第二章 热氧化
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集成电路工艺原理 第二章 氧化
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氧化杂质 特定的杂质，特别是氯化氢(HCl)中的氯， 若氧化环境中含有氯，它将影响氧化生长速率， 实践证明在有氯化氢的情况下，生长速率可提 高1%～5%。 多晶硅氧化 与单晶硅相比，多晶硅可以更快、更低或 相似，主要取决于多晶硅的生长方法，若用化 化 学气相淀积法生长多晶硅，则与淀积温度、淀 学气相淀积 积压力、掺杂的类型和浓度有关。
快速热氧化 高压 炉管反应炉 化学氧化 阳极氧化 电解槽
化学的
２.4 水平炉管反应炉 最早使用也一直延续至今。主要用在氧化、扩 散、热处理及各 装载区 源区 中央区 种淀积工艺中。 水平炉管反应炉 消声器 的截面图如下： 氧化 炉管 整个系统包含 反应室、 反应室、温度 控制系统、 控制系统、反 比例 控制器 应炉、 应炉、气体柜 清洗站、 、清洗站、装 平区 片站等 片站 温度
进入或落在硅片表面，在氧化过程中， 污染 物在表面形成新的氧化层，是污染物远离了电 子活性的硅表面。也就是说污 染物被禁锢在二氧化硅 膜中，从而减小了污染 物对器件的影响。 2.1.2 掺杂阻挡层 器件制造过程中的掺杂是定域（有选择的 区域）掺杂，那么不需要 掺杂的区域就必须进行 保护而不被掺杂。如图 所示。
第二章 氧 化
概述 硅表面SiO2的简单实现，是硅材料被广泛 应用的一个重要因素。本章中，将介绍SiO2的 生长工艺及用途、氧化反应的不同方法，其中 包括快速热氧化工艺。另外，还简单介绍本工 艺中最重要的部分---反应炉，因为它是氧化、 扩散、热处理及化学气相淀积反应的基本设备。 2.1 二氧化硅的性质、用途 二氧化硅的性质、 在半导体材料硅的所有优点当中，SiO2 的极 易生成是最大的有点之一。当硅表面暴露在氧 气当中时，就会形成SiO2。(有良好的化学稳定 性和电绝缘性,能对某些杂质起到掩蔽作用)
氧化杂质 特定的杂质，特别是氯化氢(HCl)中的氯， 若氧化环境中含有氯，它将影响氧化生长速率， 实践证明在有氯化氢的情况下，生长速率可提 高1%～5%。 多晶硅氧化 与单晶硅相比，多晶硅可以更快、更低或 相似，主要取决于多晶硅的生长方法，若用化 化 学气相淀积法生长多晶硅，则与淀积温度、淀 学气相淀积 积压力、掺杂的类型和浓度有关。
快速热氧化 高压 炉管反应炉 化学氧化 阳极氧化 电解槽
化学的
２.4 水平炉管反应炉 最早使用也一直延续至今。主要用在氧化、扩 散、热处理及各 装载区 源区 中央区 种淀积工艺中。 水平炉管反应炉 消声器 的截面图如下： 氧化 炉管 整个系统包含 反应室、 反应室、温度 控制系统、 控制系统、反 比例 控制器 应炉、 应炉、气体柜 清洗站、 、清洗站、装 平区 片站等 片站 温度
进入或落在硅片表面，在氧化过程中， 污染 物在表面形成新的氧化层，是污染物远离了电 子活性的硅表面。也就是说污 染物被禁锢在二氧化硅 膜中，从而减小了污染 物对器件的影响。 2.1.2 掺杂阻挡层 器件制造过程中的掺杂是定域（有选择的 区域）掺杂，那么不需要 掺杂的区域就必须进行 保护而不被掺杂。如图 所示。
第二章 氧 化
概述 硅表面SiO2的简单实现，是硅材料被广泛 应用的一个重要因素。本章中，将介绍SiO2的 生长工艺及用途、氧化反应的不同方法，其中 包括快速热氧化工艺。另外，还简单介绍本工 艺中最重要的部分---反应炉，因为它是氧化、 扩散、热处理及化学气相淀积反应的基本设备。 2.1 二氧化硅的性质、用途 二氧化硅的性质、 在半导体材料硅的所有优点当中，SiO2 的极 易生成是最大的有点之一。当硅表面暴露在氧 气当中时，就会形成SiO2。(有良好的化学稳定 性和电绝缘性,能对某些杂质起到掩蔽作用)
第二章氧化工艺5
• 介电常数：表征电容性能的一个重要参数。 对于MOS电容器，其电容量与结构参数的 关系可用下式表示： C=ε0 εSiO2 S/d
S为金属电极的面积，d为SiO2层的厚度， ε0 真空介电常数， εSiO2 为SiO2的相对介电常数， 其值3.9。
二、性质（化学性质）
二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水， 除氢氟酸外，和别的酸不起作用。氢氟酸 腐蚀原理如下： SiO2 + 4HF → SiF 4 ↑ + 2H 2O SiF4 +2 HF →H 2SiF6 六氟化硅溶于水。 • 利用这一性质作为掩蔽膜，光刻出IC 制备 中的各种窗口
• 所生成XSiO2 ,所消耗XSi 的关系：XSi= 0.44XSiO2
氧化前
氧化后
• 热生长3000ÅSiO2，顶部比Si起始表面高出多少？ 3000-3000×0.44 =1680Å
§ 2.4热生长氧化层的方法及原理
一、热生长氧化层 1. 生长机理 1） 干氧氧化法 • 生长机理：高温下的氧分子与硅片表面的硅 原子反应，生成起始层，其反应式为： Si＋O2 ＝SiO2 2）水气氧化法 • 生长机理:高温水气与硅片接触时,水分子与硅 片表面的硅原子反应生成起始层,其反应式为: 2H2O＋Si＝SiO2＋2H2↑
立式炉
立式炉最早出 现在上世纪90 年代，它出现 的主要原因是 利用立式炉减 少净化室的占 地面积并提高 自动化处理的 程度。与卧式 炉相比可更好 的控制温度和 均匀性。
三、氧化工艺流程
• 清洗： 要获得高质量的氧化，硅片的清洗至关重要，如颗粒 和可移动离子沾污等污染物对器件的性能和成品率有严 重的影响。 清洗的方法：去油——去离子——去原子
扩散系数与温度的关系：
S为金属电极的面积，d为SiO2层的厚度， ε0 真空介电常数， εSiO2 为SiO2的相对介电常数， 其值3.9。
二、性质（化学性质）
二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水， 除氢氟酸外，和别的酸不起作用。氢氟酸 腐蚀原理如下： SiO2 + 4HF → SiF 4 ↑ + 2H 2O SiF4 +2 HF →H 2SiF6 六氟化硅溶于水。 • 利用这一性质作为掩蔽膜，光刻出IC 制备 中的各种窗口
