硅热氧化工艺

实验二十二、硅片氧化工艺实验一.实验目的1.熟悉半导体工艺的一般步骤2.掌握硅片氧化的基本方法和原理，能够熟练使用管式电炉二.实验原理（一）高温氧化及厚度测量氧化是在硅片表面生长一层二氧化硅（SiO₂）膜的过程。

这层膜的作用是：保护和钝化半导体表面：作为杂质选择扩散的掩蔽层；用于电极引线和其下面硅器件之间的绝缘；用作MOS电容和MOS器件栅极的介电层等等。

其实现的方法有：高温氧化（热氧化）、化学气相淀积（CVT）、阳极氧化、溅射等。

氧化即生长在硅片表面上，也向硅片里面延伸，如图1所示。

一般氧化层的45%的厚度是在初始表面上形成，46%是在初始表面以下生成。

通常氧化层的厚度，薄的可以小于500A（栅氧化层），厚的可以大于1000Å（场氧化层）。

氧化的范围为700-1100℃，氧化层的厚度和它的生长进间成比例。

常用的氧化方法是高温氧化。

所以这里，我们着重强调一下高温氧化。

高温氧化就是把硅衬底片置于1000℃以上的高温下，并通入氧化性气体（如氧气、水汽），使衬底本身表面的一层硅氧化成SiO₂。

高温氧化又分为：干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化三种。

实践表明，干氧氧化速率慢，但所得到的二氧化硅层质量较好，且和光刻胶有良好的粘附性（不易“浮胶”），而水汽氧化恰恰相反，氧化速度快，使所得二氧化硅层质量较差，而且过量的水还有腐蚀Si的作用，所以很少单独采用水汽氧化。

但如果在氧中掺入一定量的水汽（就是所谓的湿氧氧化的方法），就在一定程度上解决了氧化速度和氧气质量之间的矛盾，因此不宜于在生长较厚的氧化层时使用。

但终究湿氧氧化生成的二氧化硅层的质量不如干氧氧化的好，且易引起Si表面内杂质再分布。

所以，在生长较厚的氧化层时，往往采用干氧-湿氧-干氧的工艺步骤，这既可以使氧化时间不致过长而能保证工艺对氧化层质量的要求。

（二）高温氧化机理1. 干氧氧化在高温下，氧气与硅接触时是通过以下化学反应在硅表面形成二氧化硅的可见一个氧分子就可以生成一个二氧化硅分子。

第七章第七章单晶硅的热氧化单晶硅的热氧化在硅表面形成二氧化硅称为氧化，稳定且附着力强的二氧化硅的制成导致了硅集成电路平面工艺的诞生。

尽管有许多种在硅表面直接生成二氧化硅的方法，但通常还是采用热氧化的方法来完成，这种方式就是将硅暴露在高温氧化环境(氧气，水)之中。

热氧化方法能够在二氧化硅薄膜的制备过程中使膜厚以及硅/二氧化硅界面特性得到控制。

其它生长二氧化硅的技术有等离子阳极氧化和湿法阳极氧化，但这两种技术都未在超大规模集成电路工艺中得到广泛的应用。

表2.热二氧化硅部分物理常数直流电阻率（Ωcm),25°C 1014～1016绝缘常数 3.8～3.9 密度（g/cm3)2.27 能隙(eV) 约8 绝缘强度（V/cm)5～10×106 熔点( C) 约1700 在缓冲HF 中的腐蚀速率( /min)1000 折射系数 1.46红外辐射吸收峰9.3 比热(J/g °C) 1.0 线性膨胀系数(cm/cm °C)5.0×10-7 硅上膜内应力(dyne/cm2) 2～4×109 分子重量60.08 热导率(W/cm °C) 0.014 每立方厘米分子数 2.3×1022 表1.在超大规模集成电路工在超大规模集成电路工艺中应用的热二氧化硅膜厚的范围艺中应用的热二氧化硅膜厚的范围热生成二氧化硅在超大规模集成电路工艺中主要应用于生成从60Å到1000Å厚的二氧化硅膜，这些膜的作用包括：a)离子注入和扩散掩蔽层；b)硅表面钝化；c)器件隔离（例如硅的局部氧化，简称LOCOS);d)用作栅氧和在MOS 器件中起绝缘作用的电容器；e)用作在电可变ROMs (EAROMs)中的隧道效应氧化膜。

表1列出了在这些应用中膜厚的范围。

本章将讨论：a)石英玻璃和热生成二氧化硅的特性；b)氧化动力学；c)初始氧化过程以及硅与二氧化硅的直接氮化;d)不同生长条件下的氧化速度；e)硅/二氧化硅界面特性；f)氧化过程中掺杂浓度的再分配；g)氧化设备；h)氧化厚度的测量。

