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集成電路制造工藝中的氧化工藝(Oxidation Process)

Semi Connect ? 來源:Semi Connect ? 作者:Semi Connect ? 2022-10-27 10:46 ? 次閱讀

集成電路制造工藝中,氧化硅薄膜形成的方法有熱氧化和沉積兩種。氧化工藝是指用熱氧化方法在硅片表面形成二氧化硅(SiO2)的過程。熱氧化形成的二氧化硅薄膜,因其具有優(yōu)越的電絕緣性和工藝的可行性,在集成電路制造工藝中被廣泛采用,其最重要的用途是作為 MOS 器件結(jié)構(gòu)中的柵介質(zhì),其他用途還包括器件保護和隔離、表面鈍化處理、離子注人掩蔽層、擴散阻擋層、硅與其他材料之間的緩沖層等。硅在空氣中會與空氣中的氧自然反應(yīng)生成氧化硅薄膜,其氧化速率約為 1.5nm/h,最大厚度約為 4nm。自然氧化層的厚度很難精確控制,而且質(zhì)量很差,在制造過程中需要盡量避免和去除;而在氧氣濃度更高的環(huán)境中進行高溫加熱,可以更快速地得到更厚的高質(zhì)量二氧化硅膜。

根據(jù)反應(yīng)氣體的不同,氧化工藝通常分為干氧氧化和濕氧氧化兩種方式。干氧氧化化學(xué)反應(yīng)式為 Si + O2 = SiO2;反應(yīng)氣體中的氧分子以擴散的方式穿過已經(jīng)形成的氧化層,到達二氧化硅-硅界面,與硅發(fā)生反應(yīng),進一步生成二氧化硅層。干氧氧化制備的二氧化硅結(jié)構(gòu)致密,厚度均勻,對于注人和擴散的掩蔽能力強,工藝重復(fù)性強,其缺點是生長速率較慢。這種方法一般用于高質(zhì)量的氧化,如柵介質(zhì)氧化、薄緩沖層氧化,或者在厚層氧化時用于起始氧化和終止氧化。

濕氧氧化化學(xué)反應(yīng)式為H2O(水汽)+ Si =SiO2+2H2;在濕氧工藝中,可在氧氣中直接攜帶水汽,也可以通過氫氣和氧氣反應(yīng)得到水汽,通過調(diào)節(jié)氫氣或水汽與氧氣的分壓比改變氧化速率。注意,為了確保安全,氫氣與氧氣的比例不得超過 1.88:1。濕氧氧化由于反應(yīng)氣體中同時存在氧氣和水汽,而水汽在高溫下將分解為氧化氫(HO),氧化氫在氧化硅中的擴散速率比氧快得多,所以濕氧氧化速率比干氧氧化速率高約一個數(shù)量級。

除了傳統(tǒng)的干氧氧化和濕氧氧化,還可在氧氣中摻入含氯氣體,如氯化氫 (HCL)、二氯乙烯 DCE(C2H2Cl2)或其衍生物,使氧化速率及氧化層質(zhì)量均得到提高。氧化速率提高的主要原因是,摻氯氧化時,不僅反應(yīng)產(chǎn)物中含有可加速氧化的水汽,而且氯積累在 Si-SiO2界面附近,在有氧的情況下,氯硅化物易轉(zhuǎn)變成氧化硅,可催化氧化。氧化層質(zhì)量改善的主要原因是,氧化層中的氯原子可以鈍化鈉離子的活性,從而減少因設(shè)備、工藝原材料的鈉離子沾污而引入的氧化缺陷。因此,多數(shù)干氧氧化工藝中都有摻氯行為。

由于傳統(tǒng)氧化工藝所需溫度較高,時間較長,引入的熱預(yù)算(Thermal Budget) 很高,造成了硅片中雜質(zhì)的再分布,在先進技術(shù)節(jié)點中會導(dǎo)致器件性能劣化,因此應(yīng)嚴格控制熱預(yù)算。在后高k(High-k Last)的高k金屬柵工藝中,一般會采用快速熱氧化(Rapid Thermal Oxidation, RTO)或化學(xué)品氧化(Chemical Oxidation)等方法生長柵介質(zhì)超薄界面層 (Interfacial Laver)??焖贌嵫趸械纳?降溫速率比普通熱氧化快 100~1000 倍,減少了升/降溫過程中的熱預(yù)算。在化學(xué)品氧化中,結(jié)合臭氧氧化和化學(xué)品處理,可以在按近室溫條件下獲得高質(zhì)量的界面氧化層,減少了由于高溫帶來的熱預(yù)算。

審核編輯 :李倩

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原文標題:氧化工藝(Oxidation Process)

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