• 所生成XSiO2 ,所消耗XSi 的关系：XSi= 0.44XSiO2
氧化前
氧化后
• 热生长3000ÅSiO2，顶部比Si起始表面高出多少？ 3000-3000×0.44 =1680Å
§ 2.4热生长氧化层的方法及原理
一、热生长氧化层 1. 生长机理 1） 干氧氧化法 • 生长机理：高温下的氧分子与硅片表面的硅 原子反应，生成起始层，其反应式为： Si＋O2 ＝SiO2 2）水气氧化法 • 生长机理:高温水气与硅片接触时,水分子与硅 片表面的硅原子反应生成起始层,其反应式为: 2H2O＋Si＝SiO2＋2H2↑
立式炉
立式炉最早出 现在上世纪90 年代，它出现 的主要原因是 利用立式炉减 少净化室的占 地面积并提高 自动化处理的 程度。与卧式 炉相比可更好 的控制温度和 均匀性。
三、氧化工艺流程
• 清洗： 要获得高质量的氧化，硅片的清洗至关重要，如颗粒 和可移动离子沾污等污染物对器件的性能和成品率有严 重的影响。 清洗的方法：去油——去离子——去原子
扩散系数与温度的关系：
叙述常见的热氧化方法的原理及特点
热氧化方法是一种常见的化学反应方法，通过在高温条件下将物质与氧气或其他氧化剂接触，从而进行氧化反应。
这种方法在工业生产和实验室研究中经常被使用，具有较为广泛的应用范围。
在本文中，我们将一起探讨常见的热氧化方法的原理及特点。
一、高温燃烧法1.原理高温燃烧法是通过将化合物置于高温的氧气流中进行氧化反应的方法。
在高温条件下，物质分子的热运动增强，同时氧分子也更容易与物质发生反应，从而实现氧化作用。
2.特点高温燃烧法能够在较短的时间内完成氧化反应，适用于某些对时间要求较高的工业生产过程。
燃烧产生的热能也可以为其他工艺提供所需的能量，具有一定的节能效果。
二、燃烧分解法1.原理燃烧分解法利用高温氧气氧化物质并使其分解，从而得到氧化产物。
在分解反应中，原料分子的化学键被打断，形成较为简单的氧化产物。
2.特点燃烧分解法可以较为彻底地将原料氧化分解，得到较高纯度的氧化产物。
燃烧过程中产生的热能也可以用于驱动反应，具有一定的经济效益。
三、氧化焙烧法1.原理氧化焙烧法是通过在高温条件下将原料置于氧气流中进行热分解和氧化反应，使原料转化为氧化产物的方法。
在热焙烧的过程中，原料分子发生热运动增强，从而容易与氧气发生反应。
2.特点氧化焙烧法对原料的要求较高，需要具有一定的热稳定性和化学稳定性。
但是，氧化焙烧法能够得到较为纯净的氧化产物，适用于一些对纯度要求较高的工业生产过程。
四、金属氧化物固态反应法1.原理金属氧化物固态反应法是指两种或多种固态物质在高温下发生氧化还原反应，生成新的氧化物的方法。
在固态反应过程中，原料颗粒之间的扩散速率是限制反应速率的主要因素。
2.特点金属氧化物固态反应法适用于制备一些特殊结构的氧化物材料，具有一定的结晶度和颗粒度要求。
该方法在制备过程中可以通过控制原料颗粒的尺寸和形状来调控反应速率和产物的物理性质。
总结通过上述讨论，我们可以看到，热氧化方法是一种重要的化学反应方法，在工业生产和实验室研究中具有较为广泛的应用。
第二章 氧 化 §2.1 氧化硅的结构、性质和用途§2.2 氧化硅的掩蔽作用§2.3 硅的热氧化生长动
5/29/2020
10
非晶SiO2
当硅暴露在氧气中时，在其上生长的氧 化物SiO2是非晶体，即它在原子水平上没有 长程有序的晶格周期，也就是说，构成SiO2 的基本单元在晶体内没有以规则的三维形式 排列，又称为无定形的二氧化硅，其形态又 被称为熔融石英。
四面体单元中的绝大部分构成桥键氧， 而小部分氧原子只与一个四面体中的硅原子 联接，即没有形成氧桥，称为非桥键氧。
5/29/2020
目的
结构
产生方法
是沾污且通常是 不需要的，有时 用于存储器存储 或膜的钝化。
室温下自然生长
n-well p-type
用作MOS晶体管 栅和源漏之间的 介质。
Gate oxide
tox
tox
n-well
优选干热氧化法
p-type
用作单个晶体管
patterned active area
21
5/29/2020
22
5/29/2020
23
氧化物的作用
氧化物可以用来做介质材料，可作为器 件之间的电隔离和绝缘材料，还可作为器件 和栅氧的保护层，并且还可用作某些杂质的 掩蔽层，从而实现选择性扩散。
氧化物掩蔽技术是一种在特定生长的氧 化层上通过刻印图形和刻蚀达到对硅衬底进 行扩散掺杂的工艺技术，它是自半导体集成 电路技术以来最主要的发展之一，也是大规 模IC发展的关键因素。
a5/n29d/2o0v20er-stress.
32
电学绝缘层
▪ 器件和电路中的绝缘层；
二氧化硅绝缘层的电阻率高，介电强度大，几乎 不存在漏电流。集成电路的隔离有PN结隔离和介质 隔离，SiO2用于介质隔离，因为漏电流小，岛与岛 之间的隔离电压大，寄生电容小。
扩散工艺培训
扩散工艺培训----主要设备、热氧化、扩散、合金前言：扩散部按车间划分主要由扩散区域及注入区域组成，其中扩散区域又分扩散老区和扩散新区。
扩散区域按工艺分，主要有热氧化、扩散、LPCVD、合金、清洗、沾污测试等六大工艺。
本文主要介绍热氧化、扩散及合金工艺。
目录第一章：扩散区域设备简介……………………………………第二章：氧化工艺第三章：扩散工艺第四章：合金工艺第一章：扩散部扩散区域工艺设备简介炉管设备外观：扩散区域的工艺、设备主要可以分为：炉管：负责高温作业，可分为以下几个部分：组成部分功能控制柜→对设备的运行进行统一控制；装舟台：→园片放置的区域，由控制柜控制运行炉体：→对园片进行高温作业的区域，由控制柜控制升降温源柜：→供应源、气的区域，由控制柜控制气体阀门的开关。
FSI：负责炉前清洗。
第二章：热氧化工艺热氧化法是在高温下（900℃-1200℃）使硅片表面形成二氧化硅膜的方法。
热氧化的目的是在硅片上制作出一定质量要求的二氧化硅膜，对硅片或器件起保护、钝化、绝缘、缓冲介质等作用。
硅片氧化前的清洗、热氧化的环境及过程是制备高质量二氧化硅膜的重要环节。
