B）Do很大，则Ns-Nos，产生界面处堆积，称反应控制。
设形成单位体积SiO2所需要的氧分子数为n,则SiO2膜的生长速率为
dtox=Ks•N*/n（1+Ks/h+Ks•tox/Do）式（8—8）
若toxi为初始氧化层厚度（t=0时），解方程式（8—8）可得：
2
tox+A•tox=B（t+t）式（8—9）
式中A=2Do（1/Ks+1/h）;B=2Do•N*/n;t=（toxi2+A•toxi）/B。
在氧化过程中，首先是氧化剂由气体内部扩散到二氧化硅与气体界面处，因
为在气相中的扩散速度比在固相中大得多，所以扩散到二氧化硅与气体界面处的氧化剂是充足的，也就是说二氧化硅的生长速率不会受到氧化剂在气相中输运速度的影响。
因此二氧化硅生长的快慢将由氧化剂在二氧化硅中的扩散速度以及与硅反应速度中较慢的一个因素所决定，即存在扩散控制和表面化学反应速度控制二种极限情况。
对上述这些公式进行讨论，在氧化反应的初期，因为SiO2层厚度较薄，式
（8—9）可写成
tox=（B/A）（t+t）式（8—10）
式中可看到刚开始氧化反应时，SiO2的厚度与反应时间成线性正比关系。
此时氧化剂通过SiO2的扩散能力很强，反应速率限制于表面的氧化反应（反应控制）。
对于长的氧化时间，式（8—9）可写成
2
tox=B•t式（8—11）
B定义为氧化的抛物线速度常数。
此时氧化速率主要受氧化剂扩散的限制，氧化
层厚度与氧化时间呈抛物线关系（扩散控制）。
8.2.3影响氧化速率的因素
一•温度对氧化速率的影响
温度对氧化速率的影响可以从抛物线速度常数B和线性常数B/A对温度的
关系来看，表8.1给出了不同氧化气氛和不同温度下的A、B、B/A值。
形式
温度（C）
A（卩m）
B（卜m/min）
B/A（4m/min）
1200
0.40
-4
7.5X10
-4
1.87X10-2
-2
干氧氧化
1100
0.90
4.5X10
-4
0.50X10
-2
1000
0.165
1.95X10
0.118X10
920
0.235
-4
0.82X10
-2
0.0347X10
1200
0.50
1.2X10-2
-1
2.40X10
湿氧氧化
1100
0.11
0.85X10-2
-1
0.773X10
（95C水汽）
1000
0.226
-2
0.48X102
-1
0.211X101
920
0.50
-2
0.34X10
-1
0.068X10
1200
0.170
1.457X10-2
-1
8.7X10
水汽氧化
1094
0.830
-2
0.909X10
-1
1.09X10
973
0.3550
0.520X10-2
-1
0.148X10
表8.1不同氧化气氛和不同温度下的A、B、B/A值
由表可见A随温度增加而减小，B、B/A随温度增加而增大，湿氧氧化比干氧氧化要快。
二.氧化气体压力对氧化速率的影响
从前面的讨论可知，Fi和B都正比于N*，而N*正比于Pg。
因此当氧化气体压力Pg变大，氧化速率会变大。
图8.7给出了不同气压下二氧化硅层厚度与时间的关系。
氧优时何（水吋）
国出7豪度如DD躍氧坏境f不冋裁育医力下隼化层厚度虞氯化时阿約关系
.晶向对氧化速率的影响
u>I
BB.8不同晶向的氧化遠率
硅衬底的晶向对氧化速率有一定影响，这主要是因为SiO2—Si界面反应速率常数Ks取决于硅表面的密度和反应的活化能。
图8.8可看出不同晶向的氧化速率。
四.氧化的初始阶段和模型的修正
