光电融合集成电路制造中的热氧化工艺详解

创作时间:

作者:

@小白创作中心

光电融合集成电路制造中的热氧化工艺详解

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/persona5joker/article/details/144305340

热氧化工艺是光电融合集成电路制造中的关键步骤，通过在硅片表面生长二氧化硅薄膜，实现对硅片的保护和功能化。本文将详细介绍热氧化工艺的原理、类型及其影响因素，帮助读者深入了解这一重要工艺过程。

回顾：晶体管工艺中某中间流程

SiO2薄膜

室温下Si一旦暴露在空气中，就会在表面形成几个原子层厚的SiO2薄膜，厚度约15~20Å，然后逐渐增长至40Å左右停止。SiO2能紧紧地依附在Si衬底表面上，具有良好的化学稳定性和电绝缘性。SiO2薄膜相当致密，室温下能阻止更多的氧气或者水分子通过它继续对Si进行氧化，并且对掺杂杂质具有掩蔽能力。SiO2是集成电路工艺中采用最多的介质薄膜。

SiO2结构

SiO2薄膜的物化性质

SiO2薄膜在集成电路中的功能

作为杂质扩散的掩膜
作为芯片的钝化和保护膜，提高半导体的稳定性和可靠性
作为集成电路的隔离介质和绝缘介质
作为元器件的组成部分

硅的热氧化工艺：定义

热氧化制备二氧化硅工艺就是在高温（900~1200℃）和氧化物质（氧气或水汽）存在的条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。

（1）干氧氧化
（2）水汽氧化
（3）湿氧氧化

硅的热氧化工艺：干氧氧化

干氧氧化以干燥纯净的氧气作为氧化气氛。在高温下，当氧气与硅片接触时氧分子与其表面的Si原子反应生成SiO2层，反应式为：
Si(s)+O2(g)→SiO2(s)

干氧氧化特点：氧化层致密，均匀性和重复性好，掩蔽能力强；表面是非极性的硅氧烷结构，所以与光刻胶粘附良好，不易浮胶。但生长速度慢、易龟裂而不适合于厚氧化层的生长。

硅的热氧化工艺：水汽氧化

水汽氧化以高纯度水蒸气或直接通入氢气与氧气为氧化气氛，在高温下，由硅片表面的硅原子和水分子反应生成SiO2，反应式为：
Si(s)+2H2O(g)→SiO2(s)+2H2(g）

水汽氧化特点：氧化速度快，但氧化层质量较差，结构疏松，薄膜致密性差，针孔密度大；氧化层表面是硅烷醇（Si-OH），易吸附水，表面与光刻胶粘附性差，光刻困难。涂光刻胶前需经过吹干O2或N2热处理，将Si-OH分解成Si-O烷结构，并排除水分。

硅的热氧化工艺：湿氧氧化

湿氧氧化是让氧气通入反应室之前先通过加热的高纯去离子水，使氧气中携带一定量的水汽。所以湿氧氧化兼有干氧氧化和水汽氧化两种氧化作用氧化速度和氧化层质量介于两者之间。
Si(s)+O2(g)→SiO2(s)
Si(s)+2H2O(g)→SiO2(s)+2H2(g）

在实际集成电路制造中，热氧化工艺多采用干、湿氧交替的方法进行。这种方法是为了获得表面致密、针孔密度小、表面干燥、适合光刻的氧化膜，同时又能提高氧化速度。

硅的热氧化工艺：干氧氧化与水汽氧化速度对比

硅的热氧化工艺：工艺流程

流程：洗片→升温→生长→取片
将准备氧化的硅片清洗干净，摆在石英舟上，放在炉口烘干
对高温氧化炉进行加热，温度一般控制在900~1200℃，具体温度视具体工艺而定。
氧化炉恒温后，通入氧化用气体，约10min将空气排出，然后缓慢地将装有硅片的石英舟推入恒温区，在生长气体氛围下热氧化。
热氧化完成后缓慢地将装有硅片的石英舟拖出，然后关气，停炉。