2. 1氧化层的作用2．1．1用于杂质选择扩散的掩蔽膜常用杂质(硼,磷,砷等)在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。
利用这一性质，在硅上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散。
1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从而导致了硅平面工艺的诞生，开创了半导体制造技术的新阶段。
同时二氧化硅也可在注入工艺中，作为选择注入的掩蔽膜。
作为掩蔽膜时，一定要保证足够厚的厚度，杂质在二氧化硅中的扩散或穿透深度必须要小于二氧化硅的厚度，并有一定的余量，以防止可能出现的工艺波动影响掩蔽效果。
2．1. 2缓冲介质层其一：硅与氮化硅的应力较大，因此在两层之间生长一层氧化层，以缓冲两者之间的应力，如二次氧化；其二：也可作为注入缓冲介质，以减少注入对器件表面的损伤。
扩散的工艺
----主要设备、热氧化、扩散、合金扩散部 2002年7月前言：扩散部按车间划分主要由扩散区域及注入区域组成，其中扩散区域又分扩散老区和扩散新区。
扩散区域按工艺分，主要有热氧化、扩散、LPCVD、合金、清洗、沾污测试等六大工艺。
本文主要介绍热氧化、扩散及合金工艺。
目录第一章：扩散区域设备简介……………………………………第二章：氧化工艺第三章：扩散工艺第四章：合金工艺第一章：扩散部扩散区域工艺设备简介炉管设备外观：扩散区域的工艺、设备主要可以分为：炉管：负责高温作业，可分为以下几个部分：组成部分功能控制柜→对设备的运行进行统一控制；装舟台：→园片放置的区域，由控制柜控制运行炉体：→对园片进行高温作业的区域，由控制柜控制升降温源柜：→供应源、气的区域，由控制柜控制气体阀门的开关。
FSI：负责炉前清洗。
第二章：热氧化工艺热氧化法是在高温下（900℃-1200℃）使硅片表面形成二氧化硅膜的方法。
热氧化的目的是在硅片上制作出一定质量要求的二氧化硅膜，对硅片或器件起保护、钝化、绝缘、缓冲介质等作用。
硅片氧化前的清洗、热氧化的环境及过程是制备高质量二氧化硅膜的重要环节。
2. 1氧化层的作用2．1．1用于杂质选择扩散的掩蔽膜常用杂质(硼,磷,砷等)在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。
利用这一性质，在硅上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散。
1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从而导致了硅平面工艺的诞生，开创了半导体制造技术的新阶段。
同时二氧化硅也可在注入工艺中，作为选择注入的掩蔽膜。
作为掩蔽膜时，一定要保证足够厚的厚度，杂质在二氧化硅中的扩散或穿透深度必须要小于二氧化硅的厚度，并有一定的余量，以防止可能出现的工艺波动影响掩蔽效果。
2．1. 2缓冲介质层其一：硅与氮化硅的应力较大，因此在两层之间生长一层氧化层，以缓冲两者之间的应力，如二次氧化；其二：也可作为注入缓冲介质，以减少注入对器件表面的损伤。
4.3 热氧化
重掺杂硼情形
重掺杂磷情形
六、热氧化设备
★ 常规热氧化（包括干氧氧化、湿氧 氧 化、水汽氧化） ★ 掺氯氧化设备 ★ 氢氧合成氧化设备
干氧、湿氧氧化设备
二通阀
流 量 计
硅片
O2
滤 球
湿 氧 发 去离子水 生 器
石英管
热 电 偶
电炉
氧化炉
操作流程
（1）确定氧化条件（温度，气体流量，时间 （2）加热升温 （3）硅片清洗 （4）装片推舟至恒温区 （5）开1闭2，3，干氧10’ （6）水温95℃，闭1，开2，3，湿氧45’ （7）开1，闭2，3，干氧10’ （8）降温取片 （9）质量检验
热氧化与热分解的不同
★ 含义：热氧化是硅与氧的氧化反应，而热分
解则是化合物受热分解的反应。 ★ 热氧化是衬底硅发生反应，而热分解则硅片 本身不参加反应，仅仅作为衬底而已。 ★ 热氧化的衬底只能是硅，而热分解则既可以 是硅片，也可以是金属片或者陶瓷等材料。 ★ 热氧化反应所需温度比热分解反应要高得 多。
14 16
18
20
氧化时间（hour）
掺氯氧化
★ 作用：减少钠离子的沾污，抑制氧化垛层 错，提高少子寿命，提高器件的电性能和 可靠性。 ★ 掺氯试剂：氯化氢、三氯乙烯、四氯化碳 和氯化铵等。（氯化硅—二氧化硅）
氢氧合成氧化
★ 反应式：2H2 + O2 → 2H2O ★ 优点：避免了去离子的不纯或水浴瓶之类器皿的沾污， 大大提高了氧化层的质量 ★ 注意： 1）错误比例，氢氧比例不得超过2：1，否则容易引 起爆炸； 2）低温报警，电子打火可以使氢氧充分反应。 3）要注意检查管道是否漏气 4）注意各管道是否符合压氧化（一）
★ 优点：提高氧化速率和质量；降低氧化温 度，可减少热预算。 ★ 氧化设备：卧式结构、立式结构（占地空间 小，自动化水平高）。
热氧化
化学反应：Si 2H 2O SiO2 2H 2
②水分子先与表面的SiO2 反应生成硅烷醇(Si-OH)结构； (与干氧氧化不同)
化学反应： H 2O Si O Si 2( Si OH )
③Si-OH再穿过氧化层扩散到达SiO2-Si界面处，与硅原子反应：
这两种氧原子的比例会影响网络结构的强度、密度等 性质。
桥键氧原子越多 →SiO2的结构越紧密，强度越大； 非桥键氧原子越多 →SiO2的结构越疏松，强度越弱。
2019/1/12 5
二. 二氧化硅中的杂质——非本征SiO2
SiO2中的杂质 大多数被电离，且多数以正离子的形式存在。
按其在网络中的位置和作用可分为网络形成剂和网络改变剂。
简
用
介
热氧化: 二氧化硅——一种绝缘的介质膜
在固态扩散、离子注入、外延中作为定域工艺的掩蔽层； 作为IC中的隔离介质(场氧)及多层布线间的绝缘介质层； 作为MOS器件的栅介质膜； 作为晶片表面保护层或PN结终端的钝化层； 作为动态存储器中的电容氧化膜或光电器件中的反射层。
途
制 备 方 法
热生长氧化法**
桥键 氧原子 Na2O + Si 非桥键 氧原子 微弱的 键合力 Si … Na
Si
2
