页数：120页文件大小：2.87 MB来源： 微电子工艺学ppt课件
本课件系统讲解热氧化与薄膜制备，从二氧化硅的结构性质与主要用途出发，比较干氧、水汽、湿氧与高压氧化方法，进而给出热氧化原理、Deal-Grove 生长动力学与影响氧化速率的因素，并延伸到掩模特性与氧化层质量分析。
微电子工艺学Microelectronic Processing第三章热氧化和薄膜制备技术
在微电子器件中广泛使用着各种薄膜，这些薄膜可以粗略地分为五大类：热氧化薄膜、电介质薄膜、外延薄膜、多晶硅薄膜以及金属薄膜。
其特点是：一、在微电子器件中用途各异，例如：热氧化薄膜和电介质薄膜—导电层之间的绝缘层，扩散和离子注入的掩模，防止掺杂杂质损失而覆盖在掺杂膜上的覆盖膜或钝化膜；外延薄膜—器件工作区；
多晶硅薄膜—MOS器件中的栅级材料，多层金属化的导电材料以及浅结器件的接触材料；金属膜和金属硅化物薄膜—形成低电阻内连、欧姆接触及用来调整金属与半导体之间的势垒。3.1概述
二氧化硅的结构和性质结晶形和非结晶形（无定形）二氧化硅都是Si－O正四面体结构组成的。这些四面体通过各种不同的桥键氧原子连接起来，形成各种不同状态和结构的二氧化硅。微电子工艺中采用的二氧化硅薄膜是由热氧化法生长的无定形结构(长程无序但短程有序)。
在无定形SiO2网络中，硅在SiO2中的扩散系数比氧的扩散系数小几个数量级。在热氧化法制备的过程中，是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层，到达Si-SiO2界面，与硅反应生成SiO2，而不是硅向SiO2外表面运动，在表面与氧化剂反应生成SiO2
SiO2可与强碱发生极慢的反应，生成相应硅酸盐。SiO2在高温下被活泼金属或非金属还原：SiO2与碳放入电炉内加热到1800℃时，能生成碳化硅：
不同方法制备的SiO2薄膜的物理参数介电：下表列出相关数据。
不同方法制备的SiO2薄膜的物理参数介电强度（108V/cm）介电常数电阻率（Ωcm）折射率λ＝546nm密度（g/cm3）氧化方法93.43×1015-2×10161.46-1.4662.24-2.27干氧3.821.435-1.4582.18-2.27湿氧6.8-93.21015-10171.452-1.4622-2.2水汽7-91.45-1.482.32高压氧化107-1081.43-1.452.09-2.15热分解淀积5-63.547×1014-8×10141.46-1.472.3外延淀积
二氧化硅层的主要用途二氧化硅对杂质有掩蔽扩散作用，能实现选择性定域扩散掺杂器件表面的保护和电路的钝化膜器件的电隔离（绝缘）作用电容的介电材料作MOS管的绝缘栅材料多层互连的层间绝缘介质缓冲层/热氧化层
1.扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层SiO2对杂质扩散起到掩蔽作用，利用这个性质结合光刻工艺，就可以进行选择性扩散。这种掩蔽作用是有条件的。随着温度升高扩散时间延长，杂质也有可能会扩散穿透SiO2膜层，使掩蔽作用失效。
因此SiO2起掩蔽作用有两个条件(1)厚度足够；（2）所选杂质在SiO2中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多。
2.器件和电路的保护或钝化膜在硅片表面生长一层SiO2膜，可以保护硅表面和P-N结的边缘不受外界影响，提高器件的稳定性和可靠性。同时，在制造工艺流程中，防止表面或P-N结受到机械损伤和杂质玷污，起到了保护作用。
另外，有了这一层SiO2膜，就可以将硅片表面和P-N结与外界气氛隔开。降低了外界气氛对硅的影响，起到钝化作用。但是，钝化的前提是膜层的质量要好，如果SiO2膜中含有大量纳离子或针孔，非但不能起到钝化作用，反而会造成器件不稳定。
