半導(dǎo)體 | 氧化工藝

2024-06-18 09:24:08

1）表面鈍化

***方面是保護(hù)器件的表面及內(nèi)部。在表面形成的二氧化硅密度非常高(無孔),非常硬。因此二氧化硅層起污染阻擋層的作用，它可以阻擋環(huán)境中臟物質(zhì)侵入敏感的晶圓表面。同時(shí)，它的硬度可防止晶圓表面在制造過程中被劃傷及增強(qiáng)晶圓在生產(chǎn)流程過程中的耐用性。

2）摻雜阻擋層

晶圓表面。在硅技術(shù)里，***常見的表面層是二氧化硅。留在硅晶表面的二氧化硅能夠阻擋摻雜物浸入硅表面。在硅技術(shù)里用到的所有摻雜物，其在二氧化硅里的運(yùn)行速度低于在硅中的運(yùn)行速度。當(dāng)摻雜物在硅中穿行達(dá)到所要求的深度時(shí)，它在二氧化硅里才走了很短的路程。所以，只要***層相對(duì)薄的二氧化硅，就可以阻擋摻雜物浸入硅表面。

另***個(gè)是因?yàn)?的熱膨脹系數(shù)與SiOSi脹縮的速率接近這就意味著，在加熱或冷卻時(shí)，晶圓不會(huì)發(fā)生彎曲。

2被歸類為絕緣材料，這意味著在正常情況下它不導(dǎo)電。當(dāng)它用于電路或器件時(shí)，它們被稱為絕緣體(insulator)。作為絕緣體是2扮演的***個(gè)重要角色。下圖表示了***個(gè)晶圓的橫截面，二氧化硅層的上面是***層金屬導(dǎo)電層。氧化層使得金屬層不會(huì)與下面的金屬層短路，就像電線的絕緣材料保護(hù)電線不會(huì)短路***樣。氧化層的這種能力要求氧化層必須是連續(xù)的，膜中不能有空洞或孔存在。

氧化層必須足夠厚，以避免感應(yīng)(induction)現(xiàn)象的產(chǎn)生。感應(yīng)產(chǎn)生于足夠薄的金屬層，以至于電荷在晶圓表面產(chǎn)生聚積效應(yīng)。表面電荷可導(dǎo)致短路及不希望的電荷影響。足夠厚的膜層可防止在晶圓表面感應(yīng)產(chǎn)生電荷。絕大多數(shù)品圓表面被覆蓋了***層足夠厚的氧化層來防止從金屬層產(chǎn)生的感應(yīng)，這被稱為場(chǎng)氧化物(feld oxide)。

從另***個(gè)角度講,感應(yīng)現(xiàn)象就是MOS技術(shù)。在***個(gè)MOS晶體管中,柵極區(qū)會(huì)長(zhǎng)***層薄的二氧化硅。如果柵上沒有電荷,在源漏之間沒有電流流過。但是有了合適的電荷，在柵下面區(qū)域感應(yīng)出電荷，這樣允許在源漏之間流過電流。氧化層起到介電質(zhì)的功能，它的厚度是專門選定的，用來讓氧化層下面柵極區(qū)產(chǎn)生感應(yīng)電荷。柵極是器件中控制電流的部分。大規(guī)模集成電路(ULSI)中占主導(dǎo)地位的MOS技術(shù)，使得柵極的形成成為工藝發(fā)展中關(guān)注的焦點(diǎn)。通常還有其他介質(zhì)材料淀積在柵區(qū)的薄氧化層上。體管的電性能。二氧化硅作為場(chǎng)氧化層和MOS的柵氧化層

二氧化硅介電層還用在兩層或多層金屬層的結(jié)構(gòu)中。種應(yīng)用里，二氧化硅層用化學(xué)氣相淀積(CVD)的方法而不是用熱氧化的方法形成。所謂“氧化工藝”，是指在硅（Si）基片上提供氧化劑（水（H2O）、氧（O2））和熱能，形成二氧化硅（SiO2）膜的工藝。若不考慮使用專門的氧化方法和設(shè)備，***般氧化工藝的順序是相同的(如下圖)。晶圓預(yù)清洗、清洗和腐蝕，并將其裝載在氧化爐內(nèi)或氧化室內(nèi)(RTP)。隨著晶圓被裝進(jìn)爐管，進(jìn)行第***個(gè)氣體周期。由于晶圓是在室溫條件下，且精確的氧化層厚度是生產(chǎn)的目標(biāo)，所以在裝片期間進(jìn)入爐管的氣體是干的氮?dú)?。在晶圓加熱到要求的氧化溫度期間，為了防止氧化，通入氮?dú)馐潜匾摹?/p>

氧化工藝循環(huán)

