圖所示。47第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六濕氧氧化干氧氧化48第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六濕氧氧化干氧氧化49第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.4.2影響氧化速率的各種因素一、硅表面晶相對氧化速率的影響這種不同是因為各個晶面的鍵密度不同所引起的。50第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六二、雜質(zhì)對氧化速率的影響

1.硼、磷

摻有高濃度雜質(zhì)的硅，其氧化速率明顯變大，但是，雜質(zhì)類型以及分凝系數(shù)不同，對氧化速率影響的機制是不同的。在氧化過程中雜質(zhì)將在Si-SiO2界面兩邊重新分布，對于在SiO2中是慢擴散的雜質(zhì)、而且分凝系數(shù)小于1的硼，在分凝過程中將有大量的硼從硅中進入并停留在SiO2中，使SiO2中非橋鍵氧的數(shù)目增加，從而降低了SiO2的結(jié)構強度，氧化劑不但容易進入SiO2中，而且穿過SiO2的擴散能力也增加，因此，拋物型速率常數(shù)明顯增大，而對線性速率常數(shù)沒有明顯的影響。對于那些分凝系數(shù)雖然也小于1，但在SiO2中是快擴散的雜質(zhì)，對氧化速率的影響與輕摻雜情況相似。這是因為大量的雜質(zhì)通過SiO2表面跑到氣體中去，對硅氧鍵的結(jié)合強度影響不大。氧化速率常數(shù)對存在于氧化劑中或者存在于硅襯底中的雜質(zhì)、水汽、鈉、氯、氯化物等物質(zhì)都是非常敏感的。51第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六對于重摻磷的硅也可以觀察到氧化速率增大現(xiàn)象，但其機制與硼不同。當摻磷的硅被氧化時，在分凝過程中，只有少量的磷被分凝到SiO2中，因而拋物型速率常數(shù)只表現(xiàn)出適度的增加，這是因為分凝進入SiO2中的磷量很少，氧化劑在SiO2中的擴散能力增加不大。大部分磷因分凝而集中在靠近硅表面的硅中，結(jié)果使線性氧化速率常數(shù)明顯變大。下圖給出的是拋物型和線性速率常數(shù)與磷濃度的關系。由圖可以看到，當磷的濃度很高時，B/A常數(shù)迅速增加，而B只表現(xiàn)出適度的增加。52第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六

2.水汽

在干氧氧化的氣氛中，只要存在極少量的水汽，就會對氧化速率產(chǎn)生重要的影響。對于干氧氧化來說，水汽應該被看作是此工藝過程中的雜質(zhì)，而且會增加陷阱雜質(zhì)。氧化過程中的水汽來源主要是：①硅片吸附的水；②氧氣中含有的水；③碳氫化合物中的氫元素與氧發(fā)生反應生成的水；④從外界擴散到氧化爐中的水汽；⑤在含氯氧化中氫與氧發(fā)生反應生成的水。為了防止高溫下水汽通過石英管壁進入氧化爐內(nèi)，氧化石英管是雙層的，并在兩層中間通有高純氮或氬，這樣可以把通過外層石英管進入到夾層中的水汽及時排除。53第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六3.鈉

實驗發(fā)現(xiàn)，當氧化層中如果含有高濃度鈉時，線性和拋物型氧化速率都明顯變大。這是因為鈉往往以氧化物形式進入SiO2網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡中氧的數(shù)量增加．一些Si-O-Si鍵受到破壞，非橋鍵氧數(shù)目增多。這樣，氧化劑不但容易進入SiO2中，而且其濃度和擴散能力都增大。54第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六4.氯

為了改善SiO2和Si-SiO2界面性質(zhì)，在氧化工藝中，氧化劑的氣氛中加入一定數(shù)量的氯，可以使SiO2的特性得到很大的改善。主要包括：①鈍化可動離子，尤其是鈉離子；②增加了氧化層下面硅中少數(shù)載流子的壽命；③減少了SiO2中的缺陷，提高了氧化層的抗擊穿能力；④降低了界面態(tài)密度和表面固定電荷密度；⑤減少了氧化層下的硅中由于氧化導致的堆積層錯。55第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六

摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過程中．靠近Si-SiO2界面的硅中雜質(zhì)，將在界面兩邊的硅和二氧化硅中發(fā)生再分布。決定雜質(zhì)再分布的主要因素有以下幾方面：①雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象。②雜質(zhì)通過SiO2表面逸散。③氧化速率的快慢。④雜質(zhì)在SiO2中的擴散速度。2.5熱氧化過程中的雜質(zhì)再分布56第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過程中，在Si-SiO2界面上的平衡雜質(zhì)濃度之比定義為分凝系數(shù)。如果假設硅中的雜質(zhì)分布是均勻的，而且氧化氣氛中又不含有任何雜質(zhì)，則再分布有四種可能。2.5.1雜質(zhì)的再分布57第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六①m＜l，且在SiO2中是慢擴散的雜質(zhì)，也就是說在分凝過程中雜質(zhì)通過SiO2表面損失的很少，硼就是屬于這類。再分布之后靠近界面處的SiO2中的雜質(zhì)濃度比硅中高，硅表面附近的濃度下降。②m＜1，且在SiO2中是快擴散的雜質(zhì)。因為大量的雜質(zhì)通過SiO2表面跑到氣體中去，雜質(zhì)損失非常厲害，使SiO2中的雜質(zhì)濃度比較低，但又要保證界面兩邊的雜質(zhì)濃度比小于1，使硅表面的雜質(zhì)濃度幾乎降到零，在H2氣氛中的硼就屬于這種情況。58第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六③m＞1，且在SiO2中慢擴散的雜質(zhì)。再分布之后硅表面附近的雜質(zhì)濃度升高，磷就屬于這種雜質(zhì)。④m＞l，且在SiO2中快擴散的雜質(zhì)。在這種情況下，雖然分凝系數(shù)大于1，但因大量雜質(zhì)通過SiO2表面進入氣體中而損失，硅中雜質(zhì)只能不斷地進入SiO2中，才能保持界面兩邊雜質(zhì)濃度比等于分凝系數(shù)，最終使硅表面附近的雜質(zhì)濃度比體內(nèi)還要低，鎵就是屬于這種類型的雜質(zhì)。59第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六對于m＝1，而且也沒有雜質(zhì)從SiO2表面逸散的情況，熱氧化過程也同樣使硅表面雜質(zhì)濃度降低。這是因為一個體積的硅經(jīng)過熱氧化之后轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€多體積的SiO2，由此，要使界面兩邊具有相等的雜質(zhì)濃度(m＝1)，那么雜質(zhì)必定要從高濃度硅中向低濃度SiO2中擴散，即硅中要消耗一定數(shù)量的雜質(zhì)，以補償增加的SiO2體積所需要的雜質(zhì)。60第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.5.2再分布對硅表面雜質(zhì)濃度的影響

Si-SiO2界面兩側(cè)的雜質(zhì)濃度之比與時間是無關的，這是因為氧化層的生長速率和雜質(zhì)的擴散速率均與時間的平方根成正比。再分布后的硅表面附近的雜質(zhì)濃度。只與三個因素有關：雜質(zhì)的分凝系數(shù)；雜質(zhì)在SiO2中的擴散系數(shù)與在硅中擴散系數(shù)之比；氧化速率與雜質(zhì)的擴散速率之比；

