熱氧化ppt課件

.,熱氧化(ThermalOxidation),.,熱氧化(ThermalOxidation),一.什么是熱氧化？熱氧化定義及SiO2的結(jié)構(gòu)二.為什么要熱氧化？氧化膜（SiO2）的性質(zhì)和用途三.怎么熱氧化呢？熱氧化機理(Deal-Grove模型)熱氧化工藝（方法）和系統(tǒng)四.氧化結(jié)果如何？氧化膜質(zhì)量的檢測五.文獻調(diào)研,.,一.什么是熱氧化？,1.熱氧化定義：將硅片置于高溫下，通以氧化的氣氛，使硅表面一薄層的硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸璧姆椒ā?.,2.二氧化硅(Si02)的結(jié)構(gòu),2.1基本架構(gòu)單元：4個O原子位于四面體的頂點，Si位于四面體中心。,.,.,結(jié)晶形和非結(jié)晶形（無定形）二氧化硅都是SiO正四面體結(jié)構(gòu)組成的。這些四面體通過不同的橋鍵氧原子連接，形成不同狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的二氧化硅。,橋鍵氧,非橋鍵氧,熱氧化方法制備的二氧化硅是無定形結(jié)構(gòu)(長程無序但短程有序)。,SiO2有結(jié)晶形和無定形兩類。,.,熱氧化(ThermalOxidation),一.什么是熱氧化？熱氧化定義及SiO2的結(jié)構(gòu)二.為什么要熱氧化？氧化膜（SiO2）的性質(zhì)和用途三.怎么熱氧化呢？熱氧化機理(Deal-Grove模型)熱氧化工藝（方法）和系統(tǒng)四.氧化結(jié)果如何？氧化膜質(zhì)量的檢測五.文獻調(diào)研,.,二.為什么要熱氧化？,1.氧化膜作用.作為雜質(zhì)擴散或離子注入的掩蔽層.表面鈍化層.器件隔離用的絕緣層.mos器件的組成部分柵介質(zhì).電容器的介質(zhì)材料.多層布線間的絕緣層,.,介電強度高：10MV/cm,2.1二氧化硅的絕緣特性,電阻率高：11014cm11016cm禁帶寬度大：9eV,介電常數(shù)：3.9(熱氧化二氧化硅膜),2.SiO2的性質(zhì),.,B、P、As等常見雜質(zhì)在SiO2中的擴散系數(shù)遠小于其在Si中的擴散系數(shù)。DSiDSiO2SiO2做掩蔽膜要有足夠的厚度：對特定的雜質(zhì)、擴散時間、擴散溫度等，有一最小掩蔽厚度。,2.2二氧化硅的掩蔽性質(zhì),.,2.3二氧化硅的化學(xué)穩(wěn)定性,二氧化硅是硅的最穩(wěn)定化合物，屬于酸性氧化物，不溶于水。耐多種強酸腐蝕，但極易與氫氟酸反應(yīng)。,.,熱氧化(ThermalOxidation),一.什么是熱氧化？熱氧化定義及SiO2的結(jié)構(gòu)二.為什么要熱氧化？氧化膜（SiO2）的性質(zhì)和用途三.怎么熱氧化呢？熱氧化機理(Deal-Grove模型)熱氧化工藝（方法）和系統(tǒng)四.氧化結(jié)果如何？氧化膜質(zhì)量的檢測五.文獻調(diào)研,熱氧化工藝,1、干氧氧化:,2、水汽氧化:,3、濕氧氧化:,通過高純水的氧氣攜帶一定水蒸氣,.,干氧氧化系統(tǒng),.,水汽氧化系統(tǒng),常壓下干氧、水汽、濕氧氧化法的特點及適用范圍,.,在實際生產(chǎn)中，對于制備較厚的二氧化硅層來說往往采用干氧-濕氧-干氧相結(jié)合的氧化方式，既保證了二氧化硅層表面和Si-SiO2界面的質(zhì)量,又解決了生長效率的問題。,1、氧化劑擴散穿過滯留層達到SiO2-氣體界面，其流密度為F1。,F1=F2=F3,F3=KSNi,hG為氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)；,KS為氧化劑與Si反應(yīng)的界面化學(xué)反應(yīng)常數(shù)。,F1=hG（NG-NS）,為氧化劑在SiO2中的擴散系數(shù);,采用準靜態(tài)近似（即所有反應(yīng)物立即達到穩(wěn)態(tài)條件），則：,熱氧化生長動力學(xué),一、熱氧化過程,、氧化劑擴散穿過SiO2層達到SiO2-Si界面，流密度為F2。,、氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2，流密度為F3。,根據(jù)Henry定律，在平衡條件下，固體中某種物質(zhì)的濃度正比于其周圍氣體中的分壓，則SiO2表面處的氧化劑濃度NS：NS=HPSH為Henry定律常數(shù)。平衡條件下，SiO2中氧化劑的平衡濃度N*與氣體中氧化劑分壓PG關(guān)系：N*=HPG,由理想氣體定律：,將上述四式代入:,得:F1=h(N*-NS),F1=hG（NG-NS）,其中:,再由F1=F2=F3,得:h(N*-NS),=KSNi,得,1）DSiO2KSX0,SiO2的生長速度由Si表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，稱為反應(yīng)控制。,氧化的兩種極限下，氧化層中氧化劑的分布示意圖,SiO2的生長速度主要由氧化劑的擴散速度決定，稱為擴散控制。,二、SiO2的生長厚度計算,N1為生長單位體積的SiO2所需的氧化劑分子個數(shù)。氧化劑為O2時，N1為2.21022/cm3；氧化劑為H2O時，N1為4.41022/cm3。,由初始條件X0（0）=Xi求得：X02+AX0=B（t+）,Si表面處的流密度也可表示為,其中：,進一步：,(無定形二氧化硅的分子密度NSiO2=2.21022/cm3),1）氧化初期t+,tA2/4B，拋物線氧化規(guī)律B為拋物線氧化速率。SiO2生長速率由氧化劑在SiO2中的擴散快慢決定。,此時,B/A為線性速率常數(shù)，SiO2生長速率由SiO2-Si表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)KS決定。,氧化層厚度,.,熱氧化(ThermalOxidation),一.什么是熱氧化？熱氧化定義及SiO2的結(jié)構(gòu)二.為什么要熱氧化？氧化膜（SiO2）的性質(zhì)和用途三.