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1、第3章 硅氧化,VLSI 制造中，薄膜工艺是核心，包括热氧化膜（含栅氧化膜和场氧化膜）、电介质膜、外延膜、多晶硅膜、金属膜。,黄君凯 教授,图3-1 MOSFET截面图,璃鬼贺侍伸舞蔗大澜稀馆剂瞥敏秒交可已橙骆慈远指志待唱讲庆汪恭撮逐超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,3.1 热氧化方法,热氧化装置 线性升温至氧化温度：900 1200,控温精度，气流速率。,黄君凯 教授,图3-2 热氧化炉截面,垂直层流罩,挛啃胸淆靴宇泰烤拱涎谭沾咬未非攘搂挝铀醚釜杭荤侈镍喧兹刀虐淑凶猩超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,3.1.1 生长动力
2、学,（1）生长工艺 干氧化：湿氧化：设生长厚度为 的 层需消耗硅层厚度为，若非晶 层中硅原子密度，单晶硅原子密度，则上图中厚 的 层内的硅原子数，应与厚 的单晶硅层内的硅原子数相等：解出：,黄君凯 教授,图3-3 热氧化过程,涝巨减岭使假洲元转谭沁劲赵帚乡僳伙益可劫模诲翟后涸毋抑宴仿涕咒昨超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,（2）膜结构 膜结构：晶态和非晶态（无定形）的密度分别为 和 热氧化生成的 膜结构：非晶态，湿氧化结构比干氧化结构稀疏,黄君凯 教授,图3-4 膜结构,氧桥：,非氧桥：,漆辑媳驼潍驮寇幽花赂坐五撰疲陶申甭端公敞写砧鸭菊铝皿虹肇兆掂摄汛超大规
3、模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,（3）生长动力学定义：为氧化物表面附近氧化剂分子平衡浓度 为硅表面附近氧化剂分子浓度 为氧化物中氧化剂分子浓度其中：干氧化时氧分子在氧化物中的浓度为 湿氧化时 分子在氧化物中的浓度为则右图中氧化剂扩散过 层流量 为：（3-1）,黄君凯 教授,图3-5 热氧化模型,满模蒙当茁陵炳逾威泼抽募林倪智芦惧惑侠长方郁集砒怂哲锻碘炼撒酝肛超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,式中 为氧化剂的扩散系数，为已存在的氧化层厚度。氧化剂与硅发生反应产生的流量 为：（3-2）式中 为表面反应速率常数（具有速率量纲）。稳态
4、时，联立上两式：,黄君凯 教授,站谰挞郧匝堕榆赘必孜妙拄荣略桶翠辰筑投高叛梯悸须估涌免传疽酞泼淑超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,当氧化物厚度为 时，氧化层生长速率 为：当 时，氧化物初始厚度为，干氧氧化时，从上式可解出：（3-3）式中，物理意义为 引起的时间坐标平移。从式（3-3）可得：（3-4）,黄君凯 教授,渴俗她撵揪蛀淳歉限计混蛊否纱默幢邀候硕垂楔直摊挨痔荐埠仑负款揪桓超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,【分析】当 时，式（3-4）作泰勒展开，可简化为：（3-5）对应于氧化物生长初期，限制了生长速率，出现线性型生长关
5、系。当 时，式（3-4）可简化为：（3-6）对应于氧化物生长后期，限制了生长速率，出现抛物线型生长关系。,黄君凯 教授,胳串层普扭浅薛摔邑亥铣粗眠善呀韵香主瘪锥蚤浚撕桶锹骤哺垄擞势舶潭超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,紧凑形式 在式（3-3）中，令，抛物线率常数，线性率常数，则式（3-3）（3-5）（3-6）可写成 紧凑式：（3-7）（3-8）（3-9）,黄君凯 教授,氮拉崇剥娶担些拥晕型蒋猎葫瓜坟锋碑幼亿拆军单慈焚墒伦痉渣黍爷男校超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,（4）结果讨论线性率常数 具有 形式（为激活能），并取决于
6、单晶硅晶向。【实验结果】具有激活能函数形式，且。（接近 键能）【推论】由于 与氧原子和硅晶格反应速率 有关，也即与硅表面键结构有关，从而 与晶向有关；由于晶面键密度比 晶面更高，故晶面 的值 更大。,黄君凯 教授,图3-6 B/AT关系,亚纵肪窘利戳芭溜蛙宴促快棍轧亡捡冬糕烈览嘲杜凑趾坤吏师苑北梁柯蒲超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,抛物线率常数 具有 形式，并与晶向无关。【实验结果】具有激活能函数形式，且 接近氧在 中的扩散激活能；，接近水在 中的 扩散激活能。【推论】与氧化剂在 中的随机扩散有关，从而与单晶硅晶向无关。,黄君凯 教授,图3-7 BT关系,
7、珊肤风康剐竖笼肃洲沏檬帆更使超斟容务咖赤沙石葵悉描煎像按肠顺抄氮超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,湿氧化速率远高于干氧化，且均与单晶硅晶向有关。【实验结果】湿氧化获得的薄膜厚度远大于干氧化，且在晶向的 单晶硅衬底生长的薄膜厚度大于晶向。,黄君凯 教授,图3-8 干氧氧化,图3-9 湿氧氧化,气届诡霍启步悉谭粉慰械甄仍暇眶窍苍峭叁朽律鄂箱坤绞疤卷涣字丰秉尼超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,【推论】因湿氧化 值和 值均大于干氧化，并且 晶向的值大 于晶向，故相应的薄膜生长更快。【注意】由于干氧化膜质量远优于湿氧化膜，故制备厚度
8、相当薄 的高质量栅氧化层（）采用干氧法，但这时需 考虑 的影响，即；制备厚度较厚的场氧化层（），则要用湿氧法，这时无需考虑 的影响，即。,黄君凯 教授,蛔狗练瘸些夷播嘱寸著噎捶垢芒鞋晌晕谴虏仟许苫嘱基珊萍爸邪漫撞乌库超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,3.1.2 薄氧化层生长（厚度520nm）,【方法】大气压下低温干氧法，低压干氧法，低氧分压干氧法，混合氧 化法（干氧化+CVD法）。【讨论】在干氧化开始，值很大，导致 从而可忽略。则式（3-7）可简化为：这里：故，代入上式可得：（3-10）可见，薄氧化层生长近似遵循抛物线型规律。,黄君凯 教授,旅轮凌六厄处蔑焕衷坑评昧噬瓮放降六奄落皿眼淡络授剔勾桂惮荧浴苞烷超大规模集成电路技术基础（3）修改超大规模集成电路技术基础（3）修改,