二.常见的各种氧化工艺1.热氧化工艺热生长氧化法-将硅片置于高温下，通以氧化的气氛，使硅表面一薄层的硅转变为二氧化硅的方法。

①常见的热氧化工艺类别及特点：a 干氧氧化：干氧氧化法-氧化气氛为干燥、纯净的氧气。

氧化膜质量最好，但氧化速度最慢。

b水汽氧化：水汽氧化法-氧化气氛为纯净的水汽。

氧化速度最快，但氧化膜质量最差。

c湿氧氧化：湿氧氧化法-氧化气氛为纯净的氧气+纯净的水汽。

氧化膜质量和氧化速度均介于干氧氧化和水汽氧化之间。

②常见的热氧化工艺：a方法：常采用干氧-湿氧-干氧交替氧化法。

b工艺条件：温度：高温（常见的为1000℃-1200℃）。

时间：一般总氧化时间超过30分钟。

②氧化生长规律：一般热氧化生长的二氧化硅层厚度与氧化时间符合抛物线规律。

原因是：在氧化时存在氧化剂穿透衬底表面已生成的二氧化硅层的事实。

2.热分解淀积法：（工艺中也常称为低温淀积法或低温氧化法）热分解淀积法-在分解温度下，利用化合物的分解和重新组合生成二氧化硅，然后将生成的二氧化硅淀积在衬底（可为任何衬底）表面上，形成二氧化硅层的方法。

①可见的低温氧化工艺类别及特点：a.含氧硅化物热分解淀积法：多采用烷氧基硅烷进行热分解，分解物中有二氧化硅，在衬底上淀积形成二氧化硅层。

b.硅烷（不含氧硅化物）热分解氧化淀积法：硅烷热分解析出硅原子，与氧化剂（氧气）作用生成二氧化硅，在衬底上淀积形成二氧化硅层。

②常见的低温氧化工艺：a.设备：采用低真空氧化淀积炉。

b.条件：Ⅰ含氧硅化物热分解淀积法：对常用的正硅酸乙酯：T=750℃；真空度为托。

Ⅱ硅烷热分解氧化淀积法：T>300 ℃（实际采用420 ℃），淀积时系统中通入氧气，真空度同上。

③低温氧化生长规律：低温氧化（热分解淀积）生长的二氧化硅层厚度与氧化时间符合线性规律。

原因是：在氧化时是在衬底表面上淀积二氧化硅，不存在氧化剂穿透衬底表面已生成的二氧化硅层的问题。

SiO2的制备方法：热氧化法干氧氧化水蒸汽氧化湿氧氧化干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法氢氧合成氧化化学气相淀积法热分解淀积法溅射法化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD)化学汽相淀积(CVD)单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源低温CVD氧化层：低于500℃中等温度淀积：500～800℃高温淀积：900℃左右多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。

硅热氧化工艺硅热氧化工艺是一种常用于制备硅基材料的工艺方法，它通过在高温下将硅与氧气反应，形成氧化硅层。

这种工艺具有简单、可控性强、成本低等优点，因此广泛应用于半导体、光电子、微电子等领域。

硅热氧化工艺的基本原理是利用硅与氧气在高温下的化学反应。

在反应开始时，先将硅材料加热至一定温度，一般为1000℃左右。

然后，通过将氧气通入反应室中，使氧气与硅发生反应。

在反应中，硅表面的硅原子与氧气中的氧原子结合，形成氧化硅层。

这个过程是一个自发的氧化反应，同时伴随着放热。

硅热氧化工艺的关键参数主要包括温度、气氛和时间。

温度是影响氧化速率和氧化层质量的主要因素，较高的温度有利于氧化反应的进行。

气氛是指反应室中的气体组成，一般使用氧气作为氧化剂，同时还可以控制氧气的流量来调节氧化速率。

时间是指反应的持续时间，一般来说，反应时间越长，氧化层的厚度越大。

硅热氧化工艺的应用非常广泛。

在半导体制造中，硅热氧化工艺常用于制备金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的绝缘层。

在制备过程中，通过控制硅热氧化工艺的参数，可以得到具有不同厚度和质量的氧化硅层，从而实现对绝缘层性能的调控。

此外，硅热氧化工艺还可以用于制备光电子器件中的光波导和光纤接口等。

除了半导体领域，硅热氧化工艺还在微电子、传感器、太阳能电池等领域有着广泛的应用。

在微电子领域，硅热氧化工艺可以制备微电子器件中的绝缘层和电容层。

在传感器领域，硅热氧化工艺可以制备氧化硅薄膜，用于制备压力传感器、湿度传感器等。

在太阳能电池领域，硅热氧化工艺可以制备太阳能电池的表面反射镀层，提高太阳能电池的光吸收效率。

尽管硅热氧化工艺具有诸多优点和应用前景，但也存在一些问题。

首先，硅热氧化工艺需要较高的温度，这对设备和工艺的稳定性提出了要求。

其次，硅热氧化工艺的氧化速率较慢，需要较长的时间来制备较厚的氧化硅层。

此外，在工艺过程中，还需要对温度、气氛等参数进行严格控制，以保证氧化层的质量和性能。