集成電路工藝-熱氧化薄膜技術

微電子工藝學

MicroelectronicProcessing

第三章熱氧化和薄膜制備技術張道禮教授Email:Voice:87542894在微電子器件中廣泛使用著各種薄膜，這些薄膜可以粗略地分為五大類：熱氧化薄膜、電介質薄膜、外延薄膜、多晶硅薄膜以及金屬薄膜。其特點是：一、在微電子器件中用途各異，例如：熱氧化薄膜和電介質薄膜—導電層之間的絕緣層，擴散和離子注入的掩模，防止摻雜雜質損失而覆蓋在摻雜膜上的覆蓋膜或鈍化膜；外延薄膜—器件工作區(qū)；多晶硅薄膜—MOS器件中的柵級材料，多層金屬化的導電材料以及淺結器件的接觸材料；金屬膜和金屬硅化物薄膜—形成低電阻內連、歐姆接觸及用來調整金屬與半導體之間的勢壘。3.1概述二、用于制備薄膜的材料種類繁多，例如：硅和砷化鎵等半導體材料；金和鋁等金屬材料；二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、氧化鋁等無機絕緣材料；多晶硅和非晶硅等無機半絕緣材料；鉬、鎢等難熔金屬硅化物及重摻雜多晶硅等非金屬低阻材料；聚亞酰胺類有機絕緣樹脂材料等等。正因為如此，微電子工藝中的薄膜制備方法千差萬別，特點各異。薄膜淀積技術一直在飛速進步，開展出了很多種類，已經成為一門獨立的工藝技術學科，相應的理論研究非常深入和廣泛，從經典的熱力學理論到建立在原子級觀測的成核理論，幾乎涉及到薄膜科學的每個方面。3.1概述二氧化硅的結構和性質結晶形和非結晶形〔無定形〕二氧化硅都是Si－O正四面體結構組成的。這些四面體通過各種不同的橋鍵氧原子連接起來，形成各種不同狀態(tài)和結構的二氧化硅。微電子工藝中采用的二氧化硅薄膜是由熱氧化法生長的無定形結構(長程無序但短程有序)。3.2熱生長二氧化硅薄膜①橋鍵氧原子：位于四面體之間，為兩個硅原子所共有的氧原子稱橋鍵氧原子。②非橋鍵氧原子：只與一個四面體〔硅原子〕相連的氧原子稱非橋鍵氧原子。它還能接受一個電子以維持八電子穩(wěn)定結構。橋鍵氧越少，非橋鍵氧越多，二氧化硅網絡就越疏松。通常的二氧化硅膜的密度約為2.20g/cm33.2熱生長二氧化硅薄膜3.2熱生長二氧化硅薄膜③網絡調節(jié)劑：網絡調節(jié)劑即間隙式雜質，處于Si—O四面體網絡空隙中孔洞位置，主要有Na,K,Pb,Ca,Ba等正離子。其特點是離子半徑較大，多以氧化物形式摻入SiO2膜。電離后，雜質正離子占據網絡空隙位置，而氧離子進入網絡，使得在一個橋鍵氧處出現兩個非橋鍵氧。④網絡形成劑：網絡形成劑即替位式雜質，在Si—O四面體中可取代硅原子并形成網絡，主要有B,P,Sb,等正離子。其特點是離子半徑較與硅原子半徑相近或更小。在無定形SiO2網絡中，硅在SiO2中的擴散系數比氧的擴散系數小幾個數量級。在熱氧化法制備的過程中，是氧或水汽等氧化劑穿過SiO2層，到達Si-SiO2界面，與硅反響生成SiO2，而不是硅向SiO2外外表運動，在外表與氧化劑反響生成SiO23.2熱生長二氧化硅薄膜二氧化硅的主要性質密度：密度是SiO2致密程度的標志。無定形二氧化硅的密度一般為2.21g/cm3，結晶形SiO2的密度為2.65g/cm3。折射率：折射率是表征SiO2薄膜光學性質的重要參數。不同方法制備的SiO2薄膜由于密度不同，折射率也稍有差異。一般來說，密度大的SiO2薄膜具有較大的折射率。波長為550nm時，SiO2折射率約為1.46。電阻率：SiO2電阻率上下與制備方法及所含雜質數量等因素有關。高溫干氧氧化制備的SiO2，電阻率高達1017Ω?cm以上。介電強度：當SiO2薄膜被用作絕緣介質時，常用介電強度即用擊穿電壓參數來表示耐壓能力。SiO2薄膜的介電強度與致密程度、均勻性、雜質含量等因素有關，一般為106－107V/cm。3.2熱生長二氧化硅薄膜介電常數：介電常數是表征電容性能的重要參數。對于MOS電容器，其電容量與結構參數的關系為：，其中εSiO2為SiO2的相對介電常數，其值為3.9。耐腐蝕性：SiO2膜的化學穩(wěn)定性極高，不溶于水，除氫氟酸外，和別的酸不起作用。氫氟酸腐蝕原理如下：六氟化硅溶于水。利用這一性質作為掩蔽膜，微電子工藝中利用HF光刻出IC制造中的各種窗口。SiO2的腐蝕速率與HF的濃度、溫度、SiO2的質量以及所含雜質數量等因素有關。不同方法制備的SiO2，腐蝕速率可能相差很大。3.2熱生長二氧化硅薄膜SiO2可與強堿發(fā)生極慢的反響，生成相應硅酸鹽。SiO2在高溫下被活潑金屬或非金屬復原：SiO2與碳放入電爐內加熱到1800℃時，能生成碳化硅：3.2熱生長二氧化硅薄膜掩蔽性質：B、P、As等雜質在SiO2的擴散系數遠小于在Si中的擴散系數。DSi>DSiO2SiO2膜要有足夠的厚度。雜質在一定的擴散時間、擴散溫度下，有一最小厚度。絕緣性質：SiO2能帶寬度約9eV。熱擊穿、電擊穿、混合擊穿：a.