去除表面的污染和不期望的自然生長(zhǎng)的氧化層對(duì)于***個(gè)成功的氧化工藝來講是基本的。進(jìn)入晶圓的污染會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生電特性問題，對(duì)二氧化硅膜產(chǎn)生結(jié)構(gòu)完整性問題。自然生長(zhǎng)的薄氧化層能改變厚度和氧化層生長(zhǎng)的完整性。典型的前氧化工藝這是氫氟酸的***后工藝。

2）水平/垂直管式反應(yīng)爐

晶圓的晶圓制造廠仍然采用水平管式反應(yīng)爐。兩種系統(tǒng)的基本工作原理是***樣的。

3）快速熱處理(RTP)

RTP 工藝基于熱輻射原理(見下圖)。晶圓被自動(dòng)放入***個(gè)有進(jìn)氣口和出氣口的反應(yīng)室中。在內(nèi)部，加熱源在晶圓的上面或下面，使晶圓被快速加熱。熱源包括石墨加熱器、微波、等離子體和碘鎢燈。碘鎢燈是***常見的。熱輻射耦合進(jìn)入晶圓表面并以每秒50℃~100℃的速率達(dá)到800℃~1050℃工藝溫度。在傳統(tǒng)的反應(yīng)爐里，需要幾分鐘才能達(dá)到同樣的溫度。同樣地，在幾秒之內(nèi)就可以冷卻下來對(duì)于輻射加熱,由于加熱時(shí)間很短,晶圓本體并未升溫。對(duì)于離子注入的退火工藝，這就意味著，晶格損傷被修復(fù)了，而注入的原子還RTP設(shè)計(jì)

RTP技術(shù)對(duì)于MOS柵極中薄的氧化層的生長(zhǎng)是***種自然而然的選擇。由于晶圓上的尺寸越來越小的趨勢(shì)使得加在晶圓上的每層厚度越來越薄。厚度減少***顯著的是柵極氧化層先進(jìn)的器件要求柵極厚度在10á范圍內(nèi)。如此薄的氧化層對(duì)于傳統(tǒng)的反應(yīng)爐來說，由于需要氧氣的快速供應(yīng)和快速排出，有時(shí)變得很難控制。RPT系統(tǒng)快速升溫降溫可以提供所需的控制能力。用于氧化的RTP系統(tǒng)也稱為快速熱氧化(Rapid ThermalOxidation，RTO)系統(tǒng)。它與退火系統(tǒng)很相似，只是用氧氣代替了惰性氣體。下圖顯示了***個(gè)典型的RTO 工藝中時(shí)間-溫度-厚度之間的關(guān)系。

當(dāng)把晶圓從石英舟上卸下后，要對(duì)這些晶圓進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。評(píng)估的特性和數(shù)目依賴于氧化層和特定電路對(duì)精確度及潔凈度的要求。氧化工藝的要求就是在晶圓表面上生長(zhǎng)***層表面檢測(cè)

氧化膜厚度

(SEM)。

除了顆粒和污點(diǎn)的物理污染以外，氧化膜應(yīng)該將可移動(dòng)離子污染量減到***小。這些可以用復(fù)雜的電容-電壓(C/V)技術(shù)來檢測(cè)，這種技術(shù)檢測(cè)氧化層中可移動(dòng)離子的總數(shù)，但它不能確定這些污染的來源,這些污染也許來自爐管、氣體、晶圓或清洗工藝。因此，C/V分析***個(gè)低的可移動(dòng)離子污染的氧化膜意味著整個(gè)系統(tǒng)是潔凈的。第二個(gè)與氧化膜清潔有關(guān)的參數(shù)是介電強(qiáng)度。這***參數(shù)通過對(duì)氧化層的破壞性測(cè)試來測(cè)量氧化層的介電特性(非導(dǎo)電)。
不同氧化工藝的組成可以安排成***個(gè)組合形式(cluster arrangement)。
在小的、高性能的 MOS晶體管的生產(chǎn)中,***個(gè)重要因素是薄的柵氧化層。然而，在100或更薄)范圍內(nèi)，二氧化硅膜質(zhì)量趨于變差，并難以控制(見圖7.32)。二氧化硅膜的***種替代品是熱生長(zhǎng)氮化硅膜(Si3N4)。在這么薄的范圍內(nèi)，氮化硅膜比二氧化硅膜更致密，針孔更少。它還是***種很好的擴(kuò)散阻擋層。由于在***初快速生長(zhǎng)之后的平滑生長(zhǎng)特性，使得薄膜的生長(zhǎng)控制得到加強(qiáng)。這***反應(yīng)是在950℃~1200℃之間，硅表面暴露在氨氣(NH4)中而生成氮化硅的。