热氧化法制备SiO2薄膜
(4)热氧化
x j xSiO2
掩蔽条件: DSi>>DSiO2
杂质的 DSi T 关系曲线
DSiO2
22
SiO2掩蔽层厚度的确定
硅衬底上的SiO2要能够单做掩膜来实现定域扩散， 需要SiO2满足：
1、 SiO2有一定的厚度；2、 DSi>>DSiO2； 3、且SiO2表面杂质浓度（CS）与Si/SiO界面杂质
二氧化硅膜用途
作为掩蔽膜
离子注入掩蔽 11
二氧化硅膜用途
互连 层间 绝缘 介质
12
二氧化硅膜用途
作为电隔离膜
隔离工艺
13
14
二氧化硅膜用途
作为掩膜； 作为芯片的钝化和保护膜； 作为电隔离膜； 作为元器件的组成部分。
15
SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅 时代的主要原因
TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜
生长速率常数 （m2/min）
1.48×10-4
6.2×10-4
38.5×10-4 117.5×10-4 43.5×10-4
133×10-4
生长0.5 微米SiO2 所需时间 （min）
1800
360
63 22 58 18
SiO2的密度 （g/mm）
备注
2.27
2.15
2.21 2.12 2.08 2.05
SiO2 形成
氧化剂流动方向 (如 O2或 H2O）
气流滞流层
SiO2 Si衬底
39
40
热氧化动力学（迪尔-格罗夫模型）
氧化剂输运---气体输运流密度用F1表 主流 粘滞层
Ga； 3. Au在SiO2中扩散系数很小，但由于
TEOS沉积SiO2沉积原理
TEOS沉积SiO2沉积原理TEOS（四乙氧基硅烷）是一种常用的有机硅化合物，可以用来制备二氧化硅（SiO2）薄膜。
TEOS沉积SiO2的原理是通过化学气相沉积（CVD）的方法，在基板表面沉积SiO2薄膜，以实现对基板的保护和功能性改良。
在TEOS沉积SiO2的过程中，首先需要将TEOS气体与氧气混合，然后通过加热使其分解生成二氧化硅和有机物的产物。
这些产物在基板表面沉积形成SiO2薄膜。
TEOS的分解反应可以用以下简化的化学方程式表示：Si(OC2H5)4 + O2 → SiO2 + CO2 + H2O在这个反应中，TEOS分子中的乙氧基团被氧气氧化，生成SiO2、二氧化碳和水。
SiO2沉积在基板表面，形成致密的氧化硅薄膜，起到保护基板和改善表面性能的作用。
TEOS沉积SiO2的原理包括两个主要过程：气相反应和表面扩散。
在气相反应中，TEOS和氧气在反应室中混合并分解，产生SiO2沉积物。
而在表面扩散过程中，SiO2沉积物在基板表面扩散并形成薄膜。
这两个过程共同作用，最终实现SiO2的沉积。
TEOS沉积SiO2的过程受到多种因素的影响，包括沉积温度、压力、气体流量和基板材料等。
这些参数的选择会影响SiO2薄膜的结构、成分和性能。
通过调节这些参数，可以控制SiO2薄膜的厚度、均匀性和致密性，以满足不同应用的要求。
总的来说，TEOS沉积SiO2是一种常用的薄膜沉积方法，可以在微电子、光学、生物医学等领域广泛应用。
通过深入了解TEOS沉积SiO2的原理和影响因素，可以更好地控制SiO2薄膜的性能，为各种应用提供定制化的解决方案。
TEOS沉积SiO2的技术不断发展，将为未来的科学研究和工程应用带来更多可能性和机遇。
半导体制造技术期末题库参考答案
RVD 和 GILD 的原理， 它们的优缺点及应用方向。
