概述
硅表面 SiO2的简单实现, 是硅材料被广泛
应用的一个重要因素 。 本章中, 将介绍 SiO2的
生长工艺及用途, 氧化反应的不同方法, 其中
包括快速热氧化工艺 。 另外, 还简单介绍本工
艺中最重要的部分 ---反应炉, 因为它是氧化,
扩散, 热处理及化学气相淀积反应的基本设备 。
7.1 二氧化硅的性质, 用途
在半导体材料硅的所有优点当中, SiO2的
极易生成是最大的有点之一 。 当硅表面暴露在
氧气当中时, 就会形成 SiO2。
第七章 氧 化
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 。
7.1.1表面钝化
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 。
7.1.2 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
DtAx j ?
tDAx j 000 ?
t
0D D
00 jxx ?
jx
00 xx j ?
D
D
A
A
x
x
x
x
j
j
j
0000 ??
0x
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 。
0x
DD ?0
DD ?0
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 。
7.1.3 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 。
金属层
氧化层
晶片
7.1.4 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 ） 。
场氧化
M O S 氧化栅
金属层
氧化层
晶片
7.1.5 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 。
隧道栅极
栅极氧化，电容绝缘层
L O C O S 化氧
腌膜氧化，表面钝化
场氧化
二氧化硅厚度 ( ) 应用
6 0 ~ 1 0 0
1 5 0 ~ 5 0 0
2 0 0 ~ 5 0 0
2 0 0 0 ~ 5 0 0 0
3 0 0 0 ~ 1 0 0 0 0
7.2 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 。
硅
硅
硅
( a )
( b )
( c )
硅的线性氧化
硅的抛物线氧化
X = 化厚度氧
B = 物线常数抛
B / A = 性常数线
t = 化时间氧
X = B / A t
X = Bt
硅氧化生长率
氧化厚度
氧化时间
随着每一个新的生长层出现, O2原子的扩
散时间更长, 这就意味着生长速率变慢, 这一
阶段被称为剖物线阶段 。 因此, 氧化层的生长
会通过两个阶段：线性阶段和剖物线阶段, 之
间的变化依赖氧化温度和其他因素 （ 参见
7.2.1小节 ） 。 通常来说, 小于 1000埃的氧化
受控于线性机理 。 这是大多数 MOS栅极氧化的
范围 。
以上介绍的是 干氧氧化，氧化速率较慢。
如果用水蒸气代替氧气做氧化剂，可以提高氧
化速率，用水蒸气氧化的工艺通常称为 湿氧氧
化 。 其化学反应式如下,
Si(固态 )+H2O(气态 ) SiO2(固态 )+2H2(气态）
? 氧化生长模式
无论是干氧或者湿氧工艺, 二氧化硅的生
长都要消耗硅, 如图所示 。 硅消耗的厚度占氧
化总厚度的 0.46,这就意味着每生长 1μm的氧
化物, 就有 0.46μm的硅消耗 （ 干, 湿氧化略有
差别 ） 。
7.2.1 影响氧化速率的
因素
? 晶格方向
因为不同晶向其
原子密度不同，所以
在相同的温度、氧化
气压等条件下，原子
密度大的晶面，氧化
生长速率要大，而且
在低温时的线性阶段
更为明显。如图所示。
< 1 1 1 > 硅
< 1 0 0 > 硅
1
2
0 0
C
?
1 1
0
0
C
?
9
0
0
C
?
8
0
0
C
?
7
0
0
C
?
1
0
0
0
C
?
