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半导体 | 氧化工艺

发布：北京爱蛙科技有限公司

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在硅表面形成二氧化硅钝化层的能力是硅技术中的关键因素之一。

尽管硅是一种半导体材料,但二氧化硅却是一种绝缘材料。在半导体上结合一层绝缘材料，再加上二氧化硅的其他特性，使得二氧化硅成为硅器件制造中得到最广泛应用的一种薄膜。科学家发现二氧化硅可以用来处理硅表面，做掺杂阻挡层、表面绝缘层，以及器件中的绝缘部分。

Si+O₂→SiO₂

一、二氧化硅层的意义

1）表面钝化

二氧化硅层在防止硅器件被污染方面起了重要作用。

一方面是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(无孔),非常硬。因此二氧化硅层起污染阻挡层的作用，它可以阻挡环境中脏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及增强晶圆在生产流程过程中的耐用性。

另一方面是二氧化硅对器件的保护是源于其化学特性的。不管工艺过程多么洁净，总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，远离电子活性表面。其他污染物被禁锢在二氧化硅膜中，在那里对器件而言伤害是很小的。在早期的MOS器件工艺中，通常在晶圆氧化后和在进行下一步工艺之前，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

掺杂需要在表面层上建立一些洞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。在硅技术里，最常见的表面层是二氧化硅。留在硅晶表面的二氧化硅能够阻挡掺杂物浸入硅表面。在硅技术里用到的所有掺杂物，其在二氧化硅里的运行速度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程。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。

作为掺杂阻挡层的二氧化硅

另一个是因为SiO₂的热膨胀系数与Si的热膨胀系数很接近。在高温氧化工艺、掺杂扩散或其他一些工艺中,晶圆会热胀冷缩。SiO₂与Si胀缩的速率接近这就意味着，在加热或冷却时，晶圆不会发生弯曲。

3）表面绝缘体

SiO₂被归类为绝缘材料，这意味着在正常情况下它不导电。当它用于电路或器件时，它们被称为绝缘体(insulator)。作为绝缘体是SiO₂扮演的一个重要角色。下图表示了一个晶圆的横截面，二氧化硅层的上面是一层金属导电层。氧化层使得金属层不会与下面的金属层短路，就像电线的绝缘材料保护电线不会短路一样。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。

在晶圆和金属之间作为绝缘层的二氧化硅层

氧化层必须足够厚，以避免感应(induction)现象的产生。感应产生于足够薄的金属层，以至于电荷在晶圆表面产生聚积效应。表面电荷可导致短路及不希望的电荷影响。足够厚的膜层可防止在晶圆表面感应产生电荷。绝大多数品圆表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来防止从金属层产生的感应，这被称为场氧化物(feld oxide)。

4）器件绝缘体(MOS 栅)

从另一个角度讲,感应现象就是MOS技术。在一个MOS晶体管中,栅极区会长一层薄的二氧化硅。如果栅上没有电荷,在源漏之间没有电流流过。但是有了合适的电荷，在栅下面区域感应出电荷，这样允许在源漏之间流过电流。氧化层起到介电质的功能，它的厚度是专门选定的，用来让氧化层下面栅极区产生感应电荷。栅极是器件中控制电流的部分。大规模集成电路(ULSI)中占主导地位的MOS技术，使得栅极的形成成为工艺发展中关注的焦点。通常还有其他介质材料淀积在栅区的薄氧化层上。这些组合称为叠层栅(gatestack),具有不同的介电常数，它能改变晶体管的电性能。热生成的氧化层也可用来做硅晶圆表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质。

二氧化硅作为场氧化层和MOS的栅氧化层

在固态电容里的二氧化硅层

二氧化硅介电层还用在两层或多层金属层的结构中。在这种应用里，二氧化硅层用化学气相淀积(CVD)的方法而不是用热氧化的方法形成。

二、氧化工艺原理、流程

所谓“氧化工艺”，是指在硅（Si）基片上提供氧化剂（水（H₂O）、氧（O₂））和热能，形成二氧化硅（SiO₂）膜的工艺。此时形成的氧化膜不仅可以防止电路和电路之间的泄漏电流流动，还可以起到防止离子注入工序扩散的作用，以及防止蚀刻工序中错误地被蚀刻的防蚀刻膜的作用。

