热氧化教程文件
按其在网络中的位置和作用可分为网络形成剂和网络改变剂。
非本征无定形SiO2： 除了Si 、O 两种原子外， 还有其他原子的SiO2， 即掺入杂质的SiO2。
相当于替 网络形 位式杂质 成剂
相当于间 隙式杂质
网络改 变剂
非本征无定形SiO2
2020/4/22
6
网络形成剂：R杂质离子≤ RSi离子 如：B、P、Al等杂质，可在
网络中取代Si原子的位置。（类比硅中的替位杂质）
P：以P2O5形式加入到SiO2中，P取代Si原子位于四面体中心； 由于P2O5比Si2O4多出了一个O原子或者呈非桥联氧，或者 交给网络，使其中一部分桥联氧变为非桥联氧疏松 P加入到SiO2 中会使网络出现富氧状态，使网络的结构变 得更加疏松。含磷的SiO2 称磷硅玻璃； B：以B2O3形式加入到SiO2中，B取代Si原子位于四面体中 心；由于B2O3比Si2O4少一个O原子非桥键氧减少（桥键 氧数目增加）紧密。
步骤、时间
14
三、氧化方法分类
按氧化气氛的不同来分
①干氧氧化(掺氯氧化)； ②湿氧氧化； ③水汽氧化(氢氧合成氧化)；
4
桥键 非桥键 氧原子 氧原子
Si
Si
SiO2二维结构示意图
SiO2结构中有两种氧原子：桥键氧原子与非桥键氧原子 这两种氧原子的比例会影响网络结构的强度、密度等 性质。
桥键氧原子越多 →SiO2的结构越紧密，强度越大； 非桥键氧原子越多 →SiO2的结构越疏松，强度越弱。
2020/4/22
5
二. 二氧化硅中的杂质——非本征SiO2
⑦分凝系数：平衡时杂质在硅和二氧化硅界面的分凝系数为一常数； 对于B: m≈0.3; 对于P：m≈10
20不20/4同/22 方法制备的SiO2，其密度,折射率,电阻率等不同 10
化学性质：
① SiO2是最稳定的硅化物； ② SiO2不溶于水； ③ SiO2能耐较强的侵蚀，但极易与HF作用；
反应式： Si2O 4HF Si4F 2H2O
• 硅的局部氧化（选择性氧化）
容 • 二氧化硅的掩蔽作用*
• 氧化工艺的设计* • 氧化层错与氧化层质量检测
2020/4/22
2
3.2.1 二氧化硅的结构和性质
一. 二氧化硅结构
SiO2基本结构单元
分类பைடு நூலகம்结晶形和无定形结构
结晶形SiO2二维网络结构
1.6Å
特点: 正四面体
特点：长程有序
2020/4/22
8
若干杂质的离子半径
网 络 形 成 剂
网 络 改 变 剂
2020/4/22
9
三、SiO2物理性质与化学性质
物理性质：
①密度：表示SiO2结构的致密程度；密度大，表示致密程度高； 二氧化硅的密度约为2.23g/cm2，硅的密度为 2.33g/cm2，所以，硅 的密度大于二氧化硅的密度。 Si 变成SiO2后体积会膨胀 ②折射率：表示SiO2的光学性质； SiO2的折射率约为1.46。 ③电阻率：表示SiO2的电学性质；SiO2的电阻率约为1016cm。 ④介电强度：表示单位厚度的SiO2薄膜的耐压能力；106～107V/cm ⑤介电常数：表示SiO2的电容性能；SiO2的相对介电常数SiO2为3.9。 ⑥热膨胀系数:表示SiO2受温度变化的形变； SiO2热膨胀系数小，是 Si的1/5；故冷却时易产生微细的裂纹，丧失钝化和掩蔽的作用；
Na以微弱的键合力与非桥联氧连接着，处于网络的空洞处。
桥键 氧原子
非桥键 氧原子
微弱的 键合力
Na2O + Si
Si
2 Si …Na
在不太高的温度和电场作用下，Na就可挣脱价键的束缚，
以正离子的形式在结构疏松的SiO2中移动。这就是Na离子
引起器件性能不稳定和劣化的主要原因。(水汽与Na相似）
2020/4/22
B加入到SiO2 中会使网络出现缺氧状态，使网络的结构 变得更加紧密，强度增大。含硼的SiO2 称硼硅玻璃。
2020/4/22
7
网络改变剂：R杂质离子≥ RSi离子 如：K、Na、Ga、Al等杂
