半导体工艺与制造技术习题答案(第四章 氧化)

第四章氧化

1.简述几种常用的氧化方法及其特点。

答：（1）干氧氧化

在高温下，氧气与硅反应生成SiO2，其反应为干氧氧化的生成的SiO2结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶粘附性好，然而干氧氧化法的生长速率慢，所以经常同湿氧氧化方法相结合生长SiO2。

（2）水汽氧化

在高温下，硅与高纯水产生的蒸汽反应生成SiO2，其反应为：

产生的分子沿界面或者以扩散方式通过层散离。因为水比氧在中有更高的扩散系数和大得多的溶解度，所以水汽氧化的速率一般比较高。

（3）湿氧氧化

湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水的氧气，高纯水一般被加热到95左右。通过高纯水的氧气携带一定水蒸气，所以湿氧氧化的氧化剂既含有氧，又含有水汽。因此，的生长速率介于干氧和水汽氧化之间，与氧气流量、水汽的含量有着密切的关系。

（4）氢氧合成氧化

采用高温合成技术进行水汽氧化，在这种氧化系统中，氧化剂是由纯氢和纯氧直接反应生成的水汽，可在很宽的范围内变化的压力。

（5）快速热氧化

使用快速热氧化设备进行氧化，用于制造非常薄（<30埃）的氧化层。

2.说明的结构和性质，并简述结晶型和无定型的区别。

答：的中心是Si原子，四个顶点是O原子，顶角上的4个O原子正好与Si原子的4个价电子形成共价键，相邻的Si-O四面体是靠Si-O-Si键桥连接。其密度一般为2.20g/,熔点1700左右，折射率为波长的函数，密度较大则折射率较大，化学性质十分稳定，室温下只与HF发生反应。

结晶型由Si-O四面体在空间规则排列构成，每个顶角的O原子与两个相邻四面体中心的Si原子形成共价键，Si-O-Si键桥的角度为144；无定型的Si-O四面体的空间排列没有规律，Si-O-Si键桥的角度不固定，在110之间，平均值.相比之下，无定型网络疏松，不均匀，有孔洞。

3.以为例说明的掩蔽过程。

答：当与接触时，就转变为含磷的玻璃体（PSG），其变化过程如图所示。（a）扩散刚开始，只有靠近表面的转变为含磷的玻璃体；

（b）随着扩散的进行，大部分层转变为含磷的玻璃体；

（c）整个层都转变为含磷的玻璃体；

（d）在层完全转变为玻璃体后，又经过一定时间，层保护的硅中磷已经扩进一定深度。

4.简述杂质在的存在形式及如何调节的物理性质。

答：杂质在中有网络构成者和网络改变者两种存在形式。

一些杂质有意掺入热淀积中，用来改善它的物理性质和电学性质，例如硼、磷，称为网络构成者。网络构成者可以调节有氧桥和无氧桥的比例，使得的强度上升或者下降。存在于网络间隙的杂质称为网络疏松改变者。一般以离子形式存在，离子半径较大，替代硅的可能性小。例如Na、Ca、K、Pb、Ba等都是网络改变改变者。网络改变者往往以氧化物形式进入中。进入网络后便离化，并把氧离子交给网络。网络中氧的增加，使非桥键氧的浓度增大，网络的强度减弱。

5.简述常规热氧化办法制备介质薄膜的动力学过程，并说明在什么情况下氧化过程由反应控制或扩散控制。

答：常规热氧化制备介质薄膜的动力学过程可分为三个阶段：

（1）氧化剂从气体内部以扩散的形式穿过滞留层运动到气体-界面；

（2）氧化剂以扩散方式穿过层，到达界面，表面层上吸附氧起氧源的作用，界面起氧漏作用，建立起驱动扩散所需的浓度梯度；

（3）氧化剂在Si表面与Si反应生成，反应速率与氧气浓度成正比。

如果扩散系数很大，。此时，进入中的氧化剂快速

扩散到界面处，在界面处氧化剂与Si反应生成的速率很慢，造成氧化剂在界面处堆积，趋向于表面处的浓度。此时，生长速率由Si表面的化学反应速率控制，称为反应控制。

当氧化剂在中的扩散系数很小时（），则得，，

氧化剂以扩散的方式通过层运动到界面的数量极少，与Si立即反应生成，在界面处没有氧化剂的堆积，浓度趋近于零。因扩散速度太慢，而大量氧化剂堆积在表面处，浓度趋向于同气相平衡时的浓度Co。此时，的生长速率主要由氧化剂在中的扩散速度决定，称为扩散控制。

6.常用的薄层氧化工艺有哪些？

答：稀释氧化：氧化气氛为和惰性气体的混合物（减少氧Po）

低压氧化：降低氧化炉中的气压（改用CVD设备）（减少氧Po）

快速热氧化：采用快速热处理设备（减少t）

臭氧工艺：（减少）

7.说明影响氧化速率的因素。

答：影响氧化速率的因素有以下几点：

（1）氧化剂分压：气体中的氧化剂分压通过氧化剂的浓度对速率常数产生影响，在一定条件下，通过改变氧化剂的分压，可以改变二氧化硅的生长速率。

（2）氧化温度：氧化温度对氧化剂在中的扩散系数以及表面化学反应速率产生影响。（3）晶向：抛物线型氧化速率常数B与衬底晶向无关，而线性氧化速率常数B/A则强烈依赖于晶面的取向，因为线性氧化速率常数由表面化学反应速率决定，表面化学反应速率与硅表面的原子密度相关，（111）面的硅原子密度便大于（100）。

（4）掺入杂质：在氧化层中掺杂如P、B能够改变空位数量，影响氧化速率；掺杂卤素，例如Cl，催化反应的同时还能与大多数重金属原子反应生成挥发性的金属氯化物，起到清洁的作用。

8.简述在热氧化过程中杂质再分布的四种可能情况。

答：掺有杂质的硅在热氧化过程中，在界面上的平衡杂质浓度之比定义为分凝系数：

杂质在硅中的平衡浓度

杂质在二氧化硅中平衡浓度

热氧化过程中杂质再分布有以下四种情况：

（1）m < 1, 且在中是慢扩散杂质：也就是说在分凝过程中杂质通过表面损失的很少，硼就是属于这类。再分布后靠近界面处的的杂质浓度比硅中的高，硅表面附近的浓度下降；

（2）m < 1，且在中是快扩散杂质：因为大量的杂质通过表面跑到界外去，杂质损失非常厉害，使中的杂质浓度比例较低，但又要保证界面两边的杂质浓度比小于1，使硅表面的杂质浓度几乎降到零，在H2氛围中的硼就属于这种情况；

（3）m > 1，且在中是慢扩散杂质：再分布后硅表面附近的杂质浓度升高，磷就属于这种杂质；

（4）m > 1，且在中是快扩散杂质：在这种情况下，虽然分凝系数大于1，但因大量杂质通过表面进入气体中而损失，硅中杂质只能不断地进入中，才能保持界面两边杂质浓度比等于分凝系数，最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低，镓就是属于这种类型的杂质。

9.界面电荷有哪几种？简述其来源及处理办法。

答：（1）可移动离子电荷，主要来源于碱金属离子，例如、等网络改变者。为了降低的玷污，可以在工艺过程中采取预防措施包括：

①使用含氯的氧化工艺；

②用氯周期性地清洗管道、炉管和相关的容器；