氧化解析PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 氧化解析氧化解析 2 FOX GO X Poly-Si P-Sub N-Well N+N+P+P+ 第1頁/共73頁 柵氧（0.18m工藝） 2060 柵氧（0.18m工藝）電容器的電介質(zhì) 5100 場(chǎng)氧250015000 摻雜掩蔽的氧化物 4001200 （視 具體情況） 第2頁/共73頁 4 第3頁/共73頁 5 第4頁/共73頁 6 第5頁/共73頁 7 結(jié)晶型SiO2 結(jié)晶形結(jié)晶形SiO2 第6頁/共73頁 8 第7頁/共73頁 9 非橋鍵氧： 但如果氧離子只與一個(gè)硅離子相連接（即 打斷了一個(gè)Si-O鍵），則稱這種氧離子為 非橋鍵氧?？梢韵胍?，橋鍵氧越少，非橋 鍵氧越多，則S

2、iO2四面體結(jié)合的緊密程度 就越差，即SiO2網(wǎng)絡(luò)就越疏松。 第8頁/共73頁 10 第9頁/共73頁 11 應(yīng)生成SiO2。 第10頁/共73頁 12 第11頁/共73頁 13 B、P 替代 Si 第12頁/共73頁 14 Na2SiOOSiSiOSiONa2 第13頁/共73頁 15 1.物理性質(zhì)物理性質(zhì) (1）機(jī)械強(qiáng)度大，熔點(diǎn)高（1732），熱膨 脹系數(shù)??； （2）良絕緣體，電阻率高（31015 1018.cm)。 2.化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) （1）極高的化學(xué)穩(wěn)定性：在酸中僅可 以被HF所腐蝕。 （2）與HF反應(yīng)： 第14頁/共73頁 16 OHSiFHFSiO 242 24 )(2 624

3、SiFHHFSiF 六氟硅酸溶于水中。 SiO2在 HF 水溶液中的腐蝕 速度隨HF的濃度和溫度而增加。腐蝕速度與雜質(zhì) 的種類也有關(guān)（含P的快，含B的慢，CVD快）。 這是光刻精細(xì)圖形加工的一個(gè)重要原理。 第15頁/共73頁 17 放熱 Si OAl Al SiO OH iOS H SiO 32 C500 2 2 C600 22 第16頁/共73頁 18 第一個(gè)反應(yīng)較弱，在SiH4同步外延中對(duì)生長多晶硅有影響；在高溫H2退火中也有影響。 第二個(gè)反應(yīng)，即“鋁熱劑”反應(yīng)，這可使局部溫度升高到577，致使A1-Si熔合。所以，當(dāng)這種作用發(fā)生在器件中時(shí)，有可能造成Al沿Si-SiO2界面而滲透到p-n

4、結(jié)區(qū)，嚴(yán)重時(shí)甚至可使SiO2層穿通，這往往是引起淺p-n結(jié)短路的一種可能原因。 在合金化時(shí)，Al的溫度限制在420 520 。 第17頁/共73頁 19 熱擊 穿 電場(chǎng)擊穿 熱、電混合擊穿 第18頁/共73頁 20 4、SiO2厚度的測(cè)量方法：厚度的測(cè)量方法： 掩蔽法 干涉法 比色法 橢偏法 SiO2 Si d 第19頁/共73頁 21 第20頁/共73頁 22 第21頁/共73頁 23 第22頁/共73頁 24 第23頁/共73頁 25 第24頁/共73頁 26 第25頁/共73頁 27 第26頁/共73頁 28 第27頁/共73頁 第28頁/共73頁 30 一、熱氧化一、熱氧化 隨著隨著S

5、iO2 層的形成，在氧氣和硅表面之間便隔層的形成，在氧氣和硅表面之間便隔 著一層著一層SiO2，那么氧和硅怎樣才能繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，那么氧和硅怎樣才能繼續(xù)發(fā)生反應(yīng) 呢？顯然呢？顯然,氧必須擴(kuò)散通過已有的氧必須擴(kuò)散通過已有的SiO2層，這就層，這就 需要高溫氧化。高溫氧化的方法基本上有三種：需要高溫氧化。高溫氧化的方法基本上有三種： 干氧氧化，濕氧氧化和水汽氧化。干氧氧化，濕氧氧化和水汽氧化。 第29頁/共73頁 31 第30頁/共73頁 32 第31頁/共73頁 33 （1）在）在SiO2表面上，水分子同橋鍵氧離子反應(yīng)而形表面上，水分子同橋鍵氧離子反應(yīng)而形 成非橋鍵的羥基：成非橋鍵的羥基： 這就使