质，它们在网络中不能取代Si原子的位置，只能占据网络
中的空洞处。 （类比硅中的间隙杂质）
Na：以Na2O形式加入到SiO2中，将其O原子交给网络，使一 部分桥键氧变为非桥键氧，于是网络的结构变得更加疏松。
烷氧基硅烷加热分解 硅烷在氧气中加热分解
方 外延淀积法（SiCl4 水解法）
法
反应溅射法 阳极氧化法 电解阳极氧化法（湿法）
2020/4/22
等离子体阳极氧化法(干法）
1
3.2 热生长二氧化硅膜
主 • 二氧化硅的结构和性质
• 氧化系统简介与热氧化膜的制备方法
要 • 热氧化膜的生长动力学原理* * 内 • 薄/厚膜氧化层的制备
11
3.2.2 热氧化系统与热氧化膜的制备方法
一、氧化系统
2020/4/22
电阻加热氧化炉截面示意图
12
二、氧化步骤
热氧化系统与热扩散系统相似
2020/4/22
氧化温度：1000℃左右
13
热氧炉内温度分布
热氧化的步骤：
2020/4/22
温度/ ℃
RT
N2 O2 H2O O2 N2
掺 氯
ST
12 345678
3
无定形SiO2二维网络结构 按是否含有杂质来分
本征无定形SiO2:
只含Si、O两种原子的 SiO2，即无掺杂的SiO2
Si原子
有两种氧原子
桥键氧原子
氧原子为两个 硅原子所共有
本征 非本征
非桥键氧原子
氧原子只和一个 硅原子相联结，
没有形成氧桥
2020/4/22
本征无定形SiO2
特点：长程无序，短程有序
简介
热氧化: 二氧化硅——一种绝缘的介质膜
在固态扩散、离子注入、外延中作为定域工艺的掩蔽层；
用 作为IC中的隔离介质(场氧)及多层布线间的绝缘介质层；
作为MOS器件的栅介质膜；
途 作为晶片表面保护层或PN结终端的钝化层；
作为动态存储器中的电容氧化膜或光电器件中的反射层。
制 备
热生长氧化法** 热分解淀积法CVD
Si4F 2HF H2(Si6F )
总反 S2 i 应 6 O H 式 F H 2 (S： 6i) F 2 H 2 O
④ SiO2能被强碱熔蚀，也可被H、Al、Si等还原。
反S 应 2 i2 N O 式 aN O 2 ： Sa 3 i H H O 2 O Si2 O A lA2O l3Si
2020/4不/22 同方法制备的SiO2，其腐蚀速度不同。
金属高温氧化工艺流程
金属高温氧化工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!金属高温氧化工艺流程一、准备工作阶段。
在进行金属高温氧化工艺之前，需要进行一系列准备工作。
03热氧化技术
第三章：热氧化技术• 3.1. 二氧化硅及其在器件中的应用–3.1. 1. SiO2的结构和基本性质–1）结构:结晶形二氧化硅（石英晶体）（2 . 65g/cm3）无定形（非晶）二氧化硅（石英玻璃）（2 . 20g/cm3）C：不含杂的石英玻璃含杂的石英玻璃O O O O O--Si--O--Si--O--Si--O--Si--O O O O O Si O--Si--O O O O H H 2O疏水性表面亲水性表面–硅有四个共价键，氧有两个；氧易运动；–非桥联的原子将由其悬挂键引入电荷态；–单价的氢原子与非桥联的氧形成羟基而减少悬挂键的数目，引入氢钝化的概念；但羟基的键能较低容易断裂；–桥联氧的数目与非桥联氧的数目之比直接影响SiO的疏松程度，进而影响许多物理性2质；–杂质在SiO2中可以是网络的形成剂（Net-work Former）如：B、P、Al等；也可以是网络的改变剂（Net-work Modifer）如：Na、K、Ca、Al等；–2）化学性质：SiO2+4HF→SiF4+2H2OSiF4+2HF →H2(SiF6)•即：SiO2+6HF→H2(SiF6)+2H2O•六氟硅酸溶于水•腐蚀速度与SiO2膜的质量有关–3）物理性质：–密度：密度与氧化方式有关–杂质分凝系数：)()(2SiO N Si N m =–3.2. SiO2膜在器件中的基本作用–1)SiO2膜对杂质的掩蔽作用•利用杂质在SiO2膜中的扩散系数较小，和SiO2膜的热稳定性，实现定域掺杂。