61第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.6初始氧化階段以及薄氧化層的生長2.6.1快速初始氧化階段目前在ULSI工藝中，柵氧化層通常都小于30nm厚度，而D-G模型對于厚度小于30nm的干氧氧化規(guī)律是不淮確的。D-G模型對于干氧氧化的氧化速率估計偏低，卻能精確地預計水汽氧化的生長速率。在700℃的溫度下（低溫下）進行干氧氧化時，如圖，開始是一個快速氧化階段。之后才是線性生長區(qū)。由線性部分外推到t＝0時所對應的氧化層厚度為230±30?，而且這個值對于氧化溫度在700—1200℃的范圍是不隨溫度變化的。因而對于干氧氧化，必須先假設一個xi=230?的初始條件，才能使模型計算的結(jié)果與實驗一致。62第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六快速初始氧化階段63第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六通過實驗發(fā)現(xiàn)，薄氧化層的生長動力學與許多方面有關，而其中有一些參數(shù)對比較厚的氧化生長是沒有影響的。影響薄氧化層生長的幾個最重要方面是：①氧化之前對硅片進行化學清洗情況；②表面上亞氧化層(SiO)的形成；③溶解在襯底間隙中氧的數(shù)量。64第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.6.2薄氧化層的制備

IC特征尺寸的減小，柵氧化層的厚度也要按比例減薄，這主要是為了防止短溝效應。如溝道長度不斷減小，而厚度沒有相應的按比例減薄，必然會導致閾值電壓不穩(wěn)定。為了使短溝效應減到最小，獲得好的器件性能，按比例減薄柵氧化層厚度是十分有效的方法。在ULSI中，薄柵氧化層(＜10nm)應滿足下列關鍵的要求：

(1)低缺陷密度；(2)好的抗雜質(zhì)擴散的勢壘特性；(3)具有低的界面態(tài)密度和固定電荷的高質(zhì)量的Si-SiO2界面；(4)在熱載流子應力和輻射條件下的穩(wěn)定性：(5)低的熱預算(熱開銷)(thermalbudget)工藝。65第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六實現(xiàn)上述要求的方法：1預氧化清洗硅清洗工藝的基本準則是消除表面有機物、過渡金屬、堿性離子和顆粒。清洗工藝由兩步組成。第一步除去硅表面的有機物玷污，第二步通過形成金屬絡合物除去金屬玷污。為了除去在第一步中生成的氧化硅，常增加一個中間步，用稀釋的HF酸漂洗。2工藝與柵氧化硅質(zhì)量的關系柵氧化溫度對柵氧化層質(zhì)量有著重要的影響，高溫氧化可得到具有較少界面態(tài)和較少固定電荷的更光滑的界面。為使柵氧化層有良好的特性和可靠性，應采用高溫氧化．而高溫快速熱氧化更適用ULSI中的MOS器件的柵氧化層生長工藝。66第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六3用化學方法改進柵氧化層化學改進的主要目的是引入可控的雜質(zhì)量，借以改進界面的特性，這些特性對SiO2的性能和可靠性是至關重要的。Si-SiO2界面區(qū)由非理想配比單原子層和10-40?厚的應變SiO2層組成．非理想配比的單原子層起因于不完全氧化，應變區(qū)起因于硅和SiO2之間的晶格的失配，引起壓應力。為了改進電或輻射應力下MOS器件的可靠性，Si-SiO2界面本征應力的弛豫是一個重要技術。由于張應力存在于Si3N4-Si系統(tǒng)，因此摻入少量的氮可以抵消Si-SiO2界面的壓應力。同樣，加氟也可起到馳豫應力的作用。67第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六4．CVD和疊層氧化硅為了抑制與擊穿有關的氧化硅薄膜缺陷密度，淀積氧化硅是一種更好的工藝，因為淀積氧化幾乎不受硅襯底缺陷的影響。這種技術可用低溫工藝，對于ULSIMOS工藝非常適合。氧化疊層是由一個氧化硅墊層及其頂上的CVD氧化硅組成。疊層中的缺陷密度明顯減少，是因為疊層中的各層缺陷的不重合的緣故，由于各層之間應力的補償，使得Si-SiO2界面的應力接近零。68第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.7Si-SiO2界面特性在SiO2內(nèi)和Si-SiO2界面中有四種類型的電荷，各種不同類型的電荷的符號和術語如下：(1)單位面積里可動離子電荷：Qm(C/cm2)；(2)單位面積里氧化層固定電荷：

