（一）二氧化硅膜的主要性质

1.二氧化硅的密度

密度是Si0₂致密程度的标志密度大就表示Si0₂的致密程度高可以用称量法来测定Si0₂的密度称量法的测定程序是:使用高精度计量天平,分别称量出氧化前的尚未生长Si0₂层的硅片样品,和氧化后的已生长有Si0₂层的硅片样品的硅样片的重量,采用激光精偏介质薄膜厚度测量装置,测量出Si0₂层的厚度,可精确到nm的精度,同时测出样品的面积,就可以计算出密度的测试值无定形Si0₂的密度一般为2.20g/cm³，不同方法制备的Si0₂，其密度的值有所不同,但大部分都接近这个值只有采用湿的电解阳极氧化法制备的Si0₂介质薄膜例外,密度为1.80g/cm³左右,这是由于湿的电解阳极氧化法的生长机理与其他方法不同所引起的

2.二氧化硅的折射率

折射率是表征Si0₂薄膜光学性质的一个重要参数不同方法制备的Si0₂的折射率也有所不同,但差别不是很大。一般来说,密度大的Si0₂薄膜具有较大的折射率当波长为550nm左右时,Si0₂的折射率约为1.46。

3.二氧化硅的电阻率

Si0₂电阻率的高低及制备方法与所含杂质多少等因素有着密切的关系采用高温干氧氧化法置备的Si0₂,其电阻率可超过10¹⁴Ω·m

4.二氧化硅的介电强度

当Si0₂薄膜被用来作为绝缘介质时,常用介电强度(也就是用击穿电压这个电学参数)来表示薄膜的耐斥能力介电强度的单位是V/cm,表示单位厚度的Si0₂薄膜所能承受的最小击穿电压.Si0₂膜介电强度的大小与致密程度均匀性杂质含量等因素有关,一般为10⁶～l0⁷V/cm

5.二氧化硅的介电常数

介电常数是表征Si0₂介质薄膜电容性能的一个重要参数对于CMOS电容器来说,其电容量C与相关结构参数间的关系可用下式来表示,即

C=ε₀ε_Si02S/d

式中,S为金属电极的面积;d为Si0₂介质南膜的厚度;εo为真空介电常数:ε_Si02为Si0₂介质薄膜的相对介电常数

6.二氧化硅的化学特性

Si0₂介质薄膜的化学特性非常稳定,Si0₂只与氢氟酸发生化学反应因此,在集成电路工艺中经常利用氢氟酸腐蚀Si0₂层Si0₂与氢氟酸的化学反应方程式为

Si0₂ 4HF→SiF₄↑ 2H₂0

该反应生成的SiF4能进一步与氢氟酸反应生成可榕于水的络合物——六氟硅酸。化学式为H2(SiF6),其反应方程式为

SiF₄ 2HF→H₂(SiF₆)

总的化学反应方程式为

Si0₂ 6HF→H₂(SiF₆) 2H₂0

氢氟酸对Si0₂的腐蚀速率与Si0₂的质量以及所含杂质的数量氢氟酸的浓度温度有关,并且利用不同方法制备的Si0₂的腐蚀速率相差很大

（二）二氧化硅膜的主要应用

二氧化硅膜(层)的主要应用可归结为以下几方面

1.表面钝化层

二氧化硅膜层可以防止硅半导体器件被外界污染,即充当表面钝化层,主要体现在以下两个方面一方面保护器件的表面及内部,在表面形成的二氧化硅密度非常高,非常硬:它可以阻挡环境中的脏物质或污染物质侵入敏感的晶圆表面,同时,它的硬度可防止晶圆表面在制造过程中被划伤,以及增强在生产流程过程中晶圆的耐用性另一方面,二氧化硅对器件的保护是源于其化学特性,不管工艺过程的洁净程度多高,也总会有一些电特性活跃的污染物(移动的离子污染)最终会进入或落在晶圆表面;在氧化过程中,硅的最上一层成为二氧化硅,污染在表面形成新的氧化层,远离开了电子活性表面,其他污染物被限制在二氧化硅膜中,对器件而言伤害是很小的因此,在早期的MOS器件工艺中,通常在晶圆氧化后以及在进行下一步工艺前,要去除氧化物,以去掉表面那些不需要的移动离子污染物。

2.掺杂阻挡层

掺杂是4种基本工艺制造之一掺杂是通过离子注入或扩散的方法把特定的掺杂物引入到暴露的晶圆表面在半导体硅技术里,最常见的表面层就是二氧化硅作为掺杂阻挡层的二氧化硅示意图如下图所示：

留在硅表面上的二氧化硅能够阻挡掺杂物浸入硅表面因为在掺杂过程中用到的所有掺杂物,在二氧化硅里的运行速度都低于在硅中的运行速度,当掺杂物在硅中穿行达到所要求的深度时,它在二氧化硅里才走了很短的路径所以只要一层相对薄的二氧化硅,就可以阻挡掺杂物浸入硅表面,即二氧化硅可以作为掺杂阻挡层

其实还有一个原因是,它的热膨胀系数与硅的热膨胀系数很接近,当在高温氧化工艺掺杂扩散或其他一些工艺中时,晶圆会热胀冷缩,二氧化硅与硅胀缩的座率接近,这说明在加热或冷却时,晶圆不会产生弯曲

3.表面绝缘层

二氧化硅是绝缘材料,即在正常情况下它不导电当它用于电路或电子器件时,被称为绝缘体作为绝缘层的二氧化硅层示意图如下图所示：

上图表示了一个晶圆的侧切面,二氧化硅氧化层的上面是一层金属(导电)层二氧化硅氧化层使得金属层不会与下面的金属层短路,就像电线外面的绝缘材料保护电线不会短路一样,二氧化硅氧化层的这种能力要求氧化层必须是连续的,膜中不能有空洞或孔存在

二氧化硅氧化层必须足够厚,以避免感应现象的产生感应产生于足够薄的金属层,以至于在晶圆表面产生电荷聚积效应,这些表面电荷可能导致短路及不希望的电荷影响足够厚的二氧化硅膜层可防止在晶圆表面感应产生电荷,绝大多数晶圆表面被覆盖了一层足够厚的二氧化硅氧化层来防止从金属层产生的感应,这被称为场氧化物总之,二氧化硅充当了表面绝缘体的角色

4.器件绝缘层

在MOS电路中,二氧化硅膜用做MOS器件的绝缘栅介质,是器件的一个重要组成部分此时二氧化硅薄膜厚度质量其中含电荷的多少和种类以及二氧化硅的界面性质都直接影响到MOS器件的电特性在MOS栅极中,二氧化硅作为场氧化示意图如下图所示：

图中所示在一个MOS晶体管中,栅极区会长一层薄的二氧化硅二氧化硅氧化层相当于介电质,它的厚度是专门选定的,用来让氧化层下面的栅极区产生感应电荷,其中栅极是器件中控制电流的部分。器件对作为绝缘栅介质的Si0₂层的质量要求极高,器件的特性与Si0₂层中的电荷以及它与表面硅层的界面特性等都非常敏感Si0₂作为绝缘栅介质是Si0₂最重要的应用,但当器件进入到深亚微米或亚0.1μm之后,绝缘栅介质的厚度将小于2nm,这时绝缘栅介质则需要新的高介电常数的绝缘介质代替

根据目前的发展趋势,氮氧化硅是一种比较好的栅介质材料大规模集成电路中的MOS技术,使得栅极的形成成为工艺发展中关注的焦点热生成的氧化层也可用来作为硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质在固态电容里的二氧化硅层示意图如下图所示：