若不考虑使用专门的氧化方法和设备，一般氧化工艺的顺序是相同的(如下图)。晶圆预清洗、清洗和腐蚀，并将其装载在氧化炉内或氧化室内(RTP)。随着晶圆被装进炉管，进行第一个气体周期。由于晶圆是在室温条件下，且精确的氧化层厚度是生产的目标，所以在装片期间进入炉管的气体是干的氮气。在晶圆加热到要求的氧化温度期间，为了防止氧化，通入氮气是必要的。

氧化工艺流程

氧化工艺循环

1）氧化前晶圆的清洗

去除表面的污染和不期望的自然生长的氧化层对于一个成功的氧化工艺来讲是基本的。进入晶圆的污染会对器件产生电特性问题，对二氧化硅膜产生结构完整性问题。自然生长的薄氧化层能改变厚度和氧化层生长的完整性。典型的前氧化工艺是从机械洗刷开始的，接着是RCA湿法清洗步骤，去掉有机物和非有机物污染,最后用氢氟酸(HF)或稀释的氢氟酸刻蚀掉先天或化学生长的氧化层。这是氢氟酸的最后工艺。

品圆的氧化工艺分为几个不同的步骤。一旦晶圆进入清洗台，这些晶圆将经过彻底清洗。洁净的晶圆对于制造过程的所有工艺来讲都是基本的。对于在高温工艺之前，此过程更为重要。

2）水平/垂直管式反应炉

水平管式反应炉从20世纪60年代早期开始应用在氧化、扩散、热处理以及各种淀积工艺中。转换到200mm和300mm晶圆后开始使用垂直管式反应炉。加工较小直径晶圆的晶圆制造厂仍然采用水平管式反应炉。两种系统的基本工作原理是一样的。

水平管式反应炉

垂直管式反应炉

3）快速热处理(RTP)

离子注入工艺由于其与生俱来的，对于掺杂的控制而取代了热扩散工艺。可是离子注人工艺要求一个称为退火(annealing)的加热操作来把离子注人产生的晶格损伤消除。传统上，退火工艺由管式反应炉来完成。尽管退火工艺可以消除晶格损伤，但它同时也引起掺杂原子晶圆内部分散开，这是不希望发生的。这个问题促使人们去研究是否还有其他的能量源来达到同样的退火效果而不使掺杂物扩散开。这一研究导致了快速热处理(RTP)的开发。

RTP 工艺基于热辐射原理(见下图)。晶圆被自动放入一个有进气口和出气口的反应室中。在内部，加热源在晶圆的上面或下面，使晶圆被快速加热。热源包括石墨加热器、微波、等离子体和碘钨灯。碘钨灯是最常见的。热辐射耦合进入晶圆表面并以每秒50℃~100℃的速率达到800℃~1050℃工艺温度。在传统的反应炉里，需要几分钟才能达到同样的温度。同样地，在几秒之内就可以冷却下来对于辐射加热,由于加热时间很短,晶圆本体并未升温。对于离子注入的退火工艺，这就意味着，晶格损伤被修复了，而注入的原子还呆在原位置。

RTP设计

RTP技术优点：减少了工艺所需的热预算(temalbudget)。每次在扩散温度附近加热，使晶圆中的掺杂区向下或向旁边扩散。每次晶圆的加热或冷却都会产生更多晶格位错。因此，减少加热的总时间可以使设计的密度增加，减少由位错引起的失效。另一个优点是单片工艺。随着晶圆的直径越来越大，对均匀度的要求使得许多工艺最好采用单片工艺的设备。

RTP技术对于MOS栅极中薄的氧化层的生长是一种自然而然的选择。由于晶圆上的尺寸越来越小的趋势使得加在晶圆上的每层厚度越来越薄。厚度减少最显著的是栅极氧化层先进的器件要求栅极厚度在10á范围内。如此薄的氧化层对于传统的反应炉来说，由于需要氧气的快速供应和快速排出，有时变得很难控制。RPT系统快速升温降温可以提供所需的控制能力。用于氧化的RTP系统也称为快速热氧化(Rapid ThermalOxidation，RTO)系统。它与退火系统很相似，只是用氧气代替了惰性气体。下图显示了一个典型的RTO 工艺中时间-温度-厚度之间的关系。

4）氧化后评估

当把晶圆从石英舟上卸下后，要对这些晶圆进行检测和评估。评估的特性和数目依赖于氧化层和特定电路对精确度及洁净度的要求。氧化工艺的要求就是在晶圆表面上生长一层均匀、无污染的二氧化硅层。