6、得這就使得SiO2網(wǎng)絡(luò)受到很大的削弱。這時(shí)在網(wǎng)絡(luò)受到很大的削弱。這時(shí)在SiO2表表 面上生成了硅烷醇（面上生成了硅烷醇（Si-OH）。）。 第32頁/共73頁 34 SiOH SiOH + SiSi SiSiO SiSiO + H2 （3）氫離開）氫離開SiO2，同時(shí)一部分，同時(shí)一部分H進(jìn)一步與進(jìn)一步與SiO2網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)中的橋鍵氧離子反應(yīng)而形成非橋鍵的羥基：絡(luò)中的橋鍵氧離子反應(yīng)而形成非橋鍵的羥基： 第33頁/共73頁 35 這就進(jìn)一步使得這就進(jìn)一步使得SiO2網(wǎng)絡(luò)受到削弱。隨著網(wǎng)絡(luò)受到削弱。隨著SiO2層的增層的增 厚，這些反應(yīng)將進(jìn)行得愈來愈慢。厚，這些反應(yīng)將進(jìn)行得愈來愈慢。 由于水汽氧化過程中

7、由于水汽氧化過程中SiO2網(wǎng)絡(luò)不斷遭受到削弱致使網(wǎng)絡(luò)不斷遭受到削弱致使 水分子在水分子在SiO2中擴(kuò)散也較快中擴(kuò)散也較快( (在在1200 ，水分子的擴(kuò)，水分子的擴(kuò) 散速度要比氧離子的快數(shù)十倍散速度要比氧離子的快數(shù)十倍) )。因此，水汽氧化的。因此，水汽氧化的 速度要比干氧氧化快得多。速度要比干氧氧化快得多。 第34頁/共73頁 36 第35頁/共73頁 37 第36頁/共73頁 38 氧化方氧化方 式式 氧化溫度氧化溫度 生長速率生長速率 um/minum/min 生長生長0.5um0.5um 需時(shí)間需時(shí)間minmin 氧化層密氧化層密 度度g/mlg/ml 備注備注 干法10001.481

8、0-418002.27 12006.210-43602.21 濕法100038.510-4632.15水浴 95 1200117.510-4222.12 第37頁/共73頁 39 O2 石英管石英管 HCl或者三氯或者三氯 乙烯乙烯(C2HCl3) 小小O2 干法氧化示意圖干法氧化示意圖 N2 第38頁/共73頁 40 H2O 大大O2 小小O2 石英管石英管 HCl或者三氯或者三氯 乙烯乙烯(C2HCl3) 小小O2 水汽氧化示意圖水汽氧化示意圖 第39頁/共73頁 41 H2O 大大O2 小小O2 石英管石英管 HCl或者三氯或者三氯 乙烯乙烯(C2HCl3) 小小O2 干濕交替氧化示意圖

9、干濕交替氧化示意圖 第40頁/共73頁 42 第41頁/共73頁 43 第42頁/共73頁 44 第43頁/共73頁 45 0.99V0 V0 滯留層厚度 速度邊界層（附面層、滯留層）：速度邊界層（附面層、滯留層）： 第44頁/共73頁 46 SiO2 NG NS F1F2 Si o N Ni F3 xx0 0 - 自由流體自由流體 附流層附流層 NG是氣相中的氧分子濃度，是氣相中的氧分子濃度， PG 是自由流體中的氣體分壓，是自由流體中的氣體分壓，Ns是氣相是氣相 SiO2界面上的氧濃度，界面上的氧濃度， Ps 是附流層中的氣體分壓，是附流層中的氣體分壓，No是是SiO2表面內(nèi)側(cè)的表面內(nèi)側(cè)的

