热氧化

热氧化(ThermalOxidation)热氧化(ThermalOxidation)一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研一.什么是热氧化？1.热氧化定义：•将硅片置于高温下，通以氧化的气氛，使硅表面一薄层的硅转变为二氧化硅的方法。2.二氧化硅(Si02)的结构2.1基本架构单元：4个O原子位于四面体的顶点，Si位于四面体中心。结晶形和非结晶形（无定形）二氧化硅都是Si－O正四面体结构组成的。这些四面体通过不同的桥键氧原子连接，形成不同状态和结构的二氧化硅。桥键氧非桥键氧热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构(长程无序但短程有序)。SiO2有结晶形和无定形两类。热氧化(ThermalOxidation)一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研二.为什么要热氧化？1.氧化膜作用①.作为杂质扩散或离子注入的掩蔽层②.表面钝化层③.器件隔离用的绝缘层④.mos器件的组成部分—栅介质⑤.电容器的介质材料⑥.多层布线间的绝缘层■介电强度高：10MV/cm 2.1二氧化硅的绝缘特性■电阻率高：11014·cm~11016·cm禁带宽度大：~9eV■介电常数：3.9(热氧化二氧化硅膜)2.SiO2的性质■B、P、As等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其在Si中的扩散系数。DSiDSiO2■SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散温度等，有一最小掩蔽厚度。2.2二氧化硅的掩蔽性质2.3二氧化硅的化学稳定性■二氧化硅是硅的最稳定化合物，属于酸性氧化物，不溶于水。■耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。热氧化(ThermalOxidation)一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研热氧化工艺22()()()SisOgSiOs1、干氧氧化:222()2()()2()SisHOgSiOsHg2、水汽氧化:3、湿氧氧化:通过高纯水的氧气携带一定水蒸气干氧氧化系统水汽氧化系统常压下干氧、水汽、湿氧氧化法的特点及适用范围氧化种类优点缺点适用场合干氧氧化结构致密，表面平整光亮；对杂质掩蔽能力强；钝化效果好；生长均匀性、重复性好；表面对光刻胶的粘附好生长速率在三种氧化法中最慢，例如1200℃下生长0.5m厚需6h薄层高质量氧化；厚层氧化时用于起始和终止氧化；缓冲氧化层水汽氧化生长速率快于干氧氧化及湿氧氧化,这是因为水比氧在二氧化硅中更高的扩散系数与大得多的溶解度；在固定水汽压下，水温的少许变化不影响氧化速率结构疏松；对杂质的掩蔽能力差；表面上H2O量过多时会出现斑点与其他缺陷与干氧氧化法结合生长厚氧化层湿氧氧化生长速率介于干O2与水汽氧化之间；可由水温、炉温调节生长速率，工艺灵活性大；对杂质的掩蔽能力、钝化效果能满足工艺要求表面存在羟基使其对光刻胶的粘附不好厚层氧化；干O2（10min）-湿氧-干O2(10min)在实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层来说往往采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式，既保证了二氧化硅层表面和Si-SiO2界面的质量,又解决了生长效率的问题。1、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2-气体界面，其流密度为F1。F1=F2=F3F3=KSNiDeal-Grove.热氧化模型hG为气相质量转移系数；2SiODKS为氧化剂与Si反应的界面化学反应常数。F1=hG（NG-NS）为氧化剂在SiO2中的扩散系数;采用准静态近似（即所有反应物立即达到稳态条件），则：0'222XNNDdxdNDFisSiOSiO热氧化生长动力学一、热氧化过程２、氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面，流密度为F2。３、氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度为F3。kTPNGGkTPNSS根据Henry定律，在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中的分压，则SiO2表面处的氧化剂浓度NS′：NS′=HPSH为Henry定律常数。平衡条件下，SiO2中氧化剂的平衡浓度N*与气体中氧化剂分压PG关系：N*=HPG由理想气体定律：将上述四式代入:得:F1=h(N*-NS′)F1=hG（NG-NS）HkThhG其中:图4.1硅的热氧化模型再由F1=F2=F3得:h(N*-NS′)0'2XNNDisSiO=KSNi2//1*0SiOSSiDXKhKNN22//1*100SiOSSSiOSSDXKhKNDXKN得*,0NNNSihKNNNSSi/1*1）DSiO2KSX02）DSiO2KSX0SiO2的生长速度由Si表面的化学反应速度决定，称为反应控制。氧化的两种极限下，氧化层中氧化剂的分布示意图SiO2的生长速度主要由氧化剂的扩散速度决定，称为扩散控制。二、SiO2的生长厚度计算dtdXNF013N1为生长单位体积的SiO2所需的氧化剂分子个数。氧化剂为O2时，N1为2.21022/cm3；氧化剂为H2O时，N1为4.41022/cm3。