第二章-氧化工艺-PPT.ppt
《第二章-氧化工艺-PPT.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第二章-氧化工艺-PPT.ppt(64页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第二章第二章 氧氧 化化v二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜。v二氧化硅薄膜的制备方法有:v 热氧化v 化学气相淀积v 物理法淀积v 阳极氧化等v热氧化是最常用的氧化方法,需要消耗硅衬底,是一种本征氧化法。本章内容本章内容二氧化硅的性质二氧化硅的性质二氧化硅的用途二氧化硅的用途热氧化原理(热氧化原理(Deal-GroveDeal-Grove模型模型)热氧化工艺(方法)和系统热氧化工艺(方法)和系统热氧化工艺的质量检测热氧化工艺的质量检测1 1、二氧化硅的性质、二氧化硅的性质1.1 二氧化硅的结构 热氧化二氧化硅网络:一个硅原一个硅原子和子和4 4个氧原子组成四面体单元。个氧原子组成四面体
2、单元。一种无定型的玻璃状结构一种无定型的玻璃状结构软化温度(1700以上)。分子数密度C CSiO2SiO2=2.2=2.210102222/cm/cm3 3非晶态二氧化硅结构 v在二氧化硅膜中,有的氧原子与两个硅原子键合,称为桥键氧。只与一个硅原子键合的氧原子,称为非桥键氧。v二氧化硅膜主要由任意方向的多面体网络组成,而两者的比例影响着网络结构的强度、密度等性质,桥键氧越多则粘合力越强、网络强度越大、二氧化硅膜越致密。v干氧氧化的二氧化硅膜比湿氧和水汽氧化的二氧化硅膜都致密,就是因为干氧氧化的二氧化硅膜中桥氧键多。桥键氧桥键氧和和非桥键氧非桥键氧1)1)、物理性质、物理性质v密度:无定型密度
3、:无定型SiOSiO2 2密度密度2.152.152.25g/cm2.25g/cm2,2,结晶型结晶型SiOSiO2 2密度密度2.65g/cm2.65g/cm2 2v折射率:密度大的薄膜具有大的折射率折射率:密度大的薄膜具有大的折射率v电阻率:与制备方法以及所含杂质数量等因素有关电阻率:与制备方法以及所含杂质数量等因素有关(SiOSiO2 2电阻电阻率率 10 101010 .cm.cm,高温干氧氧化的电阻率达,高温干氧氧化的电阻率达10101616 .cm.cm)v介电强度:单位厚度的介电强度:单位厚度的SiOSiO2 2所承受的最小所承受的最小击穿电压击穿电压10106 610107 7
4、V/cmV/cm1)1)介电常数:相对介电常数为介电常数:相对介电常数为3.93.91.2 1.2 二氧化硅的性质二氧化硅的性质2)2)、化学性质、化学性质v酸性氧化物,是硅最稳定的氧化物,不溶于水酸性氧化物,是硅最稳定的氧化物,不溶于水v耐多种强酸,但能与氢氟酸反应:耐多种强酸,但能与氢氟酸反应:第一步:SiO2+4HF=SiF4+2H2O 第二步:SiF4+6HF=H2 SiF6 总的反应:SiO2+6HF=H2 SiF6 +2H2O 生产中这一性质对二氧化硅膜进行腐蚀生产中这一性质对二氧化硅膜进行腐蚀v在一定温度下,能和强碱(如氢氧化钠、氢氧化钾)反应,在一定温度下,能和强碱(如氢氧化钠
5、、氢氧化钾)反应,也有可能被铝、氢等还原。也有可能被铝、氢等还原。2 2、二氧化硅的用途、二氧化硅的用途 对杂质扩散的掩蔽作用对杂质扩散的掩蔽作用 对器件的表面保护和钝化作用对器件的表面保护和钝化作用 用于器件的绝缘隔离层用于器件的绝缘隔离层 用作电容器的介质材料用作电容器的介质材料 用作用作MOSMOS器件的绝缘栅材料器件的绝缘栅材料 用于其它半导体器件用于其它半导体器件 2.1 2.1 对杂质扩散的掩蔽作用对杂质扩散的掩蔽作用 器件制造过程中的掺杂是选择(定域)掺杂,那么器件制造过程中的掺杂是选择(定域)掺杂,那么不需要掺杂的区域就必须进行保护而不被掺杂。不需要掺杂的区域就必须进行保护而不