最小擊穿電場〔非本征〕－－針孔、裂縫、雜質。b.最大擊穿電場〔本征〕－－厚度、導熱、界面態(tài)電荷等；氧化層越薄、氧化溫度越高，擊穿電場越低。c.介電常數3～4〔3.9〕3.2熱生長二氧化硅薄膜不同方法制備的SiO2薄膜的物理參數氧化方法密度（g/cm3）折射率λ＝546nm電阻率（Ωcm）介電常數介電強度（108V/cm）干氧2.24-2.271.46-1.4663×1015-2×10163.49濕氧2.18-2.271.435-1.4583.82水汽2-2.21.452-1.4621015-10173.26.8-9高壓氧化2.321.45-1.487-9熱分解淀積2.09-2.151.43-1.45107-108外延淀積2.31.46-1.477×1014-8×10143.545-63.2熱生長二氧化硅薄膜二氧化硅層的主要用途二氧化硅對雜質有掩蔽擴散作用，能實現選擇性定域擴散摻雜器件外表的保護和電路的鈍化膜器件的電隔離〔絕緣〕作用電容的介電材料作MOS管的絕緣柵材料多層互連的層間絕緣介質緩沖層/熱氧化層3.2熱生長二氧化硅薄膜1.擴散時的掩蔽層，離子注入的(有時與光刻膠、Si3N4層一起使用)阻擋層SiO2對雜質擴散起到掩蔽作用，利用這個性質結合光刻工藝，就可以進行選擇性擴散。這種掩蔽作用是有條件的。隨著溫度升高擴散時間延長，雜質也有可能會擴散穿透SiO2膜層，使掩蔽作用失效。因此SiO2起掩蔽作用有兩個條件(1)厚度足夠；〔2〕所選雜質在SiO2中的擴散系數要比在硅中的擴散系數小得多。3.2熱生長二氧化硅薄膜2.器件和電路的保護或鈍化膜在硅片外表生長一層SiO2膜，可以保護硅外表和P-N結的邊緣不受外界影響，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。同時，在制造工藝流程中，防止外表或P-N結受到機械損傷和雜質玷污，起到了保護作用。另外，有了這一層SiO2膜，就可以將硅片外表和P-N結與外界氣氛隔開。降低了外界氣氛對硅的影響，起到鈍化作用。但是，鈍化的前提是膜層的質量要好，如果SiO2膜中含有大量納離子或針孔，非但不能起到鈍化作用，反而會造成器件不穩(wěn)定。3.2熱生長二氧化硅薄膜3.某些器件的重要組成局部(1)MOS管的絕緣柵材料：在MOS晶體管中，常以SiO2膜作為柵極，這是因為SiO2層的電阻率高，介電強度大，幾乎不存在漏電流。但作為絕緣柵要求極高，因為Si-SiO2界面十分敏感〔指電學性能〕，SiO2層質量不好，這樣的絕緣柵極就不是良好的半導體器件。3.2熱生長二氧化硅薄膜(2)電容器的介質材料：集成電路中的電容器是以SiO2作介質的，因為SiO2的介電常數為3-4，擊穿耐壓較高，電容溫度系數下，這些性能決定了它是一種優(yōu)質的電容器介質材料。另外，生長SiO2方法很簡單，在集成電路中的電容器都以SiO2來代替。4.集成電路中的隔離介質集成電路中的隔離有P-N隔離和介質隔離兩種，而介質隔離中的介質就是SiO2。因為SiO2介質隔離的漏電流很小，島與島之間的隔離電壓較大，寄生電容較小。因此，用SiO2作介質隔離的集成電路的開關速度較好。3.2熱生長二氧化硅薄膜5.用于電極引線和硅器件之間的絕緣介質在集成電路制備中，電極引線和器件之間，往往有一種絕緣材料，工藝上大多采用SiO2作為這一層絕緣材料，使得器件之間，電極引線之間絕緣。6.多層互連的層間絕緣介質〔ILD／IMD〕隔離相鄰金屬層之間電連接的絕緣材料。金屬線傳導信號，介質層那么保證信號不受臨近金屬線影響。通常采用CVD方法制備。3.2熱生長二氧化硅薄膜7.緩沖層/熱氧化層當氮化硅直接沉積在硅襯底上時，界面存在極大應力和界面態(tài)密度，多采用Si3N4/SiO2/Si結構。場氧化時，SiO2會有軟化現象，可消除氮化硅與襯底之間的應力。通常采用熱氧化生成，厚度很薄。3.2熱生長二氧化硅薄膜二氧化硅的制備硅外表形成SiO2的方法很多：熱氧化、熱分解淀積、濺射、蒸發(fā)等。由于熱氧化的氧化反響發(fā)生在Si-SiO2交界面，接觸到的雜質、污染比較少，形成的SiO2質量也就較高，所以，多采用熱氧化法生長氧化膜。熱氧化法包括干氧、水氧和濕氧三種方法，通常采用干濕干的氧化模式。3.2熱生長二氧化硅薄膜〔1〕干氧氧化干氧氧化是在高溫下，氧分子與硅直接反響生成SiO2，反響為：氧化溫度約為1000～1200℃，為了防止外部氣體對氧化的影響，爐內的氣壓要高于爐外的氣壓。干氧生長的氧化膜外表枯燥、結構致密，光刻時與光刻膠接觸良好、不易產生浮膠，但氧化速率極慢，這是由于O2在SiO2中擴散系數通常小于H2O在SiO2中的擴散系數。適用：較薄的氧化層的生長，例如MOS器件的柵極。3.2熱生長二氧化硅薄膜干氧氧化系統(tǒng)3.2熱生長二氧化硅薄膜水汽氧化水汽氧化是指在高溫下，硅與高純水蒸汽反響生成SiO2膜，反響式為：