在不太高的温度和电场作用下，Na就可挣脱价键的束缚， 以正离子的形式在结构疏松的SiO2中移动。这就是Na离子 引起器件性能不稳定和劣化的主要原因。 (水汽与Na相似） 2019/1/12 8
若干杂质的离子半径
网 络 形 成 剂 网 络 改 变 剂
2019/1/12 7
网络改变剂：R杂质离子≥ RSi离子 如：K、Na、Ga、Al等杂
质，它们在网络中不能取代Si原子的位置，只能占据网络 中的空洞处。 （类比硅中的间隙杂质） Na：以Na2O形式加入到SiO2中，将其O原子交给网络，使一 部分桥键氧变为非桥键氧，于是网络的结构变得更加疏松。 Na以微弱的键合力与非桥联氧连接着，处于网络的空洞处。
②水分子先与表面的SiO2 反应生成硅烷醇(Si-OH)结构； (与干氧氧化不同)
化学反应： H 2O Si O Si 2( Si OH )
③Si-OH再穿过氧化层扩散到达SiO2-Si界面处，与硅原子反应：
这两种氧原子的比例会影响网络结构的强度、密度等 性质。
桥键氧原子越多 →SiO2的结构越紧密，强度越大； 非桥键氧原子越多 →SiO2的结构越疏松，强度越弱。
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二. 二氧化硅中的杂质——非本征SiO2
SiO2中的杂质 大多数被电离，且多数以正离子的形式存在。
按其在网络中的位置和作用可分为网络形成剂和网络改变剂。
简
用
介
热氧化: 二氧化硅——一种绝缘的介质膜
在固态扩散、离子注入、外延中作为定域工艺的掩蔽层； 作为IC中的隔离介质(场氧)及多层布线间的绝缘介质层； 作为MOS器件的栅介质膜； 作为晶片表面保护层或PN结终端的钝化层； 作为动态存储器中的电容氧化膜或光电器件中的反射层。
途
制 备 方 法
热生长氧化法**
桥键 氧原子 Na2O + Si 非桥键 氧原子 微弱的 键合力 Si … Na
Si
2
在不太高的温度和电场作用下，Na就可挣脱价键的束缚， 以正离子的形式在结构疏松的SiO2中移动。这就是Na离子 引起器件性能不稳定和劣化的主要原因。 (水汽与Na相似） 2019/1/12 8
若干杂质的离子半径
网 络 形 成 剂 网 络 改 变 剂
2019/1/12 7
网络改变剂：R杂质离子≥ RSi离子 如：K、Na、Ga、Al等杂
质，它们在网络中不能取代Si原子的位置，只能占据网络 中的空洞处。 （类比硅中的间隙杂质） Na：以Na2O形式加入到SiO2中，将其O原子交给网络，使一 部分桥键氧变为非桥键氧，于是网络的结构变得更加疏松。 Na以微弱的键合力与非桥联氧连接着，处于网络的空洞处。
热氧化
氧化的两种极限下，氧化层中氧化剂的分布示意图
二、SiO2的生长厚度计算
Si表面处的流密度也可表示为
F
N
dX 0
3
1 dt
N1为生长单位体积的SiO2所需的氧化剂分子个数。氧化剂为O2时，N1为2.21022/cm3； 氧化剂为H2O时，N1为4.41022/cm3。 (无定形二氧化硅的分子密度NSiO2=2.2×1022/cm3)
N1
dX 0 dt
F3
Ks Ni
1 KS
KSN * / h KS X0
/ DSiO2
由初始条件X0（0）=Xi 求得：
X02+AX0=B（t+）
其中：
进一步：
A
2
D SiO
2
1 K
S
1 h
X 0
A 2
1
(t ) A2 / 4B
1
2D N *
B
SiO2
N
1
X2 i
AX i
B
氧化层厚度
X 0
A 2
二.为什么要热氧化？
1.氧化膜作用
①.作为杂质扩散或离子注入的掩蔽层 ②.表面钝化层 ③.器件隔离用的绝缘层 ④.mos器件的组成部分—栅介质 ⑤.电容器的介质材料 ⑥.多层布线间的绝缘层
2.SiO2的性质
2.1二氧化硅的绝缘特性
■ 电阻率高： 1 1014 ·cm ~ 1 1016 ·cm 禁带宽度大： ~ 9 eV
冲氧化层
与干氧氧化法结合 生长厚氧化层
厚层氧化； 干O2（10min）-湿
氧-干O2(10min)
在实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层来说往往
采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式，既保证了二
第二章-热氧化CVD教材
k为硅表面氧化反应速率常数
35
迪尔-格罗夫氧化模型
稳态平衡条件下:
F1 F2
D(C0－Cs x
)
=kCs
DCo (xk D)Cs
Cs
DCo xk D
36
迪尔-格罗夫氧化模型
稳态平衡条件下:
Cs
DCo xk D
F
F2＝kCS
=
kDCo xk D
= DCo xDk
单位时间单位面积在硅表面反应的氧化剂的个数
1个Si 1个SiO2
Si厚度 面积 ＝ tox 面积 1mol Si的体积 1 mol SiO2的体积
Si厚度＝ 1
1mol Si的体积
mol
SiO
的体积
2
t
ox
27
Si的摩尔质量是28.9g，密度为2.33g/cm3:
1mol硅体积:
28.9 2.33
g/mol g/cm3
＝12.40
cm3
3
SiO2的基本性质
通常热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1732C (晶体结构) 质量密度：2.21 g/cm3 原子密度：2.2×1022 分子/cm3 折射率 n=1.46 相对介电常数 ＝3.9
4
SiO2的基本性质
可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移 可以作为多数杂质掺杂的掩蔽 (B, P, As) 优秀的绝缘性能 (>1016cm, Eg>9eV) 很高的击穿电场 (>107 V/cm) 电学性能稳定 稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面
5
SiO2的结构
由Si-O四面体组成： 四面体中心是硅原子, 四个顶角上是氧原子; 四面体之间由Si-O-Si连接; 与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥;
