集成電路制造工藝中的氧化工藝（Oxidation Process）

在集成電路制造工藝中，氧化硅薄膜形成的方法有熱氧化和沉積兩種。氧化工藝是指用熱氧化方法在硅片表面形成二氧化硅（SiO2）的過程。熱氧化形成的二氧化硅薄膜，因其具有優(yōu)越的電絕緣性和工藝的可行性，在集成電路制造工藝中被廣泛采用，其最重要的用途是作為 MOS 器件結(jié)構(gòu)中的柵介質(zhì)，其他用途還包括器件保護和隔離、表面鈍化處理、離子注人掩蔽層、擴散阻擋層、硅與其他材料之間的緩沖層等。硅在空氣中會與空氣中的氧自然反應(yīng)生成氧化硅薄膜，其氧化速率約為 1.5nm/h，最大厚度約為 4nm。自然氧化層的厚度很難精確控制，而且質(zhì)量很差，在制造過程中需要盡量避免和去除；而在氧氣濃度更高的環(huán)境中進行高溫加熱，可以更快速地得到更厚的高質(zhì)量二氧化硅膜。

根據(jù)反應(yīng)氣體的不同，氧化工藝通常分為干氧氧化和濕氧氧化兩種方式。干氧氧化化學(xué)反應(yīng)式為 Si + O2 = SiO2；反應(yīng)氣體中的氧分子以擴散的方式穿過已經(jīng)形成的氧化層，到達二氧化硅-硅界面，與硅發(fā)生反應(yīng)，進一步生成二氧化硅層。干氧氧化制備的二氧化硅結(jié)構(gòu)致密，厚度均勻，對于注人和擴散的掩蔽能力強，工藝重復(fù)性強，其缺點是生長速率較慢。這種方法一般用于高質(zhì)量的氧化，如柵介質(zhì)氧化、薄緩沖層氧化，或者在厚層氧化時用于起始氧化和終止氧化。

濕氧氧化化學(xué)反應(yīng)式為H2O(水汽）+ Si =SiO2+2H2；在濕氧工藝中，可在氧氣中直接攜帶水汽，也可以通過氫氣和氧氣反應(yīng)得到水汽，通過調(diào)節(jié)氫氣或水汽與氧氣的分壓比改變氧化速率。注意，為了確保安全，氫氣與氧氣的比例不得超過 1.88：1。濕氧氧化由于反應(yīng)氣體中同時存在氧氣和水汽，而水汽在高溫下將分解為氧化氫（HO)，氧化氫在氧化硅中的擴散速率比氧快得多，所以濕氧氧化速率比干氧氧化速率高約一個數(shù)量級。

除了傳統(tǒng)的干氧氧化和濕氧氧化，還可在氧氣中摻入含氯氣體，如氯化氫 (HCL)、二氯乙烯 DCE（C2H2Cl2）或其衍生物，使氧化速率及氧化層質(zhì)量均得到提高。氧化速率提高的主要原因是，摻氯氧化時，不僅反應(yīng)產(chǎn)物中含有可加速氧化的水汽，而且氯積累在 Si-SiO2界面附近，在有氧的情況下，氯硅化物易轉(zhuǎn)變成氧化硅，可催化氧化。氧化層質(zhì)量改善的主要原因是，氧化層中的氯原子可以鈍化鈉離子的活性，從而減少因設(shè)備、工藝原材料的鈉離子沾污而引入的氧化缺陷。因此，多數(shù)干氧氧化工藝中都有摻氯行為。

由于傳統(tǒng)氧化工藝所需溫度較高，時間較長，引入的熱預(yù)算(Thermal Budget） 很高，造成了硅片中雜質(zhì)的再分布，在先進技術(shù)節(jié)點中會導(dǎo)致器件性能劣化，因此應(yīng)嚴格控制熱預(yù)算。在后高k（High-k Last）的高k金屬柵工藝中，一般會采用快速熱氧化（Rapid Thermal Oxidation, RTO）或化學(xué)品氧化(Chemical Oxidation）等方法生長柵介質(zhì)超薄界面層 (Interfacial Laver)?？焖贌嵫趸械纳?降溫速率比普通熱氧化快 100~1000 倍，減少了升/降溫過程中的熱預(yù)算。在化學(xué)品氧化中，結(jié)合臭氧氧化和化學(xué)品處理，可以在按近室溫條件下獲得高質(zhì)量的界面氧化層，減少了由于高溫帶來的熱預(yù)算。

審核編輯 ：李倩