對高純水加熱產生高純水蒸氣，水汽進入氧化爐與硅片反響生成SiO2膜。水汽氧化氧化速率較快，但膜層不致密，質量很差，特別是對雜質擴散的掩蔽作用較差，所以這種方法根本不采用。3.2熱生長二氧化硅薄膜原理：Si+2H2OSiO2+2H2>1000度3.2熱生長二氧化硅薄膜水氧氧化系統(tǒng)3.2熱生長二氧化硅薄膜水汽氧化的示意圖較高的水溫只增大通過硅片附近的蒸汽流量，并不改變水汽的濃度大小。濕氧氧化濕氧氧化中，用攜帶水蒸氣的氧氣代替干氧。氧化劑是氧氣和水的混合物，反響過程如下：氧氣通過95℃的高純水；氧氣攜帶水汽一起進入氧化爐在高溫下與硅反響。濕氧氧化相當于干氧氧化和水汽氧化的綜合，其速率也介于兩者之間。具體的氧化速率取決于氧氣的流量、水汽的含量。氧氣流量越大，水溫越高，那么水汽含量越大，氧化膜的生長速率和質量越接近于水汽氧化的情況。反之，就越接近于干氧氧化。3.2熱生長二氧化硅薄膜一般濕氧氧化是由攜帶氣體通過水浴后，含有水汽的氧氣進入石英管對硅片進行氧化，而水汽的多少由水浴的溫度控制，同時水浴的質量也將影響氧化層質量的好壞。一種新的濕氧氧化方法，它是依靠高純的氫氣和氧氣在石英管中按比例混合燃燒成水，氫和氧的比例為2:1時為水汽氧化，小于這比例為濕氧氧化，當氫氣為零時，為干氧氧化。3.2熱生長二氧化硅薄膜三種氧化方法的比較速度均勻重復性結構掩蔽性水溫干氧：慢好致密好濕氧：快較好中根本滿足95℃水汽：最快差疏松較差102℃3.2熱生長二氧化硅薄膜生產中經常采用干氧-濕氧-干氧結合的方法，綜合了干氧氧化SiO2枯燥致密，濕氧氧化速率快的優(yōu)點，并能在規(guī)定時間內使SiO2層的厚度，質量符合要求。干氧氧化速度慢，氧化層結構致密，外表是非極性的硅-氧烷結構。所以與光刻膠粘附性好，不易產生浮膠現象。水汽氧化的速度快，但氧化層結構疏松，質量不如干氧氧化的好，特別是氧化層外表是硅烷醇，存在的羥基極易吸附水，極性的水不易粘潤非極性的光刻膠，所以氧化層外表與光刻膠粘附性差。3.2熱生長二氧化硅薄膜高壓水汽氧化高壓氧化方法主要的優(yōu)點是可以比常壓時用更低的溫度，更少的時間得到相同的厚度高壓水汽氧化時，以氮化硅為氧化掩蔽層。這是超大規(guī)模集成電路制造中進行等平面工藝的理想方法同時高壓氧化也同樣與襯底Si材料的晶向有關硅氧化所需的水汽是由氫氣與氧氣燃燒產生的3.2熱生長二氧化硅薄膜生長1μm的氧化層要消耗掉0.46μm厚的Si層，