答：快速气相掺杂(RVD, Rapid Vapor-phase Doping)是一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散、 并能形成超浅结的快速掺杂工艺。 原理是利用快速热处理过程(RTP)将处在掺杂剂气氛中 的硅片快速均匀地加热至所需要的温度，同时掺杂剂发生反应产生杂质院子，杂质原子 直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，然后进行固相扩散，完成掺杂目的。 RVD 技术的优势（与离子注入相比，特别是在浅结的应用上） ：RVD 技术并不受注入所 带来的一些效应的影响，如：沟道效应、晶格损伤或使硅片带电。 RVD 技术的劣势：对于选择扩散来说，采用 RVD 工艺仍需要掩膜。另外，RVD 仍然要在 较高温度下完成。杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，其峰值处于表面处。 应用方向：主要应用在 ULSI 工艺中，例如对 DRAM 中电容的掺杂，深沟侧墙的掺杂， 甚至在 CMOS 浅源漏结的制造中也采用 RVD 技术。 气体浸没激光掺杂(GILD： Gas Immersion Laser Doping)的工作原理：使用激光器照射处 于气态源中的硅表面，使硅表面因吸收能量而变为液体层，同时气态掺杂源由于热解或 光解作用产生杂质原子，杂质原子通过液相扩散进入很薄的硅液体层，当激光照射停止 后，掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体，从而完成掺杂。 GILD 的优点：杂质在液体中的扩散速度非常快，使得其分布均匀，因而可以形成陡峭的 杂质分布形式。由于有再结晶过程，所以不需要做进一步的热退火。掺杂仅限于表面， 不会发生向内扩散，体内的杂质分布没有任何扰动。可以用激光束的能量和脉冲时间决 定硅表面融化层的深度。在一个系统中相继完成掺杂，退火和形成图形，极大简化了工 艺，降低系统的工艺设备成本。 GILD 的缺点：集成工艺复杂，技术尚不成熟。 GILD 的应用：MOS 与双极器件的制造，可以制备突变型杂质分布，超浅深度和极低的 串联电阻。 2． 集成电路制造中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么特点？ 答：按照原始扩散杂质源在室温下的相态可将扩散分为三类：固态源扩散，液态源扩散 与气态源扩散。 (1) 固态源扩散：常见的主要有开管扩散、箱法扩散和涂源法扩散 a.开管扩散是把杂质源和硅片分开放置在扩散炉管中，通过惰性气体将杂质蒸汽输 运只硅片表面。其特点是温度对杂质浓度和杂质分布有着直接的影响，重复性与稳 定性都很好。 b.箱法扩散是把杂质源和硅片壮在由石英或者硅做成的箱内，在氮气或氩气的保护 下进行扩散。其特点是扩散源多为杂质的氧化物，箱子具有一定的密闭性。含有杂 质的蒸汽与硅表面反应，形成含有杂质的薄氧化层，杂质由氧化层直接向硅内扩散。 其硅表面浓度基本由扩散温度下杂质在硅中的固溶度决定，均匀性较好。 c.涂源法扩散是把溶于溶剂的杂质源直接涂在待扩散的硅片表面，在高温下由遁形 其他保护进行扩散。其特点是杂质源一般是杂质的氧化物或者杂质的氧化物与惰性 氧化物的混合物，当溶剂挥发后在硅表面形成一层杂质源。这种方法的表面浓度难 以控制，且不均匀。可以通过旋转涂源工艺或化学气象淀积法改善 (2) 液态源扩散是使用携带气体通过液态源，把杂质源蒸汽带入扩散炉管。其特点是载 气除了通过携带杂质气体进入扩散炉内之外，还有一部分直接进入炉管，起到稀释
热氧化和薄膜制备技术
3.2 热生长二氧化硅薄膜
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。
3.2 热生长二氧化硅薄膜
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
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、用于制备薄膜的材料种类繁多，例如：
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。
