热氧化

二氧化硅薄膜概述

结构

Si-O四面体网络状结构

理化性质

SiO₂是最稳定的硅化物，不溶于水，可以耐较强的腐蚀，但是极易和HF反应。

作为掩膜
作为芯片的钝化和保护膜
作为电隔离膜
作为元器件的组成部分

二氧化硅中的杂质

网络形成杂质：B、P
网络改变杂质：Na、K、Ca

五价P掺入网络，使得网络结构更加疏松；
三价B掺入网络，使得网络结构强度增大。
Na、K、Ca、Ba等碱金属、碱土金属进入，使得网络出现更多孔洞，降低熔点，引起其它性能变化。

示意图

二氧化硅掩蔽作用

硅衬底上的SiO₂用于掩膜实现定域扩散，要求杂质在SiO₂层中的扩散深度小于SiO₂本身的厚度。

杂质扩散服从余误差分布形式： $A=2erfc^{-1}\frac{C(x)}{C_s}$ ， $erfc^{-1}$ 为误差函数。

取 $\frac{C(x)}{C_s}=10$ ，则最小厚度为： $x_{min}=4.6\sqrt{D_{SiO_2}t}$

不同温度下掩蔽P、B所需氧化层厚度和扩散时间关系

硅的热氧化

热氧化制备SiO₂工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。
氧化是在Si/SiO₂界面进行，通过扩散和化学反应实现。O₂或H₂O在生成的二氧化硅内扩散，到达Si/SiO₂界面后再与Si反应。
氧化层增厚的同时，硅被消耗，所以硅片变薄。

热氧化工艺

按氧化气氛分类：

干氧氧化
水汽氧化
湿氧氧化

氧化工艺	化学方程式	优点	缺点
干氧氧化	$Si(s)+O_2(g)\rightarrow SiO_2(s)$	氧化层结构致密，均匀性和重复性好，掩蔽能力强；表面为非极性结构，和光刻胶黏附良好	生长速率慢；容易龟裂，不适合厚氧化层生长
水汽氧化	$Si(s)+2H_2O(g)\rightarrow SiO_2(s)+2H_2(g)$	氧化速率快	氧化层疏松，薄膜致密性最差，针孔密度最大；表面为极性结构，和光刻胶黏附差
湿氧氧化	$Si(s)+O_2(g)\rightarrow SiO_2(s)$ $Si(s)+2H_2O(g)\rightarrow SiO_2(s)+2H_2(g)$	介于干氧氧化和湿氧氧化之间

热氧化生长速率

极限情况：

氧化时间很短，近似为线性关系
氧化时间无穷大，近似为开根关系

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