SiO2的體積比消耗掉的硅膨脹一倍3.2熱生長二氧化硅薄膜例題：如果通過熱氧化生成的SiO2層厚度為x，那么被消耗掉的Si的厚度是多少？Si的摩爾質量為28.9g/mol，密度為2.33g/cm3，SiO2摩爾質量為60.08g/mol，密度為2.21g/cm3。解：1mol硅的摩爾體積為：Vsi=28.9/2.33=12.06(cm3/mol)同樣，1molSiO2的摩爾體積為：VsiO2=60.08/2.21=27.18(cm3/mol)當1mol硅轉化為1mol二氧化硅時：Vsi/VsiO2=Adsi/AdsiO2=0.44即：dsi/dsiO2=0.44例如產生100nm的二氧化硅需消耗44nm的硅。3.2熱生長二氧化硅薄膜水汽氯化氫氧化

〔1〕作用：減少鈉離子的玷污，抑制氧化垛層錯，提高少子壽命，也就是提高器件的電性能和可靠性。在生產中廣泛應用。SiO2-Si界面未飽和鍵和氯離子結合，減少其被雜質原子的價鍵所占據造成的玷污。在半導體材料中，經常存在一些重金屬雜質，如銅、金等，另外，在氧化過程中，也很容易引入這些雜質。它們在半導體中形成復合中心，使少子壽命變短，如果面外有氯離子存在，它能與這些金屬雜質發(fā)生作用，生成易揮發(fā)的氯化物，而被排除，從而減少了復合中心。3.2熱生長二氧化硅薄膜〔2〕摻氯氧化機理HCl氧化中的反響：氯在Si--SiO2界面處以氯－硅－氧復合體形式存在，它們與氧反響，釋放出氯氣。因電中性作用氯氣對Na+有吸附作用，將Na+固定在Si－SiO2界面附近，改善器件特性及可靠性。3.2熱生長二氧化硅薄膜氯使界面處的硅形成硅空位，吸收本征層錯中的過多的硅原子，減少層錯?！?〕摻氯氧化膜的負偏壓不穩(wěn)定性摻氯氧化膜加負偏壓時，高溫負電場會破壞Si－Si、Si－O鍵，變形或破裂，增加固定氧化物電荷和界面陷阱電荷密度，使C－V曲線向負方向移動。O－Si+－ClOOO－Si++Cl－OO3.2熱生長二氧化硅薄膜其他常用氧化方法(1).氫氧合成氧化氫氧合成水----汽化===>水汽氧化比濕氧優(yōu),均勻/重復性好(2).低溫氧化:缺陷少,〔1000℃以下〕但鈍化效果差---加1100℃N2退火(3).高壓氧化：指高壓水汽氧化，高密度、高折射率低腐蝕速率，雜質分凝效應小。3.2熱生長二氧化硅薄膜熱分解淀積二氧化硅熱分解淀積是利用硅的化合物熱分解，在襯底上淀積一層SiO2，襯底本身不參加反響，因此淀積溫度比熱生長SiO2要低得多。作為淀積SiO2的主要化合物是烷氧基硅烷和硅烷。硅烷SiH4在氧氣中熱分解反響如下：SiH4+2O2—→SiO2+2H2O,反響溫度一般選在300℃左右3.2熱生長二氧化硅薄膜熱分解常用的烷氧基硅烷材料名稱化學式分子量沸點（℃）蒸汽分解溫度（℃）最佳分解溫度（℃）四乙氧基硅烷（正硅酸乙脂）Si(OC2H5)4208107728-840750乙基三乙氧基硅烷(C2H5)Si(OC2H5)3192161650-750700戊基三乙氧基硅烷C5H11Si(OC2H5)3234198600-740650苯基三乙氧基硅烷C6H5Si(OC2H5)3240234610-750700二甲基二乙氧基硅烷(CH3)2Si(OC2H5)2148111760-9008003.2熱生長二氧化硅薄膜熱氧化原理1.生長機理：一般認為有兩種模式。一種是氧或水汽直接穿過氧外表層上的氧化膜；二是在高溫下，硅原子在SiO2界面處，不斷奪取二氧化硅中的氧，生成新的氧化膜，使得外表處仍是硅與氧進行氧化，相當于氧原子進入硅中，或硅原子逐步擴散到外表。持前一觀點人多。3.2熱生長二氧化硅薄膜2.熱氧化經歷步驟：〔1〕氧化劑從氣體內部以擴散形式穿過附面層運動到氣體與SiO2界面；〔2〕氧化劑以擴散方式穿過SiO2層，到達SiO2與硅界面；〔3〕氧化劑在硅外表與硅反響生成SiO2；〔4〕反響副產物離開界面。3.2熱生長二氧化硅薄膜3.硅的熱氧化存在兩個極限：其一是當氧化劑在SiO2中的擴散系數很小時，SiO2的生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴散速度所決定，稱為擴散控制；其二如果擴散系數很大，在這種情況下，氧化劑到達硅和SiO2界面的速度就快，這時，SiO2的生長速率就由硅外表的化學反響速度決定，稱為反響控制。3.2熱生長二氧化硅薄膜熱氧化生長動力學〔Deal-Grove迪爾-格羅夫模型〕NG氣體內部氧化劑濃度NGSSiO2外表外側氧化劑濃度NOSSiO2外表內側氧化劑濃度NSSiO2/Si界面處氧化劑濃度toxSiO2薄膜的厚度3.2熱生長二氧化硅薄膜對溫度700－1300°C，壓力2×104－1.01×105Pa，氧化層厚度30－2000nm范圍內的氧氣和水汽氧化，D-G模型都是適用的。3.2熱生長二氧化硅薄膜熱氧化過程包括幾個連續(xù)的步驟：1.氧化劑從氣體內部以擴散形式穿過滯流層到達氣體－SiO2界面，流密度為F1。滯流層中的流密度取線性近似，表達式NG是氣體內部化劑的濃度，NGS是貼近SiO2外表上的氧化劑濃度，hG:氣相質量轉移系數；F1：氧化劑由氣體內部傳輸到氣體和氧化物界面的粒子流密度，即單位時間通過單位面積的原子數或分子數。3.2熱生長二氧化硅薄膜2.氧化劑穿過SiO2層到達SiO2－Si界面，流密度為F2。假定在已生長的氧化層中沒有氧化劑的源和漏，那么氧化劑的濃度呈線性變化。且有：式中，NOS和NO分別表示SiO2層中和SiO2－Si界面處的氧化劑濃度，tox為SiO2層厚度。D0：氧化劑在SiO2中的擴散系數；F2：氧化劑擴散通過已生成的二氧化硅到達SiO2/Si界面的擴散流密度。Ks：外表化學反響速率常數；F3：SiO2/Si界面處，氧化劑和硅反響生成新的SiO2層的反響流密度。3.2熱生長二氧化硅薄膜3.氧化劑在Si外表與Si反響生成SiO2，流密度為F3。應速率取決于化學反響動力學。由于SiO2/Si界面有充足的硅供給，氧化劑與硅反響的速率及流密度將與界面處氧化劑濃度成正比：4.反響副產物離開界面熱氧化過程中，SiO2/Si界面不斷內移，這是一個邊界隨時間變化的擴散問題。此時，可采用準靜態(tài)近似，即假定所有反響立即到達穩(wěn)定狀態(tài)，這樣變動的邊界對擴散過程的影響可以忽略。3.2熱生長二氧化硅薄膜亨利定律：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氣體中的分壓。在氣相平衡時，二氧化硅中氧化劑的濃度NS應與氣體中氧化劑分壓pg成正比，即：NS＝Hpg，其中H為亨利氣體常數。假設氧化過程為平衡過程，且氧化氣體為理想氣體，那么平衡態(tài)下應有：F1=F2=F3。再經過一系列，數學運算，得到：當時，NS→0，NGS→HGpg氧化劑以擴散方式通過SiO2層運動到SiO2－Si界面處的量極少，以至于到達界面處的氧化劑與硅立即發(fā)生反響生成SiO2，界面處沒有氧化劑堆積，其濃度趨于零。而在SiO2外表處，氧化劑因擴散速度慢而產生堆積，濃度趨向于氣相平衡時的濃度Hpg。此時，熱氧化硅生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴散速度決定，這種極限情況稱為擴散控制。3.2熱生長二氧化硅薄膜當時，NS→NGS→Hpg/(1+kS/hG)在這種情況下，進入SiO2中的氧化劑快速擴散到SiO2－Si界面。相比之下，界面處氧化劑與硅反響生成SiO2的速度很慢，造成氧化劑在界面處堆積，趨近于SiO2層中的濃度。此時，SiO2生長速率由硅外表的化學反響速度決定，這種極限情況稱為反響控制。氧化劑與硅反響，每生長單位體積SiO2所需氧化劑的分子個數用Nl表示。每立方厘米SiO2的分子數為2.2×1022個，每生成一分子SiO2需要一個O2或兩個H2O。那么，對氧氣氧化，Nl為2.2×1022atoms/cm3。對水汽氧化，Nl為4.4×1022atoms/cm3。此時，生長速率為：3.2熱生長二氧化硅薄膜假設氧化前已存在厚度為t0的氧化層，那么此微分方程給出SiO2生長厚度與時間的關系：于是有氧化層厚度與時間的關系：3.2熱生長二氧化硅薄膜當(t+τ)<<A2/4B(B/A線性速率常數)時有：當(t+τ)>>A2/4B(B/A線性速率常數)時有：氧化層厚度足夠薄，反響速率控制氧化層厚度足夠厚，擴散速率控制熱氧化生長的兩個階段①線性階段②拋物線階段〔生長逐漸變慢，直至不可忍受〕簡記為：tox=B/At簡記為：3.2熱生長二氧化硅薄膜當(t+τ)<<A2/4B(B/A線性速率常數)時有：當(t+τ)>>A2/4B(B/A線性速率常數)時有：B/A被稱為線性速率系數；而B被稱為拋物線速率系數3.2熱生長二氧化硅薄膜熱氧化生長速率SiO2的生長的快慢將由氧化劑在SiO2中的擴散速度以及與Si反響速度中較慢的一個因素來決定。即由擴散控制和外表化學反響速率來決定。當在氧化物生長的開始階段或氧化時間很短時，限制生長速率的主要因素是外表反響，氧化服從線性規(guī)律，氧化層厚度隨時間線性變化，即此時SiO2的生長速率主要由外表化學反響來決定。當氧化層變厚或氧化時間很長時，氧化劑必須通過氧化層擴散，氧化劑與硅的氧化反響服從拋物型規(guī)律，此時SiO2的生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴散快慢來決定。氧化層厚度與氧化時間的平方根成正比。3.2熱生長二氧化硅薄膜決定氧化速率的各種因素1.氧化時間：氧化時間短時，氧化速率與時間呈線性，氧化速率很快，且由外表化學反響控制，氧化層厚度增加快；隨著時間的增長，氧化速率與時間成拋物線關系，氧化速率變慢，改為由擴散控制，即氧化層加厚的速度變慢。2.氧化劑分壓：拋物線型速率常數B以及線性速率常數B/A與氧化劑分壓都是線性關系，所以在一定的氧化條件下，通過改變氧化劑分壓可以到達改變二氧化硅生長速率的目的，即所謂的高壓氧化和低壓氧化技術。3.

