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參考硬件中電子元件的制程，基本結(jié)構(gòu)都是把 MOS 管，三極管，電阻，電容，電感，電池等各種電子元器件固定在 PCB 板上。類比，在一片 wafer 上制作 MOS 管時(shí)也是類似這種順序，需要一步一步制造。

 

對于 logic device，簡單地說，首先是在 Silicon 襯底上劃分制備晶體管的區(qū)域 (active area)，然后是離子注入實(shí)現(xiàn)N型和P型區(qū)域，其次是做柵極，隨后又是implant，完成每一個(gè)晶體管的源極 (source) 和漏極 (drain)。這部分工藝流程是為了在 Si 襯底上實(shí)現(xiàn)N型和P型場效應(yīng)晶體管，這一過程稱為晶圓加工的前端工藝 (FEOL，F(xiàn)ront End Of the Line)。

 

當(dāng)然，對于這么小的 MOS 管，無法使用直接焊接的方式，而是需要采用與FEOL相似的技術(shù)，通過金屬布線在多達(dá)數(shù)十億個(gè) MOS 管之間形成連接。這一過程我們稱之為晶圓加工的后端工藝(BEOL，Back End Of the Line)。目前大多選用 Cu 作為導(dǎo)電金屬，因此后道又被稱為 Cu 互聯(lián)(interconnect)。

 

一般來說，半導(dǎo)體制造的八大工藝分別為：晶圓制造、氧化、光刻、刻蝕、沉積、金屬布線、測試和封裝。但需要注意的是，晶圓制造通常不在半導(dǎo)體制造工廠內(nèi)完成，而金屬布線、封裝和測試是對特定作業(yè)流程的統(tǒng)稱，與光刻、刻蝕、沉積等單一步驟的工藝不同。

 

從上圖可以看出，半導(dǎo)體的制程是自下而上的，就像蓋房子。為了不同的材料變成我們想要的樣子，需要經(jīng)過多道處理工藝，如不需要的部分 ETCH，需要的部分留下。在這一過程中，還會使用各種反應(yīng)性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，如果化學(xué)物質(zhì)接觸到不應(yīng)接觸的部分，就會影響到半導(dǎo)體制造的順利進(jìn)行。而且，半導(dǎo)體內(nèi)還有一些物質(zhì)，一旦相互接觸就會產(chǎn)生短路。氧化工藝的目的，就是通過生成隔離膜防止短路的發(fā)生。

 

氧化工藝就是在 Silicon 上生成一層保護(hù)膜。硅（Si）和氧氣反應(yīng)就會形成二氧化硅（SiO?）,通俗來說也就是玻璃。玻璃在我們生活中隨處可見，其具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，比如用作各種飲料甚至鹽酸、硫酸等各種化學(xué)藥品的容器。

 

SiO2材料的主要特點(diǎn)有：

 

具有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)（分別為1713 º C和2950º C）

 

不溶于水和部分酸，溶于氫氟酸

 

具有良好的絕緣性、保護(hù)性和化學(xué)穩(wěn)定性

 

在半導(dǎo)體制作過程中，通過氧化工藝形成的氧化膜也同樣具有穩(wěn)定性。它可以防止其他物質(zhì)的穿透，因此在離子注入工藝中非常實(shí)用。

 

氧化膜還可以用于阻止電路間電流（電子）的流動(dòng)。MOSFET結(jié)構(gòu)的核心就是柵極（Gate）。MOSFET與BJT晶體管不同，柵極不與溝道（S與D的中間部分）直接接觸，只是“間接”發(fā)揮作用。這也是MOSFET不工作時(shí)，功耗低的原因。MOSFET通過氧化膜隔絕柵極與電流溝道，這種氧化膜被稱為柵氧化層（Gate Oxide）。

 

氧化工藝的種類

 

氧化工藝可分為以下三大類：

 

干法氧化（Dry Oxidation）

 

濕法氧化（Wet Oxidation）

 

自由基氧化（Radical Oxidation）

 

 

干法氧化：

 

干法氧化是通過將硅晶圓暴露在高溫純氧（O?）環(huán)境中，使硅與氧氣直接反應(yīng)生成二氧化硅（SiO?）。

 

方程式：Si + O2 → SiO2

 

特點(diǎn)：

 

氧化膜生長速度較慢：由于氧分子比水分子重，擴(kuò)散速度較慢，因此氧化膜的生長速度較慢。

 

氧化膜均勻性和密度較高：干法氧化生成的氧化膜均勻性好，密度高，適合用于需要高質(zhì)量氧化膜的場合，如柵極氧化層的制備。

 

無副產(chǎn)物：干法氧化不會產(chǎn)生副產(chǎn)物，如H2。

 

濕法氧化：

 

濕法氧化是通過將硅晶圓暴露在高溫水蒸氣（H?O）環(huán)境中，使硅與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化硅（SiO?）。

 

方程式：Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

 

特點(diǎn)：

 

氧化膜生長速度快：水蒸氣的反應(yīng)活性比純氧高，因此氧化膜的生長速度較快，類似于"生銹"。

 

氧化膜均勻性和密度較低：濕法氧化生成的氧化膜均勻性和密度較低，且會產(chǎn)生如 H2 等副產(chǎn)物。

 

適合快速氧化需求：由于生長速度快，濕法氧化適合用于需要快速生成氧化膜的場合。

 

濕法氧化常用于需要快速生成氧化膜的場合，但因其均勻性和密度較低，通常不用于核心工藝。

 

 

 

 

自由基氧化：

 

自由基氧化是通過將硅晶圓暴露在高溫條件下，將氧原子和氫分子混合形成化學(xué)活性極強(qiáng)的自由基氣體，然后使自由基氣體與硅晶圓反應(yīng)生成二氧化硅（SiO?）。自由基氧化的化學(xué)反應(yīng)活性極高，能夠更均勻地生成氧化膜。

 

特點(diǎn)：

 

氧化膜均勻性高：自由基氧化能夠在立體結(jié)構(gòu)上生成厚度均勻的氧化膜，特別適合三維結(jié)構(gòu)的氧化處理。

 

反應(yīng)完全：由于自由基的化學(xué)活性極高，自由基氧化幾乎不會產(chǎn)生不完全反應(yīng)，生成的氧化膜質(zhì)量更高。

 

適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)：自由基氧化能夠在難以形成氧化膜的區(qū)域（如圓化頂角）和反應(yīng)活性較弱的材料（如氮化硅）上生成均勻的氧化膜。

 

自由基氧化常用于需要高均勻性和高質(zhì)量氧化膜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，此外，自由基氧化還可以生成在立體結(jié)構(gòu)/三維結(jié)構(gòu)上厚度均勻的氧化膜。

 

總結(jié)

 

干法氧化：適合生成高質(zhì)量、高均勻性的氧化膜，常用于柵極氧化層。

 

濕法氧化：適合快速生成氧化膜，但均勻性和密度較低。

 

自由基氧化：適合生成高均勻性、高質(zhì)量的氧化膜，特別適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和三維工藝。

 

Reference:

 

1.Lam

 

2.Skhynix 半導(dǎo)體前端工藝