文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文簡單介紹了氧化工藝的原理與作用。

在集成電路制造工藝中，氧化工藝也是很關(guān)鍵的一環(huán)。通過在硅晶圓表面形成二氧化硅(SiO?)薄膜，不僅可以實現(xiàn)對硅表面的保護(hù)和鈍化，還能為后續(xù)的摻雜、絕緣、隔離等工藝提供基礎(chǔ)支撐。本文將對氧化工藝進(jìn)行簡單的闡述。

氧化工藝核心作用與機理

氧化工藝的核心在于通過高溫化學(xué)反應(yīng)在硅表面生成致密的二氧化硅層。這一過程不僅能夠鈍化硅表面的懸掛鍵，減少界面缺陷，還能作為雜質(zhì)擴散的掩蔽層、金屬互連的絕緣介質(zhì)以及MOS器件的柵介質(zhì)。二氧化硅的生成遵循特定的反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律，其厚度與生長速率受擴散控制和界面反應(yīng)控制的雙重影響。

在氧化過程中，硅原子與氧化劑（氧氣、水汽等）發(fā)生反應(yīng)，生成的SiO?層會隨著反應(yīng)的持續(xù)向硅基材內(nèi)部延伸。根據(jù)Deal-Grove模型，氧化層的生長速率初期較快，隨后逐漸趨緩，最終進(jìn)入擴散控制階段。這一特性決定了氧化工藝需要精確控制溫度、壓力和氧化劑濃度，以實現(xiàn)目標(biāo)厚度的均勻沉積。例如，當(dāng)生長1 μm的SiO?時，約需消耗0.46 μm的硅材料。

此外，二氧化硅膜的物理特性（如密度、介電常數(shù)、介電強度等）直接影響其功能表現(xiàn)。高純度干氧氧化生成的SiO?密度可達(dá)2.2 g/cm3，介電常數(shù)為3.9，介電強度高達(dá)1000 V/μm，而濕氧氧化生成的膜則可能因表面缺陷導(dǎo)致性能波動。因此，工藝選擇需綜合考慮材料特性與應(yīng)用場景。

主流氧化工藝方法

1.干氧氧化

干氧氧化是在900~1200℃的高溫下，將硅晶圓暴露于高純氧氣環(huán)境中，通過以下反應(yīng)生成SiO?。該方法生成的氧化層具有結(jié)構(gòu)致密、表面干燥、雜質(zhì)掩蔽性強等優(yōu)點，尤其適合需要高絕緣性能的柵氧化層制備。由于氧化劑僅需氧氣，工藝流程相對簡單，重復(fù)性好。然而，干氧氧化速率較慢，通常需要與其他方法結(jié)合使用。例如，在厚膜場氧化層的制備中，常采用干氧-濕氧交替工藝，以平衡生長速度與薄膜質(zhì)量。

干氧氧化的另一個顯著優(yōu)勢是其表面與光刻膠的黏附性良好，這在光刻工藝中至關(guān)重要。有研究表明，干氧膜的表面能約為45 mJ/m2，而濕氧膜的表面能可能因硅烷醇基團(tuán)的存在而降低至30 mJ/m2，導(dǎo)致光刻膠附著不牢。因此，干氧氧化在需要多次光刻的工藝中更具優(yōu)勢。

2.濕氧氧化

濕氧氧化通過引入水汽加速氧化反應(yīng)。其反應(yīng)機制中，水汽分子在SiO?中的擴散系數(shù)顯著高于氧氣（約為氧氣的1000倍），因此濕氧氧化速率通常比干氧快5~10倍。這一特性使其成為厚膜氧化的首選方案，如LOCOS工藝中的場氧化層制備（厚度可達(dá)1 μm以上）。然而，濕氧氧化可能引入表面缺陷（如位錯和腐蝕坑），且生成的SiO?表面易形成硅烷醇基團(tuán)，影響光刻膠的附著性。為此，實際生產(chǎn)中常采用干氧-濕氧-干氧的三步法工藝，以兼顧生長效率與薄膜質(zhì)量。