3.2 热生长二氧化硅薄膜
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。
1800?C
SiO+3C ＝ 2CO SiC 空气较少
3.2 热生长二氧化硅薄膜
掩蔽性质：B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的 扩散系数。DSi > DSiO2 SiO2 膜要有足够的厚度。杂质在一定 的扩散时间、扩散温度下，有一最小厚度。
绝缘性质：SiO2能带宽度约9 eV。 热击穿、电击穿、混合击穿：
SiO2 +4HF SiF4 2H2O SiF4 +2HF H2SiF6
热氧化
2、氧化剂分压的影响
A 2DSiO2 ks
B A
Pg
B 2DSiO2 HPg N1
成正比，称为抛物线生长阶段。B 称为 抛物线速率系数。
三、影响氧化速率的各种因素
1、氧化剂的影响
不同的氧化剂有不同的氧化速率系数，氧化速率的大小顺 序为，水汽 > 湿氧 >> 干氧。而氧化膜质量的好坏顺序则为， 干氧 > 湿氧 > 水汽，所以很多情况下采用 “干氧 - 湿氧 - 干氧” 的顺序来进行氧化。例如，
B Pg
无论在氧化的哪一个阶段，氧化速率均与氧化剂的分压 Pg
成正比。
在抛物线生长阶段，氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢， 因此要获得较厚的氧化膜就需要很高的温度和很长的时间。这 时可采用 高压水汽氧化 技术，即在几到几十个大气压下通过增 大氧化剂分压 Pg 来提高氧化速率。
3、温度对氧化的影响
A
F3
ksCi
ks HPg 1 kstox
DSiO2
SiO2 膜的生长速率和厚度的计算
将上式的 SiO2/Si 界面处氧化剂流密度 F3 除以单位体积的 SiO2 所含的氧化剂分子数 N1 ，即可得到 SiO2 膜的生长速率
R F3 d tox
ks HPg
N1
dt
N1
1
kstox DSiO2
tox
N
2
(2) 击穿电压法， SiO2的介电强度大约是12MV/cm
二氧化硅膜制备
二氧化硅薄膜的制备及应用学号：************ **：**专业班级：应用物理指导老师：常启兵老师完成时间：2012-10-23 材料科学与工程学院摘要近年来，多孔Ｓｉ０２薄膜的制备及其性能表征的研究已成为材料相关领域的热点之一。
在众多的应用中，多孔Ｓｉ０２薄膜作为绝热材料的应用有着极其重要的意义，多孔Ｓｉ０２薄膜作为热绝缘材料层，用来阻隔硅基底中热电层上的热扩散。
本论文介绍了目前制备多孔Ｓｉ０２薄膜的主要工艺技术，对各工艺技术进行比较，对实验工艺进行了探索。
采用溶胶一凝胶法在硅基片上制备有隔热效果的多孔Ｓｉ０２薄膜材料，以正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）为原料，乙醇、乙二醇乙醚、异丙醇、水等为溶剂，再添加一定的有机添加剂、在碱催化条件下制备Ｓｉ０２溶胶，陈化后的胶体提拉成膜。
二氧化硅薄膜具有良好的硬度、光学、介电性质及耐磨、抗蚀等特性,在光学、微电子等领域有着广泛的应用前景,是目前国际上广泛关注的功能材料。
通过不同的实验条件制备出各种参数的薄膜，分析加水量的多少、溶胶配比、退火温度、陈化时间等因素对薄膜的影响。
凝胶在陈化过程发生的物理化学变化、对热处理工艺中对应力，毛细管力的处理方法、化学添加剂在干燥过程中的作用溶胶．凝胶法制备多孔Ｓｉ０２薄膜的最佳工艺进行了探讨。
经过实验分析讨论，得出正硅酸乙酯：Ｈ２０＝１：１．５时的加水量，采用混合溶剂的方法，用碱催化的方法，用真空干燥箱加速溶胶速度，采用分段方法进行加热，能够得到符合隔热要求的薄膜。