3.某些器件的重要组成部分(1)MOS管的绝缘栅材料：在MOS晶体管中，常以SiO2膜作为栅极，这是因为SiO2层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。
但作为绝缘栅要求极高，因为Si-SiO2界面十分敏感（指电学性能），SiO2层质量不好，这样的绝缘栅极就不是良好的半导体器件。
(2)电容器的介质材料：集成电路中的电容器是以SiO2作介质的，因为SiO2的介电常数为3-4，击穿耐压较高，电容温度系数下，这些性能决定了它是一种优质的电容器介质材料。另外，生长SiO2方法很简单，在集成电路中的电容器都以SiO2来代替。
4.集成电路中的隔离介质集成电路中的隔离有P-N隔离和介质隔离两种，而介质隔离中的介质就是SiO2。因为SiO2介质隔离的漏电流很小，岛与岛之间的隔离电压较大，寄生电容较小。因此，用SiO2作介质隔离的集成电路的开关速度较好。
5.用于电极引线和硅器件之间的绝缘介质在集成电路制备中，电极引线和器件之间，往往有一种绝缘材料，工艺上大多采用SiO2作为这一层绝缘材料，使得器件之间，电极引线之间绝缘。6.多层互连的层间绝缘介质（ILD／IMD）隔离相邻金属层之间电连接的绝缘材料。
金属线传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线影响。通常采用CVD方法制备。
7.缓冲层/热氧化层当氮化硅直接沉积在硅衬底上时，界面存在极大应力和界面态密度，多采用Si3N4/SiO2/Si结构。场氧化时，SiO2会有软化现象，可消除氮化硅与衬底之间的应力。通常采用热氧化生成，厚度很薄。
二氧化硅的制备硅表面形成SiO2的方法很多：热氧化、热分解淀积、溅射、蒸发等。由于热氧化的氧化反应发生在Si-SiO2交界面，接触到的杂质、污染比较少，形成的SiO2质量也就较高，所以，多采用热氧化法生长氧化膜。
热氧化法包括干氧、水氧和湿氧三种方法，通常采用干湿干的氧化模式。
（1）干氧氧化干氧氧化是在高温下，氧分子与硅直接反应生成SiO2，反应为：氧化温度约为1000～1200℃，为了防止外部气体对氧化的影响，炉内的气压要高于炉外的气压。
干氧生长的氧化膜表面干燥、结构致密，光刻时与光刻胶接触良好、不易产生浮胶，但氧化速率极慢，这是由于O2在SiO2中扩散系数通常小于H2O在SiO2中的扩散系数。适用：较薄的氧化层的生长，例如MOS器件的栅极。
干氧氧化系统
水汽氧化水汽氧化是指在高温下，硅与高纯水蒸汽反应生成SiO2膜，反应式为：对高纯水加热产生高纯水蒸气，水汽进入氧化炉与硅片反应生成SiO2膜。水汽氧化氧化速率较快，但膜层不致密，质量很差，特别是对杂质扩散的掩蔽作用较差，所以这种方法基本不采用。
水氧氧化系统
水汽氧化的示意图较高的水温只增大通过硅片附近的蒸汽流量，并不改变水汽的浓度大小。
湿氧氧化湿氧氧化中，用携带水蒸气的氧气代替干氧。氧化剂是氧气和水的混合物，反应过程如下：氧气通过95℃的高纯水；氧气携带水汽一起进入氧化炉在高温下与硅反应。湿氧氧化相当于干氧氧化和水汽氧化的综合，其速率也介于两者之间。
具体的氧化速率取决于氧气的流量、水汽的含量。氧气流量越大，水温越高，则水汽含量越大，氧化膜的生长速率和质量越接近于水汽氧化的情况。反之，就越接近于干氧氧化。
一般湿氧氧化是由携带气体通过水浴后，含有水汽的氧气进入石英管对硅片进行氧化，而水汽的多少由水浴的温度控制，同时水浴的质量也将影响氧化层质量的好坏。
一种新的湿氧氧化方法，它是依靠高纯的氢气和氧气在石英管中按比例混合燃烧成水，氢和氧的比例为2:1时为水汽氧化，小于这比例为湿氧氧化，当氢气为零时，为干氧氧化。
三种氧化方法的比较速度均匀重复性结构掩蔽性水温干氧：慢好致密好湿氧：快较好中基本满足95℃水汽：最快差疏松较差102℃
生产中经常采用干氧-湿氧-干氧结合的方法，综合了干氧氧化SiO2干燥致密，湿氧氧化速率快的优点，并能在规定时间内使SiO2层的厚度，质量合乎要求。干氧氧化速度慢，氧化层结构致密，表面是非极性的硅-氧烷结构。所以与光刻胶粘附性好，不易产生浮胶现象。
