矽熱氧化工藝
常用的熱氧化裝置(圖1)將矽片置於用石英玻璃製成的反應管中,反應管用電阻絲加熱爐加熱一定溫度(常用的溫度為900~1200℃,在特殊條件下可降到600℃以下),氧氣或水汽通過反應管(典型的氣流速度為1厘米/秒)時,在矽片表面發生化學反應Si(固態)+O2(氣態)→SiO2(固態)
或Si(固態)+2H2O(汽態)→SiO2(固態)+2H2(氣態)
生成SiO2層,其厚度一般在幾十埃到上萬埃之間。矽熱氧化工藝,按所用的氧化氣氛可分為:乾氧氧化、水汽氧化和濕氧氧化。乾氧氧化是以乾燥純淨的氧氣作為氧化氣氛,在高溫下氧直接與矽反應生成二氧化矽。水汽氧化是以高純水蒸汽為氧化氣氛,由矽片表面的矽原子和水分子反應生成二氧化矽。水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的為大。而濕氧氧化實質上是乾氧氧化和水汽氧化的混合,氧化速率介於二者之間。在積體電路工藝中,以加熱高純水作為水蒸汽源,而濕氧氧化則用乾燥氧氣通過加熱的水(常用水溫為95
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x娿+Ax0=B(t+τ)
式中x0為生成的二氧化矽厚度;t為氧化時間;A、B和τ是與氧化氣氛和其他氧化條件有關的常數。當氧化時間很短、生成的二氧化矽很薄時,氧化速率主要由矽和氧化物質的反應速率控制。這時上式可簡化為x0=(B/A)(t+τ),即氧化層厚度與氧化時間呈線性關係。B/A 稱為線性速率常數,與矽片晶向密切相關。通常以(111)晶向時的B/A為最大,(100)晶向時的B/A為最小,B/A(111)/B/A(100)≈1.68;當SiO2達到一定的厚度時,氧化速率由氧化物質通過已生成的二氧化矽膜的擴散速率所控制。這時,上式可簡化為x娿=Bt,也就是厚度與時間呈拋物線關係,B為拋物線速率常數。B和B/A都指數地依賴於氧化溫度,B的激活能分別約為1.24電子伏(乾氧)和0.78電子伏(水汽),B/A的激活能約為2.0電子伏(乾氧和水汽)。熱生長二氧化矽為無定形結構,是由矽-氧四面體無規則排列組成的三維網路。由於電阻率很高(5×1015歐·厘米),介電常數達3.9,因而是很好的絕緣和介電材料。熱生長二氧化矽已在半導體器件和積體電路中廣泛地用作絕緣柵、絕緣隔離、互連導線隔離材料和電容器的介質層等。圖2是熱生長二氧化矽在MOS積體電路中的套用示例。
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隨著積體電路特別是超大規模積體電路的發展,橫向和縱向加工尺寸的等比例縮小,要求降低加工溫度和進一步提高熱氧化的二氧化矽層質量。矽熱氧化工藝的改進和發展主要在於:①含氯氧化,即在氧化氣氛中加入一定量的含氯氣氛(如HCl、C2HCl3等),使二氧化矽質量和Si-SiO2系統性能有很大提高;②高壓氧化,使氧化在幾個大氣壓到幾十個大氣壓的氧化氣氛中進行,從而可降低氧化溫度(常用溫度為650~950
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參考書目
A. S. Grore, Physics and Technology of Semiconductor Devices,John Wiley and Sons Inc.,New York,1967.