硅片的氧化——精选推荐

硅片的氧化
生成氧化层最简单的方法是在有氧环境下加热硅wafer。

如果用纯净的干氧气，最终的氧化膜叫做干氧化层。

图2.7 是一种典型的氧化设备。

Wafer被装在叫做wafer 船的fused sillica架子上。

Wafer 船被慢慢的送入电加热覆盖物包裹着的fused silica管中。

随着wafer船进入加热区的中央，wafer的温度慢慢升高。

氧气进入管子吹过每一个wafer的表面。

在升高的温度后，氧分子最终穿过氧化层扩散到底下的硅。

氧和硅反应，氧化层渐渐的更厚了。

随着氧化层的增厚，氧扩散的速度越来越慢，所以生长速度随着时间降低。

如表2.1所示，高温能加速氧化层的生长。

晶体方向也会影响氧化速度，（111）硅氧化速度比（100）硅大的多（1 W.R.Runyan和K.E.Bean, Semiconductor Integrated Circuit Processing Technology (Reading, MA:Addison-Wesley,1994), p.84ff.）一旦氧化层达到需要的厚度（随着时间和温度测量），wafer就慢慢的从炉子里退出来。

图2.7 氧化炉的简化图
表 2.1 在（111）硅上生长0.1μm的氧化层所需的时间（2 从R.P.Donovan,”Oxidation”, in R.M.Burger和R.P.Donovan,eds.,Fundamentals of Silicon Integrated Device Technology (Englewood Clifffs, NJ: Prentice-Hall,1967),pp.41,49.计算而来）
干氧化层生长起来非常慢，但它的质量特别好因为相对来说在氧化硅界面几乎没有缺陷。

这些缺陷，或者表面情况，会干扰半导体器件特别是MOS晶体管的正常工作。

表面情况的密度是用一个叫做surface state charge或者Q ss的参数来衡量的。

生长在（100）硅上的干氧化薄膜有特别低的surface state charge，所以是MOS晶体管的理想电介质。

湿氧化层的生长方法和干氧化层的一样，但是在加热管中有蒸汽注入，加速氧化。

水蒸气快速通过氧化层，但水分子分解而释放出的氢会降低氧化层的质量。

（3 因为湿氧化而产生的氢降低了dangling键的浓度，但也提高了fixed oxide charge。

所以湿氧化和干氧化并不是像本文中写的那么简单。

）湿氧化通常应用来生产没
有active器件的厚field oxide层。

高压的环境也能加速干氧化中氧化层的生成。

有时候要在非硅物质上生长氧化层。

比如，氧化层经常作为两层金属之间的绝缘层。

在这种情况下，就要用沉积氧而不是前面讨论的生长氧的方法了。

沉积氧化物可以通过气态硅化物和气态氧化剂之间不同的反应制得。

举例来说，硅烷气体和一氧化二氮反应能生成氮气，水蒸气和二氧化硅。

沉积氧化物的密度低且有很多缺陷点，所以它不适合作为MOS晶体管的电介质。

不过它还是能用作多层金属导体之间的绝缘层或作为保护性的overcoats。

由于薄膜干涉的存在，氧化层看上去是明亮的。

当光线穿过透明的薄膜时，入射和反射波阵面之间的破坏性干涉会吸收特定波长的光。

不同的膜厚会吸收不同颜色的光。

薄膜干涉使肥皂泡表面和水面上的油膜看上去是彩色的。

同样它也使集成电路的微缩照片看上去是彩色的。

这些不同的颜色能帮助我们区分显微镜或缩微照片里集成电路的不同区域。

氧化层的大概厚度能用一张氧化物颜色表来确定（4 该表参见W.A. Pliskin和 E.E.Conrad,”Nondestructive Determination of Thickness and Refractive Index of Transparent Films,” IBM J.Research and Development, V ol,8,1964,pp.43-51.）。