濕氧氧化的另一特點是其對晶向的敏感性。例如，(111)晶向的氧化速率約為(100)晶向的2倍，這一現(xiàn)象在需要精確控制氧化層厚度的工藝中需特別注意。此外，水汽來源（如水瓶或氫氧合成）對工藝穩(wěn)定性也有顯著影響。水瓶法雖然成本較低，但水汽濃度易受溫度波動影響，而氫氧合成法則能通過質(zhì)量流量計精確控制水汽壓力，提升工藝重復(fù)性。

濕氧氧化系統(tǒng)

3.水汽氧化

水汽氧化通常在高壓條件下進(jìn)行，通過高純水蒸氣作為氧化劑。其反應(yīng)機制與濕氧氧化類似，但高壓環(huán)境可進(jìn)一步提升氧化速率。這一方法特別適用于低溫度（600℃以下）下的氧化工藝，能夠有效減少高溫長時間處理導(dǎo)致的晶圓應(yīng)力和缺陷。此外，高壓氧化允許通過調(diào)節(jié)壓力參數(shù)優(yōu)化氧化層厚度，為特定應(yīng)用場景（如深亞微米器件的柵氧化層）提供靈活性。

高壓氧化的典型壓力范圍為0.2~70 MPa，具體壓力選擇需平衡氧化速率與SiO?的穩(wěn)定性。例如，在70 MPa高壓下，水汽氧化速率可達(dá)常壓下的50倍，但需嚴(yán)格控制溫度上限以避免SiO?溶解。高壓氧化還被用于特殊結(jié)構(gòu)（如三維集成電路的埋氧層）制備，其高沉積速率與均勻性優(yōu)勢顯著。

4.氫氧合成氧化

氫氧合成氧化通過將高純氫氣和氧氣在高溫下直接反應(yīng)生成水汽，作為氧化劑與硅反應(yīng)。該方法的優(yōu)勢在于能夠精確控制水汽壓力，從而實現(xiàn)對氧化層厚度的高度一致性。由于采用質(zhì)量流量計控制氫氣和氧氣的流量，工藝重復(fù)性極佳，特別適合高要求的柵氧化層制備。此外，該系統(tǒng)配備多重安全防護(hù)措施（如壓力上限控制、燃燒嘴溫度監(jiān)測），確保操作安全性。

氫氧合成氧化的另一個優(yōu)勢是其對環(huán)境的適應(yīng)性。例如，在超凈車間中，水汽氧化可能因水瓶污染引入雜質(zhì)，而氫氧合成法則能通過封閉式氣體輸送系統(tǒng)避免這一問題。此外，該方法可通過調(diào)整氫氧比例優(yōu)化水汽純度，進(jìn)一步提升SiO?的絕緣性能。

5.快速熱氧化

快速熱氧化（RTO）采用燈陣列或紅外輻射源實現(xiàn)晶圓的快速升溫（速率可達(dá)100℃/s），并在短時間內(nèi)完成氧化反應(yīng)。RTO工藝的典型溫度范圍為800~1100℃，氧化時間通常縮短至幾分鐘。這一技術(shù)顯著提升了生產(chǎn)效率，同時減少了熱預(yù)算（thermal budget），降低了對硅晶圓的熱損傷。RTO特別適用于30nm以下節(jié)點的柵氧化層制備，能夠滿足超薄氧化層（<2nm）的均勻性要求。

RTO升降溫曲線對應(yīng)操作：

(1)初始裝片與保護(hù)（第1階段）

操作：系統(tǒng)室溫下裝載晶圓，僅通入氮氣（N?），關(guān)閉HCl和O?。

作用：利用N?營造潔凈無氧環(huán)境，避免裝片過程中晶圓表面吸附雜質(zhì)（如水汽、顆粒），確保初始狀態(tài)純凈（氧含量<1ppm，顆粒數(shù)<5個/cm2）。?

(2)快速升溫（第2階段）

操作：以100℃/s速率升溫至RTO工藝溫度（900~1200℃，依膜厚需求調(diào)整），全程通N?，關(guān)閉HCl和O?。

作用：采用紅外鹵素?zé)艋?a target="_blank">電阻加熱，爐腔溫度均勻性±1℃，避免局部過熱導(dǎo)致的氧化不均（徑向厚度偏差<±0.5%）。?