从实验数据中可以发现氧化的初始阶段（20—30nm）有一个快速的偏离线性曲线的氧化过程。
这意味着有与正常氧化不同的氧化机理。
氧化模型是建立在
中性氧化剂分子穿过氧化膜与硅反应，而在氧化初始阶段，实际上氧在SiO2中
的扩散是以离子形式进行的。
02=02—+空穴+
氧离子和空穴同时扩散向Si02—Si界面移动，由于空穴扩散快，就在Si02层中产生一内建电场，此电场又加速了02—的扩散。
如此就解释了实际与模型曲线的差异。
不过这种加速作用只存在于Si02表面一个很薄的范围内。
8.3高温炉设备
热氧化的设备主要有水平式和直立式二种，六吋硅片以下都用水平式炉管，
八吋以上都采用直立式炉管。
炉管和装载硅片的舟都用石英材料制成。
在氧化过
程中，要防止杂质沾污和金属污染，为了减少人为的因素，现代ic制程中氧化
过程都进行自动化控制。
图8.9是典型的水平式炉管氧化系统。
三（放炉管外〉
对氧化的均匀性至关重要的是氧化区域的温度分布，用五段加热器来控温即是为了达到最佳的温度分布曲线，通常温度误差控制在土0.5C。
直立式比水平式有一个很大的优点，就是气体的向上热流性，使得氧化的均匀性比水平式的要好，同时它体积小，占地面积小，可以节省洁净室的空间。
图8.10是直立式氧化设备系统。
Eh.hi垂R丈戦化炉在杲统
在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。
一个氧化过程的主要步骤如图8.11。
图&11一个筑址段式主娈歩雰
步骤1：
硅片送至炉管口，通入N2及少量02；
步骤2:
硅片被推至恒温区，升温速率5C~30C/min;
步骤3:
通入大量02，氧化反应开始；
步骤4：
做干氧加入一定比例的含氯气体，做湿氧通入H2;
步骤5:
通02,以消耗残留的含氯气体或H2;
步骤6:
改通N2，做退火；
步骤7:
硅片开始拉至炉口，降温速率2C~10C/min;
步骤8：
硅片拉出炉管。
8.4氧化工艺
制备SiO2的方法很多，在集成电路工艺中最常用的方法为热氧化和化学气相淀积两种。
本章主要介绍热氧化法。
8.4.1干氧氧化
干氧氧化就是在氧化过程中，直接通入氧气进行氧化的方法。
干氧氧化生成
的SiO2膜结构致密、干燥、均匀性和重复性好，对杂质掩蔽能力强，钝化效果好，与光刻胶的附着性好，缺点是氧化速率慢。
反应方程为：
Si+02—Si02
8.4.2水汽氧化水汽氧化是硅片与高温水蒸气发生反应的氧化方法。
水汽氧化生成的Si02膜结构疏松，表面有斑点和缺陷，含水量大，对杂质（尤其是磷）掩蔽能力较差。
由于水在Si02中的平衡浓度N*（1019cm-3）比02的N*（1016cm-3）高出三个数量级，所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化快得多。
但因为它的缺点，现在很少采用这种氧化方法。
反应方程为：
Si+2H2O—Si022H2T
8.4.3湿氧氧化
湿氧氧化是氧气先通过95~98C左右的去离子水，将水汽一起带入氧化炉内，氧气与水汽同时与硅反应的氧化方法。
湿氧氧化生成的Si02膜质量比干氧氧化的略差，但远好与水汽氧化的效果，而且生长速度较快，其缺点是与光刻胶的附着性不良，硅表面存在较多位错。
反应方程同上。
在实际的制造工艺中，通常采用干氧—湿氧—干氧这种多步交替氧化方法制备氧化层，这样既能保证较好的Si02膜质量，又能有较快的氧化速率。
8.4.4掺氯氧化
