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? ? ? 熱氧化的目的：Si晶片在大氣中自然氧化，表面非常薄，但被SiO2膜復(fù)蓋。 Si和在其上產(chǎn)生的SiO2膜的密合性很強。 在高溫下進行氧化，會產(chǎn)生厚而致密且穩(wěn)定的膜。 Si的熔點為1412℃，但SiO2的熔點為1732℃，復(fù)膜具有非常高的耐熱性。 并不是所有的金屬和半導(dǎo)體都具有被密合性高的致密的氧化膜容易被復(fù)的特性，而是作為將Si組裝到半導(dǎo)體元件上的實用上非常有益的效果被利用。最初發(fā)明的Ge晶體管代替了Si晶體管，也是因為它通過熱氧化形成了與Si相容性好的電、機械、熱、化學(xué)特性優(yōu)良的絕緣體SiO2，可以應(yīng)用于MOS晶體管結(jié)構(gòu)和鈍化。
? ? ? 熱氧化溫度在800~1100℃下進行，但該溫度區(qū)域?qū)儆诰谱鞴ば虻钠渌麩崽幚頊囟鹊淖罡邷囟确秶?因此，在進行熱氧化的同時，同時進行幾個熱處理效果。 另外，在本來應(yīng)該在比其更低的溫度下進行的處理之后進行熱氧化的話，之前的處理就會無效。 因此，熱氧化是晶片工藝初期、晶體管形成以前( FEOL )使用的工藝技術(shù)。 金屬布線中使用的Al的熔點為660℃，布線處理后不能使用熱氧化，所以SiO2絕緣膜用堆積法形成。圖5-1比較表示各種熱處理工藝及其溫度。
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圖5-1 晶片制作工序中的各種熱處理工藝及其溫度
? ? ? 表5-1表示晶片制作工序中使用的SiO2絕緣膜的用途、制作方法、代表性的膜厚。柵極氧化膜非常薄，起到支配晶體管性能的重要作用。
? ? ? 熱氧化方式：熱氧化根據(jù)氧化使用的氣體種類，有干氧化、濕氧化、蒸汽氧化3種方式。干氧化使用氧氣，濕氧化在氧氣中加入去離子水蒸氣后使用，蒸汽氧化只使用去離子水蒸氣。氫氣燃燒蒸汽氧化方式使用的是爐內(nèi)流通氧氣和氫氣自然燃燒產(chǎn)生的H2O。氧化裝置方式有臥式爐、立式爐、RTP (快速熱處理)裝置3種。
? ? ? 圖5-3表示4級臥式爐裝置的結(jié)構(gòu)。爐子用大石英管將其周圍包圍。將垂直排列在小船上的多個晶片插入爐的內(nèi)部。表5-2表示干氧化的配方的一例。立式爐是將臥式爐垂直配置，在垂直配置的石英管或SiC的管內(nèi)部水平配置多個晶片。 直徑大的晶片不是用臥式爐而是用立式爐處理。
? ? ? 圖5-4所示的RTP裝置是從容器外側(cè)通過石英窗用多盞燈照射水平配置的真空容器內(nèi)的晶片進行加熱的方式。由于一次處理一片直徑較大的晶片，因此與一次處理數(shù)十片至數(shù)百片晶片的臥式爐、立式爐相比，單位時間處理的晶片數(shù)較少。但是，在爐中進行950℃、20min處理的地方，在RTP中可以進行1100℃、20sec的高溫短時間處理。適用于極薄的熱氧化膜形成、離子注入后的退火和活性化、鈦硅化物和鈷硅化物的退火等方面。
? ? ? 熱氧化理論：氧化從晶片表面開始向深處進行，但O2、H2O在形成的SiO2層中擴散，氧化反應(yīng)經(jīng)常在SiO2/Si的邊界面發(fā)生。度相當(dāng)于形成的SiO2層厚度的44%的Si減少。換言之，Si層會通過氧化變化為2.27倍厚度的SiO2層。氧化膜的形成速度受到以下三個因素的影響。
? ? ? 濕式氧化比干式氧化進行得快是因為H2O在SiO2層中的溶解度大。這是因為大且分子小，所以擴散速度大。 但是，干氧化形成的SiO2層的致密性更高。因此，干氧化通常用于形成1000?以下厚度的氧化層，形成比其厚的氧化層時使用濕氧化。
? ? ? 熱氧化的注意事項：說明兩個熱氧化中的主要注意事項。第一是通過干氧化添加氯。它具有溶解在Si中的有害雜質(zhì)堿金屬原子Na、重金屬原子Fe、Ni和氯原子Cl化合形成揮發(fā)性物質(zhì)并去除的效果。 作為添加物，使用鹽酸HCl或二氯乙醇C2H3Cl2OH。第二是抑制氧化層中有害電荷產(chǎn)生的對策。氧化層絕緣膜中的電荷有（1）界面的離子性Si原子、（2）堿金屬可動離子( Na+、K+ )、（3）Si懸掛鍵、（4）本體缺陷離子4種。界面30的厚度層中存在的正離子性Si原子的密度對晶體取向的依賴性大，使用密度最小的< 100 >晶片，并且優(yōu)化氧化·退火條件，抑制其發(fā)生。能動性離子的最大原因是從工作環(huán)境進入的Na+，對策是潔凈室的管理。
? ? ? Si晶體界面的懸掛鍵(不成對電子對)大部分與氧原子結(jié)合，殘留的部分用氫原子終止。為此，在IC封裝之前，將芯片在450℃的氫氣環(huán)境中進行退火。氧化層本體中的缺陷通常少得可以忽略，但由x射線或高能電子的照射或柵極電流等產(chǎn)生，通過退火去除。
? ? ? 氧化膜的干涉色和厚度：在晶片上形成的氧化膜中出現(xiàn)被其表面和硅的邊界面反射的光的干涉色。干涉色是判定氧化膜厚度最簡便的手段。表5-3表示氧化膜厚和干涉色的關(guān)系。
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表5-3 晶片上的氧化膜的厚度和干涉色的關(guān)系