10 10 2 10 3 10 4
时间（ i n m）
? 晶园掺杂物的影响
用来制造芯片的晶园都是经过掺杂的,
另外在以后的工艺中, 还要用热扩散或离子注
入工艺完成掺杂 。 那么 掺杂元素 和 浓度 对 氧化
生长速率 都有影响 。 列如, 高掺杂浓度的硅表
面要比低掺杂浓度的硅表面氧化速率快 。 而且
高掺杂浓度的硅表面上的氧化层比在其他层上
生长的氧化层的密度低 。
另一个对氧化生长速率有影响的是氧化
完成后, 硅中掺杂原子的分布 。 我们知道氧化
时 O2原子进入 Si中与 Si原子发生反应生成 SiO2，
问题是, 在硅转化成二氧化硅的同时, 掺杂原
子发生了什么？,, 答案取决与掺杂物的导电
类型 。 N型掺杂物 （ P,As,Sb） 他们在
硅中 比在二氧化硅中有更高的溶解度 。 当氧化
层碰到它们时, 这些杂质将进入硅中, 在硅与
二氧化硅之间, 就象铲雪机推一个大雪堆一样,
结果是, N型掺杂物在硅与二氧化硅之间比在
晶体里有更高的密度 （ 称之为 二氧化硅的排磷
作用 ） 。
当掺杂物是 P型材料的硼 (B)元素时, 就会
产生相反的结果 。 即硼原子被拉入二氧化硅层,
导致在 SiO2与 Si交界处的硅原子被 B 原子消耗
尽 （ 称之为 二氧化硅的吸硼作用 ） 。
堆积和消耗对掺杂浓度的精确影响将在第
17章中说明 。
? 氧化剂分压的影响
由于 氧化层的生长速率依赖于氧化剂从
气相运动到硅界面的速度, 所以生长速率将随
着氧化剂分压增大而增大 。 高压强迫氧原子更
快地穿越正在生长的氧化层, 这对线性和抛物
线速率系数的增加很重要 。 这就允许降低温度
但仍保持不变的氧化速率, 或者在相同温度下
获得更快的氧化生长 。 经验表明, 每增加一个
大气压的压力, 相当于炉体温度降低 30℃ 。 这
样就可以用增加压力来降低温度而节省成本,
并可以解决高温工艺带来的负面影响 。 有关高
压氧化后面在介绍 。
? 氧化杂质
特定的杂质, 特别是氯化氢 (HCl)中的氯,
若氧化环境中含有氯, 它将影响氧化生长速率,
实践证明在有氯化氢的情况下, 生长速率可提
高 1%～ 5%。
? 多晶硅氧化
与单晶硅相比, 多晶硅可以更快, 更低或
相似, 主要取决于多晶硅的生长方法, 若用 化
学气相淀积 法生长多晶硅, 则与淀积温度, 淀
积压力, 掺杂的类型和浓度有关 。
? 不均匀的氧化率及氧化步骤
经过一些制作工艺后, 晶园表面的条件会
有所不同, 有的是场氧化区, 有些是掺杂区,
有些是多晶硅区等等 。 每个区上面氧化层厚度
不同, 氧化层厚度的不同被称为不均匀氧化 。
不同的氧化率导致了在晶
园表面形成台阶 (见图 ) 。
图中显示的是与比较厚的
场氧化区相邻的氧化区形
成了一个台阶, 在暴露区
的氧化反应较快 。
硅晶片
台阶
硅晶片
再氧化之前
再氧化之后
( a )
( b )
7.3 热氧化方法
从氧化反应方程式可以看出, 氧和硅的反应
似乎很简单, 但是要达到硅技术中的氧化必须
附加条件, 那就是加热, 给反应过程足够的能
量是其满足要求, 所以常称之为 热氧化 。
通常在常压或高压条件下生长 。 有两种常压技
术, 如图所示 。
热氧化
常压 炉管反应炉 干氧化
湿氧化
气泡发生器
闪光系统
干氧化
快速热氧化 干氧化
高压 炉管反应炉 干或湿氧化
化学氧化
阳极氧化 电解槽 化学的
7.4 水平炉管反应炉
最早使用也一直延续至今 。 主要用在氧化, 扩
散, 热处理及各
种淀积工艺中 。
水平炉管反应炉
的截面图如下,
整个系统包含
反应室, 温度
控制系统, 反
应炉, 气体柜
, 清洗站, 装
片站 等
源区 中央区 装载区
消声器
氧化
炉管
比例
控制器
温度
平区
距离O
7.6 快速升温反应炉
随着晶园尺寸越来越大, 升温降温时间会
增加, 成本也越来越高 。 解决这个问题的手段
就是确保最大批量, 但这又会减慢流程 。 为了
解决这个问题, 引进了快速升温, 小批量生产