氧化溫度：B與B/A與溫度成指數關系，且在一個大氣壓下B/A的值由外表化學反響來決定，即由外表化學反響快慢決定氧化速率。只有低壓情況氧化速率才由擴散控制。3.2熱生長二氧化硅薄膜氧化速率常數隨溫度和壓強的關系3.2熱生長二氧化硅薄膜溫度的影響分析對于拋物線速率常數B，溫度的影響是通過擴散系數D表達的。具體表現在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，這是因為干氧和水汽在硅中的擴散激活能不一樣。對于線性速率常數B/A，溫度的影響那么主要是通過反響速率常數Ks表達的。具體表現在干氧和濕氧具有相同的激活能，這是因為干氧和水汽氧化本質上都是硅－硅鍵的斷裂，具有相同的激活能。3.2熱生長二氧化硅薄膜拋物線速率常數B隨溫度的變化〔阿列尼烏斯曲線〕3.2熱生長二氧化硅薄膜線性速率常數B/A隨溫度的變化〔阿列尼烏斯曲線〕影響氧化速率的其他因素1.硅外表晶向：在氧化劑壓力一定的情況下，B與硅襯底晶向無關，而〔111〕面上的B/A比〔100〕面上的大。隨著氧化溫度升高，晶向對B/A影響減小，因為在高溫下氧化速率受B即擴散控制；同樣當氧化時間很長，氧化層很厚時，氧化速率受B即擴散控制，因此晶面取向對B/A也不起作用。2.雜質：(1)硅襯底中摻雜P，B對氧化速率的影響。摻雜濃度增加氧化速率增大，因此在氧化過程中，同一硅片外表上的重區(qū)域的氧化層厚度可能比輕摻雜區(qū)域的大很多；〔2〕水汽，鈉。加快氧化速率，使得相同條件下生成的氧化層厚度變大；〔3〕氯。在氧化氣氛中參加氯可以改善二氧化硅的特性。3.2熱生長二氧化硅薄膜氯氣氛的影響分析在氧化氣氛中參加氯可以使SiO2的質量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：鈍化可動離子，特別是鈉離子；增加硅中少數載流子的壽命；減少中的缺陷，提高了抗擊穿能力；降低界面態(tài)密度和固定電荷密度；減少硅中的堆積層錯。3.2熱生長二氧化硅薄膜氯對氧化速率的影響3.2熱生長二氧化硅薄膜不均勻的氧化率及氧化步驟經過一些制作工藝后，晶圓外表的條件會有所不同，有的是場氧化區(qū)，有些是摻雜區(qū)，有些是多晶硅區(qū)等等。每個區(qū)上面氧化層厚度不同，氧化層厚度的不同被稱為不均勻氧化。不同的氧化率導致了在晶圓外表形成臺階。圖中顯示的是與比較厚的場氧化區(qū)相鄰的氧化區(qū)形成了一個臺階，在暴露區(qū)的氧化反響較快。3.2熱生長二氧化硅薄膜自然氧化層迪爾－格羅夫模型在薄氧化層范圍內不適用。在薄氧化階段，氧化速率非?？?，其氧化機理至今仍然存在爭議，但可以用經驗公式來表示。由于薄氧化階段的特殊存在，迪爾－格羅夫模型需要用τ來修正。3.2熱生長二氧化硅薄膜硅〔100〕晶面干氧氧化速率與氧化層厚度的關系3.2熱生長二氧化硅薄膜薄氧階段的經驗公式其中：tox為氧化層厚度；L1和L2是特征距離，C1和C2是比例常數。3.2熱生長二氧化硅薄膜硅的氧化系數溫度(℃)干氧濕氧A(μm)B(μm2/h)τ(h)A(μm)B(μm2/h)8000.370.00119——9200.2350.00491.40.50.20310000.1650.01170.370.2260.28711000.090.0270.0760.110.5112000.040.0450.0270.050.72其中：τ是考慮到自然氧化層的因素，250?左右。3.2熱生長二氧化硅薄膜有一硅樣品在溫度為1200℃下進行干氧氧化1小時，產生的氧化層厚度是多少？在溫度為1200℃下再進行濕氧氧化生成0.1μm的氧化層需要增加多長時間？在1200℃下干氧氧化速率常數A＝0.04μm，B＝0.045μm2/h，τ＝0.027h。1200℃下濕氧氧化速率常數A＝0.05μm，B＝0.72μm2/h。解：將A、B、τ代入方程得到氧化層厚度為0.196μm干氧氧化后再進行濕氧氧化，那么d0＝0.196μm，此時：τ=(d02+Ad0)/B=0.067h最后理想厚度(d0+0.1)＝0.296μm，得到需增加的氧化時間為：τ＝0.075h＝4.5min。3.2熱生長二氧化硅薄膜計算在120分鐘內，920℃水汽氧化〔640Torr〕過程中生長的二氧化硅層的厚度。假定硅片在初始狀態(tài)時已有1000埃的氧化層。3.2熱生長二氧化硅薄膜熱氧化技術從氧化反響方程式可以看出，氧和硅的反響似乎很簡單，但是要到達硅技術中的氧化必須附加條件，那就是加熱，給反響過程足夠的能量是其滿足要求，所以常稱之為熱氧化。通常在常壓或高壓條件下生長。有兩種常壓技術，如下圖。3.2熱生長二氧化硅薄膜水平爐管反響爐最早使用也一直延續(xù)至今。主要用在氧化、擴散、熱處理及各種淀積工藝中。水平爐管反響爐的截面圖如下：整個系統(tǒng)包含反響室、溫度控制系統(tǒng)、反響爐、氣體柜、清洗站、裝片站等3.2熱生長二氧化硅薄膜快速升溫反響爐隨著晶圓尺寸越來越大，升溫降溫時間會增加，本錢也越來越高。解決這個問題的手段就是確保最大批量，但這又會減慢流程。為了解決這個問題，引進了快速升溫、小批量生產的反響爐，這就是大功率加熱的小型水平爐。通常反響爐每分鐘升溫幾度，而快速升溫反響爐每分鐘升溫十幾度。小容量的低效率缺陷由快速的反響時間來補償?？焖偌訜峁に嚒睷TP〕快速加熱工藝主要是用在離子注入后的退火，目的是消除由于注入帶來的晶格損傷和缺陷。傳統(tǒng)上的退火工藝由爐管反響爐來完成。3.2熱生長二氧化硅薄膜但是在退火消除缺陷的同時又會帶來一些其他的負面影響，比方，摻雜的再分布。這又是不希望發(fā)生的。這就使得人們在尋找其它的退火方式，這個方式就是快速加熱工藝。RTP工藝是基于熱輻射原理見右圖。3.2熱生長二氧化硅薄膜加熱源〔十字鎢燈〕在晶園的上面，這樣晶園就可被快速加熱。熱輻射偶合進入晶園外表并以75℃～125℃的速度到達工藝溫度，由于加熱時間很短，晶園體內溫度并未升溫，這在傳統(tǒng)的反響爐內是不可能實現的。用這個工藝進行離子注入后的退火，就意味著晶格破壞修復了，而摻入雜質的分布沒有改變。RTP技術不只是用在“退火工藝〞，對于MOS柵極中薄的氧化層的生長是自然而然的選擇，由于器件尺寸越來越小的趨勢使得加在晶園上的每層的厚度越來越薄，厚度減少最顯著的是柵極氧化層。先進的器件要求柵極厚度小于0.01微米。如此薄的氧化層對于普通的反響爐來說，是難以實現的。而RTP系統(tǒng)快速升溫降溫可以提供所需的控制能力。3.2熱生長二氧化硅薄膜高壓氧化增加氧化劑分壓提高氧化速率前面已經提到，在實際的工藝過程中增加氧化劑分壓來提高氧化速率，或者降低氧化溫度而保持同樣的氧化速率都是經常采用方法。因為溫度越高時間越長越會引起其它負面影響，比方，晶園外表層中“錯位〞和溫度及高溫下的時間密切相關，而這種錯位對器件特性是很不利的。3.2熱生長二氧化硅薄膜和普通水平反響爐相似，不同的是爐管是密封的，氧化劑被用10~25倍大氣壓的壓力泵入爐管。在這種壓力下，氧化溫度可降到300~700℃而又能保證正常的氧化速率。在這種溫度下晶園的錯位生長可降到最小。高壓氧化也是MOS柵極氧化的優(yōu)選工藝之一，因為高壓氧化中生成的柵極氧化層比常壓下生成的絕緣性要強。高壓氧化工藝還可以解決在局部氧化(LOCOS)中產生的“鳥嘴〞效應問題。在氧化時，當O2擴散穿越已生長的氧化物是，他是在各個方向上擴散的，縱向擴散的同時也橫向擴散，這意味著在氮化物掩膜下有著輕微的側面氧化生長。由于氧化層比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生長將抬高氮化物的邊沿，稱之為“鳥嘴效應〞。3.2熱生長二氧化硅薄膜3.2熱生長二氧化硅薄膜3.2熱生長二氧化硅薄膜