掺氯氧化是在干氧氧化通入氧气的同时，通入含氯的化合物气体，生成含氯
的二氧化硅膜，氯能俘获钠等金属离子，这样能减少二氧化硅中的钠离子沾污，提高器件的电性能和可靠性。
反应方程为：
4HCI+02<-->2H2O2CI2
8.4.5氢氧合成氧化
氢氧合成氧化是在常压下，把高纯氢气和氧气通入石英管内，使之在一定温
度下燃烧生成水，水在高温下汽化，然后水汽与硅反应生成二氧化硅的氧化方法。
为了安全起见，通入的氧气必须过量。
因此实际上是水汽和氧气同时参与氧化。
因为气体纯度高，所以燃烧生成的水纯度很高，就避免了湿氧氧化水蒸气带来的污染。
生成的二氧化硅膜质量好，生长效率高，均匀性和重复性好。
其反应为
2H2+02=2H20
8.4.6其它的氧化
除了以上几种热氧化方法外，还有几种氧化方法。
像低温薄栅氧化（<900C）和分压氧化（在氧气中通入一定比例的不活泼气体，降低氧气的分压，以至降低氧化速率）是为了制备高质量的薄栅氧化层，高压氧化是为了制备厚的氧化层。
8.5质量测量
8.5.1氧化层的电荷
作为MOS结构中的一部分，栅氧化层的要求是非常高的。
但是由于在SiO2—Si界面因为氧化的不连续性，有一个过渡区的存在，产生了界面态。
钠离子进入二氧化硅层就成了可动电荷。
氧化层中有这些电荷存在，会极大地影响器件的参数，使特性变坏。
在氧化层中电荷的分布见图8.12
图比吃电荷在翘貌址屋内附守帀
下面介绍这四种电荷
1.界面陷阱电荷Qit:
在界面处由于硅与二氧化硅的不连续性产生未饱和键引起。
它的能级在硅的禁带中。
电荷密度在101°/cm2左右。
通过氧化后适当的退火能降低Qit的浓度。
2.固定氧化物电荷Qf：
氧化层中的缺陷引起。
电荷密度在1010~1012/cm2，适当的退火及冷却速率能减少Qf。
三•可动电荷Qm:
由氧化系统中的碱金属离子到了氧化层中所引起。
电荷密度在1010~1012/cm2。
要减少此类电荷，可在氧化前先通入含氯的化合物气体清洗炉管，氧化采用掺氯氧化。
四.氧化层陷阱电荷Qot:
这是由氧化层内的杂质或未饱和健捕捉到加工过程中产生的电子所引起的。
电荷密度在109~1013/cm2。
通过退火也能降低Qot。
这些电荷的检测可采用电容一电压，也就是通常所说的C—V测量技术，在这里不作详细介绍了。
8・5・2氧化层的厚度和密度
在集成电路的加工工艺中，氧化层厚度的控制也是十分重要的。
如栅氧化层的厚度在亚微米工艺中仅几十nm，甚至几nm。
另外二氧化硅膜是否致密可通过折射率来反映，厚度与折射率检测多采用椭圆偏振法。
此法测量精度高，非破坏性，能同时测出膜厚和折射率。
8.5.3氧化层的缺陷
氧化层的缺陷主要是针孔和层错，他们是器件漏电流的主要根源。
针孔产生的原因主要是硅片表面的缺陷、损伤、沾污，在氧化后形成。
或在光刻时，掩膜板上有小岛，光刻胶中有杂质微粒，使腐蚀后的氧化膜上出现针孔，层错是在高温氧化后形成的。
要减少这些缺陷，就要提高氧化系统中的洁净程度，还要在氧化前将硅片清洗干净。
改进氧化条件则是减少层错的有效方法。
8.5.4热应力
因为二氧化硅与硅的热膨胀系数不同（硅是2.6*10-6/°C,二氧化硅是
5*10-7厂C）,因此在结束氧化退出高温过程后，会产生很大的热应力，对二氧化硅膜来说是来自硅的压缩应力。
这会造成硅片发生弯曲并产生缺陷。
严重时,氧化层会产生破裂，从而使硅片报废。
所以在加热特别在冷却过程中要使硅片：
（1）受热均匀。
（2）升温、降温速率不能太大。
升级会员 