由二氧化硅基本結(jié)構(gòu)單元可知,位于四面KM29U128T體中心的s原子與4個(gè)頂角上的氧原子以共價(jià)鍵方式結(jié)合在一起,s原子運(yùn)動(dòng)要打斷4個(gè)s―O鍵.而橋聯(lián)氧原子的運(yùn)動(dòng)只需打斷兩個(gè)⒊―O鍵,非橋聯(lián)氧原子只需打斷一個(gè)s―O鍵。因此,在s02網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,O原子比s原子更容易運(yùn)動(dòng)。氧原子離開其四面體位置運(yùn)動(dòng)后,生成氧空位。在熱氧化過程中,氧離子或水分子能夠在已生長(zhǎng)的siC)2中擴(kuò)散進(jìn)人⒊/Si()2界面,與s原子反應(yīng)生成新的SlC,2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使SlO?膜不斷增厚。與此相反,硅體內(nèi)的s原子則不容易掙脫s共價(jià)鍵的束縛,也不容易在已生長(zhǎng)的隕冫網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)。所以,在熱氧化的過程中,氧化反應(yīng)將在s/sfl,界面處進(jìn)行,而不發(fā)生在sQ層的外表層,這一特性決定了熱氧化的機(jī)理。

   進(jìn)一步的研究指出,氧在so中的擴(kuò)散是以離子形式進(jìn)行的。氧進(jìn)人⒊O2后便離解成氧離f(σ)。氧離子通過擴(kuò)散而到達(dá)⒏/Si()?界面,然后在界面處與⒏發(fā)生反應(yīng)而形成新的s02,從而使SiO2層越長(zhǎng)越厚。同時(shí),隨著氧離子通過Sl(`層的擴(kuò)散,也必將有空穴的擴(kuò)散,而空穴的擴(kuò)散速率比氧離子的擴(kuò)散速率快,結(jié)果在s02層中產(chǎn)生一內(nèi)建電場(chǎng),此內(nèi)建電場(chǎng)的方向正好使該電場(chǎng)起著加速σ^擴(kuò)散的作用。不過分析指出,這種加速擴(kuò)散的作用只存在于⒊C,~表面一個(gè)很薄的范圍內(nèi)(對(duì)干氧氧化為150~⒛0A,對(duì)水汽氧化僅為5Λ)。首先,S√Sio2界面處的一個(gè)⒏原子奪取鄰近的sK、中的兩個(gè)氧離子,形成一個(gè)新的sO2,相應(yīng)地在界面附近的s02層中產(chǎn)生出兩個(gè)氧離子空位,然后,SK)z層上部的氧離子又不斷擴(kuò)散到界面附近來填補(bǔ)氧離子空位,這樣氧就以SiO2中的氧離子空位作為媒介而擴(kuò)散到s/SK)2界面。這就說明l高溫氧化過程中氧由.表面往內(nèi)部的擴(kuò)散,實(shí)質(zhì)上也就是氧離子空位由⒊/Si02界面處不斷向Si()P表面擴(kuò)散的過程�？偠灾�,干氧氧化含有的氧離子包括通過so2的擴(kuò)散和在⒏/so2界面上與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)這兩個(gè)過程。在較高溫度(例如1000°C以上)下,界面化學(xué)反應(yīng)速率較快,而氧離子擴(kuò)散通過so2的過程較慢,因此氧化速率將主要取決于氧離子擴(kuò)散通過sC,層的快慢。顯然,這時(shí)隨著氧化的進(jìn)行,SK)2層不斷增厚,氧化速率也就越來越慢。

   熱氧化是通過擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)來完成的,由于氧化實(shí)際上是在S√Si02界面進(jìn)行的,氧化反應(yīng)是由硅片表面向硅片縱深依次進(jìn)行的,硅被消耗,所以硅片變薄,氧化層增厚是⒊02生長(zhǎng)過程中界面位置隨熱氧化過程而移動(dòng)的示意圖。