利用红外光谱分析、差热分析（ＤＴＡ）、扫描电镜（ＳＥＭ）、椭圆偏振仪等测试手段对薄膜的成分、表面形貌进行了分析，用粘度计测试了溶胶粘度变化、不同催化方式下的凝胶时间，用自制的设备测试了最终得到薄膜的热导率。
红外光谱分析表明所得薄膜的主要成分是Ｓｉ０２：差热分析结果表明从室温到２５０℃之间有大量的放热峰，是热处理中去除水和．ＯＨ基团最关键的时段，将这段时间的升温速度控制为０．５”Ｃ／ｍｉｎ；椭圆偏振仪和扫描电镜（ＳＥＭ）分析表明所得薄膜表面形貌良好，薄膜厚度为７００－８００ｒｉｍ；扫描电镜（ＳＥＭ）分析表明薄膜由紧密排列的Ｓｉ０２颗粒组成，颗粒和孔径的大小为３０－５０ｎｍ；由通过椭圆偏振仪得到的折射率计算出薄膜的孔隙率为５０％以上。
半导体制造技术题库答案
1.分别简述RVD和GILD的原理，它们的优缺点及应用方向。
快速气相掺杂(RVD, Rapid Vapor-phase Doping) 利用快速热处理过程(RTP)将处在掺杂剂气氛中的硅片快速均匀地加热至所需要的温度，同时掺杂剂发生反应产生杂质原子，杂质原子直接从气态转变为被硅表面吸附的固态，然后进行固相扩散，完成掺杂目的。
同普通扩散炉中的掺杂不同，快速气相掺杂在硅片表面上并未形成含有杂质的玻璃层；同离子注入相比(特别是在浅结的应用上)，RVD技术的潜在优势是：它并不受注入所带来的一些效应的影响；对于选择扩散来说，采用快速气相掺杂工艺仍需要掩膜。
另外，快速气相掺杂仍然要在较高的温度下完成。
杂质分布是非理想的指数形式，类似固态扩散，其峰值处于表面处。
气体浸没激光掺杂(GILD: Gas Immersion Laser Doping) 用准分子激光器(308nm) 产生高能量密度(0.5—2.0J/cm2)的短脉冲(20-100ns)激光，照射处于气态源中的硅表面；硅表面因吸收能量而变为液体层；同时气态掺杂源由于热解或光解作用产生杂质原子；通过液相扩散，杂质原子进入这个很薄的液体层，溶解在液体层中的杂质扩散速度比在固体中高八个数量级以上，因而杂质快速并均匀地扩散到整个熔化层中。
当激光照射停止后，已经掺有杂质的液体层通过固相外延转变为固态结晶体。
由液体变为固态结晶体的速度非常快。
在结晶的同时，杂质也进入激活的晶格位置，不需要近一步退火过程，而且掺杂只发生在表面的一薄层内。
由于硅表面受高能激光照射的时间很短，而且能量又几乎都被表面吸收，硅体内仍处于低温状态，不会发生扩散现象，体内的杂质分布没有受到任何扰动。
硅表面溶化层的深度由激光束的能量和脉冲时间所决定。
因此，可根据需要控制激光能量密度和脉冲时间达到控制掺杂深度的目的。
2.集成电路制造中有哪几种常见的扩散工艺？各有什么优缺点？扩散工艺分类：按原始杂质源在室温下的相态分类，可分为固态源扩散，液态源扩散和气态源扩散。
二步或三步氧化法生长sio2层
二步或三步氧化法生长sio2层
在半导体制造中，二氧化硅层起着至关重要的作用，它作为绝缘层和介质层，能够保护芯片免受环境的影响，同时也可以作为存储器和电容器的介质材料。
因此，二氧化硅层的生长是半导体制造过程中的一个重要环节。
其中，二步或三步氧化法是一种常用的生长二氧化硅层的方法。
二步氧化法，也被称为“热氧化法”，是一种在高温下将硅暴露在氧化的环境中，形成二氧化硅层的方法。
这个过程可以分为两步，第一步是在高温下将硅暴露在氧气或水蒸气中，使硅表面氧化形成一层二氧化硅薄膜；第二步是将这层二氧化硅薄膜进行热处理，以增强其质量。
这种方法可以在硅表面形成高质量的二氧化硅层，且具有较高的生产效率。
相比之下，三步氧化法是在二步氧化法的基础上增加了一步。
在三步氧化法中，首先在较低的温度下形成一层薄而均匀的二氧化硅层，然后在较高的温度下进行热处理，最后再进行一次氧化处理。
这种方法可以形成更均匀、更致密的二氧化硅层，并且可以更好地控制二氧化硅层的厚度和性质。
无论是二步氧化法还是三步氧化法，其关键在于控制氧化的温度、时间和气氛，以及热处理的过程。
这些因素都会影响到二氧化硅层的性质和质量。
