半导体技术课件第七章氧化.pptx

结构、性质
SiO2膜的原子结构如图所示。它是由一个硅原子被4个氧样原子包围着的四面体单元组成的。是一种无定型的玻璃状结构,具体地说是一种近程有序的网状结构,没有长程有序的晶格周期。
尽管硅是一种半导体,但SiO2是一种绝缘材料。是硅器件制造中得到广泛应用的一种膜层,因为SiO2既可以用来处理硅表面,又可以作为掺杂的阻挡层、表面绝缘层及作为器件中的绝缘部分。

无论采取什么样的措施,器件受污染的影响总是不可避免的。SiO2层在防止硅器件被污染方面起到了一个非常重要的作用。原因是SiO2密度非常高、非常硬,因此硅表面的SiO2层可以扮演一个污染阻挡层的角色。
另一方面,SiO2对器件的保护是原于其化学特性。因为在制造过程中,无论工作室多么洁净,总有一些电特性活跃的污染物最终会
进入或落在硅片表面,在氧化过程中, 污染物在表面形成新的氧化层,是污染物远离了电子活性的硅表面。也就是说污
染物被禁锢在二氧化硅
膜中,从而减小了污染
物对器件的影响。
掺杂阻挡层
器件制造过程中的掺杂是定域(有选择的区域)掺杂,那么不需要
掺杂的区域就必须进行
保护而不被掺杂。如图
所示。
实现掩蔽扩散的条件
二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用,如上图所示,在杂质向Si中扩散的同时,也要向SiO2层中扩散,设在Si中的扩散深度为
在SiO2层中的扩散深度为
式中: 扩散时间, 、分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数,显然要实现掩蔽扩散的条件是,即当杂质在硅中的扩散深度达到时杂质在SiO2中的扩散深度应

所以, 氧化层厚度
由此可见,实现掩蔽扩散要求的SiO2厚度与杂质在SiO2和Si中的扩散系数有关,原则上讲,只要能满足上式不等式,就可起到杂质扩散的掩蔽作用,但实际上只有那些的杂质,用SiO2掩蔽才有实用价值,否则所需的SiO2厚度就很厚,既难于制备,又不利于光刻。
但是,只要按照的条件选择杂质种类,就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现,B、P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小,所以。常常选择B、P 作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质,情况则相反。
值得注意的是,Au虽然在SiO2中的扩散系数很小,但由于在Si中的扩散系数太大,这样以来横向扩散作用也大,所以也不能选用。
二氧化硅另外一个优点是在所有介质膜中它的热膨胀系数与硅最接近。
表面绝缘层
SiO2作为绝缘层也是器件工艺的一个重要组成部分。作为绝缘层要求必须是连续的,膜中间不能有空洞或孔存在。另外要求必须有一定的厚度,绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来防止从
金属层产生的感应,这
时的SiO2称为场氧化物。
如图所示。
器件绝缘体
从另一个角度讲,感应现象就是MOS技术,在一个MOS三极管中,栅极区会长一层薄的二氧化硅(见图)。这时的SiO2起的是介电质的作用,不仅厚度而且质量都要求非常严格。
除此之外, SiO2也可用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质(见图)。
器件氧化物的厚度
应用在硅材料器件中的二氧化硅随着作用的不同其厚度差别是很大的,薄的氧化层主要是MOS器件里的栅极,厚的氧化层主要用于场氧化层,下面的表列出了不同厚度范围及其相对应的主要用途。
热氧化机理
半导体工艺中的二氧化硅大多数是通过热生长氧化法得到的,也就是让硅片(晶园)在高温下,与氧化剂发生反应而生长一层SiO2膜的方法,其化学反应式如下:
Si(固态)+O2(气态) SiO2(固态)
化学反应非常简单,但氧化几理并非如此,因为一旦在硅表面有二氧化硅生成,它将阻挡O2原子与Si原子直接接触,所以其后的继续氧化是O2原子通过扩散穿过已生成的二氧化硅层,向Si一侧运动到达界面进行反应而增厚的。通过一定的理论分析可知,在初始阶段,氧化层厚度(X)与时间(t)是线性关系,而后变成抛物线关系。