水汽氧化的速度快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化的好，特别是氧化层表面是硅烷醇，存在的羟基极易吸附水，极性的水不易粘润非极性的光刻胶，所以氧化层表面与光刻胶粘附性差。
高压水汽氧化高压氧化方法主要的优点是可以比常压时用更低的温度，更少的时间得到相同的厚度高压水汽氧化时，以氮化硅为氧化掩蔽层。这是超大规模集成电路制造中进行等平面工艺的理想方法同时高压氧化也同样与衬底Si材料的晶向有关硅氧化所需的水汽是由氢气与氧气燃烧产生的
生长1μm的氧化层要消耗掉0.46μm厚的Si层，SiO2的体积比消耗掉的硅膨胀一倍
例题：下表列出相关数据。
氯使界面处的硅形成硅空位，吸收本征层错中的过多的硅原子，减少层错。（3）掺氯氧化膜的负偏压不稳定性掺氯氧化膜加负偏压时，高温负电场会破坏Si－Si、Si－O键，变形或破裂，增加固定氧化物电荷和界面陷阱电荷密度，使C－V曲线向负方向移动。
O－Si+－ClOOO－Si++ Cl－OO
其他常用氧化方法(1).氢氧合成氧化氢氧合成水----汽化===>水汽氧化比湿氧优,均匀/重复性好(2).低温氧化:缺陷少,（1000℃以下）但钝化效果差---加1100℃N2退火(3).高压氧化：指高压水汽氧化，高密度、高折射率低腐蚀速率，杂质分凝效应小。
热分解淀积二氧化硅热分解淀积是利用硅的化合物热分解，在衬底上淀积一层SiO2，衬底本身不参加反应，因此淀积温度比热生长SiO2要低得多。作为淀积SiO2的主要化合物是烷氧基硅烷和硅烷。
硅烷SiH4在氧气中热分解反应如下：SiH4+2O2—→ SiO2+2H2O,反应温度一般选在300℃左右
热分解常用的烷氧基硅烷最佳分解温度：下表列出相关数据。
热分解常用的烷氧基硅烷最佳分解温度（℃）蒸汽分解温度（℃）沸点（℃）分子量化学式材料名称750728-840107208Si(OC2H5)4四乙氧基硅烷（正硅酸乙脂）700650-750161192(C2H5)Si(OC2H5)3乙基三乙氧基硅烷650600-740198234C5H11Si(OC2H5)3戊基三乙氧基硅烷700610-750234240C6H5Si(OC2H5)3苯基三乙氧基硅烷800760-900111148(CH3)2Si(OC2H5)2二甲基二乙氧基硅烷
热氧化生长动力学（Deal-Grove迪尔-格罗夫模型）NG气体内部氧化剂浓度NGSSiO2表面外侧氧化剂浓度NOSSiO2表面内侧氧化剂浓度NSSiO2/Si界面处氧化剂浓度toxSiO2薄膜的厚度 对温度700－1300°C，压力2×104－1.01×105Pa，氧化层厚度30－2000nm范围内的氧气和水汽氧化，D-G模型都是适用的。
2.氧化剂穿过SiO2层到达SiO2－Si界面，流密度为F2。假定在已生长的氧化层中没有氧化剂的源和漏，则氧化剂的浓度呈线性变化。且有：式中，NOS和NO分别表示SiO2层中和SiO2－Si界面处的氧化剂浓度，tox为SiO2层厚度。
D0：氧化剂在SiO2中的扩散系数；F2：氧化剂扩散通过已生成的二氧化硅到达SiO2/Si界面的扩散流密度。
当时，NS→0，NGS→HGpg氧化剂以扩散方式通过SiO2层运动到SiO2－Si界面处的量极少，以至于到达界面处的氧化剂与硅立即发生反应生成SiO2，界面处没有氧化剂堆积，其浓度趋于零。
而在SiO2表面处，氧化剂因扩散速度慢而产生堆积，浓度趋向于气相平衡时的浓度Hpg。此时，热氧化硅生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散速度决定，这种极限情况称为扩散控制。
当时，NS→ NGS→Hpg/(1+kS/hG)在这种情况下，进入SiO2中的氧化剂快速扩散到SiO2－Si界面。相比之下，界面处氧化剂与硅反应生成SiO2的速度很慢，造成氧化剂在界面处堆积，趋近于SiO2层中的浓度。