•掩蔽过程中的分凝效应–2）对器件的表面的保护和钝化作用•利用SiO2膜的绝缘作用，将pn结与外界隔离，提膜中固定电荷的高稳定性和可靠性；利用对SiO2控制，改变器件表面的电场分布。
–3）对器件的电绝缘和隔离作用•利用SiO2膜的绝缘作用，实现引线与元器件间的绝缘，实现集成电路元器件间的隔离。
Spacer oxide protects narrowchannel from high-energy implantDopants diffuse into unmasked areas of silicon by selective diffusion.–3.3. SiO 2膜的热氧化方法（干、湿、水汽、高压、掺氯、低温）–1）器件对氧化膜的基本要求•致密、杂质缺陷少（体内活动和固定电荷少）、Si/SiO 2界面态密度小。
热氧化工艺
密度：～2.27g／cm3
(硅的密度：～2.33g／cm3)
分子量：60.09
(硅的原子量：28.09)
分子数密度：2.2 1022 ／cm3 (硅的原子数密度：5 1022 ／cm3)
4个O原子位于四面体的顶点， Si位于四面体中心。
桥位O原子与2个Si原子键合； 其它O原子只与1个Si键合
SiO2在一个PMOSFET结构中的应用 (剖面示意图)
（四）IC中常见的SiO2生长方法： 热氧化法、淀积法
二、热氧化原理(Deal-Grove 模型)
（一） 二氧化硅的生长(化学过程)
干氧氧化
问题：生长厚度 为Tox的பைடு நூலகம்氧化硅， 估算需要消耗多 少厚度的硅?
（二）热氧化生长动力学 (物理过程)
■ 参数B的激活能EA取决于氧化剂的扩散系数(D0)的激活能； ■ 参数B/A的激活能取决于Ks，基本上与Si—Si键合力一致。
B:抛物线速率常数
B/A:线性速率常数
图4.2 氧化系数B的阿列尼乌斯图， 湿氧氧化参数取决于水汽浓度(进而 取决于气流量和高温分解条件)
图4.3 氧化系数B/A的阿列尼乌斯图
■ 抛物线氧化区： 也称扩散限制氧化区
3、D – G 模型的修正
初始快速氧化阶段
■ D-G模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合， 但对于薄干氧氧化层的生长，D-G模型严重低估氧化层厚度。
■ 根据D-G模型，氧化层厚度趋于零(氧化时间接近于零)时， 氧化速率接近于一个常数值：
但实际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值大了4倍或更多。
硅的热氧化工艺(Thermal Oxidation)
第二章-热氧化CVD教材
35
迪尔-格罗夫氧化模型
稳态平衡条件下:
F1 F2
D(C0－Cs x
)
=kCs
DCo (xk D)Cs
Cs
DCo xk D
36
迪尔-格罗夫氧化模型
稳态平衡条件下:
Cs
DCo xk D
F
F2＝kCS
=
kDCo xk D
= DCo xDk
单位时间单位面积在硅表面反应的氧化剂的个数
1个Si 1个SiO2
Si厚度 面积 ＝ tox 面积 1mol Si的体积 1 mol SiO2的体积
Si厚度＝ 1
1mol Si的体积
mol
SiO
的体积
2
t
ox
27
Si的摩尔质量是28.9g，密度为2.33g/cm3:
1mol硅体积:
28.9 2.33
g/mol g/cm3
＝12.40
cm3
3
SiO2的基本性质
通常热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1732C (晶体结构) 质量密度：2.21 g/cm3 原子密度：2.2×1022 分子/cm3 折射率 n=1.46 相对介电常数 ＝3.9
