氧化物涂層SiO2概述

/氧化物涂層SiO2概述二氧化硅（SiO2）涂層在應(yīng)用于半導(dǎo)體、MEMS、BioMEMS、能量存儲(chǔ)設(shè)備和其他應(yīng)用中使用的硅（Si）、玻璃和其他晶片類型時(shí)，可供應(yīng)電介質(zhì)或鈍化層。正確指定晶圓類型、其特性和應(yīng)用的氧化物涂層，是制造設(shè)備按預(yù)期運(yùn)行的關(guān)鍵。半導(dǎo)體晶圓緊要由以下材料之一制造：硅玻璃和熔融石英IIIV或IIVI化合物半導(dǎo)體藍(lán)寶石和碳化硅（SiC）全部上述材料類型都可以供應(yīng)二氧化硅（SiO2）或氮氧化硅（SiOxNy）絕緣體涂層。它們可以在一側(cè)或兩側(cè)涂上氧化物，也可以在拋光面上進(jìn)行涂層，就像在單面拋光晶片的蝕刻完成面上一樣。假如您計(jì)劃蝕刻到一層或在正面制造的器件，則后面涂層可用作掩蔽層；濕法和干法蝕刻工藝都可以實(shí)現(xiàn)特別好的選擇性。直徑為50至300mm的任何晶圓都可以用SiO2或SiOxNy進(jìn)行氧化物涂層，而且可以小批量或大批量運(yùn)行，或在單晶圓規(guī)模的反應(yīng)器中進(jìn)行處理，實(shí)在取決于沉積生長(zhǎng)速率和所需的晶圓數(shù)量。下面列出了每種絕緣體材料的工藝和一些應(yīng)用。大氣熱氧化物–ATOx：這種涂層是古老的半導(dǎo)體工藝之一，可以追溯到1950時(shí)代，當(dāng)時(shí)首次需要對(duì)硅進(jìn)行氧化以生產(chǎn)MOS器件中的絕緣層。晶圓通常以25個(gè)為一組裝入石英舟中，石英舟垂直固定晶圓，并在它們之間留出確定的空間。然后使用管式爐對(duì)舟進(jìn)行處理，將它們緩慢加熱（以防止硅的熱應(yīng)力）到1020oC左右，這是常用的氧化溫度。然后將其保持在該溫度下生長(zhǎng)所需厚度的氧化物所需的時(shí)間，然后緩慢冷卻至空閑或室溫并卸載船。這種在生長(zhǎng)過程中支撐晶片的方法要求它們幾乎總是在兩面被氧化，而且必需通過用抗蝕劑保護(hù)正面并使用緩沖HF（BHF）剝離后面氧化物來去除氧化物，直到表面變成沖洗時(shí)再次疏水。Si對(duì)O2具有很強(qiáng)的親和力，而且氧很簡(jiǎn)單吸附到Si表面上并穿過氧化物傳輸?shù)絊i界面，在那里額外的SiO2生長(zhǎng)。提高或降低生長(zhǎng)溫度會(huì)顯著提高或降低生長(zhǎng)速率。1965年，仙童半導(dǎo)體的兩位科學(xué)家BEDeal和ASGrove對(duì)這一族氧化物的生上進(jìn)行了建模，被稱為“DealGrove模型”，如今用于推想增長(zhǎng)率。以這種方式生長(zhǎng)的氧化物是化學(xué)計(jì)量的，而且折射率牢靠（在632nm處為1.46）。薄膜的顏色也特別牢靠，可以在白光下輕松查看，并與標(biāo)準(zhǔn)的、廣泛使用的顏色圖表進(jìn)行比較。常用的熱氧化工藝有兩種；干氧化物和濕氧化物。當(dāng)所需的氧化物厚度較小時(shí)，使用干氧化物，由于該過程很慢，而且在1020oC時(shí)，100Si的生長(zhǎng)速率通常為80至100nm.hr1.上升或降低生長(zhǎng)溫度會(huì)上升或降低增長(zhǎng)率顯著。顧名思義，干式氧化工藝使用干式分子氧源，例如壓縮氣罐。氧氣罐不會(huì)受到水污染，由此產(chǎn)生的氧化過程會(huì)產(chǎn)生較少孔的SiO2薄膜。