第3章 热氧化

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4.2.2

热氧化机理
在热氧化的过程中，氧化反应将在SiO2-Si界面处进
行，而不发生在SiO2层的外表层；
d Si nSiO2 nSi d SiO2
2.2 1022 d SiO2 0.44d SiO2 22 5 10

热氧化是通过扩散与化学反应来完成的，氧化反应
是由硅片表面向硅片纵深依次进行的，硅被消耗， 所以硅片变薄，氧化层增厚。
散进入Si/SiO2面，与硅原子反应生成新的SiO2网络结构，使
SiO2膜不断增厚。

与之相反，硅体内的Si原子则不容易挣脱Si共价键的束缚， 也不容易在已生长的SiO2网络中移动。

所以，在热氧化过程中，氧化反应将在Si/SiO2界面处进行,而 不是发生在SiO2层的外表层，这一特性决定了热氧化的机理。
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二氧化硅膜用途
元器件的组成部分
0.8 nm栅氧化层
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二氧化硅膜用途
作为掩蔽膜
离子注入掩蔽
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二氧化硅膜用途
互连 层间 绝缘 介质
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二氧化硅膜用途
作为电隔离膜
隔离工艺
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二氧化硅膜用途


作为掩膜； 作为芯片的钝化和保护膜； 作为电隔离膜； 作为元器件的组成部分。
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不同工艺制作的SiO2的主要物理性质
氧化方法 密 度 (g/cm2) 2.24～2.27 折 射 率 (λ =5460Å) 1.460～1.466 电 阻 率 (Ω · cm) 3×1015～ 2×1016 介 电 常 数 介 电 强 度 (106v/cm) 9
干
氧
3.4(10千周)

1200℃ห้องสมุดไป่ตู้用湿氧氧化来完成该氧化过程，试问：需要多长时
间可以得到右图所示的等平面氧化结果？
提示：
1. 设生长过程中氧化的表面积不变，生长1m厚的SiO2需要消 耗0.445m的硅层。
2. 在1200℃时，对湿氧氧化:A=0.05m,B=1.2×10-2m2/min，
t*=0min;
晶向因子cl=
1 <111> 0.595 <100>
第三章 热氧化作业
3厚.1的证硅明层硅(S热iO氧2的化密，度生为成2厚.23度g/为cmz3o,x硅的的Si密O2度膜为，2约.3需3g消/cm耗3)0.445zox 3.2 某一硅片上面已覆盖有0.2 m 厚的二氧化硅，现需要 在1200℃下用干氧氧化法在生长0.1m厚的氧化层，问干 氧氧化的时间需要多少？
3.3 某多晶硅栅N沟道MOS晶体管须在1050℃对多晶硅栅 及源漏区进行磷掺杂，通源时间为23min，试求掩蔽该磷 扩散，栅氧化层的最小厚度应该是多少？
3.4 实现IC隔离时，通常采用等平面工艺。如下图所示，氧
化 前 先 将 硅 片 腐 蚀 掉 0.5m 的 厚 度 （ 左 图 所 示 ） ， 若 要 在

1mol Si的体积 x t ox t Si＝ 1 mol SiO2的体积 12.40 = x t ox 27.18 =0.46t ox
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氧化后体积变化
t si =0.46t ox t ox =2.2t Si
Si的原子密度: 5.02x1022cm-3 SiO2的原子密度: 2.3x1022cm-3
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迪尔-格罗夫氧化模型
① 氧化剂扩散穿过二氧化硅层到达硅表面, 通量F1:
dC D (C0－Cs ) F1 D dx x
x：氧化层厚度; D: 氧化剂在二氧化硅中的扩散系数;
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迪尔-格罗夫氧化模型
② 在硅的表面, 氧化剂与硅进行化学反应; 其反应速率与硅表面氧化剂浓度成正比, 通量F2为:
退火前，Qit约1011 退火后，Qit约1010
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超薄氧化层生长
超薄氧化层 +可重复性: 常压下以干法在较低的温度下进行氧化； 较低的气压下进行氧化； 以惰性气体混合着氧化剂进行氧化； 快速退火氧化；
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Si/SiO2界面特性
1）界面陷阱电荷, Qit Interface trapped charge 2）固定氧化物电荷, Qf Fixed Oxide Charge 3）氧化物陷阱电荷, Qot Oxide trapped charge 4）可动离子电荷, Qm Mobile ionic charge
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形貌对氧化的影响
2D热氧化-由于受到转角处对于热氧化时体积膨胀的限制， 2D热氧化不同于平面的热氧化；
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超薄热干氧化
D-G模型无法准确描述，实验表明在20 nm之内的热氧化 生长速度和厚度比D-G 模型大的多。
23nm

3338 3450 3257 3212 3217 2460 1778 1597 3233 3041 2335 2720 2510 1727 1193 3315
4.469 6.145,5.95(903℃) 6.657 6.73（α），6.64（β） 7.007 — 7.52（α），7.4（β） 5.243 7.9004 8.229 8.550 8.795 9.066 9.321 6.965（α），6.54（β） 9.840
氯化物，KJ/g 金属 Y La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy HO Er Tm Yb Lu Na Li Ca Mg Al -△H298θ 77.6 88.0 86.7 86.0 84.7 84.0 82.7 77.7 81.7 70.3 78.7 77.7 77.3 76.3 71.3 76.0 98.3 97.7 95.3 73.6 55.6 -△G298θ 71.7 82.3 81.0 80.3 79.0 78.3 77.3 72.3 76.3 65.0 73.3 72.3 72.0 71.0 66.0 70.3 92.0 — 90.0 75.5 56.0 -△G1000θ — 69.7 68.7 68.3 67.0 66.7 65.7 61.0 65.0 54.0 62.0 60.3 60.0 58.7 53.7 112.7 76.7 — 78.2 57.6 — -△H298θ 132.3 140.3 138.7 134.3 136.7 136.0 135.0 130.3 134.7 133.3 132.7 131.7 130.7 130.3 125.3 130.7 136.0 146.3 145.1 131.5 107.7
1.2有利冶炼条件的选择