4
SiO2的基本性质
可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移 可以作为多数杂质掺杂的掩蔽 (B, P, As) 优秀的绝缘性能 (>1016cm, Eg>9eV) 很高的击穿电场 (>107 V/cm) 电学性能稳定 稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面
5
SiO2的结构
由Si-O四面体组成： 四面体中心是硅原子, 四个顶角上是氧原子; 四面体之间由Si-O-Si连接; 与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥;
氧化还原反应教程文件
Mn2+ (可氧化Cl-)
MnO4-(碱)
Mn2+或Mn4+
(不可氧化Cl-)
MnO4-(酸) ﹥ MnO4-(碱)
4.配平
⑴普通配平
△
C+2H2SO4(浓) = CO2↑+ 2SO2 ↑ + H22O
0
C
+4
CO2
↑4 ×1
+6
S
+4
SO2
↓2 ×2
⑵部分氧化还原
3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO↑+ 4H2O
5
2
练习：某反应体系有：NaOH Au2O3 Na2S4O6 Na2S2O3 Au2O H2O
请完成 Au2O3+——+——
——+——+——
Au2O3+4 Na2S2O3 +2 H2O= Au2O+2 Na2S4O6+4 NaOH
此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
产物配：
0
Cu
+5
8N
+2
Cu ↑2 ×3
+2
NO
↓3 ×2
3Cu+2HNO3=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
反应物配
暂定系数法
练习：KMnO4+HCl(浓)——
⑶整体配平法（3个或多个化合价变化的元素）
4 FeS2+11O2= 2Fe2O3+ 8 SO2
+2
+3
Fe
Fe ↑1
-1
热氧化
900 C时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化
33
卤族元素掺入对氧化速率影响
在氧化气氛中加入适量的卤族元素会改善氧化膜及 其下面硅的特性。 氧化膜特性的改善包括钠离子浓度减少、介质击穿 强度增加、界面态密度减少。 实践中应用较多的卤族元素是氯，在Si-SiO2界面上 或界面附近，氯能使杂质转变成容易挥发的氯化物 从而起到吸杂的效果，另外也能看到氧化诱生旋涡 缺陷减少。
第4章 氧化
4.1二氧化硅薄膜概述 4.2 SiO2的掩蔽作用
4.3 氧化机理
4.4 氧化系统、工艺 4.5 影响氧化速率的各种因素 4.6 杂质再分布 4.7 SiO2/Si界面特性
4.8 氧化层的检测
1
4.1二氧化硅薄膜概述
二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜。 二氧化硅薄膜的制备方法有： 热氧化 化学气相淀积 物理法淀积 阳极氧化等 热氧化是最常用的氧化方法，需要消耗硅衬底， 是一种本征氧化法。
8
4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质
P B
网络形成 者
网络改 变者
9
4.1.4 杂质在SiO2中的扩散
杂质SiO2中在扩散系数： DSiO2=D0exp(-ΔE/kT)
利用相同情况下，硼、磷等常用杂质在 SiO2中的扩散速度远小于在硅中扩散速度， SiO2层对这些杂质起到“掩蔽”作用。 镓和钠等碱金属扩散在SiO2扩散速度快， SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用。