(3)氧化反應(yīng)（第3階段，RTO核心）

操作：溫度穩(wěn)定后，停止N?，通入HCl，10~20sccm，與O?，50~100sccm。

機理：HCl去除硅表面污染物（如金屬離子、碳?xì)浠衔铮?，O?與硅快速反應(yīng)生成SiO?（反應(yīng)式：Si + O? → SiO?），此階段為擴散控制（氧化劑穿透已生成的薄氧化層，在Si-SiO?界面反應(yīng)），實現(xiàn)原子級厚度增長（典型速率0.1~0.3nm/s，厚度<30nm）。?

優(yōu)勢：氧化層致密,密度2.2g/cm3，表面粗糙度<0.3nm，與光刻膠黏附性佳（接觸角<20°）。

(4)降溫與過渡保護(hù)（第4階段）

操作：氧化后降溫至600~800℃（預(yù)設(shè)中間溫度），恢復(fù)N?通入，關(guān)閉HCl和O?。

作用：N?隔絕外界氧氣，防止低溫下氧化層被污染（如碳?xì)浠衔镂剑?，同時緩解晶圓熱應(yīng)力（翹曲度<30μm）。

(5)快速熱退火（RTA，第5階段）

操作：升溫至退火溫度，1000~1100℃，僅通N?，關(guān)閉HCl和O?，保溫5~10s。

作用：通過短時高溫消除氧化層界面缺陷（如懸掛鍵、位錯），界面態(tài)密度從5*1010cm-2eV-1降至1*1010cm-2eV-1以下，提升擊穿場強（>1000V/μm）與器件可靠性（漏電流<10??A/μm）。

(6)二次降溫（第6階段）

操作：退火后降溫至300℃以下，持續(xù)通N?，關(guān)閉HCl和O?。

作用：采用梯度降溫，速率50℃/s，避免溫度驟變引發(fā)的晶圓裂紋，應(yīng)力<100MPa，為取片做準(zhǔn)備。

(7)室溫取片（第7階段）

操作：降至室溫，保持N?通入直至晶圓取出，關(guān)閉所有反應(yīng)氣體。

作用：全程N?保護(hù)，流量200至300sccm，確保氧化層在潔凈環(huán)境中冷卻，避免濕氣（濕度<10%RH）或雜質(zhì)污染，最終良率>98%。

RTO系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計使其能夠?qū)崿F(xiàn)梯度溫度控制。例如，通過分段式加熱區(qū)（如四溫區(qū)爐管），晶圓表面溫度可精確調(diào)控至±1℃，從而避免局部過熱導(dǎo)致的氧化不均。此外，RTO結(jié)合快速冷卻技術(shù)（如氮氣吹掃），可進(jìn)一步減少熱應(yīng)力對晶圓結(jié)構(gòu)的影響。

RTO系統(tǒng)

氧化工藝設(shè)備與系統(tǒng)配置

氧化工藝的實施依賴于專用的高溫爐管系統(tǒng)，其核心組件包括氣源柜、爐體柜、裝片臺和計算機控制系統(tǒng)。根據(jù)晶圓尺寸（6英寸以下采用水平式爐管，8英寸及以上采用直立式爐管），設(shè)備配置有所差異?，F(xiàn)代氧化系統(tǒng)通常集成快速熱處理（RTP）功能，通過紅外鹵素?zé)艋螂娮杓訜釋崿F(xiàn)快速升降溫，進(jìn)一步縮短工藝周期。

對于高壓氧化和等離子體氧化等特殊工藝，設(shè)備需配備壓力容器、冷卻罩及射頻激勵裝置。例如，等離子體氧化系統(tǒng)通過低頻射頻（0.5~8MHz）激發(fā)氧等離子體，在低溫（約500℃）下實現(xiàn)SiO?沉積。這一方法避免了高溫引起的晶格缺陷，且氧化速率不受硅晶向和摻雜類型的影響。

高壓氧化系統(tǒng)的核心部件包括注入器擋板和第四溫區(qū)，其設(shè)計旨在優(yōu)化水汽分布并減少邊緣效應(yīng)。例如，通過多孔式注入器，水汽可均勻分散至晶圓表面，避免局部過氧化。此外，冷卻罩與殼體氮氣系統(tǒng)的協(xié)同作用，可將爐管內(nèi)溫度波動控制在±2℃以內(nèi)，確保工藝穩(wěn)定性。