日志

硅--“氧化”

热度 10已有 140 次阅读| 2024-5-10 11:41 |个人分类:随时笔记|系统分类:芯片设计

如下资料来源：书籍《芯片制造半导体工艺制程实用教程》

二氧化硅层的用途：

当硅表面暴露在氧气当中时，会形成二氧化硅。二氧化硅是由一个硅原子和两个氧原子组成（SiO₂）。日常生活中，普通窗玻璃的组成成分也是二氧化硅，但半导体上的二氧化硅是高纯度，需用特定方法制成。

二氧化硅在氧化剂及逐步升温的条件下，在光洁的硅表面生成，被称为“热氧化”。

作用1：表面钝化

一方面，表面形成的二氧化硅密度非常高（无孔），非常硬，可以保护器件的表面及内部，起到一个污染阻挡层的作用，阻止环境中脏物质侵入敏感的晶圆表面，同时，也可以防止晶圆表面在制造过程中被划伤，增强晶圆在生产流程过程中耐用性。

另一方面，工艺过程中，会存在一些电特性活跃的污染物，最终会落在晶圆表面。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，原理电子活性表面，其他污染物被禁锢在二氧化硅膜中。通常在晶圆氧化后和下一步工艺之前，会去除氧化物以去掉表面那些不需要的移动离子污染物。

作用2：掺杂阻挡层

留在硅表面上的二氧化硅能够阻挡掺杂物浸入硅表面。硅技术中用到的所有掺杂物，在二氧化硅里的运行速度低于在硅中的速度，当掺杂物在硅中穿行达到所要求的深度时，在二氧化硅里才走了很短的路径。所以一层相对较薄的二氧化硅，就可以阻挡掺杂物浸入硅表面。

另一方面，二氧化硅的热膨胀系数与硅的热膨胀系数很接近，高温氧化工艺、掺杂扩散等工艺中，晶圆会热胀冷缩。二氧化硅与硅胀缩的速率接近，意味着，在加热或冷却时，晶圆不会产生弯曲。

作用3：表面绝缘体

二氧化硅被归类为绝缘材料，氧化层使得金属层不会与下面的金属层短路，即电缆的绝缘材料保护电缆不会短路一样。氧化层必须是连续的，膜中不能有空洞或孔的存在。足够厚的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氧化层来防止金属层产生的感应，称为场氧化物。

器件氧化物的厚度（1μm=10000埃）

隧道栅：60~100埃

栅氧化层、电容介质层：150~500埃

LOCOS氧化层：200~500埃

掩模氧化层、表面钝化层：2000~5000埃

场氧化层：3000~10000埃

热氧化机制

实际应用中，需要用阶梯式升温方法，在合理的时间内获得高质量的氧化层。

氧化的生长机制

将一片晶圆放到加热室中，暴露在氧环境中。开始时，氧原子与硅原子结合，线性阶段，大约长了1000埃，线性生长速率达到极限。之后，氧气通过现存的氧化层进入到硅晶圆表面（扩散）。因此二氧化硅是硅晶圆表面消耗硅原子，氧化层长入硅表面。随着每一个新的生长层，扩散的氧必须移动更多的路程才能到达晶圆，氧化硅膜的生长率会变慢，这一阶段称为抛物线阶段。

生长氧化层会通过两个阶段：线性阶段和抛物线阶段。抛物线关系的主要含义是指厚氧化层比薄氧化层需要更多的时间。加速氧化的方法是用水蒸气来代替氧气做氧化剂，氢氧基离子扩散穿过晶圆上的氧化层的能力比氧气快。水在一定温度时的氧化反应，是以水蒸气的形态存在的，被称为蒸汽氧化、湿氧化或高温蒸汽氧化。只有氧参与的氧化叫干氧化，无水蒸气的。