3.2熱生長二氧化硅薄膜決定雜質再分布的主要因素〔1〕雜質的分凝現象；〔2〕雜質通過SiO2外表逸散；〔3〕氧化層的產生；〔4〕雜質在SiO2的擴散速度1.分凝現象：硅在熱氧化時所形成的界面隨著熱氧化的進行不斷向硅中推進，原存在硅中的雜質將在界面兩邊再分布，直到到達在界面兩邊的化學勢相同，分凝系數m=雜質在硅中的平衡濃度/雜質在SiO2中的平衡濃度不同雜質的分凝系數不同：磷、砷等為10左右，鎵約20；硼的隨溫度上升而增大，一般小于1。3.3熱氧化過程中的雜質再分布2.雜質通過SiO2外表逸散：影響雜質再分布的第二個因素是雜質會迅速通過SiO2層進行擴散并逃逸至氣體環(huán)境。如果SiO2中的雜質擴散速率非常大，這個因素將會變得更加重要。3.氧化層的產生：隨著氧化層的產生，Si/SiO2界面按時間函數向硅推進。相關的推進速率與雜質通過氧化層的擴散速率之比對雜質的再分布程度影響非常大。如果假設硅中雜質分布是均勻的，且氧化氣氛中不含任何雜質，那么有四種可能的再分布過程。這些過程可以分為兩組，一組是氧化層吸收雜質，另一組是氧化層排斥雜質。每一例中，雜質再分布取決于雜質通過氧化層的擴散速率。3.3熱氧化過程中的雜質再分布再分布對硅外表雜質濃度的影響再分布后的硅外表附近的雜質濃度，只與雜質的分凝系數；雜質在SiO2與在硅中的擴散系數之比；以及氧化速率與雜質的擴散速率之比有關。1.摻雜P：在一定溫度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；在同一氧化氣氛中，氧化溫度越高，雜質在硅外表濃度與在硅內溫度趨于平衡。2.摻雜B：在相同溫度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；溫度升高，CS/CB〔雜質在硅外表濃度與硅內濃度之比〕變大。3.3熱氧化過程中的雜質再分布再分布的四種可能

(1)m<1，在SiO2中是慢擴散的雜質，如硼

(2)m<1，在SiO2中是快擴散的雜質

(3)m>1，在SiO2中是慢擴散的雜質，如磷

(4)m>1，在SiO2中是快擴散的雜質3.3熱氧化過程中的雜質再分布SiO2在微電子器件制造中的重要用途之一，就是作為選擇擴散的掩蔽膜。選擇擴散是根據某些雜質〔例如B、P〕在SiO2中的擴散速度遠小于在硅中的擴散速度這一性質來實現的。3.3二氧化硅的掩模特性雜質在SiO2中的擴散系數1.選擇擴散的掩蔽膜在各種器件制造中往往是通過硅外表特定區(qū)域向硅內摻入一定數量的某種雜質，其余區(qū)域不進行摻雜。即選擇擴散。選擇擴散是根據某些雜質，在條件相同的情況下，在SiO2中的擴散速度遠小于在硅中的擴散速度的性質來完成，即利用SiO2層對某些雜質起到“掩蔽〞作用來到達。在相同條件下，雜質在硅中的擴散深度已到達要求時，而在二氧化硅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層保護的硅內沒有雜質進入，客觀上就起到了掩蔽作用。3.3二氧化硅的掩模特性2.服從擴散規(guī)律硼、磷：在SiO2中的擴散系數很小，SiO2薄膜對這類雜質是一種理想的擴散掩蔽膜；鎵：擴散系數非常大，SiO2對這類雜質起不到掩蔽作用；鈉、鉀等堿金屬離子：在SiO2中的擴散系數和遷移率都非常大，即使在很低溫度下也如此。應盡量防止被這類離子玷污。氧化掩模層的厚度一般采用實驗測量方法獲得，典型厚度為0.5～1.0μm。3.防止鈉一類離子的玷污，因為它在SiO2中的擴散系數和遷移率都很大，鈉離子的玷污是造成雙極器件和MOS器件性能不穩(wěn)定的重要原因。3.3二氧化硅的掩模特性一定雜質含量下，常用雜質在SiO2層中的擴散系數3.3二氧化硅的掩模特性實現掩模遮蔽的條件1，所選用的擴散源在SiO2中的擴散系數必須比在硅中的擴散系數小的多；2，SiO2層必須具有足夠的厚度，以確保雜質在擴散區(qū)到達預定的結深時，SiO2層還遠沒有被擴透。3.3二氧化硅的掩模特性以熱氧化法生長的SiO2膜，在微電子器件結構中具有多種用途，其中最主要的是作為MOSFET器件的的柵氧化層。SiO2膜的質量直接關系到半導體器件及集成電路的性能。因此，對SiO2膜的質量要求是很嚴格的。從宏觀上看，要求外表無斑點、裂紋、白霧及發(fā)花現象以及沒有針孔等缺陷存在。其膜質量要符合要求而且均勻，結構致密，對一些缺陷，尤其是可動鈉離子要求含量越低越好。3.4二氧化硅層質量分析一、氧化層的電荷由于在Si-SiO2界面因氧化的不連續(xù)而存在一個過渡區(qū)，各種不同的電荷和缺陷會隨著熱氧化而出現，如鈉離子進入SiO2成為可移動電荷。這些電荷的存在會極大地影響器件的參數，降低器件可靠性。氧化層中存在的各種電荷主要有：3.4二氧化硅層質量分析Na+++++++++