此时，SiO2生长速率由硅表面的化学反应速度决定，这种极限情况称为反应控制。氧化剂与硅反应，每生长单位体积SiO2所需氧化剂的分子个数用Nl表示。已知每立方厘米SiO2的分子数为2.2×1022个，每生成一分子SiO2需要一个O2或两个H2O。
那么，对氧气氧化，Nl为2.2×1022atoms /cm3。对水汽氧化，Nl为4.4×1022atoms/cm3。此时，生长速率为：
假设氧化前已存在厚度为t0的氧化层，则此微分方程给出SiO2生长厚度与时间的关系：于是有氧化层厚度与时间的关系： 当(t+τ)<<A2/4B(B/A线性速率常数)时有：当(t+τ)>>A2/4B(B/A线性速率常数)时有：氧化层厚度足够薄，反应速率控制氧化层厚度足够厚，扩散速率控制
热氧化生长的两个阶段①线性阶段②抛物线阶段（生长逐渐变慢，直至不可忍受）简记为：tox=B/At简记为： 当(t+τ)<<A2/4B(B/A线性速率常数)时有：当(t+τ)>>A2/4B(B/A线性速率常数)时有：
B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线速率系数
热氧化生长速率SiO2的生长的快慢将由氧化剂在SiO2中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素来决定。即由扩散控制和表面化学反应速率来决定。
当在氧化物生长的开始阶段或氧化时间很短时，限制生长速率的主要因素是表面反应，氧化服从线性规律，氧化层厚度随时间线性变化，即此时SiO2的生长速率主要由表面化学反应来决定。
当氧化层变厚或氧化时间很长时，氧化剂必须通过氧化层扩散，氧化剂与硅的氧化反应服从抛物型规律，此时SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散快慢来决定。氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比。
氧化速率常数随温度和压强的关系
温度的影响分析1.对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。2.对于线性速率常数B/A，温度的影响则主要是通过反应速率常数Ks体现的。
具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅－硅键的断裂，具有相同的激活能。
抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）
氯对氧化速率的影响
不均匀的氧化率及氧化步骤经过一些制作工艺后，晶圆表面的条件会有所不同，有的是场氧化区，有些是掺杂区，有些是多晶硅区等等。每个区上面氧化层厚度不同，氧化层厚度的不同被称为不均匀氧化。不同的氧化率导致了在晶圆表面形成台阶。
图中显示的是与比较厚的场氧化区相邻的氧化区形成了一个台阶，在暴露区的氧化反应较快。
自然氧化层迪尔－格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用。在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔－格罗夫模型需要用τ来修正。
硅（100）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系
硅的氧化系数湿氧干氧温度(℃)B：下表列出相关数据。
硅的氧化系数湿氧干氧温度(℃)B(μm2/h)A(μm)τ(h)B(μm2/h)A(μm)——90.00110.378000.2030.51.40.00490.2359200.2870.2260.370.01170.16510000.510.110.0760.0270.0911000.720.050.0270.0450.041200其中：τ是考虑到自然氧化层的因素，250Å左右。
