[拼音]：guireyanghua gongyi

[外文]：silicon ther l oxidation technology

硅(Si)与含有氧化物质的气体，例如水汽和氧气在高温下进行化学反应，而在硅片表面产生一层致密的二氧化硅(SiO2)薄膜。这是硅平面技术中一项重要的工艺。常用的热氧化装置（图1）将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，反应管用电阻丝加热炉加热一定温度(常用的温度为900～1200℃，在特殊条件下可降到600℃以下)，氧气或水汽通过反应管（典型的气流速度为1厘米/秒）时，在硅片表面发生化学反应

Si(固态)+O2(气态)→SiO2(固态)

或

Si(固态)+2H2O(汽态)→SiO2(固态)+2H2(气态)

生成SiO2层，其厚度一般在几十埃到上万埃之间。硅热氧化工艺，按所用的氧化气氛可分为：干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化。干氧氧化是以干燥纯净的氧气作为氧化气氛，在高温下氧直接与硅反应生成二氧化硅。水汽氧化是以高纯水蒸汽为氧化气氛，由硅片表面的硅原子和水分子反应生成二氧化硅。水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的为大。而湿氧氧化实质上是干氧氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于二者之间。在集成电路工艺中，以加热高纯水作为水蒸汽源，而湿氧氧化则用干燥氧气通过加热的水（常用水温为95）所形成的氧和水汽混合物形成氧化气氛。用高纯氢气和氧气在石英反应管进口处直接合成水蒸汽的方法进行水汽氧化时，通过改变氢气和氧气的比例，可以调节水蒸汽压，减少沾污，有助于提高热生长二氧化硅的质量。

对硅热氧化动力学的研究表明，除了几个分子层外，硅热氧化是由氧或水分子H2O（或OH-）扩散通过已形成的二氧化硅层，在Si-SiO2界面与Si反应而生成二氧化硅。随着氧化过程的进行，Si-SiO2界面不断向硅内部推移。当硅生成为二氧化硅时，体积增大2.2倍。二氧化硅的生成速率主要由两个因素控制：

（1）在Si-SiO2界面上硅与氧化物反应生成二氧化硅的速率；

（2）反应物(O2、H2O或OH-)通过已生成的二氧化硅层的扩散速率。按照硅热氧化动力学，反应过程可用下式表示：

x娿＋Ax0＝B(t+τ)

式中x0为生成的二氧化硅厚度;t为氧化时间；A、B和τ是与氧化气氛和其他氧化条件有关的常数。当氧化时间很短、生成的二氧化硅很薄时，氧化速率主要由硅和氧化物质的反应速率控制。这时上式可简化为x0＝(B/A)(t+τ)，即氧化层厚度与氧化时间呈线性关系。B/A 称为线性速率常数，与硅片晶向密切相关。通常以(111)晶向时的B/A为较大，(100)晶向时的B/A为小，B/A(111)/B/A(100)≈1.68；当SiO2达到一定的厚度时，氧化速率由氧化物质通过已生成的二氧化硅膜的扩散速率所控制。这时，上式可简化为x娿＝Bt，也就是厚度与时间呈抛物线关系，B为抛物线速率常数。B和B/A都指数地依赖于氧化温度，B的激活能分别约为1.24电子伏(干氧)和0.78电子伏(水汽)，B/A的激活能约为2.0电子伏（干氧和水汽）。

热生长二氧化硅为无定形结构，是由硅-氧四面体无规则排列组成的三维网络。由于电阻率很高(5×1015欧·厘米），介电常数达3.9，因而是很好的绝缘和介电材料。热生长二氧化硅已在半导体器件和集成电路中广泛地用作绝缘栅、绝缘隔离、互连导线隔离材料和电容器的介质层等。图2是热生长二氧化硅在MOS集成电路中的应用示例。

热生长二氧化硅的另一特点是，一些Ⅲ、Ⅴ族元素如硼、磷、砷、锑等在二氧化硅中的扩散系数很小(1200时，只有10-15厘米2/秒的量级)。因而，二氧化硅薄层在集成电路制备中常被用作杂质选择扩散的掩蔽模和离子注入的掩模。二氧化硅又易于被氢氟酸腐蚀，而氢氟酸不腐蚀硅本身。利用这一特性，扩散掺杂、离子注入技术、光刻技术和各种薄膜淀积技术相结合，能制造出各种不同性能的半导体器件和不同功能的集成电路。

随着集成电路特别是超大规模集成电路的发展，横向和纵向加工尺寸的等比例缩小，要求降低加工温度和进一步提高热氧化的二氧化硅层质量。硅热氧化工艺的改进和发展主要在于：

（1）含氯氧化，即在氧化气氛中加入一定量的含氯气氛（如HCl、C2HCl3等），使二氧化硅质量和Si-SiO2系统性能有很大提高；

（2）高压氧化，使氧化在几个大气压到几十个大气压的氧化气氛中进行，从而可降低氧化温度（常用温度为650～950，仍可保持高的氧化速率），减少氧化过程的诱生缺陷、应力和杂质再分布效应；

（3）利用惰性气体稀释，降低O2、H2O的分压和氧化速率，借以精确控制SiO2的厚度，制备超薄（几十埃）的二氧化硅膜。此外，还有等离子氧化法，可使氧化温度降低到约 500。以下。集成电路对热生长二氧化硅质量的要求很高，最重要的是要控制二氧化硅的针孔、二氧化硅中的可动电荷、Si-SiO2界面上以及二氧化硅中的固定电荷和陷阱，以及Si-SiO2界面态密度等。

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