AlSiO2SiOXSi

Na+Na+:可動離子

表面正負離子++氧化物陷阱電荷:固定電荷:界面陷阱電荷1.界面勢阱電荷Qn在Si-SiO2界面的正或負的電荷，起源于Si-SiO2界面結構缺陷、氧化誘生缺陷以及由金屬雜質和輻射等因素引起的其它缺陷，它的能級在硅的禁帶中，電荷密度約為1010cm-2。通常會造成器件參數的不穩(wěn)定，而且會導致器件外表漏電流和1/f噪聲增加以及跨導的降低。目前采用熱氧化法生長SiO2的MOS器件，其界面勢阱電荷大多采用低溫〔450℃〕氫退火進行鈍化處理。2.氧化層固定電荷Qf位于Si-SiO2界面SiO2層約3nm范圍內的正電荷。這種電荷很穩(wěn)定，很難充電或放電，依賴于氧化和退火條件以及硅的晶向，電荷密度約為1010～1012cm-2。固定電荷會使器件的C-V曲線向負方向平移，但不改變其形狀。由于其面密度是固定的，所以僅影響閾值電壓的大小而不會導致電壓不穩(wěn)定。適當的退火及冷卻速率能減小Qf。3.4二氧化硅層質量分析3.氧化層勢阱電荷Qot由氧化層內雜質或不飽和鍵捕捉到氧化過程中產生的電子或空穴而引起，正負均有可能。電荷密度約為109～1013cm-2。氧化層勢阱電荷與SiO2的缺陷，即與工藝過程有關。比方，這些電荷可以通過X光輻射或高能電子撞擊產生。通過氫退火可降低其濃度甚至完全消除。4.可移動電荷Qm由氧化系統(tǒng)中的堿金屬離子〔如K+、Na+、Li+等〕進入氧化層而引起，電荷密度約為1010～1012cm-2。堿金屬離子的玷污會影響器件在高偏置和高溫條件下的工作穩(wěn)定性。這類條件下，可移動離子電荷能夠在氧化層中前后移動，導致閾值電壓變化。因此，要特別注意消除器件制造過程中產生的可移動離子。可在氧化前通入含氯的化合物清洗爐管，氧化方法采用摻氯氧化。以上這些電荷可采用電容－電壓〔C－V〕法進行檢測。3.4二氧化硅層質量分析氧化層的厚度和密度顏色表：不同厚度的氧化層，呈現出不同的顏色，隨厚度的增加，顏色從灰色逐步變到紅色，當厚度繼續(xù)增加時，氧化層顏色從紫色到紅色周期性變化。當用垂直方向的白光照射外表被氧化的硅片時，光會穿過氧化層，并被下層的硅反射。相長干預會增強某一反射光的波長，使相應于這一波長的硅片顏色發(fā)生變化。這種方法僅適用于100-700nm之間的氧化層。注意二點：1，觀察時也應成垂直角度；2，首先要確定要測的氧化層是屬于第幾周期，然后再觀察氧化層的顏色。物理測定法：更精確判定氧化層厚度的方法。采用掩蔽腐蝕方法在氧化層上形成一個臺階，然后去掉掩蔽膜，使用SEM或TEM測量臺階高度。例如，外表光度法〔profilometry〕—用外表光度儀測量臺階高度，可測量100nm到5μm間的薄膜厚度。物理測定法是破壞性的，常需要專用的測試片。3.4二氧化硅層質量分析光學測定法干預法：用近乎垂直的光線入射到薄膜上，當入射光與反射光發(fā)生相長干預時，出現光強的最大值。當入射光與反射光發(fā)生相消干預時，出現光強的最小值。通過測量最大光強與最小光強之間的波長差Δλ，可計算出薄膜的厚度。這種方法可測量幾百埃的透明薄膜，測量上限取決于光在膜中的損耗和分辨高次峰的能力。利用氧化層臺階上干預條紋數目來求氧化層的厚度劈尖干預法:n2-二氧化硅的折射率，N-干預條紋數光干預顯微鏡測量3.4二氧化硅層質量分析不同氧化層厚度的干預色彩顏色氧化層厚度（×10-8cm）第一周期第二周期第三周期第四周期灰色100黃褐色300藍色800紫色1000275046506500深藍色1500300049006800綠色1850330052007200黃色2100370056007500橙色225040006000紅色2500430065003.4二氧化硅層質量分析橢圓偏光法〔ellipsometry〕：是以光的波動性為理論根底的，當一束橢圓偏振光投射到薄膜上，并從薄膜上反射時，它的偏振狀態(tài)就要發(fā)生變化，其變化的程度與薄膜的厚度和薄膜的折射率有關，通過測定橢圓偏振光在薄膜上反射后偏振狀態(tài)的變化確定薄膜的厚度和折射率。測量精度高，可達幾個納米，是一種非破壞性的測量方法，不僅可以同時測量出膜厚和折射率，還可以測量非硅襯底上的各種透明膜和半透明膜的厚度與折射率。另外，還可以用來檢驗膜層厚度的均勻性。氧化層厚度的光學測量是非破壞性的測量技術。此外，SiO2薄膜是否致密可通過折射率得到反映。3.4二氧化硅層質量分析高頻C-V測試利用金屬－氧化物－半導體結構，測量其電容－電壓關系曲線，由于C-V曲線與氧化層的厚度及膜中含有的雜質，電荷和能級狀態(tài)有關。確定氧化層中可動電荷密度NNa+

