西安交通大学：《芯片制造－半导体工艺实用教程》 第七章 氧化

第七章氧化 概述 硅表面Si02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Si0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 艺中最重要的部分一反应炉,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 7.1二氧化硅的性质、用途 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Si02

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。 7.1 二氧化硅的性质、用途 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。 第七章 氧 化

结构、性质 Si02膜的原 硅 氧 子结构如图所示 它是由一个硅原子 被4个氧样原子包 围着的四面体单元 组成的。是一种无 定型的玻璃状结构 具体地说是一种近 程有序的网状结构 图102二氧化硅的原子结构 没有长程有序的晶 (承蒙 International SEMATECH允许使用) 格周期

结构、性质 SiO2 膜 的 原 子结构如图所示。 它是由一个硅原子 被4个氧样原子包 围着的四面体单元 组成的。是一种无 定型的玻璃状结构， 具体地说是一种近 程有序的网状结构， 没有长程有序的晶 格周期

尽管硅是一种半导体,但Si02是一种绝缘 材料。是硅器件制造中得到广泛应用的一种膜 层,因为SiO既可以用来处理硅表面,又可以 作为掺杂的阻挡层、表面绝缘层及作为器件中 的绝缘部分。 7.1.1表面钝化 无论采取什么样的措施,器件受污染的影 响总是不可避免的。Si0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 Si02密度非常高、非常硬,因此硅表面的Si02 层可以扮演一个污染阻挡层的角色。 另一方面,Si02对器件的保护是原于其化 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的污染物最终会

尽管硅是一种半导体，但SiO2是一种绝缘 材料。是硅器件制造中得到广泛应用的一种膜 层，因为SiO2既可以用来处理硅表面，又可以 作为掺杂的阻挡层、表面绝缘层及作为器件中 的绝缘部分。 7.1.1表面钝化 无论采取什么样的措施，器件受污染的影 响总是不可避免的。SiO2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 SiO2密度非常高、非常硬，因此硅表面的SiO2 层可以扮演一个污染阻挡层的角色。 另一方面，SiO2对器件的保护是原于其化 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的污染物最终会

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 7.1.2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彳 保护而不被掺杂。如图

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。 7.1.2 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

■实现掩蔽扩散的条件 二氧化硅的早期硏究主要是作为实现定域扩 散的掩蔽膜作用,如上图所示,在杂质向Si中扩 散的同时,也要向Si02层中扩散,设在Si中的扩 散深度为x,=AD 在SiO层中的扩散深度为xo=AVD 式中:z扩散时间,D。、D分别表示杂质在 Si0和Si中的扩散系数,显然要实现掩蔽扩散的 条件是x0〉x0,即当杂质在硅中的扩散深度达 到x,时杂质在S0中的扩散深度应x0(x 所以, 氧化层厚度

◼ 实现掩蔽扩散的条件 二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩 散的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向Si中扩 散的同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩 散深度为 在SiO2层中的扩散深度为 式中： 扩散时间， 、 分别表示杂质在 SiO2和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的 条件是 ，即当杂质在硅中的扩散深度达 到 时杂质在SiO2中的扩散深度应 所以， 氧化层厚度 x A Dt j = x A D t j0 0 0 = t D0 D 0 j0 x x j x 0 0 x x j  D D A A x x x x j j j 0 0 0 0  = 0 x

由此可见,实现掩蔽扩散要求的SiO2厚度与 杂质在SiO和Si中的扩散系数有关,原则上讲, 只要ⅹ能满足上式不等式,就可起到杂质扩散 的掩蔽作用,但实际上只有那些D≤D的杂质 用Si0掩蔽才有实用价值,否则所需的Si0厚度 就很厚,既难于制备,又不利于光刻 但是,只要按照D≤D的条件选择杂质 种类,就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现,B P在Si0中的扩散系数比在Si中的扩散系数小, 所以。常常选择B、P作为扩散的杂质种类。而 对于Ga、A1等杂质,情况则相反。 值得注意的是,Au虽然在Si0中的扩散系 数很小,但由于在Si中的扩散系数太大,这样 以来横向扩散作用也大,所以也不能选用