的反应炉, 这就是大功率加热的小型水平炉 。
通常反应炉每分钟升温几度, 而快速升温反应
炉每分钟升温十几度 。 小容量的低效率缺陷由
快速的反应时间来补偿 。
7.7 快速加热工艺 （ RTP）
快速加热工艺主要是用在离子注入后的退
火, 目的是消除由于注入带来的晶格损伤和缺
陷 。 传统上的退火工艺由炉管反应炉来完成 。
但是在退火消除缺陷的同时又会带来一些其他
的负面影响, 比如, 掺杂的再分布 。 这又是不
希望发生的 。 这就使得人们在寻找其它的退火
方式, 这个方式就是快速加热工艺 。
RTP工艺是基于热辐射原理, 参见下图
灯型系统
工艺气体
排气口
石英托盘
十字钨灯
晶圆 干燥压缩
空气通道
工艺气体
进气口
门
循环水
入口
传感器
晶圆感应
高温计
纵向钨灯
过滤器
管型高温计
由示意图可看出, 加热源 （ 十字钨灯 ）
在晶园的上面, 这样晶园就可被快速加热 。 热
辐射偶合进入晶园表面并以 75℃ ～ 125℃ 的速
度到达工艺温度, 由于加热时间很短, 晶园体
内温度并未升温, 这在传统的反应炉内是不可
能实现的 。 用这个工艺进行离子注入后的退火,
就意味着晶格破坏修复了, 而掺入杂质的分布
没有改变 。
RTP技术不只是用在, 退火工艺,, 对于
MOS栅极中薄的氧化层的生长是自然而然的选
择, 由于器件尺寸越来越小的趋势使得加在晶
园上的每层的厚度越来越薄, 厚度减少最显著
的是栅极氧化层 。 先进的器件要求栅极厚度小
于 0.01微米 。 如此薄的氧化层对于普通的反应
炉来说，是难以实现的。而 RTP系统快速升温
降温可以提供所需的控制能力。
RTP时间 /温度曲线如下,
7 0 0
5 2 5
3 5 0
1 7 5
0
0 10 20 6560555045403530 1 0 1969186817671
时间（ ） s
R T P 期周
C
7.8 高压氧化
增加氧化剂分压提高氧化速率前面已经提到,
在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速
率, 或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是
经常采用方法 。 因为温度越高时间越长越会引起其
它负面影响, 比如, 晶园表面层中, 错位, 和温
度及高温下的时间密
切相关, 而这种错位
对器件特性是很不利
的 。 高温氧化系统如
图所示 。
不锈钢套 石英
反应管
高压惰性气体
高压氧化气体
和普通水平反应炉相似, 不同的是炉管
是密封的, 氧化剂被用 10~25倍大气压的压力
泵入炉管 。 在这种压力下, 氧化温度可降到
300~700℃ 而又能保证正常的氧化速率 。 在这
种温度下晶园的错位生长可降到最小 。
高压氧化也是 MOS栅极氧化的优选工艺之
一, 因为高压氧化中生成的栅极氧化层比常压
下生成的绝缘性要强 。
高压氧化工艺还可以解决在局部氧化
(LOCOS)中产生的, 鸟嘴, 效应问题 。
在氧化时, 当 O2扩散穿越已生长的氧化物
是, 他是在各个方向上扩散的, 纵向扩散的同
时也横向扩散, 这意味着在 氮化物掩膜下 有着
轻微的侧面氧化生长 。 由于氧化层比消耗的硅
更厚, 所以在 氮化物掩膜下的氧化生长将抬高
氮化物的边沿 。 我们称之为, 鸟嘴效应, 。
? 选择性氧化 /局部氧化（ LOCOS）
硅片上的选择性氧化区域是利用 SiO2来实现
对硅表面相邻器件间的电隔离。传统的,025μm
工艺以上的器件隔离方法是硅的局部氧化。
? 浅槽隔离（ STI）
用于亚 0.25μm工艺的选择性氧化的主要技术是
浅槽隔离 。 STI技术中的主要绝缘材料是淀积氧化
物 。
7.9 氧化工艺
? 干氧 氧气直接通向高温氧化炉与硅反应, 特
点是氧化速率小, 氧化层致密, 非常适合 MOS
器件中栅极氧化中低于 0.1微米的薄氧化层的生
长 。
? 湿氧 先让氧气通过气泡发生器, 使氧中携带一
定量的水汽 （ 水汽含
量一般由水浴温度和气
