实验二十二、硅片氧化工艺实验.doc

实验二十二、硅片氧化工艺实验 实验目的 熟悉半导体工艺的一般步骤 掌握硅片氧化的基本方法和原理，能够熟练使用管式电炉 实验原理 （一）高温氧化及厚度测量 氧化是在硅片表面生长一层二氧化硅（SiO?）膜的过程。这层膜的作用是：保护和钝化半导体表面：作为杂质选择扩散的掩蔽层；用于电极引线和其下面硅器件之间的绝缘；用作MOS电容和MOS器件栅极的介电层等等。其实现的方法有：高温氧化（热氧化）、化学气相淀积（CVT）、阳极氧化、溅射等。氧化即生长在硅片表面上，也向硅片里面延伸，如图1所示。 一般氧化层的45%的厚度是在初始表面上形成，46%是在初始表面以下生成。通常氧化层的厚度，薄的可以小于500A（栅氧化层），厚的可以大于1000?（场氧化层）。氧化的范围为700-1100℃，氧化层的厚度和它的生长进间成比例。 常用的氧化方法是高温氧化。所以这里，我们着重强调一下高温氧化。高温氧化就是把硅衬底片置于1000℃以上的高温下，并通入氧化性气体（如氧气、水汽），使衬底本身表面的一层硅氧化成SiO?。高温氧化又分为：干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化三种。 实践表明，干氧氧化速率慢，但所得到的二氧化硅层质量较好，且和光刻胶有良好的粘附性（不易“浮胶”），而水汽氧化恰恰相反，氧化速度快，使所得二氧化硅层质量较差，而且过量的水还有腐蚀Si的作用，所以很少单独采用水汽氧化。但如果在氧中掺入一定量的水汽（就是所谓的湿氧氧化的方法），就在一定程度上解决了氧化速度和氧气质量之间的矛盾，因此不宜于在生长较厚的氧化层时使用。但终究湿氧氧化生成的二氧化硅层的质量不如干氧氧化的好，且易引起Si表面内杂质再分布。所以，在生长较厚的氧化层时，往往采用干氧-湿氧-干氧的工艺步骤，这既可以使氧化时间不致过长而能保证工艺对氧化层质量的要求。 （二）高温氧化机理 1.?干氧氧化? 在高温下，氧气与硅接触时是通过以下化学反应在硅表面形成二氧化硅的 可见一个氧分子就可以生成一个二氧化硅分子。随着SiO?层的生成，在氧和硅表面之间隔着一层SiO?，那么氧和硅怎样才能继续发生反应呢？显然，那么是氧必须扩散通过已有的SiO?层（氧在SiO?中的渗透很慢），要么是硅原子必须扩散通过已有的SiO?层，现在用放射示综实验表面：SiO?层继续生长是通过氧扩散来实现的。? 氧在SiO?中扩散是以离子形式进行的。氧进入SiO?后便离解成负离子：? 氧离子通过扩散而达到SiO?-SI界面，然后在界面处于SI发生反应而形成新的SiO?，从而使得SiO?层越长越厚。 干氧氧化含有的含离子通过SiO?的扩散和在SiO?-SI界面上与硅发生反应这两个过程。在较高温度（例如1000℃以上）下，界面化学反应速度较快，而氧离子扩散通过SiO?的过程较慢，因此，氧化速度将主要取决于氧化氧离子扩散过程SiO?层的快慢。显然，这时随着氧化的进行，SiO?层将不断增厚，氧化速度也就越来越慢。 2.?水汽氧化? 水汽氧化的化学反应是? 可见需要两个水分子才能使一个硅原子形成一个SiO?分子，而且反应产物中出现有氢气。由于水汽氧化过程中SiO?网络不断遭受消弱，致使水分子在SiO?中扩散也较快（在1200℃以下，水分子的扩散速度要比氧离子的快十倍）。因此，水汽氧化的速度要比干氧氧化的快。 高温氧化的规律：在干氧氧化中，决定氧化速度的基本使氧分子（暂不考虑离解效应）扩散通过SiO?层和在硅表面上发生化学反应两个过程。在氧化时间较短、SiO?层较薄时，表面化学反应的过程是主要的，SiO?层厚度将随时间线性地增加；而在氧化时间较长、SiO?层较厚时，扩散过程是主要的，SiO?层厚度将随时间而作亚抛物线式地增加 （三）SiO?层厚度的测量 氧化完成后，根据芯片表面颜色大致可以判断出氧化硅的厚度。因为不同厚度的氧化硅对可见光的折射率不同，芯片表面氧化硅的颜色会随着厚度的变化呈现周期性变化，下面是不同厚度对应的大致颜色，可作为氧化层厚度的大致判断依据。 实验设备-管式电炉 1、概述： 本产品采用可靠的集成化电路，工作环境好，抗干扰，最高温度时炉体外壳温度≤50℃大大提高了工作环境，微电脑程序控制，可编程序40段曲线，全自动升温/降温，运行中可以修改控温参数及程序，灵活方便、操作简单。控温精度：±1℃??恒温精度：±2℃。升温速度快，最快升温速率≤45/min。炉膛材料全部采用进口摩根纤维制作而成，使用温度高，蓄热量小，保温性能好（节能效果是老式电炉的80%以上）。结构合理，内外双层炉套，风冷散热，可大大缩短试验周期。 该产品耐火材料、电子、陶瓷、冶金、机器、建材、特种材料、新材料开发等领域的试验和检测的必备产品。 2、工作原理： 热电偶将炉温转变成电压信号后，加在微电脑温度控制调节仪上。调节仪将此信号与程控设定相比较，输出一个可调信号。