半导体制造中的高温氧化工艺介绍

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

 

本文介绍了半导体制造中的一种高温氧化工艺——原位水蒸汽生成。

一、ISSG是什么?

ISSG(In-Situ Steam Generation，原位水蒸汽生成)是半导体制造中的一种高温氧化工艺，核心原理是利用氢气(H₂)与氧气(O₂)在反应腔内直接合成高活性水蒸气，并解离生成原子氧(O*)，实现对硅表面的精准氧化。与传统炉管氧化不同，ISSG的特点在于：原位生成：水蒸气直接在晶圆表面生成，避免外部引入污染;原子级修复：原子氧的强氧化性可修复硅/二氧化硅界面的悬挂键，降低界面态密度至10¹⁰ cm⁻²以下(较传统工艺降低10倍);低温突破：近年发展的低温ISSG可在600℃以下工作。

二、ISSG工艺流程

预处理与气体注入

晶圆经清洗脱水后送入反应腔，通入H₂与O₂混合气体(比例0.1%-99.9%)，流量1-100slm/s。

气压调节至5.5-8Torr(低压环境增强反应活性)。

高温激活与原子氧生成

晶圆快速升温至900-1100℃，气体在热催化下反应：

2H₂ + O₂ → 2H₂O → 2H⁺ + O + e⁻

生成高活性原子氧。

氧化层生长与厚度控制

原子氧与硅衬底反应：Si + 2O* → SiO₂，形成0.5-2nm超薄氧化层。

压力动态调节技术：通过5段压力循环(如6.5Torr→5.5Torr→6.5Torr交替)补偿边缘与中心气压差，解决薄膜“M型”厚度分布问题)。

三、ISSG在芯片制造中的关键应用

1. 栅极界面层

在High-k金属栅(HKMG)工艺中，ISSG生长0.5-1.2nm SiO₂界面层，优化HfO₂与硅衬底的界面态。

作用：降低栅极漏电流(90nm节点漏电流减少50%)，提升电子迁移率。

2. GAA纳米结构圆角化

在GAA(全环绕栅极)晶体管中，纳米片释放后边缘存在尖锐角，引发电场集中。低温ISSG(<600℃) 通过选择性氧化将尖角修饰为圆角。

效果：击穿电压提升30%，避免栅极提前失效。