集成电路制造工艺中的氧化工艺（Oxidation Process）

在集成电路制造工艺中，氧化硅薄膜形成的方法有热氧化和沉积两种。氧化工艺是指用热氧化方法在硅片表面形成二氧化硅（SiO2）的过程。热氧化形成的二氧化硅薄膜，因其具有优越的电绝缘性和工艺的可行性，在集成电路制造工艺中被广泛采用，其最重要的用途是作为 MOS 器件结构中的栅介质，其他用途还包括器件保护和隔离、表面钝化处理、离子注人掩蔽层、扩散阻挡层、硅与其他材料之间的缓冲层等。硅在空气中会与空气中的氧自然反应生成氧化硅薄膜，其氧化速率约为 1.5nm/h，最大厚度约为 4nm。自然氧化层的厚度很难精确控制，而且质量很差，在制造过程中需要尽量避免和去除；而在氧气浓度更高的环境中进行高温加热，可以更快速地得到更厚的高质量二氧化硅膜。

根据反应气体的不同，氧化工艺通常分为干氧氧化和湿氧氧化两种方式。干氧氧化化学反应式为 Si + O2 = SiO2；反应气体中的氧分子以扩散的方式穿过已经形成的氧化层，到达二氧化硅-硅界面，与硅发生反应，进一步生成二氧化硅层。干氧氧化制备的二氧化硅结构致密，厚度均匀，对于注人和扩散的掩蔽能力强，工艺重复性强，其缺点是生长速率较慢。这种方法一般用于高质量的氧化，如栅介质氧化、薄缓冲层氧化，或者在厚层氧化时用于起始氧化和终止氧化。

湿氧氧化化学反应式为H2O(水汽）+ Si  = SiO2 +2H2；在湿氧工艺中，可在氧气中直接携带水汽，也可以通过氢气和氧气反应得到水汽，通过调节氢气或水汽与氧气的分压比改变氧化速率。注意，为了确保安全，氢气与氧气的比例不得超过 1.88：1。湿氧氧化由于反应气体中同时存在氧气和水汽，而水汽在高温下将分解为氧化氢（HO)，氧化氢在氧化硅中的扩散速率比氧快得多，所以湿氧氧化速率比干氧氧化速率高约一个数量级。

除了传统的干氧氧化和湿氧氧化，还可在氧气中摻入含氯气体，如氯化氢 (HCL)、二氯乙烯 DCE（C2H2Cl2）或其衍生物，使氧化速率及氧化层质量均得到提高。氧化速率提高的主要原因是，掺氯氧化时，不仅反应产物中含有可加速氧化的水汽，而且氯积累在 Si-SiO2界面附近，在有氧的情况下，氯硅化物易转变成氧化硅，可催化氧化。氧化层质量改善的主要原因是，氧化层中的氯原子可以钝化钠离子的活性，从而减少因设备、工艺原材料的钠离子沾污而引入的氧化缺陷。因此，多数干氧氧化工艺中都有掺氯行为。

由于传统氧化工艺所需温度较高，时间较长，引入的热预算(Thermal Budget） 很高，造成了硅片中杂质的再分布，在先进技术节点中会导致器件性能劣化，因此应严格控制热预算。在后高k（High-k Last）的高k金属栅工艺中，一般会采用快速热氧化（Rapid Thermal Oxidation, RTO）或化学品氧化(Chemical Oxidation）等方法生长栅介质超薄界面层 (Interfacial Laver)。快速热氧化中的升/降温速率比普通热氧化快 100~1000 倍，减少了升/降温过程中的热预算。在化学品氧化中，结合臭氧氧化和化学品处理，可以在按近室温条件下获得高质量的界面氧化层，减少了由于高温带来的热预算。

审核编辑 ：李倩