硅基集成電路制造技術的基礎之一是在硅片表面來熱生長一層氧化層的能力。氧化物掩蔽技術是一種在熱生長的氧化層上通過刻印圖形和刻蝕達到對硅襯底進行擴散摻雜的工藝技術,也是上個世紀50年代以來最主要的發(fā)展,這是大規(guī)模晶體管發(fā)展的關鍵因素。從這層意義上講,氧化在硅的平面工藝發(fā)展中扮演了重要的角色同時也解釋了氧化直至今日仍能在硅基制造業(yè)中得到廣泛應用的原因。
通過適當?shù)闹圃炜刂?氧化層具有高質量、穩(wěn)定和期待的介質特性。由于這些特性,氧化是至關重要的,特別是對于MOS工藝中的柵結構。熱氧化物可用來做介質材料,如隔離器件、注人的氧化層屏蔽,應力消除( stress-relief)氧化物(墊氧)以及為光刻膠粘附和應力釋放的氮化物和多晶硅表面再氧化。
氧化物可以通過淀積和生長得到本章討論的中心是熱生長氧化物我們將看到氧化膜的性質和它們如何生長,包括生長設備和高溫生長爐的詳細信息。
硅片上的氧化物可以通過熱生長或者淀積的方法產生。在升溫環(huán)境里,通過外部供給高純氧氣使之與硅襯底反應,可以在硅片上得到一層熱生長的氧化層。高溫氧化工藝發(fā)生在硅片制造廠的擴散區(qū)域,是硅片進入制造過程的第一步工藝(見圖10.1),淀積的氧化層可以通過外部供給氧氣和硅源,使它們在腔體中反應,從而在硅片表面形成一層薄膜。將介紹氧化的基本工藝技術并闡述熱氧化的高溫工藝。將介紹氧化物和其他材料的淀積。
由于硅片表面非常平整,使得在硅片上生長或淀積的氧化物主要為層狀結構,稱之為薄膜。旦在硅片上形成薄膜,利用掩蔽工藝對薄膜修改,則可以獲得槽電容和柵極氧化物等電路元器件設沒計需要的三維形狀。這種在硅表面上做三維形狀的修改工藝稱為形貌學或表面技術。
通過將硅片曝露在高溫的氧氣氛圍里,能生長氧化物,這是種自然現(xiàn)象。硅常被認為是最普遍應用的半導體襯底材料,一個主要原因就是硅片的這種生長氧化層的能力(另一個主要原因是硅相對高的熔點溫度)。我們用“生長”一詞來表明:在溫度作用下,氧化物從硅半導體材料上生長出來,在生長過程中實際消耗了硅。
圖10.1硅片制造廠的擴散區(qū)
工藝中硅曝露需要的熱能(如將溫度乘以時間)稱為熱預算( thermal budget。硅基制造業(yè)中需要的熱預算正在快速下降2,半導體工藝的目標之一是盡量降低硅需要的熱能。當器件結構的臨界尺寸降到018m及其以下時,根據(jù)按比例縮放的要求,這需要有更淺的結深。為了將淺結區(qū)外的不可接受雜質擴散降至最小,熱預算必需適當?shù)卦黾印ｎ~外熱預算引起的另外一個問題是增加互連線的金屬層的歐姆電阻(參見第12章),這將全面增加導線的電阻。決定大多數(shù)硅基半導體工藝條件的一個因素是通過降溫或者減少時間使熱預算最小化的能力。
102氧化膜
通常硅上熱生長氧化層的溫度在750°C~1100C之間。硅上生長的氧化層稱為熱氧化硅( thermal oxide)或熱二氧化硅(SO2由于硅的氧化物只有一種,所以上面過兩個詞常?；Q,它的另外一種說法是玻璃。二氧化硅是一種介質材料,不導電
10.21氧化膜的性質當硅片曝露在氧氣中時,會立刻生長一層無定形的氧化膜。雖然不摻雜的硅是半導體材料,可SiO2卻是種絕緣體。這種SO2膜的原子結構(見圖10.2)是由一個硅原子被四個氧原子包圍著的四面體單元組成的。無定形的SO2在原子水平上沒有長程有序的晶格周期,這是因為四面體單元在晶體內沒有以規(guī)則的三維形式排列。
圖102二氧化硅的原子結構
SiO2,是具有熔點溫度1732℃的本征(純)玻璃體4熱生長的SO能緊緊粘附在硅襯底上,并具有優(yōu)良的介質特性。硅表面總是覆蓋一層SO,這是因為硅片只要在空氣中曝露,就會立刻在其上形成幾個原子層的自然氧化膜。即使長時間曝露在25C的室溫下,這層氧化膜的厚度也只能達到40A左右。這種氧化物是不均勻的,在半導體工藝中常被認為是種污染物。自然氧化物在硅基半導體工藝中仍然有一些用途,如用做儲存器單元的復合介質層。雖然自然氧化物在空氣中生長會被污染,但是在化學清洗槽中使用高純化學試劑生長的自然氧化物是非常潔凈的。