6、被掺杂。由于某些元素(如硼、磷、砷、锑等)在二氧化硅由于某些元素(如硼、磷、砷、锑等)在二氧化硅中的扩散速度比在硅中慢很多,可以利用二氧化硅作为中的扩散速度比在硅中慢很多,可以利用二氧化硅作为扩散掩蔽层,如图所示。扩散掩蔽层,如图所示。但是也有一些情况相反,如铝、镓和铟等,但是也有一些情况相反,如铝、镓和铟等,镓和钠等碱金属扩散在SiO2扩散速度快,SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用。v 2.1.1掩蔽层条件v SiO2膜能在杂质扩散时起掩蔽作用,必须满足两个条件:v 杂质在SiO2中的扩散系数必须远小于Si中的扩散系数,DSiO2DSi。v SiO2具有足够厚度,当杂质在Si中扩散达到所
7、需深度时,还没有扩穿SiO2膜 v2.1.2杂质在SiO2中的存在形式 按照是否含有杂质,分为本征二氧化硅和非本征二氧化硅;按照杂质在二氧化硅网络中的存在形式,后者又分为网络形成者和网络改变者;v 网络形成者:可以取代二氧化硅网络中硅位置的杂质,其特点是离子半径与Si原子的半径相接近或更小,如P、B、Sb,又称替位式杂质。v 网络改变者:存在于二氧化硅网络间隙中的杂质,又称间隙式杂质。其特点是离子半径较大,多以氧化物形式掺入,如钠、钾、钙等;氧氧硅硅网络形成者网络形成者网络改变者网络改变者氢氢二氧化硅中二氧化硅中杂质和缺陷示意和缺陷示意图 SiO SiO2 2层在防止硅器件被污染方面起到了一个
8、非常重要的层在防止硅器件被污染方面起到了一个非常重要的作用。原因是作用。原因是SiOSiO2 2密度非常高、非常硬,因此硅表面的密度非常高、非常硬,因此硅表面的SiOSiO2 2层可以扮演一个污染阻挡层的角色。层可以扮演一个污染阻挡层的角色。另一方面,另一方面,SiOSiO2 2对器件的保护是源于其化学特性。因为对器件的保护是源于其化学特性。因为在制造过程中,无论工作室多么洁净,总有一些电特性活跃在制造过程中,无论工作室多么洁净,总有一些电特性活跃的污染物最终会进入或落在硅片表面,在氧化过程中,的污染物最终会进入或落在硅片表面,在氧化过程中,污污染物在表面形成新的氧化层,使得污染物远离了电子活
9、性的染物在表面形成新的氧化层,使得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。了污染物对器件的影响。2.2 2.2 对器件的表面保护和钝化作用对器件的表面保护和钝化作用vSiO2也可用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质(见图)。二氧化硅的介电常数在10kHZ频率下工作时为3-4,击穿电压高,温度系数小,是制作电容器的良好材料。2.3 2.3 用作电容器的介质材料用作电容器的介质材料2.4 2.4 用于器件的绝缘隔离层用于器件的绝缘隔离层 SiOSiO2 2作作为为绝绝缘缘层层也也
10、是是器器件件工工艺艺的的一一个个重重要要组组成成部部分分。SiOSiO2 2具具有有很很高高的的电电阻阻率率,是是良良好好的的绝绝缘缘体体,所所以以在在硅硅器器件件中中用用于于铝铝引引线线和和薄薄膜膜下下面面元元件件之之间间的的电电绝绝缘缘层层以以及及多多层布线间的绝缘层。层布线间的绝缘层。也可以利用其作为各元件间的电隔离也可以利用其作为各元件间的电隔离(即介质隔离即介质隔离)。如图所示。如图所示。v二氧化硅膜用于MOS场效应管的绝缘栅介质,在一个MOS三极管中,栅极区会长一层薄的二氧化硅(见图)。这时的SiO2的厚度和质量决定着场效应管的多个电参数,所以对绝缘栅的厚度和质量要求非常严格。2.
