技术运用

氧化工艺的应用

氧化反应是半导体芯片制程中基本工艺之一,是一种添加工艺,将氧气加入到硅晶圆后在晶圆表面形成二氧化硅薄膜。薄膜是在高温下形成,故也称之为“热氧化”。
硅很容易和氧发生反应,因此自然界中的硅大多以二氧化硅形态存在,如石英砂。硅很快和氧气(水蒸气)发生反应在硅表面形成二氧化硅,反应式可以表示为:

Si + 02 —> SiO2
Si +H2O —> SiO2+H2

二氧化硅是一种致密物质且能覆盖整个硅表面。如果要继续硅的氧化过程,氧分子就必须扩散穿过氧化层才能和底下的硅原子产生化学反应。生长厚的二氧化硅层会使氧气的扩散遇到阻碍而使氧化过程变得缓慢。当裸露的硅晶圆接触到大气时,几乎立刻就和空气中的氧或湿气产生化学反应生成一层大约10〜20A的二氧化硅,这就是所谓的原生氧化层,室温时这层很薄的二氧化硅可以阻止硅的继续氧化。下图说明了氧化过程。



氧化过程中的氧是气体,硅来自固态衬底,因此当生长二氧化硅时,就会消耗衬底上的硅,这层薄膜将朝向硅衬底内生长。高温时的热能使氧分子移动得更快,且使氧分子扩散穿过已经形成的氧化层与硅产生化学反应生成更厚的二氧化硅。温度越高,氧分子移动得就越快,氧化薄膜生长的速度也就越快。高温生长的氧化薄膜质量比低温生长的薄膜高,所以为了获得高质量的氧化薄膜及较快的生长速率,氧化过程必须在石英炉中高温环境下进行。氧化是一种很慢的过程,甚至在温度超过1000摄氏度的高温炉中都要花费数小时才能生长出厚度约为5000A的氧化层。因此氧化工艺通常是批量过程,可同时处理50 - 200片的晶圆以获得合理的产量。


晶圆尺寸:4、6英寸
工艺类型:干氧氧化、湿氧氧化(选配)
适用材料:碳化硅
应用领域:功率半导体、科研

晶圆尺寸:8英寸
工艺类型:干氧氧化、湿氧氧化、自由基氧化、高温退火
适用材料:硅
应用领域:功率半导体、集成电路、衬底材料、科研

晶圆尺寸:8英寸及以下
工艺类型:氧化、退火、合金、LPCVD
适用材料:硅、碳化硅
应用领域:功率半导体、光电器件、科研


硅的氧化工艺是整个IC过程的基本工艺之一。二氧化硅有许多应用:
屏蔽氧化层,阻挡光刻胶以避免硅片受污染,也可以在离子进入单晶硅之前先将离子散射以减小通道效应。




衬垫氧化层,用于减小氮化硅与硅之间的应力,如果没有二氧化硅垫层作为应力缓冲,LPCVD氮化硅层高达10l0dyn/cm2 (达因/平方厘米)的张力将导致硅晶圆产生裂缝甚至破裂。



栅极氧化层,MOS结构的电介质层,用于实现电流通路,进行场控的介质。


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