濕法氧化工藝以蒸汽作為前體，通過將O2原材料氣鼓泡通過加熱的去離子水燒瓶直至其飽和而獲得。在工藝中添加H2O可將100Si的生長(zhǎng)速率提高到1020oC時(shí)的290310nm.hr1.鹽酸（HCl）可用于在氧化物生長(zhǎng)之前從Si中去除天然氧化物，這會(huì)降低氧化物/Si界面處的狀態(tài)密度并提高其作為電介質(zhì)的性能。HCl的存在也加添了氧化層的生長(zhǎng)速率。濕法工藝中H的存在加添了穿過氧化物到界面的傳輸速率。生成的氧化物以46%的比例生長(zhǎng)到硅表面和54%的原始硅表面頂部，同時(shí)生長(zhǎng)到硅及其頂部。換句話說，整個(gè)晶片厚度不會(huì)隨著氧化層的深度而加添，由于在氧化過程中會(huì)消耗掉一些硅。影響生長(zhǎng)速率的另一個(gè)因素是Si晶體取向，111Si的生長(zhǎng)速率約為100Si的1.7倍。這是由于在111平面上有更多可用的Si原子，因此與O2的反應(yīng)更快。高度摻雜的硅（約10E19至10E20.cm3）也比摻雜程度低的硅氧化得更快。由于Si和SiO2之間的熱膨脹差異，熱生長(zhǎng)氧化物通常在表面具有壓應(yīng)力，典型值約為300MPa。等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，PECVDSiO2：這是另一種常見的氧化物晶片生長(zhǎng)技術(shù)，它被開發(fā)為一種在相對(duì)較低的溫度下生長(zhǎng)高質(zhì)量的氧化物涂層夾層介電材料的方法，與金屬化方案兼容。硅烷前體（SiH4）和N2O混合，然后送入真空室并使用13.56MHz射頻源激發(fā)。其上放置有晶片的電極保持在350至400oC，氧化物通過激發(fā)氣體狀態(tài)的熱催化反應(yīng)形成SiO2.也可以使用液體前體，原硅酸四乙酯Si（C2H5O）4（TEOS）。這避開了使用硅烷/二氯硅烷，還可以降低SiO2膜中的應(yīng)力水平。應(yīng)力可以通過調(diào)整原材料氣的SiH4:O2比率來掌控，壓縮壓力范圍為50至300MPa，與熱氧化過程產(chǎn)生的應(yīng)力相當(dāng)。生長(zhǎng)速率較少倚靠于取向和摻雜水平，而且可以將膜成分調(diào)整為拉伸或壓縮。生長(zhǎng)速率通常在300到400nm.min1范圍內(nèi)，因此它比高溫?zé)峒夹g(shù)更快。這種技術(shù)的緊要優(yōu)勢(shì)是較低的生長(zhǎng)溫度，在350到400oC之間，當(dāng)用于層間電介質(zhì)和鈍化時(shí)，它與鋁兼容。緊要缺點(diǎn)（或優(yōu)點(diǎn)，取決于所需的晶片數(shù)量）是這些反應(yīng)器中的大多數(shù)是帶有扁平電極的圓柱形腔室，因此可以同時(shí)處理的晶片數(shù)量遠(yuǎn)低于管式爐。應(yīng)用熱氧化物有很多應(yīng)用，包含用作絕緣體、注入或蝕刻掩模和SOI晶片中的蝕刻停止層，以及鈍化層堆疊的一部分。然而，由于生長(zhǎng)溫度較高，ATOx有一些限制，因此在鈍化層中，下面的金屬層必需是難熔金屬才能承受生長(zhǎng)溫度。光學(xué)特性使熱氧化物特別適合用于光子器件，也可以作為硅晶片上的涂層，與剝離到其上的二維材料薄片形成特別好的對(duì)比，并為遷移率測(cè)量供應(yīng)底層絕緣。下面可以看到一個(gè)例子，其中可以清楚地看到單