w 页码， 1/2(W) SiO2 的结构和性质 2010-05-03 21:31:25 分类： 微电子资料 标签： sio2 psg 氧化 原子 薄膜 订阅 字号 （氧化硅的结构怎样？为什么 SiO2 能够用作为 B、P、Sb 、As 等杂质分散的掩蔽膜？） 原创作者： Xie M. X. (UESTC ，成都市 ) 氧化硅（ SiO2 ）有晶体与非晶体之分，例如水晶（石英）便是一种晶态氧化硅，而硅片上热成长的氧化膜则为非晶 态氧化硅。晶态氧化硅中的原子散布具有长程有序性；非晶态氧化硅中的原子散布也具有必定的有序性，但仅仅短程有序 性。 在Si外表上制备氧化硅薄膜的办法有许多种，例如：热成长法； CVD （化学气相淀积）法，如烷氧基硅烷（如正硅酸 乙酯 [Si(OC2H5)4] ，TEOS ）的热分化（或热解氧化）淀积法； PVD （物理气相淀积）法等。 （1）SiO2 的一般性质： 原子密度 = 2.3 ×1022 cm-3；晶体密度 = 2.27 g-cm-3 ；熔点 ≈1700 oC；比热 Cp = 1.0 J/g-oC ；热导率 = 0.014 W/cm- K ；热膨胀系数（ ΔL/L ΔT）=0.5 ×10-6 [1/oC] （比Si 和 GaAs 的都小）；禁带宽度 Eg≈8eV ；电阻率 1016 Ω-cm （为绝缘 体）；击穿电场 ≈600 V/ μm。 （2）SiO2 的结构： 氧化硅中的根本化学键是 Si-O 键（含有 50 % 的共价键和 50 % 的离子键）。 氧化硅中原子摆放的根本结构是一种 Si-O键构成的正四面体，即每一个 Si离子的周围有 4个按正四面体散布的 O离子 （Si 离子中心与 O离子中心之间的间隔为 1.6? ，O离子与 O 离子中心之间的间隔为 2.27? ）。然后，这种 Si-O 正四面体经过 顶角的 O离子而规矩地衔接起来构成网络式的结构，即构成晶态氧化硅。不然，若这些 Si-O 正四面体的衔接不是很规矩， 即构成具有一些紊乱的网络式结构，则为非晶态氧化硅。 明显，在氧化硅中存在许多由多个 Si-O 正四面体围住而成的空泛（网络中心的空泛），这些空泛的体积都比较大。实 际上， Si-O 分子自身所占有整个的体积较小，只要 43% ，而大部分都是空泛。因而，氧化硅的比重较小，晶态氧化硅的为 2.65g/cm3 ，非晶态氧化硅的为 2.21g/cm3 。也因而，氧化硅十分简单地能够让半径较小的 H 、Na 、K 、Ca、Ba 等杂质原 子进入到其网络结构中（处在空泛里），而且这些杂原子在网络结构中的分散也较简单，这种杂质往往称为网络改动剂。 在SiO2 中掺入 B、P、Sb 、As 、Al 等杂质原子时，即可构成 磷硅玻璃 （PSG ）、硼硅玻璃 （BSG ）等。掺入的这些杂 质原子，在 SiO2 结构中往往替代 Si-O 正四面体中心的 Si，构成带电的缺点，这些杂质原子常称为网络构成剂。因为这种 杂质原子在网络中的方位安稳，故在 SiO2 中的分散速度较慢，所以氧化硅薄膜可用作为热分散工艺中的掩蔽膜，以阻挠 B 、P、Sb 、As等这些杂质原子的分散。 由Si和SiO2 的比重能够求出每一克分子的 Si 和SiO2 的体积分别为 12.06cm3/mole 和27.18cm3/mole ，则每一克分子的 Si 薄膜和 SiO2 薄膜的厚度之比为 0.44 ，这便是说，若要成长 100nm 的SiO2 薄膜，那么只需要耗费 44nm 的Si 即可。 （3）Si/SiO2 界面的性质： 一般， Si/SiO2 界面处的界面态密度 ≤1010cm2。这些界面态往往是因为氧化不完全等之故，使得在界面的 30 ?范围内 存在许多 Si 原子的 悬挂键 （即未与氧原子结合的价键 —— 带正电荷的中心）所构成的。为削减这种悬挂键，能够终究靠氢 气退火，让一些氢原子进入到界面、并与悬挂键构成 Si-H 键（中性）来完成；不过，这些 Si-H 键的离解能较小，约为 0.3 eV 。 Si/SiO2 界面处的势垒高度和半导体类型有关：对 n型半导体的电子，势垒高度约为 3.2 eV；对 p型半导体的空穴，势 垒高度约为 4.9 eV 。 （4）磷硅玻璃（ PSG ）薄膜的性质： ①磷硅玻璃（ PSG ）的成分为 P2O5+ SiO2 。 ② PSG 中的氧负电中心对 Na 离子有提取、固定和阻挠效果，故可用作芯片的最终钝化膜。但为了尽最大或许防止 SiO2膜中偶极 子的极化效应以及潮解所引起的器材不安稳和 Al 条被腐蚀等弊端，应该操控 SiO2膜中 P2O5 的含量 5% ，或许在 PSG 膜上 再淀积一层 SiO2 、成为 [SiO2-PSG-SiO2] 复合膜来运用。 ③ PSG 的热膨胀系数跟着 P2O5 成分的增大而增大，使用这种特性就能够完成 PSG和半导体的良好热匹配。例如： P2O5 含量 ≈15%的PSG 可与硅有很好的热匹配性； P2O5 含量 ≈20%~24% 的PSG 可与 GaAs 能很好热匹配。因而，可在半 导体外表上直接淀积成分恰当的较厚的 PSG 薄膜来进行钝化。 ④ PSG能够阻挠 Zn和Sn等杂质的分散（而 SiO2 薄膜则否），则 PSG 可用作为 GaAs 的分散掩蔽膜、注入掩蔽膜或包 覆层。⑤ PSG 在 1000 oC~1100 oC 的中性或氧化性气氛中加热时，会变柔和回熔，并发生一层滑润的几许外形，这有利 2012/4/23 w 页码， 2/2(W) 于随后的金属布线。作为这种用处的 PSG ，其间的 P2O5 含量可偏高到 6% ~ 8% （P2O5 含量低时不易软化和活动）；包 含有 B的PSG （B3% ，P5% ），在 900 oC 左右就会软化 . 2012/4/23
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