半導體的氧化有許多種方法，包括熱氧化法、電化學陽極氧化法和等離子化學氣相沉積法。

由于只有熱氧化法可以提供最低界面陷阱密度的高質量氧化層，因此通常采用熱氧化的方法生成柵氧化層和場氧化層。

熱氧化法裝置：

熱氧化的基本裝置如上圖所示。反應器的組成包括：電阻加熱氧化爐、圓筒形熔融石英管、開槽的石英舟（放在石英管中，用來垂直擺放晶圓）和注入口（用來注入高純干燥氧氣和高純水蒸氣）。爐管的裝片端置于具有垂直流向的過濾空氣的護罩中，持續注入過濾后的空氣流。護罩用來減少周圍空氣中的灰塵和微粒數，使裝片時可能受到的污染減至最小。??

氧化溫度一般保持在900~1200℃，典型的氣體流速大約為1 L/min。

熱氧化法生成的二氧化硅如下：

氧化物生長參數：

在氧化物生長的開始階段，當表面反應是限制生長速率的主要因素時，氧化層厚度隨時間呈線性變化。當氧化層變厚時，氧化劑必須通過氧化層擴散，在硅﹣二氧化硅界面與硅發生反應，反應受擴散過程限制。這時，氧化層厚度與氧化時間的平方根成正比，生長速率曲線為拋物線。

干氧氧化可以得到高質量的氧化膜，其致密性更好且具有更高的擊穿電壓，所以對于較薄的氧化層，例如 MOSFET柵氧化層(≤20nm)，一般采用干氧氧化。

對于相對較厚的氧化層，例如MOS集成電路中的場氧化層(≥20nm)以及對于雙極器件，則采用濕氧(或水蒸氣)氧化，以獲得適當的隔離和保護效果。在溫度和時間相同的情況下，濕氧氧化的氧化層厚度是干氧氧化的5~10倍。

薄氧化層生長：

為了精確地控制薄氧化層厚度并使其具有可重復性，一般都采用較慢的生速率。獲得慢生長速率的方法有很多，包括

常壓低溫下(800~900℃)進行干氧氧化

在低于標準大氣壓下氧化，利用惰性氣體(如氮氣、氦氣和氬氣)的注入降低氧氣分壓再進行氧化

采用復合氧化膜的方法，即柵氧化層由熱氧化生成的二氧化硅層和化學氣相淀積生成的二氧化硅層復合生成。

生長10~15 nm的柵氧化層的主要采用方法1。采用這種方法，利用現代立式氧化爐可以在晶圓上生成高質量、可重復的、厚度為10nm的氧化層，且整個晶圓氧化層厚度誤差在0.1 nm以內。

對于ULSI（超大規模集成電路）來說，生長薄（5~20nm）而又均勻的高質量、可重復的柵氧化層顯得越來越重要。薄氧化層的生長機理：在干氧氧化的初始階段，氧化層中存在很大的壓縮應力。這種應力降低了氧在氧化層中的擴散系數。當氧化層較厚時，由于受二氧化硅的黏滯流作用影響，壓縮壓力減小，擴散系數將接近無應力時的值。

氧化質量：

MOS器件也會受到氧化層中的電荷和位于二氧化硅-硅界面處的陷阱的影響，目前，大部分采用低溫(450℃)氫退火進行鈍化處理。

移動離子電荷是被鈉或其他堿金屬離子污染而產生的。堿金屬離子污染會影響半導體器件在高偏置和高溫條件下的工作的穩定性。鈉污染可以通過在氧化過程中加入氯來降低。

其他：

1.判定氧化層厚度最簡便的方法可能就是根據顏色表來比較晶圓的顏色。當用垂直方向的白光來照射表面被氧化的晶圓時，光會穿過氧化層，并被下層的硅反射。相長干涉會增加某一反射光的波長，從而使相應于這一波長的晶圓顏色發生變化。例如，氧化層厚度為500nm的晶圓會呈現藍綠色。

2.判定氧化層厚度更精確的方法是表面光度法和橢圓偏光法。

3.斯坦福大學的SUPREM軟件可以準確模擬多維氧化物的生長，還可以對沉積、擴散、外延層生長和離子注入工藝的結果進行預測。

審核編輯：黃飛

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