由此可见，实现掩蔽扩散要求的SiO2厚度与 杂质在SiO2和Si中的扩散系数有关，原则上讲， 只要 能满足上式不等式，就可起到杂质扩散 的掩蔽作用，但实际上只有那些 的杂质， 用SiO2掩蔽才有实用价值，否则所需的SiO2厚度 就很厚，既难于制备，又不利于光刻。 但是，只要按照 的条件选择杂质 种类，就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现，B、 P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小， 所以。常常选择B、P 作为扩散的杂质种类。而 对于Ga、Al等杂质，情况则相反。 值得注意的是，Au虽然在SiO2中的扩散系 数很小，但由于在Si中的扩散系数太大，这样 以来横向扩散作用也大，所以也不能选用。 0 x D0  D D0  D

二氧化硅另外一个优点是在所有介质膜中 它的热膨胀系数与硅最接近 7.13表面绝缘层 Si02作为绝缘层也是器件工艺的一个重要 组成部分。作为绝缘层要求必须是连续的,膜 中间不能有空洞或孔存在。另外要求必须有 定的厚度,绝大多数晶园表面被覆盖了一层足 够厚的氧化层来防止从 金属层产生的感应,这金属层 时的S0称为场氧化物。氧化层→图么 如图所示 片

二氧化硅另外一个优点是在所有介质膜中 它的热膨胀系数与硅最接近。 7.1.3 表面绝缘层 SiO2作为绝缘层也是器件工艺的一个重要 组成部分。作为绝缘层要求必须是连续的，膜 中间不能有空洞或孔存在。另外要求必须有一 定的厚度，绝大多数晶园表面被覆盖了一层足 够厚的氧化层来防止从 金属层产生的感应，这 时的SiO2称为场氧化物。 如图所示。 金属层 氧化层 晶片

7.1.4器件绝缘体 从另一个角度讲,感应现象就是MOS技术,在 个M0S三极管中,栅极区会长一层薄的二氧化 硅(见图)。这时的Si0起的是介电质的作用, 不仅厚度而且质量都要求非常严格。 除此之外,SiO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)。 金属层 切氧层→zm MS栅氧化 场氧化 晶片

7.1.4 器件绝缘体 从另一个角度讲，感应现象就是MOS技术，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起的是介电质的作用， 不仅厚度而且质量都要求非常严格。 除此之外， SiO2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）。 场氧化 MOS 氧化 栅 金属层 氧化层 晶片

7.1.5器件氧化物的厚度 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 L00S氧化 20005000 腌膜氧化,表面钝化 300010000 场氧化

7.1.5 器件氧化物的厚度 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。 隧道栅极 栅极氧化，电容绝缘层 LOCOS 化氧 腌膜氧化，表面钝化 场氧化 二氧化硅厚度 ( ) 应用 60~100 150~500 200~500 2000~5000 3000~10 000

7.2热氧化机理 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,其化学反应式如下: Si(固态)+02(气态) SiO2(固态) 化学反应非常简单,但氧化几理并非如此, 因为一旦在硅表面有二氧化硅生成,它将阻挡 02原子与Si原子直接接触,所以其后的继续氧 化是02原子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。通 过一定的理论分析可知,在初始阶段,氧化层 厚度(X)与时间(t)是线性关系,而后变成抛物 线关系

7.2 热氧化机理 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，其化学反应式如下： Si(固态)+O2(气态) SiO2(固态) 化学反应非常简单，但氧化几理并非如此， 因为一旦在硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡 O2原子与Si原子直接接触，所以其后的继续氧 化是O2原子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。通 过一定的理论分析可知，在初始阶段，氧化层 厚度(X)与时间(t)是线性关系，而后变成抛物 线关系