表面检测

对氧化膜洁净度的快速检测是由操作员在晶圆从氧化炉卸下后实施的。在高亮度的紫外线(UV)下对每片晶圆进行检测。晶圆的表面颗粒、不规则度、污点都会在紫外线下显现。

氧化膜厚度

氧化膜的厚度是非常重要的。可以选用几种不同的技术在测试晶圆上来测量。这些技术包括:颜色比较、边缘记数、干涉、椭偏仪、刻纹针振幅仪和电子扫描显微镜(SEM)。

氧化膜和炉管清洗

除了颗粒和污点的物理污染以外，氧化膜应该将可移动离子污染量减到最小。这些可以用复杂的电容-电压(C/V)技术来检测，这种技术检测氧化层中可移动离子的总数，但它不能确定这些污染的来源,这些污染也许来自炉管、气体、晶圆或清洗工艺。因此，C/V分析仅是一个晶圆合格/不合格的指标，是对整个炉管操作的检验。

在大多数制造生产线上，C/V分析也用来确认炉管及相关部件的洁净度。一个低的可移动离子污染的氧化膜意味着整个系统是洁净的。当氧化膜不能通过这一测验规定的标准时需要进一步调查来确定其污染来源。

第二个与氧化膜清洁有关的参数是介电强度。这一参数通过对氧化层的破坏性测试来测量氧化层的介电特性(非导电)。

第三个洁净度因素是氧化层的折射率。折射是光线通过透明物质时产生的弯曲现象。一种物体的底部在水中的实际位置与其外观上看到的位置不同就是一个典型的例子。纯氧化膜的折射率是1.46。这一数值的变化反映了氧化层不纯的程度。折射率常数是许多应用干涉原理测量厚度技术的基础。参数的变化会导致错误的测量结果。折射率用干涉和椭圆偏光法技术来测量。

不同氧化工艺的组成可以安排成一个组合形式(cluster arrangement)。

5）热氮化

在小的、高性能的 MOS晶体管的生产中,一个重要因素是薄的栅氧化层。然而，在100?(或更薄)范围内，二氧化硅膜质量趋于变差，并难以控制(见图7.32)。二氧化硅膜的一种替代品是热生长氮化硅膜(Si₃N₄)。在这么薄的范围内，氮化硅膜比二氧化硅膜更致密，针孔更少。它还是一种很好的扩散阻挡层。由于在最初快速生长之后的平滑生长特性，使得薄膜的生长控制得到加强。这一反应是在950℃~1200℃之间，硅表面暴露在氨气(NH₄)中而生成氮化硅的。

有些先进器件使用氮化氧化硅(SiO_xN_y)膜，也称为氮氧化物(nitride-oxide)膜。它们形成于二氧化硅膜的氮化，但不像二氧化硅膜。氮氧化物膜的组分随着不同的生长工艺而变化。另一种MOS栅极结构是三明治式的，即氧化膜/氮化膜/氧化膜(ONO)。

三、氧化工艺的方法

氧化工艺常用方法包括：

热氧化(Thermal Oxidation)
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)
电化学(Electrochemical Oxidation)

其中最常用的方法是热氧化方法，在高温下形成均匀而且薄薄的硅氧化膜。这些热氧化方法根据用于氧化反应的气体可分为湿法氧化和干法氧化。

干法氧化（Dry Oxidation）

由于干式氧化只利用纯氧（O₂），氧化膜生长速度慢，主要用于形成薄膜；生长速度较慢时之所以有利于形成薄膜，是因为生长速度越慢，越容易控制（Control）膜的厚度。简单地想一想，当我只想在脸盆里灌一点水的时候，比起一次打开很多水龙头哗哗地倒进去，只打开一点水龙头，让水龙头一点点滴下来，就很容易理解了。干法氧化可以形成这样薄膜，可以制造电特性良好的氧化物。干法氧化特点: 反应慢，膜薄，氧化膜质量较好。

Si（固态）+O₂（气态）→SiO₂（固态）

湿法氧化（Wet Oxidation）

湿法氧化采用水蒸气（H₂O）与氧气（O₂），因此氧化膜生长速度快，可形成厚膜，但与干法氧化相比，氧化层密度较低。因此，其缺点是氧化膜的质量较干法氧化较差；在相同温度和时间下，湿法氧化得到的氧化膜有较干法氧化厚5~10倍；湿法氧化特点：反应快，膜厚,氧化膜质量较差。