矽(Si)與含有氧化物質的氣體，例如水汽和氧氣在高溫下進行化學反應，而在矽片表面產生一層緻密的二氧化矽(SiO2)薄膜。這是矽平面技術中一項重要的工藝。
基本介紹
- 中文名：矽熱氧化工藝
- 溫度：900～1200℃
- 反應：矽片表面發生化學反應
- 反應物：氧氣 水汽 矽
- 學科：化學
矽熱氧化工藝,
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）所形成的氧和水汽混合物形成氧化氣氛。用高純氫氣和氧氣在石英反應管進口處直接合成水蒸汽的方法進行水汽氧化時，通過改變氫氣和氧氣的比例，可以調節水蒸汽壓，減少沾污，有助於提高熱生長二氧化矽的質量。 對矽熱氧化動力學的研究表明，除了幾個分子層外，矽熱氧化是由氧或水分子H2O（或OH-）擴散通過已形成的二氧化矽層,在Si-SiO2界面與Si反應而生成二氧化矽。隨著氧化過程的進行，Si-SiO2界面不斷向矽內部推移。當矽生成為二氧化矽時,體積增大2.2倍。二氧化矽的生成速率主要由兩個因素控制:①在Si-SiO2界面上矽與氧化物反應生成二氧化矽的速率;②反應物(O2、H2O或OH-)通過已生成的二氧化矽層的擴散速率。按照矽熱氧化動力學，反應過程可用下式表示：
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。 熱生長二氧化矽的另一特點是，一些Ⅲ、Ⅴ族元素如硼、磷、砷、銻等在二氧化矽中的擴散係數很小(1200時，只有10-15厘米2/秒的量級)。因而,二氧化矽薄層在積體電路製備中常被用作雜質選擇擴散的掩蔽模和離子注入的掩模。二氧化矽又易於被氫氟酸腐蝕，而氫氟酸不腐蝕矽本身。利用這一特性，擴散摻雜、離子注入技術、光刻技術和各種薄膜澱積技術相結合，能製造出各種不同性能的半導體器件和不同功能的積體電路。
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，仍可保持高的氧化速率），減少氧化過程的誘生缺陷、應力和雜質再分布效應；③利用惰性氣體稀釋,降低O2、H2O的分壓和氧化速率,藉以精確控制SiO2的厚度,製備超薄（幾十埃）的二氧化矽膜。此外，還有等離子氧化法，可使氧化溫度降低到約 500。以下。積體電路對熱生長二氧化矽質量的要求很高，最重要的是要控制二氧化矽的針孔、二氧化矽中的可動電荷、Si-SiO2界面上以及二氧化矽中的固定電荷和陷阱，以及Si-SiO2界面態密度等。
參考書目
A. S. Grore, Physics and Technology of Semiconductor Devices,John Wiley and Sons Inc.,New York,1967.
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。 熱生長二氧化矽的另一特點是，一些Ⅲ、Ⅴ族元素如硼、磷、砷、銻等在二氧化矽中的擴散係數很小(1200時，只有10-15厘米2/秒的量級)。因而,二氧化矽薄層在積體電路製備中常被用作雜質選擇擴散的掩蔽模和離子注入的掩模。二氧化矽又易於被氫氟酸腐蝕，而氫氟酸不腐蝕矽本身。利用這一特性，擴散摻雜、離子注入技術、光刻技術和各種薄膜澱積技術相結合，能製造出各種不同性能的半導體器件和不同功能的積體電路。
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，仍可保持高的氧化速率），減少氧化過程的誘生缺陷、應力和雜質再分布效應；③利用惰性氣體稀釋,降低O2、H2O的分壓和氧化速率,藉以精確控制SiO2的厚度,製備超薄（幾十埃）的二氧化矽膜。此外，還有等離子氧化法，可使氧化溫度降低到約 500。以下。積體電路對熱生長二氧化矽質量的要求很高，最重要的是要控制二氧化矽的針孔、二氧化矽中的可動電荷、Si-SiO2界面上以及二氧化矽中的固定電荷和陷阱，以及Si-SiO2界面態密度等。
參考書目
A. S. Grore, Physics and Technology of Semiconductor Devices,John Wiley and Sons Inc.,New York,1967.