原压力决定）。饱和情
况下氧化速率主要由温
度决定。
承载
气体
加热器
? 特点, 氧化速率大, 但氧化层结构疏松, 质量
不如干氧 。 为了既保证氧化质量又提高氧化速
率, 通常采用,干氧 +湿氧 +干氧 的氧化工艺
? 加氯氧化
薄的 MOS栅极氧化层质量要求很高, 为了
满足这一要求, 通常采用加氯氧化法 。 在氧气
中加入氯后, 氯可以减少氧化层里的移动离子
（ Na） 电荷, 从而减少硅表面及氧化层的结构
缺陷, 即减少硅氧结合处的电荷 。 氧化时的氯
气可以使用氯化氢, 三氯乙烯, 氯方等分解得
到, 也是通过气泡发生器以气态形式进入反应
室 。 从安全和方便的角度讲, 氯仿是比较好的
氯源 。
? SiO2-Si界面
从单晶硅到无定形 SiO2间的 SiO2/Si界面上
存在突变 。 我们知道, 在 SiO2分之中, 每个硅原
子和四个氧原子键合, 每个氧原子和 2个硅原子
键合, 但在 SiO2/Si界面上有些硅原子并没有和
氧原子键合 （ 见下图 ） 。 距 SiO2/Si界面 2nm以内
的硅不完全氧化是带正电荷的固定氧化物电荷区 。
界面处积累的其他一些电荷包括 界面陷阱电荷,
可移动氧化物电荷 。 前者由结构缺陷, 氧化诱生
缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成,
后者是由于可动离子沾污引起的, 在远离界面的
氧化物体内, 也可能有正的或负的电荷氧化物陷
阱电荷 。 对于器件的正常工作, 界面处的电荷堆
积是不受欢迎的, 它会导致 MOS器件的开启
电压值变得无法接受, 通过在氢气或氢－氮混合
气体中低温 （ 450℃ ） 退火可以减少这种不可接受
的电荷 。
氧化系统示意图
7.9.1 氧化质量评估
氧化后要对氧化质量进行评估, 评估的数目
依赖与氧化层和特定电路对精确度及洁净度的
要求 （ 有关评估内容在第 14章中予以描述 ） 。
因为有些检测是破坏性的, 所以在把一批
晶园送入炉管的同时, 在不同位置放置一定数
量的专门用来测试的样片 。
一般情况下主要包括 表面检测 和 厚度检测
? 表面检测
通常在高亮的紫外线下对每片晶园进行检
测, 包括表面颗粒, 不规则度, 污点都会在紫
外线下显现 。
? 厚度检测
对厚度的检测非常重要, 因为不同的器件
或者不同目的要求, 比如, MOS栅极氧化层的
厚度要求就很严格 。 检测的技术包括,颜色比
较, 边沿记数, 干涉, 椭偏仪及电子扫描显微
镜等 。
7.10 阳极氧化
除了热氧化以外, 阳极氧化也是常用的 化
学氧化工艺, 与化学电镀很相似 。 适合生长薄
的氧化层, 但氧化层的质量较热氧化工艺差,
但对于非常薄的氧化层和要求不是太高的情况
下, 这种工艺还是有吸引力的 。
阴极 阳极
电解溶液
如 O HK
7.11 氮化硅（ Si3N4）
随着氧化层厚度越来越薄, 特别是小于 100
埃以后氧化膜质量较差, 而且难以控制 。 一个
替代二氧化硅膜的方法就是热生长 Si3N4膜 。 它
比二氧化硅膜密度高, 针孔少 。 同时也是一个
很好的扩散阻挡层 （ 杂质在氮化硅中的扩散系
数小于在二氧化硅中的 ） 。
热生长氮化硅膜一般是用硅烷 (SiH4)与氨
或者联氮 (N2H4) 做为还原剂, 通过携带气体 H2
或者 N2在 600～ 900℃ 下进行 。 化学反应式为,
3SiH4+4NH3 Si3N4+12H2
3SiH4+3N2H4 Si3N4+2NH3+9H2
虽然氮化硅有
很多优于二氧化硅
的特性, 但是它永
远不可能替代二氧
化硅 。 原因是不可
能直接在晶园上生
长氮化硅, 通常的
做法是先生长一层
高质量薄的二氧化
硅 （ 通常称其为 垫
氧 ）, 然后在其上
面在生长氮化硅 。
氮化
时间（小时）
厚度（仯
55
40
25
10
0
1 2 3 4
1 2 0 0
1 1 5 0
1 1 0 0
1 0 5 0
1 0 0 0
T = 9 5 0 C?