有一硅样品在温度为1200℃下进行干氧氧：下表列出相关数据。
有一硅样品在温度为1200℃下进行干氧氧化1小时，产生的氧化层厚度是多少？在温度为1200℃下再进行湿氧氧化生成0.1μm的氧化层需要增加多长时间？已知在1200℃下干氧氧化速率常数A＝0.04 μm，B＝0.045 μm2/h，τ＝0.027h。
1200℃下湿氧氧化速率常数A＝0.05μm，B＝0.72μm2/h。
解：将A、B、τ代入方程得到氧化层厚度为0.196μm干氧氧化后再进行湿氧氧化，则d0＝0.196 μm，此时：τ = (d02+Ad0)/B = 0.067h最后理想厚度(d0+0.1)＝0.296μm，得到需增加的氧化时间为：τ＝0.075h＝4.5min。
计算在120分钟内：下表列出相关数据。
计算在120分钟内，920℃水汽氧化（640Torr）过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。
热氧化技术从氧化反应方程式可以看出，氧和硅的反应似乎很简单，但是要达到硅技术中的氧化必须附加条件，那就是加热，给反应过程足够的能量是其满足要求，所以常称之为热氧化。通常在常压或高压条件下生长。有两种常压技术，如图所示。
水平炉管反应炉最早使用也一直延续至今。主要用在氧化、扩散、热处理及各种淀积工艺中。水平炉管反应炉的截面图如下：整个系统包含反应室、温度控制系统、反应炉、气体柜、清洗站、装片站等
快速升温反应炉随着晶圆尺寸越来越大，升温降温时间会增加，成本也越来越高。解决这个问题的手段就是确保最大批量，但这又会减慢流程。为了解决这个问题，引进了快速升温、小批量生产的反应炉，这就是大功率加热的小型水平炉。
通常反应炉每分钟升温几度，而快速升温反应炉每分钟升温十几度。小容量的低效率缺陷由快速的反应时间来补偿。快速加热工艺（RTP）快速加热工艺主要是用在离子注入后的退火，目的是消除由于注入带来的晶格损伤和缺陷。传统上的退火工艺由炉管反应炉来完成。
但是在退火消除缺陷的同时又会带来一些其他的负面影响，比如，掺杂的再分布。这又是不希望发生的。这就使得人们在寻找其它的退火方式，这个方式就是快速加热工艺。RTP工艺是基于热辐射原理见右图。
加热源（十字钨灯）在晶园的上面，这样晶园就可被快速加热。热辐射偶合进入晶园表面并以75℃～125℃的速度到达工艺温度，由于加热时间很短，晶园体内温度并未升温，这在传统的反应炉内是不可能实现的。
用这个工艺进行离子注入后的退火，就意味着晶格破坏修复了，而掺入杂质的分布没有改变。RTP技术不只是用在“退火工艺”，对于MOS栅极中薄的氧化层的生长是自然而然的选择，由于器件尺寸越来越小的趋势使得加在晶园上的每层的厚度越来越薄，厚度减少最显著的是栅极氧化层。
先进的器件要求栅极厚度小于0.01微米。如此薄的氧化层对于普通的反应炉来说，是难以实现的。而RTP系统快速升温降温可以提供所需的控制能力。
高压氧化增加氧化剂分压提高氧化速率前面已经提到，在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速率，或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是经常采用方法。
因为温度越高时间越长越会引起其它负面影响，比如，晶园表面层中“错位”和温度及高温下的时间密切相关，而这种错位对器件特性是很不利的。
和普通水平反应炉相似，不同的是炉管是密封的，氧化剂被用10~25倍大气压的压力泵入炉管。在这种压力下，氧化温度可降到300~700℃而又能保证正常的氧化速率。在这种温度下晶园的错位生长可降到最小。
高压氧化也是MOS栅极氧化的优选工艺之一，因为高压氧化中生成的栅极氧化层比常压下生成的绝缘性要强。高压氧化工艺还可以解决在局部氧化(LOCOS)中产生的“鸟嘴”效应问题。