11、52.5用作用作MOSMOS器件的绝缘栅材料器件的绝缘栅材料2.62.6场氧化层场氧化层field oxidefield oxide目的目的:用做单个晶体管间相互隔离的阻挡层。说明说明:一般场氧化层厚度在2,500到15,000间。(厚氧)湿氧氧化法是较佳的生长方法。场氧化层晶体管位置p+硅衬底v2.7 器件氧化物的厚度v应用在硅材料器件中的二氧化硅随着作用的不同其厚度差别是很大的,薄的氧化层主要是MOS器件里的栅极,厚的氧化层主要用于场氧化层,下面的表列出了不同厚度范围及其相对应的主要用途。二氧化硅厚度()应用60100隧道栅极150500栅极氧化、电容绝缘层200500氧化20005000
12、掩膜氧化、表面钝化300010000场氧化3 热氧化机理v 半导体工艺中的二氧化硅大多数是通过热生长氧化法得到的,也就是让硅片(晶园)在高温下,与氧化剂发生反应而生长一层SiO2膜的方法,其化学反应式如Si(s)+O2(g)=SiO2(s)Si(s)+2H2O(g)=SiO2(s)+2H2(g)v化学反应非常简单,但氧化机理并非如此,因为一旦在硅表面有二氧化硅生成,它将阻挡O2原子或H2O与Si原子直接接触,所以其后的继续氧化是O2原子或H2O通过扩散穿过已生成的二氧化硅层,向Si一侧运动到达界面进行反应而增厚的。那么不同的阶段阶段,氧化层厚度(X)与时间(t)是何种关系呢?无论是干氧或者湿氧
13、工艺,二氧化硅的生长都无论是干氧或者湿氧工艺,二氧化硅的生长都要消耗硅,那么硅表面生长要消耗硅,那么硅表面生长的二氧化硅厚度和消耗的二氧化硅厚度和消耗掉的硅厚度有什么关系呢?掉的硅厚度有什么关系呢?SiSiSiOSiO2 2SiSi初始硅表面初始硅表面设硅厚度减少设硅厚度减少 ,生长的二氧化硅厚度为生长的二氧化硅厚度为 ,(可以确定:无定型(可以确定:无定型SiOSiO2 2原子密度原子密度C CSiO2SiO2=2.2=2.210102222/cm/cm3 3,硅晶体的原子密度,硅晶体的原子密度C Csisi=5.0=5.010102222/cm/cm3 3)求求 和和 的关系的关系 如图所
14、示。厚度为如图所示。厚度为 ,面积为一平方厘米的二氧,面积为一平方厘米的二氧化硅体内含有化硅体内含有SiOSiO2 2分子数为分子数为C CSiO2 SiO2 ,而这个数字应该等于消耗而这个数字应该等于消耗掉的硅原子数掉的硅原子数C CSiOSiO ,即,即C CSiO2SiO2 C CSiOSiO 得得3.1硅的硅的DealGrove热氧化模型热氧化模型vDealGrove模型(线性抛物线模型,linear-parabolic model)可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。v适用于:氧化温度7001300 oC;局部压强0.125个大气压;氧化层厚度为202000 nm的水汽和干
15、法氧化 气体中扩散气体中扩散固体中扩散固体中扩散SiO2 形成形成SiO2Si衬底气流滞流层氧化剂流动方向(如 O2或 H2O)(1)氧化剂输运)氧化剂输运(2)固相扩散)固相扩散 (3)化学反应)化学反应(4)反应的副产物离开界面)反应的副产物离开界面 DealGrove模型模型1)氧化剂由气相内部输运到气体)氧化剂由气相内部输运到气体-氧化层界面氧化层界面2)扩散穿过已经生成的氧化层,抵达)扩散穿过已经生成的氧化层,抵达SiO2-Si界面;界面;3)在界面处与硅发生氧化反应;)在界面处与硅发生氧化反应;4)反应的副产物扩散出氧化层,并向主气流转移;)反应的副产物扩散出氧化层,并向主气流转移
16、;D-G模型描述的氧化过程模型描述的氧化过程1)氧化剂由气相传输到二氧化硅的表面,其粒子氧化剂由气相传输到二氧化硅的表面,其粒子流密度流密度J1(即单位时间通过单位面积的原子数或即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)为:分子数)为:h hG G气相质量运输系数,单位气相质量运输系数,单位cm/seccm/secC CG G气相氧化剂浓度(离硅片较远)气相氧化剂浓度(离硅片较远)C CS SSiO2SiO2表面外侧氧化剂浓度表面外侧氧化剂浓度2)2)位于二氧化硅表面的氧化剂穿过已生成的二氧化位于二氧化硅表面的氧化剂穿过已生成的二氧化硅层扩散到硅层扩散到SiOSiO2 2-Si-Si界面,其扩散
17、流密度界面,其扩散流密度J J2 2为:为:线型近似后得到:线型近似后得到:DoDo氧化剂在氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散系数,单位:中的扩散系数,单位:cmcm2 2/sec/secC C0 0-SiO-SiO2 2表面内侧氧化剂浓度表面内侧氧化剂浓度C Ci i-SiO-SiO2 2-Si-Si界面处氧化剂浓度界面处氧化剂浓度Tox-SiOTox-SiO2 2厚度厚度3)3)SiOSiO2 2-Si-Si界面处,氧化剂和硅反应生成新的界面处,氧化剂和硅反应生成新的SiOSiO2 2,其反应流密度,其反应流密度J J3 3为:为:J J3=3=K Ks sC Ci iK Ks s氧化剂在
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二 氧化 工艺 PPT
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【w****g】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【w****g】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。