怎么熱氧化呢？熱氧化機理(Deal-Grove模型)熱氧化工藝（方法）和系統(tǒng)四.氧化結(jié)果如何？氧化膜質(zhì)量的檢測五.文獻調(diào)研,.,氧化膜質(zhì)量檢測,質(zhì)量檢測是氧化工藝的一個關(guān)鍵步驟氧化層質(zhì)量的含義包括：厚度、介電常數(shù)、折射率、介電強度、缺陷密度等質(zhì)量檢測需要對上述各項指標的絕對值、其在片內(nèi)及片的均勻性進行測量質(zhì)量檢測的方法一般可分為：物理測量、光學(xué)測量、電學(xué)測量,1.氧化膜厚度測量方法,.,2.氧化膜的電學(xué)測量方法：,（1）.擊穿電壓,（2）.電荷擊穿特性,(3).電容-電壓(C-V)測試：,增加電容器電壓，測量通過氧化層的電流,熱氧化硅的介電強度大約為12MV/cm；,給氧化層加剛好低于擊穿電場的電應(yīng)力，測量電流隨時間的變化關(guān)系。,TDDB(TimeDependentDielectricBreakdown)測試,根據(jù)C-V曲線及其溫偏特性，可以判斷氧化層中的固定電荷密度、可動電荷密度和界面態(tài)密度等。,.,擊穿電壓的統(tǒng)計分布反映氧化層質(zhì)量。,擊穿電壓：,二氧化硅膜擊穿電壓的典型直方圖,.,電荷擊穿特性：,擊穿由電荷在氧化層中的積累而造成。,200埃SIO2膜的恒定壓力測量,曲線末端電流急劇上升表明發(fā)生了不可恢復(fù)的介質(zhì)擊穿.,.,電容-電壓(C-V)測試：,溫度-偏壓法：1)提取MOS電容C-V曲線；2)樣品加熱到100C，在柵極加2-5meV/cm,保持10-20分鐘,冷卻到室溫做C-V曲線；3)加負偏壓，重復(fù)上述過程。,C-V曲線,.,熱氧化(ThermalOxidation),一.什么是熱氧化？熱氧化定義及SiO2的結(jié)構(gòu)二.為什么要熱氧化？氧化膜（SiO2）的性質(zhì)和用途三.怎么熱氧化呢？熱氧化機理(Deal-Grove模型)熱氧化工藝（方法）和系統(tǒng)四.氧化完之后呢？氧化膜質(zhì)量的檢測五.文獻調(diào)研,.,ImprovedSi/SiOxinterfacepassivationbyultra-thintunnelingoxidelayerspreparedbyrapidthermaloxidation(RTO),Weanalyzetheinfluenceofdifferentoxidationmethodsonthechemicalpassivationqualityofsiliconoxide-nanolayersoncrystallinesiliconwaferswithsurfacephotovoltage(SPV)andquasi-steady-statephotoconductance(QSSPC)measurements.Theseresultsarecomparedwithsiliconoxide-nanolayerspreparedbywetchemicaloxidationandplasmaoxidation.,AppiledSurfaceScience,.,Experimentalsetupandprocedure,1.RCAcleaningmeasureroughness(UV-vis)2.Re-oxidizedmeasurethickness(UV-vis)3.Cleavedintotwohalves4.MeasureDitbySPV5.MeasureeffbyQSSPC,remainedintheas-depositedstateannealinFGA45060min,ChemicaloxidationPlasmaoxidationRapidThermalOxidation,.,1.WetchemicaloxidationinboilingnitricacidNAOS(69.5%HNO3)for30min.2.Plasmaoxidationinagaseousmixtureofnitrogenandoxygen(1000sccmN2:100sccmO2)at300CusingaSurfaceTechnol-ogySystems(STS)PECVDsystem.3.Thermaloxidationinagaseousmixtureofargonandoxygen(2000sccmAr:200sccmO2)at950CusingaJipelecJetFirstRapidThermalOxidation(RTO)system.,.,Tab.1.,.,Fig.1.,.,Fig.2.,.,Fig.3.,.,Fig.4.,.,Fig.5.,.,Fig.6.1,.,Fig.6.2,.,Tab.2.,.,Fig.7.,.,Conclusion,Areasonfortheimprovementbyannealinginforminggasenvironmentcouldbethepassivationofdanglingbondswithhydrogenatomspresentintheform-inggas.Thesurfacepassivationqualityofthea-SiNx:HlayercanbeenhancedtremendouslybyusingaRTOoxide-nanolayerasintermediatelayer.UsingthisRTOoxide-nanolayerinpassivatedcontactsforsolarcellscouldimprovetheachievableVocandthustoimprovetheefficiency.,.,SurfacePassivationofCrystallineSiliconSloarCellsbyHigh-PressureThermalOxidationatLowTemperature,Itwasrevealedthathigh-qualitysurfacepassivationcouldberealizedbytheHpoxidationat2MPaand550.ItwasalsodemonstratedthattheHPoxidationcanimprovethequali