x = a t
硅表面 SiO2的简单实现, 是硅材料被广泛
应用的一个重要因素 。 本章中, 将介绍 SiO2的
生长工艺及用途, 氧化反应的不同方法, 其中
包括快速热氧化工艺 。 另外, 还简单介绍本工
艺中最重要的部分 ---反应炉, 因为它是氧化,
扩散, 热处理及化学气相淀积反应的基本设备 。
7.1 二氧化硅的性质, 用途
在半导体材料硅的所有优点当中, SiO2的
极易生成是最大的有点之一 。 当硅表面暴露在
氧气当中时, 就会形成 SiO2。
第七章 氧 化
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 。
7.1.1表面钝化
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 。
7.1.2 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
DtAx j ?
tDAx j 000 ?
t
0D D
00 jxx ?
jx
00 xx j ?
D
D
A
A
x
x
x
x
j
j
j
0000 ??
0x
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 。
0x
DD ?0
DD ?0
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 。
7.1.3 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 。
金属层
氧化层
晶片
7.1.4 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 ） 。
场氧化
M O S 氧化栅
金属层
氧化层
晶片
7.1.5 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 。
隧道栅极
栅极氧化，电容绝缘层
L O C O S 化氧
腌膜氧化，表面钝化
场氧化
二氧化硅厚度 ( ) 应用
6 0 ~ 1 0 0
1 5 0 ~ 5 0 0
2 0 0 ~ 5 0 0
2 0 0 0 ~ 5 0 0 0
3 0 0 0 ~ 1 0 0 0 0
7.2 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 。
硅
硅
硅
( a )
( b )
( c )
硅的线性氧化
硅的抛物线氧化
X = 化厚度氧
B = 物线常数抛
B / A = 性常数线
t = 化时间氧
X = B / A t
X = Bt
硅氧化生长率
氧化厚度
氧化时间
随着每一个新的生长层出现, O2原子的扩
散时间更长, 这就意味着生长速率变慢, 这一
阶段被称为剖物线阶段 。 因此, 氧化层的生长
会通过两个阶段：线性阶段和剖物线阶段, 之
间的变化依赖氧化温度和其他因素 （ 参见
7.2.1小节 ） 。 通常来说, 小于 1000埃的氧化
受控于线性机理 。 这是大多数 MOS栅极氧化的
范围 。
以上介绍的是 干氧氧化，氧化速率较慢。
如果用水蒸气代替氧气做氧化剂，可以提高氧
化速率，用水蒸气氧化的工艺通常称为 湿氧氧
化 。 其化学反应式如下,
Si(固态 )+H2O(气态 ) SiO2(固态 )+2H2(气态）
? 氧化生长模式
无论是干氧或者湿氧工艺, 二氧化硅的生
长都要消耗硅, 如图所示 。 硅消耗的厚度占氧
化总厚度的 0.46,这就意味着每生长 1μm的氧
化物, 就有 0.46μm的硅消耗 （ 干, 湿氧化略有
差别 ） 。
7.2.1 影响氧化速率的
因素
? 晶格方向
因为不同晶向其
原子密度不同，所以
在相同的温度、氧化
气压等条件下，原子
密度大的晶面，氧化
生长速率要大，而且
在低温时的线性阶段
更为明显。如图所示。
< 1 1 1 > 硅
< 1 0 0 > 硅
1
2
0 0
C
?
1 1
0
0
C
?
9
0
0
C
?
8
0
0
C
?
7
0
0
C
?
1
0
0
0
C
?