3.4二氧化硅層質量分析確定氧化層厚度確定等效的界面電荷密度Qss3.4二氧化硅層質量分析熱應力SiO2〔5×10-7K-1〕與硅〔2.6×10-6K-1〕的熱膨脹系數不同，因此在結束氧化退出高溫過程后會產生一定的熱應力。對SiO2來說受到的是來自硅的壓縮應力，這會導致硅片彎曲并產生缺陷，嚴重時氧化層發(fā)生破裂使硅片報廢。所以，在加熱或冷卻過程中必須使硅片均勻受熱，保持升溫和降溫速率不能太大。3.4二氧化硅層質量分析二氧化硅膜缺陷檢驗SiO2膜的缺陷有宏觀缺陷和微觀缺陷兩種。所謂宏觀缺陷是指用肉眼就可以直接觀察到的缺陷。所謂微觀缺陷是指必須借助于測試儀器方能觀察到的缺陷。宏觀缺陷：又稱外表缺陷。它是指：氧化層厚度不均勻、外表有斑點、氧化層上有針孔等等。氧化層厚度不均勻：造成氧化層厚度不均勻的主要原因是氧化爐管內氧氣或水汽不均勻。此外，氧化爐溫不穩(wěn)定、恒溫區(qū)太短、水溫變化不均勻等也都會造成氧化層厚度不均勻。這種不均勻現象，不僅影響了SiO2的掩蔽功能，也使得絕緣性變差，而且光刻工序也會出現鉆蝕現象。要想得到厚度均勻的氧化層，必須使恒溫區(qū)長而穩(wěn)定，石英舟必須嚴格控制在恒溫區(qū)中間，對于氣體流量、爐溫、水溫都要很好地控制。3.4二氧化硅層質量分析氧化斑點：造成氧化層斑點的原因是硅片外表處理的不干凈，殘留一些玷污雜質顆粒，在高溫下粘附在SiO2層外表，形成局部黑點。解決方法是認真處理硅片外表，對石英管進行嚴格的清洗，嚴格控制水溫合氧化流量。氧化層針孔：針孔的產生與氧化方法有關。一般來說熱氧化產生的針孔較少，只有當硅片質量不好時〔有嚴重的位錯〕，擴散系數較大的雜質〔如銅、鐵等〕，在位錯線處不太會很好地形成SiO2于是就形成針孔。解決方法是嚴格選擇襯底材料，氧化前進行嚴格的清洗。

3.4二氧化硅層質量分析顯示針孔的方法1，電學寫真法－利用聯(lián)苯胺的鹽酸溶液在電化學作用后有無色液體變?yōu)樗{色產物2，化學腐蝕法－利用對硅和二氧化硅腐蝕不同的腐蝕液進行選擇腐蝕3，自愈合擊穿技術－涂極薄的金屬鋁，在MOS結構上加電壓，使電容擊穿4，染色法－利用電解液，以銅做陽極，硅片做陰極5，液晶探測真空－通過真空引起液晶分子的擾動6，鋁的氧化－只能顯示有無針孔，對小針孔無能為力3.4二氧化硅層質量分析微觀缺陷：指的是鈉離子玷污和熱氧化層層錯鈉離子玷污：主要來源于操作環(huán)境；去離子水及化學試劑；石英管道和氣體系統(tǒng)。另外在熱氧化時，爐溫很高，鈉離子擴散系數很大，鈉離子會穿過石英管壁進入二氧化硅層。采用雙層，夾層中通惰性氣體。熱氧化層錯：含氧的氣氛中，由外表和體內某些缺陷先構成層錯的核，然后再高溫下核運動家具，形成層錯。原因：硅片外表機械損傷，離子注入的損傷點缺陷的凝聚，氧化物的淀積等。會造成雜質的局部堆積，形成擴散“管道〞，造成電極間短路，嚴重影響器件的電學性能。3.4二氧化硅層質量分析氧化誘生層錯是熱氧化產生的缺陷，它通常存在于Si/SiO2界面附近硅襯底一側。產生原因：氧化過程中產生硅自填隙點缺陷，這些點缺陷凝聚起來，在〔111〕面內形成層錯。減少層錯的措施：a〕磷、硼摻雜引入晶格失配缺陷作為點缺陷的吸收源；b〕摻氯氧化可以吸收點缺陷，阻止點缺陷凝聚長大；c〕采用高壓氧化，從而減少氧化溫度和時間；d〕采用〔111〕硅片。3.4二氧化硅層質量分析硅工藝技術的未來開展路線第一個DRAM上市年份199719992003200620092012最小特征尺寸（nm）2501801301007050DRAM位/芯片256M1G4G16G64G256G最小電源電壓（V）1.8-2.51.5-1.81.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6等效的柵氧化層厚度Tox(nm)4-53-42-31.5-2<1.5<1厚度控制3σ（％）±4±4±4-6±4-8±4-8±4-8等效的最大電場強度（MVcm-1）4-555>5>5>5柵氧化層漏電流（DRAM）（pAμm-2）<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01隧穿氧化層厚度（nm）8.587.576.56最多的布線層數66-777-88-99用于層間絕緣層的介電常數K3-4.12.5-31.5-21.5-2<1.5<1.53.4二氧化硅層質量分析為了控制雜志擴散將更多使用低溫工藝。低溫下生長厚SiO2膜的途徑：1，在氧化期間使用高壓；2，淀積氧化硅膜，首先要生長一層薄的熱氧化硅，然后在其上淀積氧化硅，或在淀積氧化硅之后進行退火。未來趨向于使用組合介質層，氮氧化硅介質，通過熱生長氧化硅薄膜暴露于氨氣中制備，或用氮注入到襯底及隨后的氧化工藝。預測非平面襯底上生長的氧化硅形狀，還涉及預測氧化硅中和硅中所產生的應力。3.4二氧化硅層質量分析多晶硅作為MOS器件的柵材料，構成硅柵MOS器件互連布線使用多晶硅也被用作淺結器件的歐姆接觸材料MOS靜態(tài)隨機存儲器存儲單元的負載電阻高壓硅器件較理想的鈍化膜3.5其他薄膜材料生長多晶硅的方法很多，例如濺射、蒸發(fā)、CVD等等。目前普遍采用熱壁LPCVD系統(tǒng)淀積多晶硅，其優(yōu)點是淀積溫度較低、厚度均勻性好、可獲得共形的臺階覆蓋、生產率高、本錢低。低壓CVD工藝淀積多晶硅的主要參數是溫度、壓力、硅烷及摻雜劑濃度；次要因素是圓片間距與裝片量。