半导体 | 氧化工艺

2024-06-18 09:24:08

1）表面钝化

***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。

2）掺杂阻挡层

晶圆表面。在硅技术里，***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***层相对薄的二氧化硅，就可以阻挡掺杂物浸入硅表面。

另***个是因为2的热膨胀系数与SiOSi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。

2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2扮演的***个重要角色。下图表示了***个晶圆的横截面，二氧化硅层的上面是***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***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。

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***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)。

从另***个角度讲,感应现象就是MOS技术。在***个MOS晶体管中,栅极区会长***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。体管的电性能。二氧化硅作为场氧化层和MOS的栅氧化层

二氧化硅介电层还用在两层或多层金属层的结构中。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。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。若不考虑使用专门的氧化方法和设备，***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***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。

氧化工艺循环

去除表面的污染和不期望的自然生长的氧化层对于***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。典型的前氧化工艺这是氢氟酸的***后工艺。

2）水平/垂直管式反应炉

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***样的。

3）快速热处理(RTP)

RTP 工艺基于热辐射原理(见下图)。晶圆被自动放入***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***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RTP设计

RTP技术对于MOS栅极中薄的氧化层的生长是***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***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***个典型的RTO 工艺中时间-温度-厚度之间的关系。

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***层表面检测

氧化膜厚度

(SEM)。

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***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***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。第二个与氧化膜清洁有关的参数是介电强度。这***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)。
不同氧化工艺的组成可以安排成***个组合形式(cluster arrangement)。
在小的、高性能的 MOS晶体管的生产中,***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***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***种很好的扩散阻挡层。由于在***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***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。