因此，在实际的生产过程中，需要根据具体的工艺要求和条件，选择合适的氧化方法，以获得高质量的二氧化硅层。
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东南大学材料科学与工程
实验报告
学生姓名徐佳乐班级学号12011421 实验日期2014/9/4 批改教师
课程名称电子信息材料大型实验批改日期
实验名称热氧化法制备SiO2薄膜报告成绩
一、实验目的
1、掌握热氧化法制备SiO2薄膜的基本方法;
2、了解热氧化法制备SiO2薄膜的基本原理。
二、实验原理
在微电子工业中,SiO2薄膜也可采用CVD或者LPCV方法沉积,但热氧化法制备的SiO2薄膜具有结构致密、均匀性和重复性好、电特性最佳
与光刻胶粘附性好等优点,是制备半导体器件关键部分的高质量SiO2薄
膜的常用方法,如MOSFET器件的栅介电氧化层的制备。
下图为热氧化工艺的示意图,其基本原理是氧化气体源从一端炉口通入加热炉内,在900-1200℃的高温下,氧化剂分子向硅晶片内扩散并与
硅晶片表面发生化学反应,生成SiO2薄膜。
氧化剂可以为O2(干氧氧化)
H2O(湿氧氧化),在相同的氧化温度下,湿氧氧化的速率远大于干氧氧化。
氧化物的生长主要有两个过程决定,一个是氧化剂经由氧化层向硅表面扩散的过程,一个是氧化剂与Si表面的化学反应过程。
在SiO2的生长
初期,表面反应是限制生长速率的主要因素,热氧化生长的SiO2薄膜的
厚度X由下式确定:
X=B/A(t+τ)
此时SiO2薄膜厚度与时间呈线性关系。
B/A陈伟线性氧化速率常数,其主
要由表面反应的化学速率确定。
t为热氧化时间,τ为一常数。
当SiO2
厚度变厚,氧化剂必须扩散至Si和SiO2的界面才可反应,故其厚度受限
于扩散速度,SiO2的厚度与时间关系由下式所示:
X2=B(t+τ)
SiO2厚度与生长时间呈抛物线关系。
B为抛物线型氧化速率常数,仅与氧化剂在SiO2中的扩散系数有关。
不管是化学反应速率常数还是氧化
剂在SiO2的扩散系数均与温度有关,因此线性氧化速率常数B/A和抛物
线型氧化速率常数B均随温度升高指数增长。
上面的分析也表明,氧化过
东南大学材料科学与工程实验报告共页,第页
程中,硅与二氧化硅的界面会向硅内部迁移,这将使得Si表面的污染物
移到氧化物表面而形成一个崭新的界面。
三、实验设备及材料
1.实验器材:OTF1200管式真空炉,机械泵,塑料烧杯,塑料镊子等
2.试剂及材料:氧气,HF,去离子水,清洗过的硅片。
四、实验内容及步骤
1.去除Si晶片表面的自然氧化层。
按1:10的比例配制HF/H20腐蚀液, 将清洗过的晶片浸入腐蚀液内约1分钟后,立即取出,用去离子水冲洗晶片表面后,吹干表面。
2.设置温度处理参数。
在OTF1200管式真空炉的控制器上设置升温时间(≤10℃),热处理温度(1000℃),热处理时间(1.5小时)。
3.将Si片放入刚玉舟,放入管式炉中心位置,安装好炉管两侧的连接法兰,打开氧气钢瓶,保证整个实验过程中氧气以一定流量在炉管内流动。
启动管式炉,开始热氧化生长SiO2薄膜。
4.生长结束后,关闭管式炉加热电源,待炉温冷却到40℃以下后,取出
刚玉舟,观察生长的SiO2薄膜的颜色,与附表对比,粗略估计出所生长
SiO2薄膜的厚度。
5.妥善保管所制备SiO2薄膜,以备以后实验室用。
五、实验结果及分析
样品制备完成后学长没有给我们看,所以无法得到其表面清洁状况, 颜色和估计的厚度。
六、思考题
1.从热氧化法生长SiO2薄膜的基本原理,解释为什么热氧化方法制备的SiO2薄膜具有优异的电学性能。
答:因为热氧化法制备的SiO2薄膜结构致密、均匀性和重复性好, 2.为了制备约几个nm的超薄SiO2薄膜,可以通过改变哪些参数达到? 答:改变热处理的温度和时间,降低温度,增加升温速率,减少保温时间。
改变氧化剂状态,增加氧气的流动速度。