在氧化时，当O2扩散穿越已生长的氧化物是，他是在各个方向上扩散的，纵向扩散的同时也横向扩散，这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边沿，称之为“鸟嘴效应”。
3.2热生长二氧化硅薄膜
3.2热生长二氧化硅薄膜
3.2热生长二氧化硅薄膜
再分布的四种可能(1)m<1，在SiO2中是慢扩散的杂质，如硼(2)m<1，在SiO2中是快扩散的杂质(3)m>1，在SiO2中是慢扩散的杂质，如磷(4)m>1，在SiO2中是快扩散的杂质3.3热氧化过程中的杂质再分布
SiO2在微电子器件制造中的重要用途之一，就是作为选择扩散的掩蔽膜。选择扩散是根据某些杂质（例如B、P）在SiO2中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度这一性质来实现的。
杂质在SiO2中的扩散系数1.选择扩散的掩蔽膜在各种器件制造中往往是通过硅表面特定区域向硅内掺入一定数量的某种杂质，其余区域不进行掺杂。即选择扩散。
选择扩散是根据某些杂质，在条件相同的情况下，在SiO2中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度的性质来完成，即利用SiO2层对某些杂质起到“掩蔽”作用来达到。
在相同条件下，杂质在硅中的扩散深度已达到要求时，而在二氧化硅中的扩散深度还非常浅，没有扩透预先生长的SiO2层，因而在SiO2层保护的硅内没有杂质进入，客观上就起到了掩蔽作用。
一定杂质含量下，常用杂质在SiO2层中的扩散系数
实现掩模遮蔽的条件1，所选用的扩散源在SiO2中的扩散系数必须比在硅中的扩散系数小的多；2，SiO2层必须具有足够的厚度，以确保杂质在扩散区达到预定的结深时，SiO2层还远没有被扩透。
以热氧化法生长的SiO2膜，在微电子器件结构中具有多种用途，其中最主要的是作为MOSFET器件的的栅氧化层。SiO2膜的质量直接关系到半导体器件及集成电路的性能。因此，对SiO2膜的质量要求是很严格的。
从宏观上看，要求表面无斑点、裂纹、白雾及发花现象以及没有针孔等缺陷存在。其膜质量要符合要求而且均匀，结构致密，对一些缺陷，尤其是可动钠离子要求含量越低越好。
一、氧化层的电荷由于在Si-SiO2界面因氧化的不连续而存在一个过渡区，各种不同的电荷和缺陷会随着热氧化而出现，如钠离子进入SiO2成为可移动电荷。这些电荷的存在会极大地影响器件的参数，降低器件可靠性。
氧化层中存在的各种电荷主要有： Na++ + + ++ + + +ψψψAlSiO2SiOXSi<<<<<<<<<<<<<<<<<<ρρρρρρρρρρNa+Na+:可动离子ψ表面正负离子+ +氧化物陷阱电荷<<:固定电荷ρρ:界面陷阱电荷
1.界面势阱电荷Qn在Si-SiO2界面的正或负的电荷，起源于Si-SiO2界面结构缺陷、氧化诱生缺陷以及由金属杂质和辐射等因素引起的其它缺陷，它的能级在硅的禁带中，电荷密度约为1010cm-2。
通常会造成器件参数的不稳定，而且会导致器件表面漏电流和1/f噪声增加以及跨导的降低。目前采用热氧化法生长SiO2的MOS器件，其界面势阱电荷大多采用低温（450℃）氢退火进行钝化处理。
2.氧化层固定电荷Qf位于Si-SiO2界面SiO2层约3 nm范围内的正电荷。这种电荷很稳定，很难充电或放电，依赖于氧化和退火条件以及硅的晶向，电荷密度约为1010～1012cm-2。固定电荷会使器件的C-V曲线向负方向平移，但不改变其形状。
由于其面密度是固定的，所以仅影响阈值电压的大小而不会导致电压不稳定。适当的退火及冷却速率能减小Qf。
3.氧化层势阱电荷Qot由氧化层内杂质或不饱和键捕捉到氧化过程中产生的电子或空穴而引起，正负均有可能。电荷密度约为109～1013cm-2。氧化层势阱电荷与SiO2的缺陷，即与工艺过程有关。比如，这些电荷可以通过X光辐射或高能电子撞击产生。