10 10 2 10 3 10 4
时间（ i n m）
? 晶园掺杂物的影响
用来制造芯片的晶园都是经过掺杂的,
另外在以后的工艺中, 还要用热扩散或离子注
入工艺完成掺杂 。 那么 掺杂元素 和 浓度 对 氧化
生长速率 都有影响 。 列如, 高掺杂浓度的硅表
面要比低掺杂浓度的硅表面氧化速率快 。 而且
高掺杂浓度的硅表面上的氧化层比在其他层上
生长的氧化层的密度低 。
另一个对氧化生长速率有影响的是氧化
完成后, 硅中掺杂原子的分布 。 我们知道氧化
时 O2原子进入 Si中与 Si原子发生反应生成 SiO2，
问题是, 在硅转化成二氧化硅的同时, 掺杂原
子发生了什么？,, 答案取决与掺杂物的导电
类型 。 N型掺杂物 （ P,As,Sb） 他们在
硅中 比在二氧化硅中有更高的溶解度 。 当氧化
层碰到它们时, 这些杂质将进入硅中, 在硅与
二氧化硅之间, 就象铲雪机推一个大雪堆一样,
结果是, N型掺杂物在硅与二氧化硅之间比在
晶体里有更高的密度 （ 称之为 二氧化硅的排磷
作用 ） 。
当掺杂物是 P型材料的硼 (B)元素时, 就会
产生相反的结果 。 即硼原子被拉入二氧化硅层,
导致在 SiO2与 Si交界处的硅原子被 B 原子消耗
尽 （ 称之为 二氧化硅的吸硼作用 ） 。
堆积和消耗对掺杂浓度的精确影响将在第
17章中说明 。
? 氧化剂分压的影响
由于 氧化层的生长速率依赖于氧化剂从
气相运动到硅界面的速度, 所以生长速率将随
着氧化剂分压增大而增大 。 高压强迫氧原子更
快地穿越正在生长的氧化层, 这对线性和抛物
线速率系数的增加很重要 。 这就允许降低温度
但仍保持不变的氧化速率, 或者在相同温度下
获得更快的氧化生长 。 经验表明, 每增加一个
大气压的压力, 相当于炉体温度降低 30℃ 。 这
样就可以用增加压力来降低温度而节省成本,
并可以解决高温工艺带来的负面影响 。 有关高
压氧化后面在介绍 。
? 氧化杂质
特定的杂质, 特别是氯化氢 (HCl)中的氯,
若氧化环境中含有氯, 它将影响氧化生长速率,
实践证明在有氯化氢的情况下, 生长速率可提
高 1%～ 5%。
? 多晶硅氧化
与单晶硅相比, 多晶硅可以更快, 更低或
相似, 主要取决于多晶硅的生长方法, 若用 化
学气相淀积 法生长多晶硅, 则与淀积温度, 淀
积压力, 掺杂的类型和浓度有关 。
? 不均匀的氧化率及氧化步骤
经过一些制作工艺后, 晶园表面的条件会
有所不同, 有的是场氧化区, 有些是掺杂区,
有些是多晶硅区等等 。 每个区上面氧化层厚度
不同, 氧化层厚度的不同被称为不均匀氧化 。
不同的氧化率导致了在晶
园表面形成台阶 (见图 ) 。
图中显示的是与比较厚的
场氧化区相邻的氧化区形
成了一个台阶, 在暴露区
的氧化反应较快 。
硅晶片
台阶
硅晶片
再氧化之前
再氧化之后
( a )
( b )
7.3 热氧化方法
从氧化反应方程式可以看出, 氧和硅的反应
似乎很简单, 但是要达到硅技术中的氧化必须
附加条件, 那就是加热, 给反应过程足够的能
量是其满足要求, 所以常称之为 热氧化 。
通常在常压或高压条件下生长 。 有两种常压技
术, 如图所示 。
热氧化
常压 炉管反应炉 干氧化
湿氧化
气泡发生器
闪光系统
干氧化
快速热氧化 干氧化
高压 炉管反应炉 干或湿氧化
化学氧化
阳极氧化 电解槽 化学的
7.4 水平炉管反应炉
最早使用也一直延续至今 。 主要用在氧化, 扩
散, 热处理及各
种淀积工艺中 。
水平炉管反应炉
的截面图如下,
整个系统包含
反应室, 温度
控制系统, 反
应炉, 气体柜
, 清洗站, 装
片站 等
源区 中央区 装载区
消声器
氧化
炉管
比例
控制器
温度
平区
距离O
7.6 快速升温反应炉
随着晶园尺寸越来越大, 升温降温时间会
增加, 成本也越来越高 。 解决这个问题的手段
就是确保最大批量, 但这又会减慢流程 。 为了
解决这个问题, 引进了快速升温, 小批量生产
的反应炉, 这就是大功率加热的小型水平炉 。
