氧化实验

硅片的氧化技术实验讲义编写：付强等一、目的1、了解热生长SiO2的设备及其SiO2在半导体制造工艺中的作用。2、理解热生长SiO2的原理。3、掌握热生长SiO2的工艺原理和操作方法。二、实验用具、材料和设备硅片、氧气、石英花篮和石英烧杯等各种石英器皿、氢氟酸、硫酸和硝酸等化学药品、恒温扩散炉。图1恒温扩散炉三、氧化层的作用热氧化法是在高温下（900℃-1200℃）使硅片表面形成二氧化硅膜的方法。热氧化的目的是在硅片上制作出一定质量要求的二氧化硅膜，对硅片或器件起保护、钝化、绝缘、缓冲介质等作用。硅片氧化前的清洗、热氧化的环境及过程是制备高质量二氧化硅膜的重要环节。下面介绍一下氧化层在半导体生产过程中的作用：1.用于杂质选择扩散的掩蔽膜常用杂质(硼,磷,砷等)在氧化层中的扩散系数远小于在硅片中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。利用这一性质，在硅片上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅片中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散。1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从而导致了硅平面工艺的诞生，开创了半导体制造技术的新阶段。同时二氧化硅也可在注入工艺中，作为选择注入的掩蔽膜。作为掩蔽膜时，一定要保证足够厚的厚度，杂质在二氧化硅中的扩散或穿透深度必须要小于二氧化硅的厚度，并有一定的余量，以防止可能出现的工艺波动影响掩蔽效果。SiO2N-WELLP-WLLS(P+)2.缓冲介质层其一：硅与氮化硅的应力较大，因此在两层之间生长一层氧化层，以缓冲两者之间的应力，如二次氧化；其二：也可作为注入缓冲介质，以减少注入对器件表面的损伤。Si(P)P-WellN-WellSiO2Si3N43.电容的介质材料电容的计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ：C=0*r*S/d0：真空介质常数r：相对介电常数S：电容区面积D：介质层厚度二氧化硅的相对介电常数为3-4。二氧化硅的耐击穿能力强，温度系数小，是制作电容介质的常用材料。在电容的制作过程中，电容的面积和光刻、腐蚀有较大的关系，而厚度则由二氧化硅的厚度决定。4.集成电路的隔离介质二氧化硅的隔离效果比PN结的隔离效果好，漏电流小，耐击穿能力强，隔离区和衬底之间的寄生电容小，不受外界偏压的影响，使器件有较高的开关速度。如工艺中常用的场氧化就是生长较厚的二氧化硅膜，达到器件隔离的目的。N-WellSiO2Si(P)P-WellSi3N45.MOS场效应晶体管的绝缘栅材料二氧化硅的厚度和质量直接决定着MOS场效应晶体管的多个电参数，因此在栅氧化的工艺控制中，要求特别严格。N-WellSi(P)P-WellSiO2PolyGate-oxide四、热氧化方法介绍1.干氧氧化干氧氧化化学反应式：Si+O2==SiO2氧分子以扩散的方式通过氧化层到达二氧化硅-硅表面，与硅发生反应，生成一定厚度的二氧化硅层。干氧化制作的SiO2结构致密，均匀性、重复性好，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好，但生长速率较慢；一般用于高质量的氧化，如栅氧等；厚层氧化时用作起始和终止氧化；薄层缓冲氧化也使用此法。2.水汽氧化水汽氧化化学反应式：2H2O+Si==SiO2+2H2水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷。对光刻胶的粘附性较差，一般不采用此方法。3.湿氧氧化湿氧氧化反应气体中包括O2和H2O，实际上是两种氧化的结合使用。