硅基芯片热氧化工艺：扩散、结构与掩蔽效应

在第四章"气体中扩散-集成电路制造技术——原理与工艺"中，着重探讨了热氧化这一关键的微电子工艺技术。硅氧化，即二氧化硅（SiO2）在硅衬底上的形成过程，是集成电路制造中的基础步骤之一。这个过程包括以下几个关键环节： 1. 氧化剂输运：在热氧化过程中，氧化剂如氧气（O2）或水蒸气（H2O）在气流中输送到硅基片上，通过气流滞流层进行控制。 2. 固相扩散：硅基片表面的硅原子与氧化剂发生化学反应，形成二氧化硅，同时杂质原子如磷（P）、硼（B）在网络形成过程中可能参与扩散。 3. 化学反应：硅与氧气在高温下发生氧化反应，生成二氧化硅，这是热氧化的核心化学反应，通常遵循Deal-Grove模型。 4. 反应副产物离开界面：在反应过程中，生成的二氧化硅会不断增厚，而反应产生的副产物（如硅的氧化物）则从界面离开。 5. 热氧化机理：非晶态二氧化硅在热氧化中形成，具有四面体网络结构，其中桥键氧原子和非桥键氧原子起着不同作用。这种结构决定了其物理性质，如密度、熔点、电阻率和介电性等。 6. 影响氧化速率的因素：氧化速率受多种因素影响，如温度、压力、氧化剂浓度、反应时间以及硅衬底的初始杂质分布。 7. 杂质再分布：在氧化过程中，杂质在SiO2中的扩散速度差异显著，磷、硼等元素在SiO2中的扩散较慢，起到了掩蔽作用；而镓和钠等碱金属扩散较快，可能会影响氧化层的均匀性和性能。 8. 氧化层的应用：形成的SiO2薄膜在集成电路中扮演重要角色，例如作为栅氧化层、离子注入掩蔽、隔离工艺、互连和层间绝缘介质，甚至在高介电常数材料（High-K）的应用中。 9. SiO2/Si界面特性：热氧化后形成的SiO2与硅的界面具有很高的完整性，这对于硅集成电路的性能至关重要。 10. 检测方法：通过透射电子显微镜（TEM）可以观察到单晶硅表面热氧化得到的二氧化硅薄膜的微观结构。 热氧化是集成电路制造中不可或缺的技术，它不仅涉及氧化剂的传输、化学反应，还包含着复杂的杂质扩散机制和氧化层的优化设计。理解并掌握这一过程对于保证集成电路的性能和质量至关重要。