35
迪尔-格罗夫氧化模型
稳态平衡条件下:
F1 F2
D(C0－Cs x
)
=kCs
DCo (xk D)Cs
Cs
DCo xk D
36
迪尔-格罗夫氧化模型
稳态平衡条件下:
Cs
DCo xk D
F
F2＝kCS
=
kDCo xk D
= DCo xDk
单位时间单位面积在硅表面反应的氧化剂的个数
1个Si 1个SiO2
Si厚度 面积 ＝ tox 面积 1mol Si的体积 1 mol SiO2的体积
Si厚度＝ 1
1mol Si的体积
mol
SiO
的体积
2
t
ox
27
Si的摩尔质量是28.9g，密度为2.33g/cm3:
1mol硅体积:
28.9 2.33
g/mol g/cm3
＝12.40
cm3
3
SiO2的基本性质
通常热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1732C (晶体结构) 质量密度：2.21 g/cm3 原子密度：2.2×1022 分子/cm3 折射率 n=1.46 相对介电常数 ＝3.9
4
SiO2的基本性质
可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移 可以作为多数杂质掺杂的掩蔽 (B, P, As) 优秀的绝缘性能 (>1016cm, Eg>9eV) 很高的击穿电场 (>107 V/cm) 电学性能稳定 稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面
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SiO2的结构
由Si-O四面体组成： 四面体中心是硅原子, 四个顶角上是氧原子; 四面体之间由Si-O-Si连接; 与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥;
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这些应用是依赖于SiO2具有的何种性质？ 4. 氧化反应中反应界面在哪里？反应中消耗的硅如
何计算？
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
桥联氧原子 非桥联氧原子
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2在集成电路制造中的应用
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
1m Si oxidized 0.44m Si oxidized
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
§2.3 氧化动力学
氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅
热氧化生长动力学 ➢Deal-Grove 模型 ➢ 初始氧化阶段 ➢ 影响氧化速率的原因 ➢ 氧化时的杂质再分布
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
热氧化过程中消耗的硅
Original
surface
– 氧化温度700～1300oC； – 局部压强0.1~25个大气压（2*104~ 1.01*105Pa ）； – 氧化层厚度为30～2000nm的水汽和干氧氧化
不适用非常薄的氧化层！
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Deal-Grove Model
C
y CG Gas
Cs
Co
Oxide do
Cs > Co
➢Deal-Grove 模型 ➢ 初始氧化阶段 ➢ 影响氧化速率的原因 ➢ 氧化时的杂质再分布
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2生长动力学
Gas Diffusion
Solid-State Diffusion SiO2 Formation
Oxidant Flow (e.g. O2,or H2O
§2.1 引言 §2.2 SiO2的结构及性质及应用 §2.3 热氧化生长动力学 §2.4 热氧化方法 §2.5 Si/SiO2界面特性 §2.6 二氧化硅质量测量方法
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
§2.3 热氧化生长动力学 (Oxidation Growth Kinetics)
氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 SiO2生长动力学
– 四面体之间由Si-O-Si桥连接， 该O原子称为桥联氧，仅和一 个四面体（或硅）连接是非桥 联氧
非桥联氧
四面体(Tetrahedra) 桥联氧(Bridging Oxygen)
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO44- tetrahedra O-Si-O bond
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
2.27 m SiO2
第二章 热氧化
1 m SiO2
集成电路工 艺 原 理
起始氧化层厚度对硅片表面形 貌(topography)的影响
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
氧化造成体积膨胀
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
§2.3 氧化动力学
氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 热氧化生长动力学
二 氧 化 硅 中 的 杂 质
杂质在SiO2处于Si-O四面体空隙的，称为网络调节者.取代硅原子的 替代型杂质称为网络构成者，常见的有硼，磷等会减少桥联和非桥 联氧原子的比例，使氧化层在较低的温度下流动。