xmin 4.6 DSiO2 t
不同温度下掩蔽P、B所需氧化 12 层厚度与扩散时间关系图
4.2硅的热氧化
热氧化制备SiO2工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水 汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的 二氧化硅。 热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散和化学反应实现。 O2或H2O，在生成的二氧化硅内扩散，到达Si/SiO2界面后 再与Si反应， O2+Si → SiO2； H2O+Si → SiO2+H2 ， 硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增厚。 生长1μm厚SiO2 约消耗0.44μm 厚的硅
热氧化ppt课件
水汽氧化系统
15
常压下干氧、水汽、湿氧氧化法的特点及适用范围
氧化种类 干 氧 氧 化
水 汽 氧 化
湿 氧 氧 化
优点
缺点
结构致密，表面平整光 生长速率在三种氧
亮；对杂质掩蔽能力强； 化法中最慢，例如
钝化效果好；生长均匀
1200℃下生长
性、重复性好；表面对
0.5m厚需6h
光刻胶化,这是因为水 比氧在二氧化硅中更高 的扩散系数与大得多的 溶解度 ；在固定水汽压
冲氧化层
与干氧氧化法结合 生长厚氧化层
厚层氧化； 干O2（10min）-湿
氧-干O2(10min)
16
在实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层来说往往 采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式，既保证了二 氧化硅层表面和Si-SiO2界面的质量,又解决了生长效 率的问题。
17
热氧化生长动力学
一、热氧化过程
F1=hG（NG-NS）
F2
DSiO2
dN dx
DSiO2
N
' s
Ni
X0
hG为气相质量转移系数；
D SiO
2
为氧化剂在SiO2中的扩散系数;
F3=KSNi
KS为氧化剂与Si反应的界面化学反应常数。
18
根据Henry定律，在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中的分压，则SiO2 表面处的氧化剂浓度NS′：
■ 介电强度高：> 10 MV/cm
■ 介电常数：3.9 (热氧化二氧化硅膜)
9
2.2 二氧化硅的掩蔽性质
■ B、P、As 等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其 在Si中的扩散系数。DSi > DSiO2
第三章-热氧化
2( Si OH ) Si Si 2( Si O Si ) 2H2
④所生成的H2将迅速离开SiO2-Si界面，也可能与氧结合形成 羟基(与干氧氧化不同)。
化学反应：
1 2
H2
O
OH
2019/11/16
18
水汽氧化特点：
①氧化层结构疏松， 质量不如干氧好，水 汽氧化速度快 ；
相当于间 隙式杂质
网络改 变剂
非本征无定形SiO2
2019/11/16
7
网络形成剂：R杂质离子≤ RSi离子 如：B、P、Al等杂质，可在
网络中取代Si原子的位置。（类比硅中的替位杂质）
P：以P2O5形式加入到SiO2中，P取代Si原子位于四面体中心； 由于P2O5比Si2O4多出了一个O原子或者呈非桥联氧，或者 交给网络，使其中一部分桥联氧变为非桥联氧疏松 P加入到SiO2 中会使网络出现富氧状态，使网络的结构变 得更加疏松。含磷的SiO2 称磷硅玻璃； B：以B2O3形式加入到SiO2中，B取代Si原子位于四面体中 心；由于B2O3比Si2O4少一个O原子非桥键氧减少（桥键 氧数目增加）紧密。
