热氧化(Thermal Oxidation).ppt

热氧化 ThermalOxidation 热氧化 ThermalOxidation 一 什么是热氧化 热氧化定义及SiO2的结构二 为什么要热氧化 氧化膜 SiO2 的性质和用途三 怎么热氧化呢 热氧化机理 Deal Grove模型 热氧化工艺 方法 和系统四 氧化结果如何 氧化膜质量的检测五 文献调研 一 什么是热氧化 1 热氧化定义 将硅片置于高温下 通以氧化的气氛 使硅表面一薄层的硅转变为二氧化硅的方法 2 二氧化硅 Si02 的结构 2 1基本架构单元 4个O原子位于四面体的顶点 Si位于四面体中心 结晶形和非结晶形 无定形 二氧化硅都是Si O正四面体结构组成的 这些四面体通过不同的桥键氧原子连接 形成不同状态和结构的二氧化硅 桥键氧 非桥键氧 热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构 长程无序但短程有序 SiO2有结晶形和无定形两类 热氧化 ThermalOxidation 一 什么是热氧化 热氧化定义及SiO2的结构二 为什么要热氧化 氧化膜 SiO2 的性质和用途三 怎么热氧化呢 热氧化机理 Deal Grove模型 热氧化工艺 方法 和系统四 氧化结果如何 氧化膜质量的检测五 文献调研 二 为什么要热氧化 1 氧化膜作用 作为杂质扩散或离子注入的掩蔽层 表面钝化层 器件隔离用的绝缘层 mos器件的组成部分 栅介质 电容器的介质材料 多层布线间的绝缘层 介电强度高 10MV cm 2 1二氧化硅的绝缘特性 电阻率高 1 1014 cm 1 1016 cm禁带宽度大 9eV 介电常数 3 9 热氧化二氧化硅膜 2 SiO2的性质 B P As等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其在Si中的扩散系数 DSi DSiO2 SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度 对特定的杂质 扩散时间 扩散温度等 有一最小掩蔽厚度 2 2二氧化硅的掩蔽性质 2 3二氧化硅的化学稳定性 二氧化硅是硅的最稳定化合物 属于酸性氧化物 不溶于水 耐多种强酸腐蚀 但极易与氢氟酸反应 热氧化 ThermalOxidation 一 什么是热氧化 热氧化定义及SiO2的结构二 为什么要热氧化 氧化膜 SiO2 的性质和用途三 怎么热氧化呢 热氧化机理 Deal Grove模型 热氧化工艺 方法 和系统四 氧化结果如何 氧化膜质量的检测五 文献调研 热氧化工艺 1 干氧氧化 2 水汽氧化 3 湿氧氧化 通过高纯水的氧气携带一定水蒸气 干氧氧化系统 水汽氧化系统 常压下干氧 水汽 湿氧氧化法的特点及适用范围 在实际生产中 对于制备较厚的二氧化硅层来说往往采用干氧 湿氧 干氧相结合的氧化方式 既保证了二氧化硅层表面和Si SiO2界面的质量 又解决了生长效率的问题 1 氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2 气体界面 其流密度为F1 F1 F2 F3 F3 KSNi hG为气相质量转移系数 KS为氧化剂与Si反应的界面化学反应常数 F1 hG NG NS 为氧化剂在SiO2中的扩散系数 采用准静态近似 即所有反应物立即达到稳态条件 则 热氧化生长动力学 一 热氧化过程 氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2 Si界面 流密度为F2 氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2 流密度为F3 根据Henry定律 在平衡条件下 固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中的分压 则SiO2表面处的氧化剂浓度NS NS HPSH为Henry定律常数 平衡条件下 SiO2中氧化剂的平衡浓度N 与气体中氧化剂分压PG关系 N HPG 由理想气体定律 将上述四式代入 得 F1 h N NS F1 hG NG NS 其中 再由F1 F2 F3 得 h N NS KSNi 得 1 DSiO2 KSX0 2 DSiO2 KSX0 SiO2的生长速度由Si表面的化学反应速度决定 称为反应控制 氧化的两种极限下 氧化层中氧化剂的分布示意图 SiO2的生长速度主要由氧化剂的扩散速度决定 称为扩散控制 二 SiO2的生长厚度计算 N1为生长单位体积的SiO2所需的氧化剂分子个数 氧化剂为O2时 N1为2 2 1022 cm3 氧化剂为H2O时 N1为4 4 1022 cm3 由初始条件X0 0 Xi求得 X02 AX0 B t Si表面处的流密度也可表示为 其中 进一步 无定形二氧化硅的分子密度NSiO2 2 2 1022 cm3 1 氧化初期t A2 4B 线性氧化规律 2 氧化后期t t A2 4B 抛物线氧化规律B为抛物线氧化速率 SiO2生长速率由氧化剂在SiO2中的扩散快慢决定 此时 B A为线性速率常数 SiO2生长速率由SiO2 Si表面化学反应速率常数KS决定 氧化层厚度 热氧化 ThermalOxidation 一 什么是热氧化 热氧化定义及SiO2的结构二 为什么要热氧化 氧化膜 SiO2 的性质和用途三 怎么热氧化呢 热氧化机理 Deal Grove模型 热氧化工艺 方法 和系统四 氧化结果如何 氧化膜质量的检测五 文献调研 氧化膜质量检测 质量检测是氧化工艺的一个关键步骤氧化层质量的含义包括 厚度 介电常数 折射率 介电强度 缺陷密度等质量检测需要对上述各项指标的绝对值 其在片内及片的均匀性进行测量质量检测的方法一般可分为 物理测量 光学测量 电学测量 1 氧化膜厚度测量方法 2 