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2的基本性质
热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1700°C 重量密度：2.27g/cm3 原子密度：2.2E22 分子/cm3 折射率 (refractive index) n = 1.46 介电常数 (dielectric constant) ＝3.8
0.44tox
Atomic density of Si
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
复习
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
习题1
图(a)（b)分别为基区扩散电阻的光刻版图和剖面图。请按 照光刻顺序分别画出每次光刻的图形，并说出其作用。
高的击穿场强 (>10MV/cm) 稳定的可重复的Si/SiO2界面特性 在Si表面的均匀的SiO2生长
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜
Si和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率
SiO2
HF Dip
Si
Si
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
x Oxide/Fsi3lriceoanctiinotnerface
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Xsl 滞流层厚度
（气体通过固体时，
Deal—Grove模型 固体表面总是形成
滞流层）
J1:从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度
hg: 质量 输运系数
J1
DO2
Cg Cs Xsl
J1 hg (Cg Cs )
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2 Si
Amorphous SiO2（非晶）
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2的基本性质
良好的电绝缘介质 (Gate Oxide, Field Oxide) – Resistivity > 1020 ohm·cm – Energy Gap ~ 9eV
Gas Flow stagnant Layer
SiO2
Si-Substrate
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Deal－Grove模型－硅的热氧化模型
1965年Deal－Grove提出该模型
Deal－Grove模型（线性－抛物线模型） (linear-parabolic model)
适用于：
集成电路工 艺 原 理
Silicon
Ci
j3F3reaction
在平衡时，应有 J1 J2 J3
联合上述式子，得到两个方程和三个未知的浓度：Cg， Co和Ci。求解生长速率还需要另外一个方程。这个方程 是亨利定律，它说明平衡时溶解在固体中的物质的浓度 和该物质在固体表面外的分压成正比。
SiO2的结构 SiO2的基本性质 SiO2在集成电路中的应用
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2的结构
按结构特点分为
– 结晶型 (Crystallized):石英， 水晶等 “长程有序”
桥联氧
– 非晶型（无定型amorphous）
由Si－O四面体组成
– 四面体中心是硅原子，四个顶 角上是氧原子
Si有一系列的硅基材料：SiO2生长容易，稳定，和 SSiiO3N2:4：介绝质缘材材料料；；S这i具点有对理硅想工的艺界贡面献特最性大。! 多晶硅：可以掺杂，导电；
金属硅化物工艺在深亚微米集成电路工艺中已被广
硅化物：导电，作泛为采用接，其触目和的是互为了连降…低M…OS元件在其源极和漏 极的串联电阻。在不采用金属硅化物工艺的条件下， N+扩散区的阻值约为30～40Ω／□，但在金属硅化 物工艺条件下其阻值降低到1～3
氧化温度 800－1200 C
结构致密、均匀性和重复性好
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
水汽氧化的氧化膜生长机理
2H2O + Si = SiO2 + 2H2 有两种过程 a)水分子在已生成的SiO2中扩散，
在Si-SiO2界面与Si原子反应
b)水分子先在Si表面反应生成硅烷醇(Si-OH)即非桥联羟基
➢Deal-Grove 模型 ➢ 初始氧化阶段 ➢ 影响氧化速率的原因 ➢ 氧化时的杂质再分布
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
氧化反应方程式
干氧氧化 （Dry Oxidation) Si(s) + O2(g) SiO2(s)
湿氧氧化 (Wet Oxidation) Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
非本征吸杂技术
硅片背面产 生机械损伤， 热处理后形 成对金属等 吸除陷阱
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Review
1. 热生长的SiO2的是何种晶体形态？ 2. 热生长的SiO2的空间结构如何？ 3. SiO2在集成电路中有哪些应用（举出至少3个），
集成电路工 艺 原 理
Masking against implantation and diffusion
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2在集成电路制造中的应用