Qf(C/cm2)；(3)單位面積里界面陷阱電荷：

Qit(C/cm2)；(4)單位面積里氧化層陷阱電荷：

Qot(C/cm2)。69第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.7.1可動離子電荷：Qm(C/cm2)

SiO2中最重要的可動離子電荷主要是以網(wǎng)絡改變者形式存在的、荷正電的堿金屬離子。由于Na+大量存在于環(huán)境中，因此是主要污染源。

存在于SiO2

中的Na+

，即使在低于200℃的溫度下，在氧化層中也具有很高的擴散系數(shù)。由于Na是以離子的形態(tài)存在，其遷移能力因氧化層中存在電場而顯著提高。因為加在MOS器件絕緣層上的電場強度很大，Na+在電場作用下，可以有顯著的漂移，將對器件參數(shù)產(chǎn)生重要影響。為了降低Na+的玷污，可以在工藝過程中采取預防措施，包括：①使用含氯的氧化工藝；②用氯周期性地清洗管道、爐管和相關的容器；③使用超純凈的化學物質(zhì)；④保證氣體及氣體傳輸過程的清潔。另外保證柵材料不受玷污也是很重要的。70第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六

氧化層和柵材料中的可動離子數(shù)可以用C-V技術來測量，稱為偏溫測試(B-T)。過程如下：首先對MOS電容進行一次C-V測試，然后在柵極上加一個大約1MV/cm的正向偏壓同時把器件加熱到200~300℃。當?shù)竭_預定溫度時，柵極電壓再維持10-30分鐘，從而確?？蓜与x子都到達了Si-SiO2界面。然后保持偏壓，同時器件冷卻至室溫。這時再次測量C-V特性。兩次測試(加溫加壓前和加溫加壓后)平帶電壓的變化ΔFB就等于Nm/qCox或Nmxox/qεoxε0，其中Nm

(個/cm2)為單位面積里移動離子電荷數(shù)?？蓜与x子電荷的測量：71第71頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六B-T作用下的高頻C-V曲線72第72頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六2.7.2界面陷阱電荷：Qit(C/cm2)

界面態(tài)或稱界面陷阱電荷Qf是指存在于Si-SiO2界面、能量處于硅禁帶中、可以與價帶或?qū)軌蚍奖憬粨Q電荷的那些陷阱能級或電荷狀態(tài)。這些界面態(tài)是分布在硅的禁帶之中，因此定義每單位能量上的界面陷阱密度為Dit，單位是：個/cm2eV。如下圖表示，在禁帶中Dit隨能量變化的兩組曲線。Dit的曲線是u字形，最低的地方在禁帶的中間，最高處則在禁帶的兩邊。(111)硅在能帶中間的陷阱密度大約比(100)硅要高5倍。73第73頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六74第74頁，共80頁，2023年，2月20日，星期六

高于禁帶中心能級的界面態(tài)，具有類受主的特性，當充滿電子時，呈負電，空的時候，呈中性。低于能帶中間能級的界面態(tài)，具有類施主的特性，當充滿電子時，呈中性，空的時候，呈正電性。因此界面陷阱的電荷類型依賴于MOS電容的偏量條件(費米能級)。大量的界面態(tài)電荷會顯著降低晶體管溝道遷移率，從而大大降低器件性能。解釋界面態(tài)的物理機制主要有三種模型：

(1)由于硅原子周期排列的中斷，在硅表面有一個鍵是空的，沒有形成共價鍵．稱為懸掛鍵。當硅氧化成為SiO2時，仍存在少量剩余的懸掛鍵。這些懸掛鍵上有一個未配對的電子，可以得失電子而表現(xiàn)為界面態(tài)。另一方面，在Si-SiO2過渡區(qū)中，沒有完全氧化的硅原子，也是界面態(tài)重要來源。

(2)SiO2中存在著荷電中心(電離雜質(zhì)