氧化膜的电学测量方法 1 击穿电压 2 电荷击穿特性 3 电容 电压 C V 测试 增加电容器电压 测量通过氧化层的电流 热氧化硅的介电强度大约为12MV cm 给氧化层加刚好低于击穿电场的电应力 测量电流随时间的变化关系 TDDB TimeDependentDielectricBreakdown 测试 根据C V曲线及其温偏特性 可以判断氧化层中的固定电荷密度 可动电荷密度和界面态密度等 击穿电压的统计分布反映氧化层质量 击穿电压 二氧化硅膜击穿电压的典型直方图 电荷击穿特性 击穿由电荷在氧化层中的积累而造成 200埃SIO2膜的恒定压力测量 曲线末端电流急剧上升表明发生了不可恢复的介质击穿 电容 电压 C V 测试 温度 偏压法 1 提取MOS电容C V曲线 2 样品加热到100 C 在栅极加2 5meV cm 保持10 20分钟 冷却到室温做C V曲线 3 加负偏压 重复上述过程 C V曲线 热氧化 ThermalOxidation 一 什么是热氧化 热氧化定义及SiO2的结构二 为什么要热氧化 氧化膜 SiO2 的性质和用途三 怎么热氧化呢 热氧化机理 Deal Grove模型 热氧化工艺 方法 和系统四 氧化完之后呢 氧化膜质量的检测五 文献调研 ImprovedSi SiOxinterfacepassivationbyultra thintunnelingoxidelayerspreparedbyrapidthermaloxidation RTO Weanalyzetheinfluenceofdifferentoxidationmethodsonthechemicalpassivationqualityofsiliconoxide nanolayersoncrystallinesiliconwaferswithsurfacephotovoltage SPV andquasi steady statephotoconductance QSSPC measurements Theseresultsarecomparedwithsiliconoxide nanolayerspreparedbywetchemicaloxidationandplasmaoxidation AppiledSurfaceScience Experimentalsetupandprocedure 1 RCAcleaningmeasureroughness UV vis 2 Re oxidizedmeasurethickness UV vis 3 Cleavedintotwohalves4 MeasureDitbySPV5 Measure effbyQSSPC remainedintheas depositedstate annealinFGA450 60min Chemicaloxidation Plasmaoxidation RapidThermalOxidation 1 WetchemicaloxidationinboilingnitricacidNAOS 69 5 HNO3 for30min 2 Plasmaoxidationinagaseousmixtureofnitrogenandoxygen 1000sccmN2 100sccmO2 at300 CusingaSurfaceTechnol ogySystems STS PECVDsystem 3 Thermaloxidationinagaseousmixtureofargonandoxygen 2000sccmAr 200sccmO2 at950 CusingaJipelecJetFirstRapidThermalOxidation RTO system Tab 1 Fig 1 Fig 2 Fig 3 Fig 4 Fig 5 Fig 6 1 Fig 6 2 Tab 2 Fig 7 Conclusion Areasonfortheimprovementbyannealinginforminggasenvironmentcouldbethepassivationofdanglingbondswithhydrogenatomspresentintheform inggas Thesurfacepassivationqualityofthea SiNx HlayercanbeenhancedtremendouslybyusingaRTOoxide nanolayerasintermediatelayer UsingthisRTOoxide nanolayerinpassivatedcontactsforsolarcellscouldimprovetheachievableVocandthustoimprovetheefficiency SurfacePassivationofCrystallineSiliconSloarCellsbyHigh PressureThermalOxidationatLowTemperature Itwasrevealedthathigh qualitysurfacepassivationcouldberealizedbytheHpoxidationat2MPaand550 ItwasalsodemonstratedthattheHPoxidationcanimprovethequalityofthedepositedSiO2 Siinterface andbeusedforthesurfacepassivationwithdielectricstacksystemsformedatlowtemperarures ExperimentalandDiscussion 1 MeasureminoritycarrierlifetimeofSiwafers PCD2 QualityofSi SiO2interface CV Thankyou 。