通过氢退火可降低其浓度甚至完全消除。4.可移动电荷Qm由氧化系统中的碱金属离子（如K+、Na+、Li+等）进入氧化层而引起，电荷密度约为1010～1012cm-2。碱金属离子的玷污会影响器件在高偏置和高温条件下的工作稳定性。
这类条件下，可移动离子电荷能够在氧化层中前后移动，导致阈值电压变化。因此，要特别注意消除器件制造过程中产生的可移动离子。可在氧化前通入含氯的化合物清洗炉管，氧化方法采用掺氯氧化。以上这些电荷可采用电容－电压（C－V）法进行检测。
不同氧化层厚度的干涉色彩氧化层厚度：下表列出相关数据。
不同氧化层厚度的干涉色彩氧化层厚度（×10-8cm）颜色第四周期第三周期第二周期第一周期100灰色300黄褐色800蓝色6500465027501000紫色6800490030001500深蓝色7200520033001850绿色7500560037002100黄色600040002250橙色650043002500红色
高频C-V测试利用金属－氧化物－半导体结构，测量其电容－电压关系曲线，由于C-V曲线与氧化层的厚度及膜中含有的杂质，电荷和能级状态有关。确定氧化层中可动电荷密度NNa+
确定氧化层厚度确定等效的界面电荷密度Qss
热应力SiO2（5×10-7K-1）与硅（2.6×10-6K-1）的热膨胀系数不同，因此在结束氧化退出高温过程后会产生一定的热应力。对SiO2来说受到的是来自硅的压缩应力，这会导致硅片弯曲并产生缺陷，严重时氧化层发生破裂使硅片报废。
所以，在加热或冷却过程中必须使硅片均匀受热，保持升温和降温速率不能太大。
二氧化硅膜缺陷检验SiO2膜的缺陷有宏观缺陷和微观缺陷两种。所谓宏观缺陷是指用肉眼就可以直接观察到的缺陷。所谓微观缺陷是指必须借助于测试仪器方能观察到的缺陷。宏观缺陷：又称表面缺陷。它是指：氧化层厚度不均匀、表面有斑点、氧化层上有针孔等等。
氧化层厚度不均匀：造成氧化层厚度不均匀的主要原因是氧化炉管内氧气或水汽不均匀。此外，氧化炉温不稳定、恒温区太短、水温变化不均匀等也都会造成氧化层厚度不均匀。这种不均匀现象，不仅影响了SiO2的掩蔽功能，也使得绝缘性变差，而且光刻工序也会出现钻蚀现象。
要想得到厚度均匀的氧化层，必须使恒温区长而稳定，石英舟必须严格控制在恒温区中间，对于气体流量、炉温、水温都要很好地控制。
显示针孔的方法1，电学写真法－利用联苯胺的盐酸溶液在电化学作用后有无色液体变为蓝色产物2，化学腐蚀法－利用对硅和二氧化硅腐蚀不同的腐蚀液进行选择腐蚀3，自愈合击穿技术－涂极薄的金属铝，在MOS结构上加电压，使电容击穿4，染色法－利用电解液，以铜做阳极，硅片做阴极5，液晶探测真空－通过真空引起液晶分子的扰动6，铝的氧化－只能显示有无针孔，对小针孔无能为力
氧化诱生层错是热氧化产生的缺陷，它通常存在于Si/SiO2界面附近硅衬底一侧。产生原因：氧化过程中产生硅自填隙点缺陷，这些点缺陷凝聚起来，在（111）面内形成层错。减少层错的措施：a）磷、硼掺杂引入晶格失配缺陷作为点缺陷的吸收源；
b）掺氯氧化可以吸收点缺陷，阻止点缺陷凝聚长大；c）采用高压氧化，从而减少氧化温度和时间；d）采用（111）硅片。
硅工艺技术的未来发展路线20122009：下表列出相关数据。
硅工艺技术的未来发展路线201220092006200319991997第一个DRAM上市年份5070100130180250最小特征尺寸（nm）256G64G16G4G1G256MDRAM位/芯片0.5-0.60.6-0.90.9-1.21.2-1.51.5-1.81.8-2.5最小电源电压（V）<1<1.51.5-22-33-44-5等效的栅氧化层厚度Tox(nm)±4-8±4-8±4-8±4-6±4±4厚度控制3σ（％）>5>5>5554-5等效的最大电场强度（MVcm-1）<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01栅氧化层漏电流（DRAM）（pAμm-2）66.577.588.5隧穿氧化层厚度（nm）98-97-876-76最多的布线层数<1.5<1.51.5-21.5-22.5-33-4.1用于层间绝缘层的介电常数K