通常反应炉每分钟升温几度, 而快速升温反应
炉每分钟升温十几度 。 小容量的低效率缺陷由
快速的反应时间来补偿 。
7.7 快速加热工艺 （ RTP）
快速加热工艺主要是用在离子注入后的退
火, 目的是消除由于注入带来的晶格损伤和缺
陷 。 传统上的退火工艺由炉管反应炉来完成 。
但是在退火消除缺陷的同时又会带来一些其他
的负面影响, 比如, 掺杂的再分布 。 这又是不
希望发生的 。 这就使得人们在寻找其它的退火
方式, 这个方式就是快速加热工艺 。
RTP工艺是基于热辐射原理, 参见下图
灯型系统
工艺气体
排气口
石英托盘
十字钨灯
晶圆 干燥压缩
空气通道
工艺气体
进气口
门
循环水
入口
传感器
晶圆感应
高温计
纵向钨灯
过滤器
管型高温计
由示意图可看出, 加热源 （ 十字钨灯 ）
在晶园的上面, 这样晶园就可被快速加热 。 热
辐射偶合进入晶园表面并以 75℃ ～ 125℃ 的速
度到达工艺温度, 由于加热时间很短, 晶园体
内温度并未升温, 这在传统的反应炉内是不可
能实现的 。 用这个工艺进行离子注入后的退火,
就意味着晶格破坏修复了, 而掺入杂质的分布
没有改变 。
RTP技术不只是用在, 退火工艺,, 对于
MOS栅极中薄的氧化层的生长是自然而然的选
择, 由于器件尺寸越来越小的趋势使得加在晶
园上的每层的厚度越来越薄, 厚度减少最显著
的是栅极氧化层 。 先进的器件要求栅极厚度小
于 0.01微米 。 如此薄的氧化层对于普通的反应
炉来说，是难以实现的。而 RTP系统快速升温
降温可以提供所需的控制能力。
RTP时间 /温度曲线如下,
7 0 0
5 2 5
3 5 0
1 7 5
0
0 10 20 6560555045403530 1 0 1969186817671
时间（ ） s
R T P 期周
C
7.8 高压氧化
增加氧化剂分压提高氧化速率前面已经提到,
在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速
率, 或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是
经常采用方法 。 因为温度越高时间越长越会引起其
它负面影响, 比如, 晶园表面层中, 错位, 和温
度及高温下的时间密
切相关, 而这种错位
对器件特性是很不利
的 。 高温氧化系统如
图所示 。
不锈钢套 石英
反应管
高压惰性气体
高压氧化气体
和普通水平反应炉相似, 不同的是炉管
是密封的, 氧化剂被用 10~25倍大气压的压力
泵入炉管 。 在这种压力下, 氧化温度可降到
300~700℃ 而又能保证正常的氧化速率 。 在这
种温度下晶园的错位生长可降到最小 。
高压氧化也是 MOS栅极氧化的优选工艺之
一, 因为高压氧化中生成的栅极氧化层比常压
下生成的绝缘性要强 。
高压氧化工艺还可以解决在局部氧化
(LOCOS)中产生的, 鸟嘴, 效应问题 。
在氧化时, 当 O2扩散穿越已生长的氧化物
是, 他是在各个方向上扩散的, 纵向扩散的同
时也横向扩散, 这意味着在 氮化物掩膜下 有着
轻微的侧面氧化生长 。 由于氧化层比消耗的硅
更厚, 所以在 氮化物掩膜下的氧化生长将抬高
氮化物的边沿 。 我们称之为, 鸟嘴效应, 。
? 选择性氧化 /局部氧化（ LOCOS）
硅片上的选择性氧化区域是利用 SiO2来实现
对硅表面相邻器件间的电隔离。传统的,025μm
工艺以上的器件隔离方法是硅的局部氧化。
? 浅槽隔离（ STI）
用于亚 0.25μm工艺的选择性氧化的主要技术是
浅槽隔离 。 STI技术中的主要绝缘材料是淀积氧化
物 。
7.9 氧化工艺
? 干氧 氧气直接通向高温氧化炉与硅反应, 特
点是氧化速率小, 氧化层致密, 非常适合 MOS
器件中栅极氧化中低于 0.1微米的薄氧化层的生
长 。
? 湿氧 先让氧气通过气泡发生器, 使氧中携带一
定量的水汽 （ 水汽含
量一般由水浴温度和气
