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Si 在 HCl 中的氧化速率 (111)Si 在 HCl 中的氧化速率 5.几种特殊氧化工艺:高压氧化 氧化时,由于界面氧化剂的浓度与扩散率和溶解度有关,而它们又随氧化时的压强增大而增大。 从前面的公式可见,Cg取决于氧分压,抛物线氧化系数B取决于Cg,为了提高低温下的氧化速率,或降低高温下长时间氧化造成的杂质过度扩散,通常采用高压氧化。实验指出,在合理的压强范围内(25个大气压),氧化时间与压强的乘积是常数。例如,一个大气压下的氧化时间需10小时,10个大气压下的氧化时间只需1小时。 高压水汽氧化 5.几种特殊氧化工艺:含氮氧化 为了提高薄氧化层的致密度,增加介电常数,提高抗电击穿能力,通常在氧化时通入适当比例的NH3 ,生长出SiOxNy 薄膜,它是VLSI,ULSI MOS管的常用栅介质材料,也用于DRAM 的电荷存储元件。 不采用Si3N4的原因有三: Si和N的反应温度高达1200°C; Si-Si3N4界面的界面态密度很高; Si3N4的热膨胀系数是Si的两倍。 目前有采用TiO2、Ta2O5、SBT 等高K栅介质的研究 6. SiO2的结构和特性 SiO2 是微电子制造最重要的介质膜,硅材料之所以能在IC制造上得到最广泛的应用,就在于能容易地生长性能优良的SiO2薄膜。 结构: 长程无序短程有序。 SiO2的结构示意 SiO2的结构缺陷 SiO2的结构缺陷主要有:空位、杂质、悬挂键。空位的多少取决与生长工艺;悬挂键可用H、F等补偿;B、P等杂质的掺入可大大降低其流动温度。 SiO2中的杂质和缺陷示意 SiO2的特性 影响器件性能的SiO2的主要特性有: 介电特性; 界面态密度; 3.固定电荷密度; 4.可动电荷密度; 5.针孔密度。 其中,介电特性可用介电击穿测量确定,针孔密度对介电特性有较大影响。界面态密度、固定电荷密度和可动电荷密度对MOS器件的开启电压、漏电、抗辐照能力及器件稳定性有重要意义,可以通过C-V测量确定。 界面态、可动电荷、固定电荷示意 界面态密度、可动电荷、固定电荷密度由系统沾污和工艺条件决定,硅的晶向也能影响界面态密度,(111)Si的界面态密度高于(100)Si。 工艺和材料对界面态密度的影响 介电击穿测量 热生长SiO2的介电强度约12MV/cm,沉积氧化层击穿强度较低。 Stress time,加电压时间 SiO2薄膜厚度越小击穿强度越低, SiOxNy 薄膜的击穿强度远高于SiO2薄膜。 厚度对击穿的影响 加电压时间 厚度对漏电的影响 C-V测量 样品:以待测SiO2薄膜为介质的MIS电容。电容 的下电极为衬底硅,电容的上电极一般用 浆状InGa。 测试:在专用C-V测试仪上完成。 种类:高频C-V 和 低频C-V,加温测量。 应用:检测栅氧化层质量(界面态、固定电荷) 检测氧化系统的沾污(可动电荷) C-V测试原理 对MIS电容,极板面积A的尺寸远大于氧化层厚度tox时,电容: 加负偏压,电荷存储; 加低频交流信号,测出初始C-V曲线; 3.加高频交流信号,测固定电荷密度及界面态密度; 4.温偏测量确定可动电荷密度。 ~ V- V+ P-Si metal SiO2 高频C-V测固定电荷和界面态密度 固定电荷使平带电压的漂移 温偏应力测量的可动电荷密度 可动电荷密度引起的电压漂移 System 82-WIN 同步C-V测量系统 7.杂质对硅氧化的影响 杂质对硅氧化的影响主要有以下几点: 1.温度效应使衬底硅中杂质再分布; 2.分凝效应改变近界面区硅中的杂质分布; 3.改变氧化速率,掺杂硅的氧化速率高于本征硅; 4.掺杂效应改变SiO2的熔点,增加流动性。 分凝效应: 氧化时使硅中的杂质浓度与SiO2中浓 度出现差别的现象 分凝系数: 对 B m1 ,P m1 As m1, Ga m1 B的分凝系数随温度的变化 B 在SiO2中的 慢扩散 m 1 B 在SiO2中的 快扩散 m 1 氧化使B的表面浓度降低 P,As 在SiO2中的慢扩散 m 1 Ga 在SiO2中的 慢扩散 m 1 氧化使P,As的表面浓度升高 * * 微电子工艺原理与技术 ( 09研究生) 第四章 热氧化 主要内容 1. 生长氧化硅的目的和方法; 2. 迪尔-格罗夫氧化模型; 3. 线性和抛物线速率系数; 氧化层厚度的计算与测量; 几种特殊氧化工艺; SiO2的结构和特性; 杂质对硅氧化的影响; 氧化诱生堆垛层错; 氧化系统; 10.理论模拟。 热氧化示意 裸露氧化 隔层氧化 Si SiO2 氧化消耗的Si与生
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