湿氧氧化化学反应式：H2+O2==H2OH2O+Si==SiO2+2H2Si+O2==SiO2湿氧氧化的生长速率介于干氧氧化和水汽氧化之间；在今天的工艺中H2O的形成通常是由H2和O2的反应得到；因此通过H2和O2的流量比例来调节O2和H2O的分压比例，从而调节氧化速率，但为了安全，H2/O2比例不可超过1.88。湿氧氧化的氧化层对杂质掩蔽能力以及均匀性均能满足工艺要求，并且氧化速率比干氧氧化有明显提高，因此在厚层氧化中得到了较为广泛的应用，如场氧化等。4.掺氯氧化氧化气体中掺入HCL或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化层质量都有提高。人们从两个方面来解释速率变化的原因，其一：掺氯氧化时反应产物有H2O，加速氧化；其二：氯积累在Si-SiO2界面附近，氯与硅反应生成氯硅化物，氯硅化物稳定性差，在有氧的情况下易转变成SiO2，因此，氯起了氧与硅反应的催化剂的作用。并且氧化层的质量也大有改善，同时能消除钠离子的沾污，提高器件的电性能和可靠性。热氧化过程中掺入氯会使氧化层中含有一定量的氯原子，从而可以减少钠离子沾污，钝化SiO2中钠离子的活性，抑制或消除热氧化缺陷，改善击穿特性，提高半导体器件的可靠性和稳定性。五、热氧化过程中的硅片表面位置的变化如果热生长的二氧化硅厚度是X0（um），所消耗的硅厚度为X1，则：a=X1/X0=0.46Si-SiO界面原始硅表面SiO2表面54%100%46%即生长1um的SiO2，要消耗掉0.46um的Si。但不同热氧化生长的SiO2的密度不同，a值会略有差异。六、影响氧化速率的因素1.热氧化模型简介硅片的热氧化过程是氧化剂穿透二氧化硅层向二氧化硅和硅界面运动并与硅进行反应。Deal-Grove方程具体描述了这种热氧化过程，其膜厚方程式：X2+AX=B（t+）式中：A=2D0*（1/KS+1/h）B=2D0*N*/n=（XI2+A*XI）/BD0：氧化剂在二氧化硅中的有效扩散系数；h：气相输运常数KS：界面反应速率常数；N*：氧化剂在氧化层中的平衡浓度XI：初始氧化层厚度；n：形成单位体积二氧化硅所需的氧分子数极限情况1：短时间氧化时X=（B/A）*tB/A：线性氧化速率常数极限情况2：长时间氧化时X2=BtB：抛物线速率常数这两个速率常数都与工艺方法、氧化温度、氧化剂的分压、晶向有关系。2.氧化温度的影响温度越高，氧化速率越快。3.硅片晶向的影响线性速率常数与晶向有较大的关系，各种晶向的园片其氧化速率为：(110)>POLY>(111)>(100)4.掺杂杂质浓度的影响当掺杂杂质的浓度相当高时，会产生增强氧化，使氧化速率发生较大变化。如LVMG产品N+退火氧化：在未掺杂区的氧化厚度：670A在N+掺杂区氧化厚度：1700A5.氯化物的影响6.氧化剂分压的影响在前面介绍的湿氧氧化中，如果改变H2或O2的流量，就会使水汽和氧气的分压比降低，使氧化速率变化。七、扩散课的工艺状况1.氧化质量控制1.1拉恒温区控制温度定期拉恒温区以得到好的温度控制1.2DCE（C2H2Cl2）吹扫炉管1.3BT测量BT项目可以检测到可动离子数目，使我们及时掌握炉管的沾污情况，防止炉管受到可动电荷粘污，使大批园片受损。1.4片内均匀性保证硅片中每个芯片的重复性良好1.5片间均匀性保证每个硅片的重复性良好1.6定期清洗炉管清洗炉管，可以减少重金属离子、碱金属离子的沾污同时也能减少颗粒，保证氧化层质量。1.7定期检测系统颗粒八、常见问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 及处理I膜厚异常，但均匀性良好对策：首先，检查测量结果是否准确、仪器工作状态是否正常，然后1检查气体流量、工艺温度是否正常；2检查炉管的气体接口是否正常；3如使用控制片，检查控制片是否用对；4和动力部门确认，工艺时气体供应有无出现异常；5对于外点火的炉管，请检查点火装置的各处连接正常，然后进行TORCH点火实验。Ⅱ部分园片或部分测试点膜厚正常，但整体均匀性差对策：1如使用控制片，检查控制片；检查排风正常检查炉门正常