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化 Thermal Oxidation
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
TEM image shows Gate Oxide with thickness of only 0.8nm in MOS structure
Hale Waihona Puke 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理
Shallow Trench Isolation (STI) 浅沟渠隔离
STI
第二章 热氧化
这两种反应都在800ºC～1200ºC之间进行 湿氧氧化比干氧氧化快10倍左右
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
干氧氧化的氧化膜生长机理
Si + O2 = SiO2 氧分子以扩散方式通过SiO2， 到达Si-SiO2界面和硅反应，受氧分子 在SiO2中的扩散速率和界面处与硅的反应速率 限制
何计算？
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
桥联氧原子 非桥联氧原子
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2在集成电路制造中的应用
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
1m Si oxidized 0.44m Si oxidized
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
§2.3 氧化动力学
氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅
热氧化生长动力学 ➢Deal-Grove 模型 ➢ 初始氧化阶段 ➢ 影响氧化速率的原因 ➢ 氧化时的杂质再分布
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
热氧化过程中消耗的硅
Original
surface
– 氧化温度700～1300oC； – 局部压强0.1~25个大气压（2*104~ 1.01*105Pa ）； – 氧化层厚度为30～2000nm的水汽和干氧氧化
不适用非常薄的氧化层！
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Deal-Grove Model
C
y CG Gas
Cs
Co
Oxide do
Cs > Co
➢Deal-Grove 模型 ➢ 初始氧化阶段 ➢ 影响氧化速率的原因 ➢ 氧化时的杂质再分布
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2生长动力学
Gas Diffusion
Solid-State Diffusion SiO2 Formation
Oxidant Flow (e.g. O2,or H2O
§2.1 引言 §2.2 SiO2的结构及性质及应用 §2.3 热氧化生长动力学 §2.4 热氧化方法 §2.5 Si/SiO2界面特性 §2.6 二氧化硅质量测量方法
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
§2.3 热氧化生长动力学 (Oxidation Growth Kinetics)
氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 SiO2生长动力学
– 四面体之间由Si-O-Si桥连接， 该O原子称为桥联氧，仅和一 个四面体（或硅）连接是非桥 联氧
非桥联氧
四面体(Tetrahedra) 桥联氧(Bridging Oxygen)
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO44- tetrahedra O-Si-O bond
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
2.27 m SiO2
第二章 热氧化
1 m SiO2
集成电路工 艺 原 理
起始氧化层厚度对硅片表面形 貌(topography)的影响
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
氧化造成体积膨胀
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
§2.3 氧化动力学
氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 热氧化生长动力学
二 氧 化 硅 中 的 杂 质
杂质在SiO2处于Si-O四面体空隙的，称为网络调节者.取代硅原子的 替代型杂质称为网络构成者，常见的有硼，磷等会减少桥联和非桥 联氧原子的比例，使氧化层在较低的温度下流动。
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2的基本性质
热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1700°C 重量密度：2.27g/cm3 原子密度：2.2E22 分子/cm3 折射率 (refractive index) n = 1.46 介电常数 (dielectric constant) ＝3.8
0.44tox
Atomic density of Si
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
复习
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
习题1
图(a)（b)分别为基区扩散电阻的光刻版图和剖面图。请按 照光刻顺序分别画出每次光刻的图形，并说出其作用。
