技術運用

氧化工藝的應用

氧化反應是半導體芯片制程中基本工藝之一,是一種添加工藝,將氧氣加入到硅晶圓后在晶圓表面形成二氧化硅薄膜。薄膜是在高溫下形成,故也稱之為“熱氧化”。
硅很容易和氧發(fā)生反應,因此自然界中的硅大多以二氧化硅形態(tài)存在,如石英砂。硅很快和氧氣(水蒸氣)發(fā)生反應在硅表面形成二氧化硅,反應式可以表示為:

Si + 02 —> SiO2
Si +H2O —> SiO2+H2

二氧化硅是一種致密物質(zhì)且能覆蓋整個硅表面。如果要繼續(xù)硅的氧化過程,氧分子就必須擴散穿過氧化層才能和底下的硅原子產(chǎn)生化學反應。生長厚的二氧化硅層會使氧氣的擴散遇到阻礙而使氧化過程變得緩慢。當裸露的硅晶圓接觸到大氣時,幾乎立刻就和空氣中的氧或濕氣產(chǎn)生化學反應生成一層大約10?20A的二氧化硅,這就是所謂的原生氧化層,室溫時這層很薄的二氧化硅可以阻止硅的繼續(xù)氧化。下圖說明了氧化過程。



氧化過程中的氧是氣體,硅來自固態(tài)襯底,因此當生長二氧化硅時,就會消耗襯底上的硅,這層薄膜將朝向硅襯底內(nèi)生長。高溫時的熱能使氧分子移動得更快,且使氧分子擴散穿過已經(jīng)形成的氧化層與硅產(chǎn)生化學反應生成更厚的二氧化硅。溫度越高,氧分子移動得就越快,氧化薄膜生長的速度也就越快。高溫生長的氧化薄膜質(zhì)量比低溫生長的薄膜高,所以為了獲得高質(zhì)量的氧化薄膜及較快的生長速率,氧化過程必須在石英爐中高溫環(huán)境下進行。氧化是一種很慢的過程,甚至在溫度超過1000攝氏度的高溫爐中都要花費數(shù)小時才能生長出厚度約為5000A的氧化層。因此氧化工藝通常是批量過程,可同時處理50 - 200片的晶圓以獲得合理的產(chǎn)量。


晶圓尺寸:4、6英寸
工藝類型:干氧氧化、濕氧氧化(選配)
適用材料:碳化硅
應用領域:功率半導體、科研

晶圓尺寸:8英寸
工藝類型:干氧氧化、濕氧氧化、自由基氧化、高溫退火
適用材料:硅
應用領域:功率半導體、集成電路、襯底材料、科研

晶圓尺寸:8英寸及以下
工藝類型:氧化、退火、合金、LPCVD
適用材料:硅、碳化硅
應用領域:功率半導體、光電器件、科研


硅的氧化工藝是整個IC過程的基本工藝之一。二氧化硅有許多應用:
屏蔽氧化層,阻擋光刻膠以避免硅片受污染,也可以在離子進入單晶硅之前先將離子散射以減小通道效應。




襯墊氧化層,用于減小氮化硅與硅之間的應力,如果沒有二氧化硅墊層作為應力緩沖,LPCVD氮化硅層高達10l0dyn/cm2 (達因/平方厘米)的張力將導致硅晶圓產(chǎn)生裂縫甚至破裂。



柵極氧化層,MOS結(jié)構的電介質(zhì)層,用于實現(xiàn)電流通路,進行場控的介質(zhì)。


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