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嘉峪檢測網 2025-04-03 08:41
參考硬件中電子元件的制程，基本結構都是把 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域 (active area)，然后是離子注入實現N型和P型區域，其次是做柵極，隨后又是implant，完成每一個晶體管的源極 (source) 和漏極 (drain)。這部分工藝流程是為了在 Si 襯底上實現N型和P型場效應晶體管，這一過程稱為晶圓加工的前端工藝 (FEOL，Front End Of the Line)。
當然，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，通過金屬布線在多達數十億個 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 作為導電金屬，因此后道又被稱為 Cu 互聯(interconnect)。
一般來說，半導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體制造工廠內完成，而金屬布線、封裝和測試是對特定作業流程的統稱，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，還會使用各種反應性很強的化學物質，如果化學物質接觸到不應接觸的部分，就會影響到半導體制造的順利進行。而且，半導體內還有一些物質，一旦相互接觸就會產生短路。氧化工藝的目的，就是通過生成隔離膜防止短路的發生。
氧化工藝就是在 Silicon 上生成一層保護膜。硅（Si）和氧氣反應就會形成二氧化硅（SiO?）,通俗來說也就是玻璃。玻璃在我們生活中隨處可見，其具有很高的化學穩定性，比如用作各種飲料甚至鹽酸、硫酸等各種化學藥品的容器。
SiO2材料的主要特點有：
具有高熔點和高沸點（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、保護性和化學穩定性
在半導體制作過程中，通過氧化工藝形成的氧化膜也同樣具有穩定性。它可以防止其他物質的穿透，因此在離子注入工藝中非常實用。
氧化膜還可以用于阻止電路間電流（電子）的流動。MOSFET結構的核心就是柵極（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”發揮作用。這也是MOSFET不工作時，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?）環境中，使硅與氧氣直接反應生成二氧化硅（SiO?）。
方程式：Si + O2 → SiO2
特點：
氧化膜生長速度較慢：由于氧分子比水分子重，擴散速度較慢，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，適合用于需要高質量氧化膜的場合，如柵極氧化層的制備。
無副產物：干法氧化不會產生副產物，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）環境中，使硅與水蒸氣反應生成二氧化硅（SiO?）。
方程式：Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
特點：
氧化膜生長速度快：水蒸氣的反應活性比純氧高，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，且會產生如 H2 等副產物。
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活性極強的自由基氣體，然后使自由基氣體與硅晶圓反應生成二氧化硅（SiO?）。自由基氧化的化學反應活性極高，能夠更均勻地生成氧化膜。
特點：
氧化膜均勻性高：自由基氧化能夠在立體結構上生成厚度均勻的氧化膜，特別適合三維結構的氧化處理。
反應完全：由于自由基的化學活性極高，自由基氧化幾乎不會產生不完全反應，生成的氧化膜質量更高。
適合復雜結構：自由基氧化能夠在難以形成氧化膜的區域（如圓化頂角）和反應活性較弱的材料（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量氧化膜的復雜結構中，此外，自由基氧化還可以生成在立體結構/三維結構上厚度均勻的氧化膜。
總結
干法氧化：適合生成高質量、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、高質量的氧化膜，特別適用于復雜結構和三維工藝。
Reference:
1.Lam
2.Skhynix 半導體前端工藝
來源：十二芯座
