PDF《！＂ 在水汽中氧化传质机制的》

!" 在水汽中氧化传质机制的 #$ %& '(#$ %) ' 同位素示踪研究! 龚佳蒋益明 钟澄邓博刘平李劲! (复旦大学材料科学系, 上海 "##$%%) ("##& 年"月%日收到;

"##& 年'月"" 日收到修改稿) 采用同位素 (" )* +,(" )& + 接续氧化同位素示踪方法, 研究了单晶硅在 ))## -水汽中氧化的微观传质机制.

在(" )* +, (" )& + 分别氧化和 (" )* +,(" )& + 接续氧化处理后, 研究氧化产物形态和结构. 并用二次离子质谱仪 (/01/) 研 究了同位素)* + 和)& + 在氧化膜中浓度分布. 结果表明 (" + 蒸汽中氧化产物为非晶态 /2+" . (" )* +,(" )& + 接续氧化 后, )* + 与)& + 在氧化膜中呈渐次梯度分布, 表明 /2 在水汽中的氧化传质机制为替位扩散机制. 关键词:同位素示踪,(" )& +,替位扩散,硅3,**%#4,%5)#6 !国家自然科学基金 (批准号: 5#5')#"', 5#'#)#)#) 、 国家科技基础条件平台建设项目 (批准号: "##5478)#$##9:)%) 和上海市重点 学科项目 (批准号: 6))%) 资助的课题 . ! 通讯联系人. ;

9: ?2@>2A BCD=@. EDC. F@ )G 引言在集成电路制造领域中, /2 的热氧化是最重要 生产工艺之一.由于 /2 的热氧化产物 /2+" 在集成电 路领域有着重要而广泛的应用 [), "] , 如集成电路中栅 氧化层、 金属层间绝缘氧化层等等, 因此系统深入了 解/2 的氧化机制, 诸如氧化过程中是何种氧化物质 扩散与硅反应以及该元素的扩散机制, 对澄清氧化 机理及提高氧化控制精度有重要的意义. 实际制造 /2+" 绝缘层的热氧化方法有干氧化、 湿氧化和水汽氧化. 其中干氧化法的氧化扩散机制 研究已比较完善 [%―))] .对比于干氧条件, 前人大量的 实验表明, 在湿氧和水汽环境下, 水分子能加快 /2 的热氧化速度 [%, $, )"] , 但水分子参与氧化的传质机制 模型则存在争议. 4E=> 和HIJKE [%] 采用氧化动力学研究方法, 提出 湿氧和水汽环境下的热氧化是水分子通过氧化膜的 短路扩散, 即水分子在扩散过程中不会在氧化膜中 参与反应.4E=>9HIJKE 模型提出, 首先水分子吸附在 氧化膜与气体界面, 然后通过氧化膜扩散进入 /2+"

9 /2 界面, 最后水分子在 /2+" 9/2 界面与 /2 反应生成新 的氧化膜. 此后, LJIME@NE@ [)%] 和OJ>PEIN [)$] 提出离子 扩散模型, 认为氧化过程中水在氧化膜9气体界面分 解, 由+" Q 的短路扩散进入内界面与 /2 反应生成氧 化膜. 前人对氧化机制的研究一般通过氧化动力学实 验数据 [', )5] 和数学理论模型 [)$, )*, )'] 来推导, 而缺乏直 接的实验表征手段来进行验证. 因而迫切需要适用 于/2 氧化过程的直接表征手段, 对具体水分子参与 氧化的传质机制给予澄清. 本文提出利用 (" )* +,(" )& + 接续氧化同位素示 踪方法来研究水汽环境下 /2 的热氧化传质机制. 采 用直接表征手段 /01/, 测出样品氧化后同位素)* + 与)& + 随氧化膜深度的计数分布及其变化情况, 进而 得出具体的 /2 热氧化过程中氧化剂的传质机制. 以 往的干气氛的氧化机制研究中, 经常采用的方法是 )* +,)& + 接续氧化示踪技术, 而采用 ()* " +,()& " + 接续 氧化法研究湿氧化传质机制尚未见文献报道. 因此, 本文所提出的方法对 /2 以及其他类似体 系的湿环境高温氧化 [)&] 反应规律与机制的研究具 有重要科学意义. 同时, 更全面地理解 /2 在水汽环 境下的氧化机制对二氧化硅薄膜寿命的估测、 可靠 性和生产工艺过程的指导也具有重要实际意义 [)R] . 第5& 卷第"期"##R 年"月)###9%"R#,"##R,5& (#") ,)%#59#5 物理学报83S8 T(U/038 /0V038 WJ>.5&, VJ.", XEYIC=IZ, "##R ! " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "##R 3[2@.T[ZN. /JF. !" 实验!"#" 样品制备 实验所用的样品为 # 型($%%) 单晶硅, 掺杂浓度 为$&$%$' ()* + , 矩形样品尺寸为: 片通过镜面抛光后, 在'/氢氟酸中超声 清洗以去除表面自然氧化膜, 然后用去离子水冲洗 并风干, !"!" 氧化实验 把准备好的 -. 片置入管式电阻炉 (-0!1!"'1 $+2-) 中, 控制实验温度为 $$%%