【电子通识】半导体工艺——保护晶圆表面的氧化工艺

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在文章【电子通识】半导体工艺——晶圆制造中我们讲到晶圆的一些基础术语和晶圆制造主要步骤：制造锭(Ingot)、锭切割(Wafer Slicing)、晶圆表面抛光(Lapping&Polishing)。

那么其实当晶圆暴露在大气中或化学物质中的氧气时就会形成氧化膜。这与铁(Fe)暴露在大气时会氧化生锈是一样的道理。

氧化膜的作用

在半导体晶圆加工过程中，会使用各种反应性很强的化学物质，如果化学物质接触到不应接触的部分，就会影响到半导体制造的顺利进行。而且，半导体内还有一些物质，一旦相互接触就会产生短路。氧化工艺就是在硅晶圆上生成一层保护膜，其目的就是通过生成隔离膜防止短路的发生。

硅（Si）和氧气反应就会形成玻璃（SiO₂）。在半导体制作过程中，通过氧化工艺形成的氧化膜具有稳定性，可以防止其他物质的穿透，因此在离子注入工艺中非常实用。氧化膜还可以用于阻止电路间电流的流动。

氧化工艺的种类

可以在晶圆上形成薄膜的氧化工艺方式有通过热进行的热氧化(Thermal Oxidation)，等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)和电化学阳极氧化等等。其中，最常用的方法是热氧化法。

根据氧化反应所使用的气体，热氧化法可分为干法氧化（Dry Oxidation）、湿法氧化（Wet Oxidation）和自由基氧化（Radical Oxidation）三大类。

热氧化法

热氧化法即在800~1200°C的高温下形成一层薄而均匀的硅氧化膜。根据氧化反应所使用的气体，热氧化法可分为干氧化(Dry Oxidation)和湿氧化(Wet Oxidation)。

干氧化法

干氧化只使用纯氧气(O2)，所以氧化膜的生长速度较慢，主要用于形成薄膜，且可形成具有良好导电性的氧化物。干法氧化的优点在于不会产生副产物（H₂），且氧化膜的均匀度和密度均较高。

湿氧化法

湿氧化同时使用氧气(O2)和高溶解性的水蒸气(H2O)。所以氧化膜生长速度快，会形成较厚的膜。但与干氧化相比，湿氧化形成的氧化层密度低，而且，反应过程中还会产生氢气等副产物。通常，在相同温度和时间下，通过湿氧化获得的氧化膜比使用干氧化获得的氧化膜要厚大约5至10倍。由于湿法氧化过程的特性难以控制，在对半导体性能而言至关重要的核心领域中无法使用该方法。

自由基氧化

自由基氧化与前两种不同，湿法与干法氧化都是通过提高自然气体的温度来提升其能量，从而促使气体与晶圆表面发生反应，自由基氧化则多一道工艺，即在高温条件下把氧原子和氢分子混合在一起，形成化学反应活性极强的自由基气体，再使自由基气体与晶圆进行反应。由于自由基的化学活性极强，自由基氧化不完全反应的可能性极小。因此，相比干法氧化，该方法可以形成更好的氧化膜。

氧化工艺设备

下图为氧化设备的简化结构图，实际的氧化设备要比本图复杂得多。通过气体注入口进入氧化设备的反应气体，在被加热后，与晶圆发生氧化反应。为了减少正面接触气体的部分与稍后接触气体的部分间的氧化程度差异，晶圆中掺杂着假片（Dummy Wafer），以利用它们作为牺牲晶片来调整气体的均匀度。氧化工艺是把数十张晶圆同时放入进行氧化，氧化速度是非常之快的。