原压力决定）。饱和情
况下氧化速率主要由温
度决定。
承载
气体
加热器
? 特点, 氧化速率大, 但氧化层结构疏松, 质量
不如干氧 。 为了既保证氧化质量又提高氧化速
率, 通常采用,干氧 +湿氧 +干氧 的氧化工艺
? 加氯氧化
薄的 MOS栅极氧化层质量要求很高, 为了
满足这一要求, 通常采用加氯氧化法 。 在氧气
中加入氯后, 氯可以减少氧化层里的移动离子
（ Na） 电荷, 从而减少硅表面及氧化层的结构
缺陷, 即减少硅氧结合处的电荷 。 氧化时的氯
气可以使用氯化氢, 三氯乙烯, 氯方等分解得
到, 也是通过气泡发生器以气态形式进入反应
室 。 从安全和方便的角度讲, 氯仿是比较好的
氯源 。
? SiO2-Si界面
从单晶硅到无定形 SiO2间的 SiO2/Si界面上
存在突变 。 我们知道, 在 SiO2分之中, 每个硅原
子和四个氧原子键合, 每个氧原子和 2个硅原子
键合, 但在 SiO2/Si界面上有些硅原子并没有和
氧原子键合 （ 见下图 ） 。 距 SiO2/Si界面 2nm以内
的硅不完全氧化是带正电荷的固定氧化物电荷区 。
界面处积累的其他一些电荷包括 界面陷阱电荷,
可移动氧化物电荷 。 前者由结构缺陷, 氧化诱生
缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成,
后者是由于可动离子沾污引起的, 在远离界面的
氧化物体内, 也可能有正的或负的电荷氧化物陷
阱电荷 。 对于器件的正常工作, 界面处的电荷堆
积是不受欢迎的, 它会导致 MOS器件的开启
电压值变得无法接受, 通过在氢气或氢－氮混合
气体中低温 （ 450℃ ） 退火可以减少这种不可接受
的电荷 。
氧化系统示意图
7.9.1 氧化质量评估
氧化后要对氧化质量进行评估, 评估的数目
依赖与氧化层和特定电路对精确度及洁净度的
要求 （ 有关评估内容在第 14章中予以描述 ） 。
因为有些检测是破坏性的, 所以在把一批
晶园送入炉管的同时, 在不同位置放置一定数
量的专门用来测试的样片 。
一般情况下主要包括 表面检测 和 厚度检测
? 表面检测
通常在高亮的紫外线下对每片晶园进行检
测, 包括表面颗粒, 不规则度, 污点都会在紫
外线下显现 。
? 厚度检测
对厚度的检测非常重要, 因为不同的器件
或者不同目的要求, 比如, MOS栅极氧化层的
厚度要求就很严格 。 检测的技术包括,颜色比
较, 边沿记数, 干涉, 椭偏仪及电子扫描显微
镜等 。
7.10 阳极氧化
除了热氧化以外, 阳极氧化也是常用的 化
学氧化工艺, 与化学电镀很相似 。 适合生长薄
的氧化层, 但氧化层的质量较热氧化工艺差,
但对于非常薄的氧化层和要求不是太高的情况
下, 这种工艺还是有吸引力的 。
阴极 阳极
电解溶液
如 O HK
7.11 氮化硅（ Si3N4）
随着氧化层厚度越来越薄, 特别是小于 100
埃以后氧化膜质量较差, 而且难以控制 。 一个
替代二氧化硅膜的方法就是热生长 Si3N4膜 。 它
比二氧化硅膜密度高, 针孔少 。 同时也是一个
很好的扩散阻挡层 （ 杂质在氮化硅中的扩散系
数小于在二氧化硅中的 ） 。
热生长氮化硅膜一般是用硅烷 (SiH4)与氨
或者联氮 (N2H4) 做为还原剂, 通过携带气体 H2
或者 N2在 600～ 900℃ 下进行 。 化学反应式为,
3SiH4+4NH3 Si3N4+12H2
3SiH4+3N2H4 Si3N4+2NH3+9H2
虽然氮化硅有
很多优于二氧化硅
的特性, 但是它永
远不可能替代二氧
化硅 。 原因是不可
能直接在晶园上生
长氮化硅, 通常的
做法是先生长一层
高质量薄的二氧化
硅 （ 通常称其为 垫
氧 ）, 然后在其上
面在生长氮化硅 。
氮化
时间（小时）
厚度（仯
55
40
25
10
0
1 2 3 4
1 2 0 0
1 1 5 0
1 1 0 0
1 0 5 0
1 0 0 0
T = 9 5 0 C?
x = a t
