半導體 | 氧化工藝

2024-06-18 09:24:08

1）表面鈍化

***方面是保護器件的表面及內部。在表面形成的二氧化硅密度非常高(無孔),非常硬。因此二氧化硅層起污染阻擋層的作用，它可以阻擋環境中臟物質侵入敏感的晶圓表面。同時，它的硬度可防止晶圓表面在制造過程中被劃傷及增強晶圓在生產流程過程中的耐用性。

2）摻雜阻擋層

晶圓表面。在硅技術里，***常見的表面層是二氧化硅。留在硅晶表面的二氧化硅能夠阻擋摻雜物浸入硅表面。在硅技術里用到的所有摻雜物，其在二氧化硅里的運行速度低于在硅中的運行速度。當摻雜物在硅中穿行達到所要求的深度時，它在二氧化硅里才走了很短的路程。所以，只要***層相對薄的二氧化硅，就可以阻擋摻雜物浸入硅表面。

另***個是因為2的熱膨脹系數與SiOSi脹縮的速率接近這就意味著，在加熱或冷卻時，晶圓不會發生彎曲。

2被歸類為絕緣材料，這意味著在正常情況下它不導電。當它用于電路或器件時，它們被稱為絕緣體(insulator)。作為絕緣體是2扮演的***個重要角色。下圖表示了***個晶圓的橫截面，二氧化硅層的上面是***層金屬導電層。氧化層使得金屬層不會與下面的金屬層短路，就像電線的絕緣材料保護電線不會短路***樣。氧化層的這種能力要求氧化層必須是連續的，膜中不能有空洞或孔存在。

氧化層必須足夠厚，以避免感應(induction)現象的產生。感應產生于足夠薄的金屬層，以至于電荷在晶圓表面產生聚積效應。表面電荷可導致短路及不希望的電荷影響。足夠厚的膜層可防止在晶圓表面感應產生電荷。絕大多數品圓表面被覆蓋了***層足夠厚的氧化層來防止從金屬層產生的感應，這被稱為場氧化物(feld oxide)。

從另***個角度講,感應現象就是MOS技術。在***個MOS晶體管中,柵極區會長***層薄的二氧化硅。如果柵上沒有電荷,在源漏之間沒有電流流過。但是有了合適的電荷，在柵下面區域感應出電荷，這樣允許在源漏之間流過電流。氧化層起到介電質的功能，它的厚度是專門選定的，用來讓氧化層下面柵極區產生感應電荷。柵極是器件中控制電流的部分。大規模集成電路(ULSI)中占主導地位的MOS技術，使得柵極的形成成為工藝發展中關注的焦點。通常還有其他介質材料淀積在柵區的薄氧化層上。體管的電性能。二氧化硅作為場氧化層和MOS的柵氧化層

二氧化硅介電層還用在兩層或多層金屬層的結構中。種應用里，二氧化硅層用化學氣相淀積(CVD)的方法而不是用熱氧化的方法形成。所謂“氧化工藝”，是指在硅（Si）基片上提供氧化劑（水（H2O）、氧（O2））和熱能，形成二氧化硅（SiO2）膜的工藝。若不考慮使用專門的氧化方法和設備，***般氧化工藝的順序是相同的(如下圖)。晶圓預清洗、清洗和腐蝕，并將其裝載在氧化爐內或氧化室內(RTP)。隨著晶圓被裝進爐管，進行第***個氣體周期。由于晶圓是在室溫條件下，且精確的氧化層厚度是生產的目標，所以在裝片期間進入爐管的氣體是干的氮氣。在晶圓加熱到要求的氧化溫度期間，為了防止氧化，通入氮氣是必要的。

氧化工藝循環

去除表面的污染和不期望的自然生長的氧化層對于***個成功的氧化工藝來講是基本的。進入晶圓的污染會對器件產生電特性問題，對二氧化硅膜產生結構完整性問題。自然生長的薄氧化層能改變厚度和氧化層生長的完整性。典型的前氧化工藝這是氫氟酸的***后工藝。

2）水平/垂直管式反應爐

晶圓的晶圓制造廠仍然采用水平管式反應爐。兩種系統的基本工作原理是***樣的。

3）快速熱處理(RTP)

RTP 工藝基于熱輻射原理(見下圖)。晶圓被自動放入***個有進氣口和出氣口的反應室中。在內部，加熱源在晶圓的上面或下面，使晶圓被快速加熱。熱源包括石墨加熱器、微波、等離子體和碘鎢燈。碘鎢燈是***常見的。熱輻射耦合進入晶圓表面并以每秒50℃~100℃的速率達到800℃~1050℃工藝溫度。在傳統的反應爐里，需要幾分鐘才能達到同樣的溫度。同樣地，在幾秒之內就可以冷卻下來對于輻射加熱,由于加熱時間很短,晶圓本體并未升溫。對于離子注入的退火工藝，這就意味著，晶格損傷被修復了，而注入的原子還RTP設計

RTP技術對于MOS柵極中薄的氧化層的生長是***種自然而然的選擇。由于晶圓上的尺寸越來越小的趨勢使得加在晶圓上的每層厚度越來越薄。厚度減少***顯著的是柵極氧化層先進的器件要求柵極厚度在10á范圍內。如此薄的氧化層對于傳統的反應爐來說，由于需要氧氣的快速供應和快速排出，有時變得很難控制。RPT系統快速升溫降溫可以提供所需的控制能力。用于氧化的RTP系統也稱為快速熱氧化(Rapid ThermalOxidation，RTO)系統。它與退火系統很相似，只是用氧氣代替了惰性氣體。下圖顯示了***個典型的RTO 工藝中時間-溫度-厚度之間的關系。

當把晶圓從石英舟上卸下后，要對這些晶圓進行檢測和評估。評估的特性和數目依賴于氧化層和特定電路對精確度及潔凈度的要求。氧化工藝的要求就是在晶圓表面上生長***層表面檢測

氧化膜厚度

(SEM)。

除了顆粒和污點的物理污染以外，氧化膜應該將可移動離子污染量減到***小。這些可以用復雜的電容-電壓(C/V)技術來檢測，這種技術檢測氧化層中可移動離子的總數，但它不能確定這些污染的來源,這些污染也許來自爐管、氣體、晶圓或清洗工藝。因此，C/V分析***個低的可移動離子污染的氧化膜意味著整個系統是潔凈的。第二個與氧化膜清潔有關的參數是介電強度。這***參數通過對氧化層的破壞性測試來測量氧化層的介電特性(非導電)。
不同氧化工藝的組成可以安排成***個組合形式(cluster arrangement)。
在小的、高性能的 MOS晶體管的生產中,***個重要因素是薄的柵氧化層。然而，在100或更薄)范圍內，二氧化硅膜質量趨于變差，并難以控制(見圖7.32)。二氧化硅膜的***種替代品是熱生長氮化硅膜(Si3N4)。在這么薄的范圍內，氮化硅膜比二氧化硅膜更致密，針孔更少。它還是***種很好的擴散阻擋層。由于在***初快速生長之后的平滑生長特性，使得薄膜的生長控制得到加強。這***反應是在950℃~1200℃之間，硅表面暴露在氨氣(NH4)中而生成氮化硅的。