第七章 氧化

1、二氧化硅层的用途：
a.表面钝化：保护器件的表面及内部、禁锢污染物在二氧化硅膜中；
b.掺杂阻挡层：掺杂物在二氧化硅的运行速度低于硅中的运行速度、二氧化硅的膨胀系数与硅接近；
c.表面绝缘体：氧化层必须足够厚，以免产生感应现象，称为场氧化物；
d.器件绝缘体：热生成的氧化层可以用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质；
e.器件氧化物的厚度与用途：
60—100埃       隧道栅极
150—500埃      栅极氧化、电容绝缘层
200—500埃      LOCOS氧化
2000—5000埃    掩膜氧化、表面钝化
3000—10000埃   场氧化
2、热氧化机制：阶梯式升温方法，900-1000℃之间
a.生长氧化层会经历两个阶段：线性阶段（<1000埃）和抛物线阶段;
受限反应（transport limited reaction）、受限扩散反应（diffusion limited reaction）；
b.一个加速氧化方法是用水蒸气（H2O）来代替氧气做氧化剂，氢氧基离子扩散穿过晶圆上的氧化层的能力比氧气快；
蒸气氧化（steam oxidation）、湿氧化（wet oxidation）、高温蒸气氧化（pyrogenic steam）；
c.氧化率的影响因素：
晶格方向（<111>比<100>快）、晶圆掺杂物的再分配（N型堆积、P型消耗）、氧化杂质、多晶硅氧化、不均与的氧化率及氧化步骤
3、热氧化方法：热氧化反应（thermal oxidation）-常压、高压、阳极氧化
4、水平炉管反应炉（diffusion furnaces or tube furnace）：反应室、温度控制系统、反应炉、气体柜、晶圆清洗站、装片站、工艺自动化；
a.反应室：高纯度石英（大于1200℃时易破碎称为钝化devitrification）或氮化硅材料；
b.温度控制系统：自动温度分布曲线控制系统（autoprofiling）、逐渐加温（ramping）、待机状态（idle）；
c.反应炉结构：一般有3-4个炉管，可用于同一种工艺或被设计成不同的操作；
d.气体柜（source cabinet）：气体控制面板（gas control panel）、气体流量控制器（gas flow controller）、物流控制器（mass flow meter）、丛林（jungle）、氧化源（干氧、水蒸气源、气泡发生器、干氧化、加氯氧化）
e.晶圆清洗站：自动清洗机（VLF湿槽）+漂洗机+干燥机
f.装片站：自动晶圆装载（石英舟、象鼻管elephant、桨paddle）、手动装载晶圆
g.氧化工艺的自动化：时间、温度、反应气体顺序及推进，推出速率等编入程序形成配方recipe
5、垂直炉管反应炉：层流状态（laminar gas flow）
6、快速升温反应炉：通常反应炉每分钟升温几度，快速升温炉可以每分钟十几度；
7、快速加热工艺（RTP）：RTP工艺是基于热辐射原理，其应用减少了工艺所需的热预算（thermal budget），用于氧化的RTP系统也叫做快速热氧化（Rapid Thermal Oxidation，RTO）系统。其他应用RTP技术的工艺包括：湿氧化、局部氧化、离子注入后的源极/漏极的活化、LPCVD多晶硅、无定形硅、钨、硅化物、LPCVD氮化和LPCVD氧化。
8、高压氧化：采用高压后一种解决方案是降低反应温度，每增加一个大气压温度可以降30℃；另一种方案是用高压系统来维持正常的反应速度，减少氧化时间。
a.可以解决在局部氧化中（LOCOS）产生的“鸟嘴”问题；
b.氧化前晶圆的清洗：机械清洗—RCA湿洗—氢氟酸（HF）或稀释的氢氟酸清洗；
9、氧化工艺：实际的氧化是在炉管反应炉中，在不同的气体循环中进行的（氮气-氧气-氮气循环）
a.气源：氧气、氧气中的氯气（Cl2）、氯化氢（HCl）、三氯乙烯（TCE）或氯仿（TCA）;
b.后氧化评估：一些评估由操作员在线实行、另一些评估由质量控制实验室离线实施；
c.表面检测：高亮度紫外线下对每片晶圆进行检测；
d.氧化厚度：检测技术包括颜色比较、边缘记数、干涉、椭偏仪、刻纹针振幅仪和电子扫描显微镜；
e.氧化和炉管清洗：颗粒、污点及移动离子污染最小化；绝缘材料的强度；氧化层的折射率；
10、阳极氧化：硅晶圆连在正极（阳极）上，同时槽连在负极（阴极）上，两种均沉浸在KNO3溶液里。阳极氧化的基本应用是在晶圆表面形成参杂浓度的曲线；
11、热氮化：氮化硅膜（Si3N4），硅表面暴露在氨气（NH3）中而生成氮化硅。某些高级器件中也使用氧氮化硅膜。