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硅片上生长热氧化硅工艺

日期：2023-09-06 03:34:47 来源：网络整理作者：本站编辑评论：0

热氧化硅（thermal oxide）在硅基半导体工艺中有非常重要的应用，例如作为MOSFET中的栅氧化物，或者作为IC制程中的电介质层。热氧化硅有许多优秀的特性，例如高电介质常数，低漏电流，以及优秀的可控制性等，使得其在硅基半导体工艺中有着广泛的应用。

什么是热氧化硅？

热氧化硅，即在高温中生长的氧化硅。硅片在约 1000 °C 的熔炉中进行氧化，硅上生成的氧化层称为热氧化硅（thermal oxide）。熔炉由石英管组成，其中晶圆放置在由石英玻璃制成的载体上。为了加热，有多个加热区，为了化学供给，有多个管道。石英玻璃具有很高的熔点（1500℃以上），因此适用于高温工艺。为了避免裂纹或变形，石英管缓慢加热（例如每分钟+10°C）。通过单独的加热区域可以非常精确地对管子进行加热。

热氧化膜的几种生长方式

干式氧化

氧化在纯氧气氛下进行。硅和氧化物反应形成二氧化硅：

Si + O 2 → SiO 2

该过程实际上是在 1000 至 1200 °C 的温度下完成的。氧气被引入到炉管中，并且与硅片接触，在高温下，氧气会分解，并与硅片表面的硅原子反应生成氧化硅。在干氧化过程中，由于硅二氧化层是由纯氧气氧化形成的，因此，其电介质性质相对于湿氧化过程中生成的氧化层会更优，这对于制造高性能的MOSFET器件非常关键。

湿式氧化

湿式氧化包括湿氧氧化和H2-O2燃烧的两种方式。

在湿热氧化中，氧气被引导通过充满热水（约 95 °C）的起泡器容器，因此除了氧气之外，水还以蒸汽形式存在于石英管中。反应式如下：

Si + 2H 2 O → SiO 2 + 2H 2

此过程在 900 至 1000 °C 下完成。

H 2 -O 2燃烧

在H 2 -O 2燃烧中，纯氢被添加到氧中。气体被引入石英管并在 500 °C 以上燃烧，生成大量的水蒸气，这些水蒸气与硅片反应，形成SiO2膜。该工艺可以制造快速生长且杂质含量低的薄膜，从而可以在中等温（900°C）下生产厚氧化层和薄膜。

在所有热氧化工艺中，（111）衬底上的生长速率高于（100）衬底上的生长速率。

干氧氧化与湿氧氧化的优缺点

干氧化：

优点：

干氧化形成的硅二氧化膜质量较高，
干氧化的氧化环境相对更易控制，

缺点：

干氧化的氧化速率较慢，
干氧化过程需要较高的氧化温度，对设备要求高，

湿氧化：

优点：

湿氧化的氧化速率远高于干氧化，可以在较短的时间内形成较厚的氧化层，提高生产效率。
湿氧化过程中使用的水蒸气反应活性高，氧化温度可相对较低，可以减轻对硅片的热应力。

缺点：

湿氧化生成的氧化膜中可能会引入杂质或缺陷，影响膜的质量和性能，特别是在需要超薄门氧化层的先进工艺中。
湿氧化过程的控制相对复杂，需要严格控制水蒸气的引入量和氧化过程的温度，否则可能导致氧化膜厚度和质量的不均匀。
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