超大規(guī)模集成電路技術(shù)基礎(chǔ)3修改課件

第3章硅氧化VLSI制造中，薄膜工藝是核心，包括熱氧化膜（含柵氧化膜和場(chǎng)氧化膜）、電介質(zhì)膜、多晶硅膜、金屬膜。黃君凱教授圖3-1MOSFET截面圖3.1熱氧化方法熱氧化裝置線性升溫至氧化溫度：900~1200,控溫精度，氣流速率。黃君凱教授圖3-2熱氧化爐截面垂直層流罩3.1.1生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（1）生長(zhǎng)工藝

干氧化：

濕氧化：

設(shè)生長(zhǎng)厚度為的層需消耗硅層厚度為，若非晶層中硅原子密度

，單晶硅原子密度

，則上圖中厚的層內(nèi)的硅原子數(shù)，應(yīng)與厚的單晶硅層內(nèi)的硅原子數(shù)相等：解出：黃君凱教授圖3-3熱氧化過(guò)程（3）生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)定義：

為氧化物表面附近氧化劑分子平衡濃度

為硅表面附近氧化劑分子濃度為氧化物中氧化劑分子濃度其中：干氧化時(shí)氧分子在氧化物中的濃度為濕氧化時(shí)分子在氧化物中的濃度為則右圖中氧化劑擴(kuò)散過(guò)層流量為：

（3-1）黃君凱教授圖3-5熱氧化模型式中為氧化劑的擴(kuò)散系數(shù)，為已存在的氧化層厚度。氧化劑與硅發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的流量為：

（3-2）式中為表面反應(yīng)速率常數(shù)（具有速率量綱）。穩(wěn)態(tài)時(shí)，

，聯(lián)立上兩式：黃君凱教授當(dāng)氧化物厚度為時(shí)，氧化層生長(zhǎng)速率為：當(dāng)時(shí)，氧化物初始厚度為，干氧氧化時(shí)，從上式可解出：

（3-3）式中，物理意義為引起的時(shí)間坐標(biāo)平移。從式（3-3）可得：（3-4）黃君凱教授緊湊形式

在式（3-3）中，令，拋物線率常數(shù)，線性率常數(shù)，則式（3-3）（3-5）（3-6）可寫(xiě)成緊湊式：

（3-7）

（3-8）

（3-9）黃君凱教授（4）結(jié)果討論線性率常數(shù)具有形式（為激活能），并取決于單晶硅晶向?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】具有激活能函數(shù)形式，且

。（接近鍵能）【推論】由于與氧原子和硅晶格反應(yīng)速率有關(guān)，也即與硅表面鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)，從而與晶向有關(guān)；由于<111>晶面鍵密度比<100>晶面更高，故<111>晶面的值

更大。黃君凱教授圖3-6B/A~T關(guān)系拋物線率常數(shù)具有

形式，并與晶向無(wú)關(guān)?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】

具有激活能函數(shù)形式，且接近氧在

中的擴(kuò)散激活能；，接近水在中的擴(kuò)散激活能?！就普摗颗c氧化劑在中的隨機(jī)擴(kuò)散有關(guān)，從而與單晶硅晶向無(wú)關(guān)。黃君凱教授圖3-7B~T關(guān)系【推論】因濕氧化值和值均大于干氧化，并且<111>晶向的值大于<100>晶向，故相應(yīng)的薄膜生長(zhǎng)更快?！咀⒁狻坑捎诟裳趸べ|(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于濕氧化膜，故制備厚度相當(dāng)薄的高質(zhì)量柵氧化層（）采用干氧法，但這時(shí)需考慮的影響，

即；制備厚度較厚的場(chǎng)氧化層（），則要用濕氧法，這時(shí)無(wú)需考慮的影響，即。黃君凱教授3.1.2薄氧化層生長(zhǎng)（厚度5~20nm）【方法】大氣壓下低溫干氧法，低壓干氧法，低氧分壓干氧法，混合氧

化法（干氧化+CVD法）?！居懻摗吭诟裳趸_(kāi)始，

值很大，導(dǎo)致從而可忽略。

則式（3-7）可簡(jiǎn)化為：