半導(dǎo)體行業(yè)——加熱工藝解析

熱生長的二氧化硅最重要的應(yīng)用之一是形成絕緣體使IC芯片上相鄰晶體管間電氣隔離。整面全區(qū)覆蓋式氧化和局部氧化是隔離相鄰元器件并防止它們相互干擾所用的兩種技術(shù)。整面全區(qū)覆蓋式氧化層是最簡單的隔離工藝，早期的半導(dǎo)體生產(chǎn)普遍使用這種技術(shù)。熱生長一層5000-10 000A的二氧化硅，通過光刻技術(shù)使其圖形化，再用氫氟酸刻蝕氧化層，接著將器件區(qū)打開后就可以開始晶體管的制造過程了（見下圖）。

硅局部氧化(LOCOS)的隔離效果比整面全區(qū)覆蓋式氧化效果好。LOCOS工藝使用一層很薄的二氧化硅層200-500A作為襯墊層以緩沖LPCVD氮化硅的強(qiáng)張力。經(jīng)過氮化硅刻蝕、光刻膠剝除和晶圓清洗后，沒有被氮化硅覆蓋的區(qū)域再生長出一層厚度為3000?5000 A的氧化層。氮化硅的阻擋效果比二氧化硅好，由于氧分子無法穿過氮化硅層，所以氮化硅層下的硅并不會被氧化。而未被氮化硅覆蓋的區(qū)域，氧分子就會不斷擴(kuò)散穿過二氧化硅層與底層的硅形成更厚的二氧化硅。LOCOS的形成過程如下圖所示。

由于氧在二氧化硅中的擴(kuò)散是一種等向性過程，所以氧也會碰到側(cè)邊的硅。這使得 LOCOS工藝有兩個缺點:一個缺點是靠近刻蝕氧化窗口的氮化硅層底生長有氧化物，這就是所 謂的鳥嘴(Bird?sBeak)(見下圖)。鳥嘴占據(jù)了晶圖表面的很多面積，是應(yīng)盡量避免出現(xiàn)的情況。另一個缺點是由于氧化物的生長特點而形成氧化層對硅有一個表面臺階，這將引起表面平坦化問題。

已經(jīng)采用了許多方法抑制鳥嘴效應(yīng)，其中最普遍的是多晶硅緩沖層(Poly Buffered LOCOS, PBL)T藝。較厚的襯墊層形成較長的鳥嘴，這使得氧分子擴(kuò)散的路徑變得較寬。使用一層厚度大約為500 A的多晶硅緩沖LPCVD氮化硅的高張力，襯墊氧化層的厚度能從500 A降低到 100 A,從而可以大大減小氧化物的侵入。但是硅的局部氧化層兩側(cè)總有0. 1?0.2um的鳥嘴。當(dāng)最小圖形尺寸小于0.35um時，鳥嘴問題變得很嚴(yán)重，于是發(fā)展出了淺溝槽隔離(STI)工藝以避免鳥嘴效應(yīng)，STI形成的表面也比較平坦。20世紀(jì)90年代中期，當(dāng)元器件圖形尺寸縮小到0. 35um以下時，STI技術(shù)逐漸取代了LOCOS隔離技術(shù)。

犧牲氧化層是生長在晶圓表面元器件區(qū)域上的二氧化硅薄膜（低于1000 A）o犧牲氧化層生成之后將立刻被氫氟酸溶劑剝除。一般情況下，柵氧化工藝之前都將先生長一層犧牲氧化層來移除硅表面的損傷和缺陷。該氧化層的生成和移除有利于產(chǎn)生零缺陷的硅表面并獲得高質(zhì)量的柵氧化層。

以MOS為主的IC芯片，其最薄也最重要的二氧化硅層是柵氧化層。由于元器件尺寸不斷縮小，柵氧化層從20世紀(jì)60年代大于1000 A厚度降低到2000年復(fù)雜芯片上的15 A左右，而且IC芯片的工作電壓從12 V降低到1.2 Vo柵氧化層的質(zhì)量對于元器件能否正常工作非常重要，柵氧化層中的任何缺陷、雜質(zhì)或微粒污染物都可能影響元器件的性能，并且顯著降低芯片的成品率。下圖說明了犧牲氧化層和柵氧化層的形成過程，下表列出了 IC生產(chǎn)中應(yīng)用熱生長的二氧化硅情況。

審核編輯 ：李倩