10、 氧濃度，氧濃度，Ni是是SiO2Si界面上的氧濃度。界面上的氧濃度。 P S, PG, 第45頁/共73頁 47 第46頁/共73頁 48 在穩(wěn)態(tài)氧化下，對(duì)應(yīng)于這三個(gè)步驟的三個(gè)流密度在穩(wěn)態(tài)氧化下，對(duì)應(yīng)于這三個(gè)步驟的三個(gè)流密度 是相等的，即是相等的，即 F1F2F3 （1） 假定從氣相總氣流流向氣體和氧化層界面的氧化假定從氣相總氣流流向氣體和氧化層界面的氧化 劑流量正比于在總氣流中氧化劑的濃度劑流量正比于在總氣流中氧化劑的濃度NG和氧化和氧化 層表面附近的氧化劑濃度層表面附近的氧化劑濃度NS之差，氣流流量之差，氣流流量FI可可 以用線性近似表示，以用線性近似表示， 第47頁/共73頁 49 F

11、1 = hG ( NG-NS ) （2）氣相輸運(yùn)過程氣相輸運(yùn)過程 根據(jù)費(fèi)克定律：根據(jù)費(fèi)克定律： 其中其中DSiO2是是O2在氧化層中的擴(kuò)散系數(shù)在氧化層中的擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散過程擴(kuò)散過程 0 2 22 x NN D dx dN DF io SiOSiO F2= 第48頁/共73頁 50 第49頁/共73頁 51 其中其中H是亨利定律常數(shù)，此外，我們用符號(hào)是亨利定律常數(shù)，此外，我們用符號(hào)N*表示氧表示氧 化物中的平衡濃度，即設(shè)想和氣體內(nèi)部的分壓化物中的平衡濃度，即設(shè)想和氣體內(nèi)部的分壓PG相相 平衡的濃度，也就是說平衡的濃度，也就是說 （3） （4） No = H.Ps N* = H.PG 第50頁/共

12、73頁 52 按照理想氣體定律按照理想氣體定律 NG = pG / kT （5） 以及以及Ns = ps/kT （6） 于是我們可以把式（于是我們可以把式（2）寫）寫 為為 )()( * 1oo G NNhNN HkT h F HkT h h G （7） （8） 第51頁/共73頁 53 F3 = KSNi化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程 最后，假定在最后，假定在SiO2硅界面發(fā)生反應(yīng)的速率正比于界硅界面發(fā)生反應(yīng)的速率正比于界 面處面處O2的濃度于是由化學(xué)反應(yīng)原理：的濃度于是由化學(xué)反應(yīng)原理： 應(yīng)用穩(wěn)態(tài)條件應(yīng)用穩(wěn)態(tài)條件F1F2F3 F ，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算之后，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算之后， 我們得到氧化物我們得到氧化物

13、硅界面處和氣體硅界面處和氣體氧化物界面處的氧化物界面處的 氧化物質(zhì)濃度氧化物質(zhì)濃度Ni和和No的下列表示式：的下列表示式： （9） 第52頁/共73頁 54 2 /1 0 * SiOss i DxKhK N N （10） * 0 0 2 2 /1 /1 N DxKhK DxK N SiOss SiOs o （11） 第53頁/共73頁 55 考慮式（考慮式（10）和（）和（11）的兩種極限形式。）的兩種極限形式。 a. 擴(kuò)散控制擴(kuò)散控制: 當(dāng)擴(kuò)散系數(shù)很小時(shí)（當(dāng)擴(kuò)散系數(shù)很小時(shí)（ DSiO2 A2/4B，趨近于所謂拋物，趨近于所謂拋物 型關(guān)系：型關(guān)系： x02 Bt （12） 在這個(gè)關(guān)系中，在這個(gè)關(guān)系中，B叫作拋物型速率常數(shù)叫作拋物型速率常數(shù) 第62頁/共73頁 64 當(dāng)氧化時(shí)間較短（指表面無當(dāng)氧化時(shí)間較短（指表面無SiO2 層或?qū)踊騍iO2 層層 極?。O?。?，即(t)Ks , A2Dsio2(1/Ks) 屬于表面化學(xué)反應(yīng)控制過程屬于表面化學(xué)反應(yīng)控制過程 第63頁/共73頁 65 1 *