硅基集成电路制造技术的基础之一是在硅片表面来热生长一层氧化层的能力。氧化物掩蔽技术是一种在热生长的氧化层上通过刻印图形和刻蚀达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术,也是上个世纪50年代以来最主要的发展,这是大规模晶体管发展的关键因素。从这层意义上讲,氧化在硅的平面工艺发展中扮演了重要的角色同时也解释了氧化直至今日仍能在硅基制造业中得到广泛应用的原因。
 
通过适当的制造控制,氧化层具有高质量、稳定和期待的介质特性。由于这些特性,氧化是至关重要的,特别是对于MOS工艺中的栅结构。热氧化物可用来做介质材料,如隔离器件、注人的氧化层屏蔽,应力消除( stress-relief)氧化物(垫氧)以及为光刻胶粘附和应力释放的氮化物和多晶硅表面再氧化。
 
氧化物可以通过淀积和生长得到本章讨论的中心是热生长氧化物我们将看到氧化膜的性质和它们如何生长,包括生长设备和高温生长炉的详细信息。
 
硅片上的氧化物可以通过热生长或者淀积的方法产生。在升温环境里,通过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应,可以在硅片上得到一层热生长的氧化层。高温氧化工艺发生在硅片制造厂的扩散区域,是硅片进入制造过程的第一步工艺(见图10.1),淀积的氧化层可以通过外部供给氧气和硅源,使它们在腔体中反应,从而在硅片表面形成一层薄膜。将介绍氧化的基本工艺技术并阐述热氧化的高温工艺。将介绍氧化物和其他材料的淀积。
 
由于硅片表面非常平整,使得在硅片上生长或淀积的氧化物主要为层状结构,称之为薄膜。旦在硅片上形成薄膜,利用掩蔽工艺对薄膜修改,则可以获得槽电容和栅极氧化物等电路元器件设没计需要的三维形状。这种在硅表面上做三维形状的修改工艺称为形貌学或表面技术。
 
通过将硅片曝露在高温的氧气氛围里,能生长氧化物,这是种自然现象。硅常被认为是最普遍应用的半导体衬底材料,一个主要原因就是硅片的这种生长氧化层的能力(另一个主要原因是硅相对高的熔点温度)。我们用“生长”一词来表明:在温度作用下,氧化物从硅半导体材料上生长出来,在生长过程中实际消耗了硅。

图10.1硅片制造厂的扩散区
 
工艺中硅曝露需要的热能(如将温度乘以时间)称为热预算( thermal budget。硅基制造业中需要的热预算正在快速下降2,半导体工艺的目标之一是尽量降低硅需要的热能。当器件结构的临界尺寸降到018m及其以下时,根据按比例缩放的要求,这需要有更浅的结深。为了将浅结区外的不可接受杂质扩散降至最小,热预算必需适当地增加。额外热预算引起的另外一个问题是增加互连线的金属层的欧姆电阻(参见第12章),这将全面增加导线的电阻。决定大多数硅基半导体工艺条件的一个因素是通过降温或者减少时间使热预算最小化的能力。
 
102氧化膜
通常硅上热生长氧化层的温度在750°C~1100C之间。硅上生长的氧化层称为热氧化硅( thermal oxide)或热二氧化硅(SO2由于硅的氧化物只有一种,所以上面过两个词常常互换,它的另外一种说法是玻璃。二氧化硅是一种介质材料,不导电
10.21氧化膜的性质当硅片曝露在氧气中时,会立刻生长一层无定形的氧化膜。虽然不掺杂的硅是半导体材料,可SiO2却是种绝缘体。这种SO2膜的原子结构(见图10.2)是由一个硅原子被四个氧原子包围着的四面体单元组成的。无定形的SO2在原子水平上没有长程有序的晶格周期,这是因为四面体单元在晶体内没有以规则的三维形式排列。

 
图102二氧化硅的原子结构
SiO2,是具有熔点温度1732℃的本征(纯)玻璃体4热生长的SO能紧紧粘附在硅衬底上,并具有优良的介质特性。硅表面总是覆盖一层SO,这是因为硅片只要在空气中曝露,就会立刻在其上形成几个原子层的自然氧化膜。即使长时间曝露在25C的室温下,这层氧化膜的厚度也只能达到40A左右。这种氧化物是不均匀的,在半导体工艺中常被认为是种污染物。自然氧化物在硅基半导体工艺中仍然有一些用途,如用做储存器单元的复合介质层。虽然自然氧化物在空气中生长会被污染,但是在化学清洗槽中使用高纯化学试剂生长的自然氧化物是非常洁净的。