为了控制杂志扩散将更多使用低温工艺。低温下生长厚SiO2膜的途径：1，在氧化期间使用高压；2，淀积氧化硅膜，首先要生长一层薄的热氧化硅，然后在其上淀积氧化硅，或在淀积氧化硅之后进行退火。
未来趋向于使用组合介质层，氮氧化硅介质，通过热生长氧化硅薄膜暴露于氨气中制备，或用氮注入到衬底及随后的氧化工艺。预测非平面衬底上生长的氧化硅形状，还涉及预测氧化硅中和硅中所产生的应力。
多晶硅作为MOS器件的栅材料，构成硅栅MOS器件互连布线使用多晶硅也被用作浅结器件的欧姆接触材料MOS静态随机存储器存储单元的负载电阻高压硅器件较理想的钝化膜
生长多晶硅的方法很多，例如溅射、蒸发、CVD等等。目前普遍采用热壁LPCVD系统淀积多晶硅，其优点是淀积温度较低、厚度均匀性好、可获得共形的台阶覆盖、生产率高、成本低。低压CVD工艺淀积多晶硅的主要参数是温度、压力、硅烷及掺杂剂浓度；
次要因素是圆片间距与装片量。
总压力对多晶规沉积速率的影响a,改变气体总流量；b,改变氮气流量；c，改变泵速不同硅烷分压下多晶硅淀积速率与温度的关系
硅烷浓度对多晶硅淀积速率的影响
淀积温度对平均晶粒直径的影响725700：下表列出相关数据。
淀积温度对平均晶粒直径的影响725700675650625600淀积温度（℃）867374726255平均晶粒直径（nm）
氮化硅氮化硅在器件制造中可分别作为钝化膜、局部氧化掩膜、扩散掩膜、绝缘介质膜，以及杂质或缺陷的萃取膜使用。氮化硅最重要的性质是对H2O、O、Na、Al、Ga、In等都具有极强的扩散阻挡能力。
氮化硅有晶态与非晶态两种结构，作为器件使用的氮化硅应当是非晶态的氮化硅的制备方法很多，有热生长法、反应溅射法、蒸发法、CVD法等等。在器件生产中主要采用CVD法。
氮化硅的制备方法常压CVD法3SiH4+：下表列出相关数据。
氮化硅的制备方法常压CVD法3SiH4+ 4NH3—————Si3N4+ 12H2低压CVD法(LPCVD)3SiCl2H2+ 4NH3—————Si3N4+ 6HCl + 6H2等离子体CVD法(PCVD)SiH4+ NH3———SiNH + 3H2或2SiH4+ N2———2SiNH + 3H2
不同方法制备的氮化硅的性质PCVDLPC：下表列出相关数据。
不同方法制备的氮化硅的性质PCVDLPCVD淀积方法6-96-7介电常数106-10151016电阻率（Ωcm）510介电强度（109V/cm）4-55禁带宽度（Ev）(+2)-(-5)-10应力（108Pa）20-301-1.5缓冲HF中的蚀速（nm/min）0.80.2不开裂的最大厚度（μm）
不同方法制备的氮化硅的性质PCVDLPC：下表列出相关数据。
不同方法制备的氮化硅的性质PCVDLPCVD淀积方法250-350700-800温度℃SiNxHySi3N4(H)成分0.8-1.20.75成分比（Si/N）20-264-8含氮量（at%）1.8-2.52.01折射率2.4-2.82-3.1密度（g/cm3）
10.影响氧化速率的因数及它们和氧化速率的关系：硅表面晶向——低温，短时间和高温长时间的区分杂质（ⅢⅤ族元素，水汽，钠，氯）11.决定杂质再分布的主要因数12.分凝现象，分凝系数13.杂质再分布的四种可能：14.再分布对硅表面杂质浓度的影响：主要讨论氧化速率与扩散速率之比15.快速氧化初始阶段即氧化初期不符合D-G模型16.了解薄氧化层制备采取的方法17.Si-SiO2界面存在哪四种电荷，各自特点，对器件影响，克服方法本章小结
18.二氧化硅厚度测量方法，简述其原理19.二氧化硅膜的宏观缺陷和微观缺陷各自包括哪几种？20.其他薄膜材料本章小结
一p型掺杂、方向为<100>的硅晶片：下表列出相关数据。
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}