半导体热处理工艺之氧化

所属分类：

【概要描述】

在集成电路制造工艺中，氧化工艺也是很关键的一环。通过在硅晶圆表面形成二氧化硅（SiO₂）薄膜，不仅可以实现对硅表面的保护和钝化，还能为后续的掺杂、绝缘、隔离等工艺提供基础支撑。这个保护性氧化层是如何产生的？

当硅晶片暴露在空气或其他化学物质中的氧气中时，它会形成氧化层。这就像铁 (Fe) 在空气中被氧化时会生锈一样。氧化方法有多种，如热氧化、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和电化学阳极氧化等。其中，应用最广泛的是800～1200℃的高温条件下进行的热氧化工艺，以形成薄而均匀的二氧化硅层。

热氧化是在人工高温环境下，硅在氧化剂（氧或水汽等）的帮助下转化为SiO₂的过程。

在高温下，氧气与硅反应生成SiO₂

Si +O₂➡SiO₂

氧化温度为900～1200℃，为了防止外部气体的污染，炉内气体压力应比一个大气压稍高些，可通过气体流速来控制。

特点：干氧氧化法制备的氧化层具有结构致密、表面干燥、杂质掩蔽性强等优点；工艺流程相对简单，重复性好；其表面与光刻胶的黏附性良好，这在光刻工艺中至关重要；干氧氧化速率较慢，通常需要与其他方法结合使用。

在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成SiO₂。

Si+2H₂O➡SiO₂+2H₂

特点：湿氧氧化通过引入水汽加速氧化反应。其反应机制中，水汽分子在SiO₂中的扩散系数显著高于氧气（约为氧气的1000倍），因此湿氧氧化速率通常比干氧快5～10倍。这一特性使其成为厚膜氧化的主要方案。

然而，湿氧氧化可能引入表面缺陷（如位错和腐蚀坑），且生成的SiO₂表面易形成硅烷醇基团，影响光刻胶的附着性。

Si+2H₂O➡SiO₂+2H₂

水汽氧化通常在高压条件下进行，通过高纯水蒸气作为氧化剂。其反应机制与湿氧氧化类似，但高压环境可进一步提升氧化速率。

特点：这一方法特别适用于低温度（600℃以下）下的氧化工艺，能够有效减少高温长时间处理导致的晶圆应力和缺陷。此外，高压氧化允许通过调节压力参数优化氧化层厚度，为特定应用场景（如深亚微米器件的栅氧化层）提供灵活性。

H₂+O₂➡H₂O Si+2H₂O➡SiO₂+2H₂

氢氧合成氧化通过将高纯氢气和氧气在高温下直接反应生成水汽，作为氧化剂与硅反应。该方法的优势在于能够精确控制水汽压力，从而实现对氧化层厚度的高度一致性。氢氧合成氧化的另一个优势是其对环境的适应性。例如，在超净车间中，水汽氧化可能因水瓶污染引入杂质，而氢氧合成法则能通过封闭式气体输送系统避免这一问题。

快速热氧化（RTO）采用灯阵列或红外辐射源实现晶圆的快速升温（速率可达100℃/s），并在短时间内完成氧化反应。RTO工艺的典型温度范围为800～1100℃，氧化时间通常缩短至几分钟。

这一技术显著提升了生产效率，同时减少了热预算（thermal budget），降低了对硅晶圆的热损伤。RTO特别适用于30nm以下节点的栅氧化层制备，能够满足超薄氧化层（<2nm）的均匀性要求。

热氧化法制备SiO2的特点

（1）具有很高的重复性和化学稳定性，其物理性质和化学性质不太受湿度和中等温度热处理的影响；

（2）降低Si表面的悬挂键，使表面态密度减小；

（3）很好地控制界面陷阱和固定电荷；

（4）这些特点对MOS器件和其他器件都是至关重要的。

水平管式反应炉

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。