2//1*0301SiOSSSisDXKhKNKNKFdtdXN由初始条件X0（0）=Xi求得：X02+AX0=B（t+）hKDASSiO1122Si表面处的流密度也可表示为其中：1*22NNDBSiOBAXXii2进一步：14/)(1220BAtAX(无定形二氧化硅的分子密度NSiO2=2.2×1022/cm3)14/)(1220BAtAX1）氧化初期t+A2/4B，线性氧化规律)(0tABX)(*1hKNhKNABSS2）氧化后期t,tA2/4B，抛物线氧化规律B为抛物线氧化速率。SiO2生长速率由氧化剂在SiO2中的扩散快慢决定。此时B/A为线性速率常数，SiO2生长速率由SiO2-Si表面化学反应速率常数KS决定。1*22NNDBSiO氧化层厚度)(tBXo热氧化(ThermalOxidation)一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研氧化膜质量检测•质量检测是氧化工艺的一个关键步骤•氧化层质量的含义包括：厚度、介电常数、折射率、介电强度、缺陷密度等•质量检测需要对上述各项指标的绝对值、其在片内及片的均匀性进行测量•质量检测的方法一般可分为：物理测量、光学测量、电学测量1.氧化膜厚度测量方法方法名称方法要点特点光学检测法干涉显微镜法横过氧化层台阶边界的干涉条纹在台阶处发生弯曲，其弯曲量与氧化膜厚度有关测量精度高，破坏性测量比色法以一定角度观测SiO2膜，SiO2膜呈现干涉色彩，颜色与厚度有关方法迅速，精度不高，不能测微米以上的厚膜分光光度计测量改变入射光的波长，测量反射光强与波长的变化曲线测量精度高，非破坏性椭圆法入射的椭圆偏振光经SiO2的多次反射和折射后，得到改变了椭圆率的发射椭圆偏振光，其改变量与膜厚和折射率有关测量精度高，非破坏性，能同时测出膜厚和折射率比重法已知膜的面积和比重，度量膜的重量，即可知膜厚实际生产中使用不多高频MOS结构C-V法测量金属栅面积为A的MOS结构的最大电容，利用公式计算氧化层厚度：tox=ox0A/Cmax测量精度较高，非破坏性2.氧化膜的电学测量方法：（1）.击穿电压（2）.电荷击穿特性(3).电容-电压(C-V)测试：增加电容器电压，测量通过氧化层的电流热氧化硅的介电强度大约为12MV/cm；给氧化层加刚好低于击穿电场的电应力，测量电流随时间的变化关系。TDDB(TimeDependentDielectricBreakdown)测试根据C-V曲线及其温偏特性，可以判断氧化层中的固定电荷密度、可动电荷密度和界面态密度等。击穿电压的统计分布反映氧化层质量。■击穿电压：二氧化硅膜击穿电压的典型直方图■电荷击穿特性：击穿由电荷在氧化层中的积累而造成。200埃SIO2膜的恒定压力测量,曲线末端电流急剧上升表明发生了不可恢复的介质击穿.■电容-电压(C-V)测试：温度-偏压法：1)提取MOS电容C-V曲线；2)样品加热到100°C，在栅极加2-5meV/cm,保持10-20分钟,冷却到室温做C-V曲线；3)加负偏压，重复上述过程。C-V曲线热氧化(ThermalOxidation)一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化完之后呢？氧化膜质量的检测五.文献调研ImprovedSi/SiOxinterfacepassivationbyultra-thintunnelingoxidelayerspreparedbyrapidthermaloxidation(RTO)•Weanalyzetheinfluenceofdifferentoxidationmethodsonthechemicalpassivationqualityofsiliconoxide-nanolayersoncrystallinesiliconwaferswithsurfacephotovoltage(SPV)andquasi-steady-statephotoconductance(QSSPC)measurements.•Theseresultsarecomparedwithsiliconoxide-nanolayerspreparedbywetchemicaloxidationandplasmaoxidation.AppiledSurfaceScienceExperimentalsetupandprocedure•1.RCAcleaningmeasureroughness(UV-vis)•2.Re-oxidized•measurethickness(UV-vis)•3.Cleavedintotwohalves•4.MeasureDitbySPV•5.MeasureƬeffbyQSSPC①remainedintheas-depositedstate②annealinFGA450℃60min①Chemicaloxidation②Plasmaoxidation③RapidThermalOxidation•1.WetchemicaloxidationinboilingnitricacidNAOS(69.5%HNO3)for30min.•2.Plasmaoxidationinagaseousmixtureofnitrogenandoxygen(1000sccmN2:100sccmO2)at300◦CusingaSurfaceTechnol-ogySystems(STS)PECVDsystem.•3.Thermaloxidationinagaseousmixtureofargonandoxygen(2000sccmAr:200sccmO2)at950◦CusingaJipelecJetFirstRapidThermalOxidation(RTO)system.Tab.1.Fig.1.Fig.2.Fig.3.Fig.4.Fig.5.Fig.6.1Fig.6.2Tab.2.Fig.7.Conclusion•Areasonfo