如何在晶圆上生长二氧化硅（SiO2）

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-10-31 18:25:17 1044

氧化工艺在CMOS集成电路制造中是一个非常重要的步骤，用于在硅片（Si wafer）表面生长二氧化硅（SiO2）。生长SiO2的过程可以类比为给硅片“穿上一层保护外衣”，这种外衣可以起到绝缘、防护和隔离等作用。

1. 准备基材（硅片）

首先，需要准备一块高纯度的硅片。这就像在一张空白的画布上进行绘画，硅片是CMOS电路的基础。

2. 氧化炉的选择

氧化炉（oxidation furnace）是用于生长SiO2的核心设备。通常情况下，氧化炉的温度范围在900℃到1200℃之间。你可以把这个炉子想象成一个高温的“蒸锅”，温度高而稳定。高温是让Si和氧发生化学反应的必要条件。

3. 生长介质的选择：O2或H2O

氧化过程可以通过两种方式进行：干氧化（Dry Oxidation）和湿氧化（Wet Oxidation）。这两种方式的区别在于提供氧的介质不同：

干氧化使用O2气体，类似于让硅片在纯氧环境中“烘烤”。

湿氧化使用含有水蒸气的环境，这可以类比为将硅片“蒸”在含有水分的高温气氛中。

这两种方法都会使硅片与氧发生反应，生成SiO2，但是湿氧化的反应速度更快，因为水分子提供的氧原子更容易扩散到硅片表面。

4. 化学反应过程

在氧化炉中，当硅片与氧气（O2）或水蒸气（H2O）接触时，硅原子与氧原子发生以下化学反应：

干氧化反应方程：Si + O2 → SiO2

湿氧化反应方程：Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

在这两个反应中，硅片表面上的硅原子与氧原子结合生成一层二氧化硅。这层SiO2覆盖在硅片表面，形成一层非常均匀且致密的氧化层。

5. 生长厚度的控制

氧化的温度和时间直接影响SiO2层的厚度。可以把这个过程想象成煮鸡蛋，温度越高、时间越长，蛋白凝固得就越厚。同样，氧化温度越高、时间越长，生成的SiO2厚度就越大。在实际操作中，需要根据电路设计的需求精确控制这两个参数。

6. 用途与功能

生长的SiO2层在CMOS工艺中有多种用途，例如：作为栅极氧化层，在晶体管中提供隔离和电容效应；作为场氧化层，将器件隔离以减少漏电流；作为掩膜层，用于离子注入等工艺中保护硅片表面。

整个“生长SiO2”的过程，可以总结为：将硅片放入一个高温的“氧化炉”中，通过干氧化或湿氧化的方式，使硅片表面生成一层均匀的SiO2层。这个过程的控制参数主要是温度、时间和氧化气氛。生长的SiO2层在CMOS工艺中起到至关重要的保护和绝缘作用。

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