掩蔽膜制作采用，干氧(掺氯) -湿氧-干氧交替氧化
2019/11/16
2H2O 2Cl2 4HCl O2
20
4. 掺氯氧化
氯源：氯气(Cl2)、氯化氢(HCl) 、三氯乙烯(C2HCl3或TCE)
或三氯乙烷(TCA)等。
目的：减小SiO2中的Na+污染，改善SiO2层的质量。 掺氯氧化机理：
9
若干杂质的离子半径
2019/11/16
网 络 形 成 剂
网 络 改 变 剂
10
10-5-第3章 热氧化
B (t A
)
--
线性规律 化学反应控制
x
（2）氧化时间很长（t→∞），xS2iO2 B(t ) -- 抛物线规律
B -- 为抛物线速率常数
扩散控制
22
实测值与模拟计算值的对比
氧化速率方程：
x2 SiO2
AxSiO2
B(t )
（1）线性氧化速率：
F1 SiO2
Si
O2 (H2O)
F2
p0
由F1=F2=F3可得：
pg
F3
Co
Co
1
ks
xo
DSiO2
C*
1 ks h ks xo DSiO2
Ci
1 ks
h
C* ks xo
DSiO2
h hg HkT -- 气相质量输运系数
Ci
0 x0
x
20
3.2.4 热氧化生长速率
低的界面态密度和固定电荷,高 质量的SiO2/Si界面
在热载流子应力和辐射条件下 的稳定性好。
栅氧化层
30
薄氧化层制备
工艺方法：
干氧氧化、或掺氯氧化 减压氧化 低温高压氧化等。
工艺条件：
生长速率必须足够慢； 氧化前的清洗必须彻底； 所用水、试剂、气体等必须为超高纯度材料。
成膜质量检测
表面缺陷，结构缺陷，氧化层中的电荷， 热应力
椭偏仪 台阶仪
37
3.5.1 氧化层厚度测量
比色样片
1、比色法
在白光直视下氧化层厚度与干涉色彩的关系
在可见光波段氧化层透 明，而硅为灰色，硅片 表面反射的光和穿透氧
热氧化法制备SiO2
热氧化法制备SiO 2一、目的：用热氧化法制备SiO 2.二、原理：1．干氧氧化：高温下的氧分子与Si 片表面的Si 原子反应，生成SiO 2起始层，其反应式为：2O Si + 高 温2SiO此后，由于起始氧化层阻止氧分子与Si 表面的直接接触，氧分子只有以扩散方式通过SiO 2层，到达SiO 2 － Si 界面，才能和Si 原子反应，生成新的SiO 2层，使SiO 2层继续增厚。
干氧氧化生长的SiO 2层厚度d 在温度高于1000℃以上，由下式决定：t K d 12=，式中：d ：SiO 2层厚度；K 1：比例常数；t ：氧化时间。
氧化层厚度与氧化时间的关系如图（1－1）所示。
图1－1 硅干氧氧化层厚度与时间的关系2．湿氧氧化：氧气通过装有高纯去离子水的氧化瓶，通过起泡的形式进入石英管，因此，进入石英管的氧气带有水汽，其水汽的含量由氧化瓶的温度和氧气流的速率决定。
由于参与氧化的物质是水和氧的混合物，所以它的氧化速率比干氧氧化要快得多，反应方程式如下：2O Si + 高 温2SiOO 2H Si 2+ 高 温↑+222H SiO在湿氧氧化时，生长的SiO 2层厚度除与氧化时的温度、时间有关外，还与氧气中含水量有关，在一定的氧气流量下，含水量决定氧化瓶水浴温度。
温氧氧化生长的SiO2厚度d由下式决定：2=dtK2式中：d：SiO2层厚度；K2：比例系数；t：氧化时间。
氧化层厚度与氧化时间的关系如图（1－2）所示，从图中看出：湿氧氧化速率比干氧氧化要快。
图1－2 硅湿氧氧化层厚度与时间关系以上两种氧化方式比较起来看，干氧氧化：速率慢，SiO!罢致密，质量好+湿氧氧化：速率较快，质量差．实际工艺中．常将二钟方法结合起来。
一、装置及所用化学药品实验装置如图1－3图1－3 氧化装置仪器：高温氧化炉，检流计，标准电池，甲电池，UJ －1电位差计，铂铑热电偶。
工具：镊子，石英杯，石英舟，石英钩化学药品：H 2SO 4、甲苯、乙醇。