高的击穿场强 (>10MV/cm) 稳定的可重复的Si/SiO2界面特性 在Si表面的均匀的SiO2生长
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜
Si和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率
SiO2
HF Dip
Si
Si
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
x Oxide/Fsi3lriceoanctiinotnerface
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Xsl 滞流层厚度
（气体通过固体时，
Deal—Grove模型 固体表面总是形成
滞流层）
J1:从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度
hg: 质量 输运系数
J1
DO2
Cg Cs Xsl
J1 hg (Cg Cs )
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2 Si
Amorphous SiO2（非晶）
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2的基本性质
良好的电绝缘介质 (Gate Oxide, Field Oxide) – Resistivity > 1020 ohm·cm – Energy Gap ~ 9eV
Gas Flow stagnant Layer
SiO2
Si-Substrate
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Deal－Grove模型－硅的热氧化模型
1965年Deal－Grove提出该模型
Deal－Grove模型（线性－抛物线模型） (linear-parabolic model)
适用于：
集成电路工 艺 原 理
Silicon
Ci
j3F3reaction
在平衡时，应有 J1 J2 J3
联合上述式子，得到两个方程和三个未知的浓度：Cg， Co和Ci。求解生长速率还需要另外一个方程。这个方程 是亨利定律，它说明平衡时溶解在固体中的物质的浓度 和该物质在固体表面外的分压成正比。
SiO2的结构 SiO2的基本性质 SiO2在集成电路中的应用
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2的结构
按结构特点分为
– 结晶型 (Crystallized):石英， 水晶等 “长程有序”
桥联氧
– 非晶型（无定型amorphous）
由Si－O四面体组成
– 四面体中心是硅原子，四个顶 角上是氧原子
Si有一系列的硅基材料：SiO2生长容易，稳定，和 SSiiO3N2:4：介绝质缘材材料料；；S这i具点有对理硅想工的艺界贡面献特最性大。! 多晶硅：可以掺杂，导电；
金属硅化物工艺在深亚微米集成电路工艺中已被广
硅化物：导电，作泛为采用接，其触目和的是互为了连降…低M…OS元件在其源极和漏 极的串联电阻。在不采用金属硅化物工艺的条件下， N+扩散区的阻值约为30～40Ω／□，但在金属硅化 物工艺条件下其阻值降低到1～3
氧化温度 800－1200 C
结构致密、均匀性和重复性好
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
水汽氧化的氧化膜生长机理
2H2O + Si = SiO2 + 2H2 有两种过程 a)水分子在已生成的SiO2中扩散，
在Si-SiO2界面与Si原子反应
b)水分子先在Si表面反应生成硅烷醇(Si-OH)即非桥联羟基
➢Deal-Grove 模型 ➢ 初始氧化阶段 ➢ 影响氧化速率的原因 ➢ 氧化时的杂质再分布
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
氧化反应方程式
干氧氧化 （Dry Oxidation) Si(s) + O2(g) SiO2(s)
湿氧氧化 (Wet Oxidation) Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
非本征吸杂技术
硅片背面产 生机械损伤， 热处理后形 成对金属等 吸除陷阱
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
Review
1. 热生长的SiO2的是何种晶体形态？ 2. 热生长的SiO2的空间结构如何？ 3. SiO2在集成电路中有哪些应用（举出至少3个），
集成电路工 艺 原 理
Masking against implantation and diffusion
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
SiO2在集成电路制造中的应用
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
第二章 热氧化 Thermal Oxidation
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
TEM image shows Gate Oxide with thickness of only 0.8nm in MOS structure
Hale Waihona Puke 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理
Shallow Trench Isolation (STI) 浅沟渠隔离
STI
第二章 热氧化
这两种反应都在800ºC～1200ºC之间进行 湿氧氧化比干氧氧化快10倍左右
第二章 热氧化
集成电路工 艺 原 理
干氧氧化的氧化膜生长机理
Si + O2 = SiO2 氧分子以扩散方式通过SiO2， 到达Si-SiO2界面和硅反应，受氧分子 在SiO2中的扩散速率和界面处与硅的反应速率 限制