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膜復蓋。Si和在其上產生的SiO2膜的密合性很強。在高溫下進行氧化，會產生厚而致密且穩定的膜。Si的熔點為1412℃，但SiO2的熔點為1732℃，復膜具有非常高的耐熱性。并不是所有的金屬和半導體都具有被密合性高的致密的氧化膜容易被復的特性，而是作為將Si組裝到半導體元件上的實用上非常有益的效果被利用。最初發明的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、化學特性優良的絕緣體SiO2，可以應用于MOS晶體管結構和鈍化。

熱氧化溫度在800~1100℃下進行，但該溫度區域屬于晶片制作工序的其他熱處理溫度的最高溫度范圍。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。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1比較表示各種熱處理工藝及其溫度。

圖1晶片制作工序中的各種熱處理工藝及其溫度

圖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流通氧氣和氫氣自然燃燒產生的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2表示4級臥式爐裝置的結構。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部。表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2

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，氧化反應經常在SiO2/Si的邊界面發生。度相當于形成的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。

(1) SiO2層中氣體分子的擴散速度

(2) SiO2層的厚度

(3) SiO2/Si界面上氣體與Si的反應速度

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。

氧化膜的干涉色和厚度：

在晶片上形成的氧化膜中出現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2表示氧化膜厚和干涉色的關系。

表2晶片上的氧化膜的厚度和干涉色的關系

審核編輯：湯梓紅