如何在闸流晶体管生产工艺上制造合格的氧化层

在闸流晶体管制造工艺中，在镓扩散后通过氧化的方法形成二氧化硅保护层，做磷扩散的掩蔽膜，对该掩蔽膜的要求有一定的厚度和致密度，需要在理论上进行分析，工艺上进行控制及测量，并在出现质量问题后进行有效分析和解决。

【关键词】闸流晶体管 生产工艺 合格的氧化层

要想在闸流晶体管生产工艺上制造合格的氧化层，需要在工艺上采用干、湿交替氧化的方式，形成氧化层的厚度和致密度，以使氧化层真正的起到掩饰膜的作用；在氧化层形成后，实施有效的测量方法，实现对氧化层的控制。

1 氧化机理

氧化分为干氧氧化和湿氧氧化。

1.1 干氧氧化

干氧氧化的氧化层生长机理：高温下的氧分子与硅片表面的硅原子反应，生成SiO2起始层，其反应式为Si+O2=SiO2，生长的SiO2起始层阻止了氧分子（O2）与Si表面的直接接触，氧分子只有以扩散方式通过SiO2层，到达SiO2-Si界面，才能与硅原子反应，生成新的SiO2层，使SiO2薄膜继续增厚，这就是干氧氧化SiO2层生长速率较慢的主要原因。

1.2 湿氧氧化

湿氧氧化既有氧分子的氧化作用，又有水分子的氧化作用。

水汽氧化的氧化层生长机理：高温下水汽与Si片接触时，水分子与Si片表面的Si 原子反应生成SiO2起始层，其反应式为2H2O+Si=SiO2+2H2↑，此后，水分子与Si的反应一般有两种过程：一种是水分子扩散过已生成的氧化层，在Si-SiO2界面处与硅原子反应使氧化层不断增厚；另一种是水分子先在SiO2表面生成硅烷醇（Si-OH），其反应式为H2O+Si+O+Si→2（Si-OH），生成的硅烷醇再扩散过SiO2层到达Si-SiO2界面处与Si原子反应，使SiO2层继续增厚。由于存在两种氧化过程，因此，水汽氧化的速率比较快。

我们通常所做的湿氧氧化是氧气通过加热的高纯去离子水（DI），使氧气中携带一定量的水汽进入石英管，因此，在湿氧氧化中既有氧分子的氧化作用，又有水的氧化作用，其氧化层生长速率与氧气温度及氧气流中的水汽含量均有关系。水浴温度越高，水汽含量越多，氧化层的生长速率越接近水汽氧化的生长速率。

湿氧氧化速率比干氧氧化速率快得多，而干氧氧化所生成的SiO2层比湿氧氧化所生长的SiO2层致密得多，因此，一般采用干-湿-干-湿-干交替氧化的方法（也有用干-湿-干的简易方法），目的是既确保SiO2质量又缩短生产周期，但开始和结束时，均采用干氧氧化，这是因为湿氧氧化所形成的硅烷醇（Si-OH）与光刻胶不能很好沾润，易产生浮胶，干氧氧化能使硅烷醇转变为硅氧烷（Si-O-Si），2（Si-OH）+2Si→2（Si-O-Si）+H2↑，硅氧烷与光刻胶有良好接触（沾润好），以利光刻。

氧化层的厚度主要由湿氧氧化决定。

2 氧化层厚度的测量

测量氧化层厚度最常用的方法是利用测定氧化层台阶上的干涉条纹数来求氧化层厚度的双光干涉法。

（1）测量设备：一台普通干涉显微镜和一台单色光源（一般用钠光灯）。

（2）测量原理：当用单色光垂直照射氧化层表面时，由于SiO2是透明介质，所以入射光将分别在SiO2表面和SiO2-Si界面处反射。

当两道光的光程差Δ为半波长的偶数倍，即当Δ=2K·λ/2 时，两道光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹；当两道光的光程差Δ为半波长的奇数倍，即当Δ=（2K+1）·λ/2 （K=0，1，2，3…）时，两道光的相位相反；因而互相减弱，出现暗条纹。由于整个SiO2台阶的厚度是连续变化的，故在SiO2台阶上出现明暗相间的干涉条纹。

根据分析和推算，SiO2的厚度d=m· ，式中m为干涉条纹数；λ为单色光的波长，钠光λ=6000 A°（10000 A°=1μm）；n为SiO2的折射率，n≈1.5 。

2.3 测量步骤

2.3.1 氧化层台阶的制备

取一陪片，在它的表面涂一小滴黑胶，然后放入HF中将未被黑胶保护的SiO2层腐蚀掉，用水冲净，滤纸吸干，用甲苯和丙酮将黑胶去除。若用稍为稀一点的HF（如HF：H2O=1：1）腐蚀SiO2，则氧化层台阶较宽，显示出来的干涉条纹粗而清晰，容易读测。

（2）将做好二氧化硅台阶的硅片放在干涉显微镜下，配上钠光，观察干涉条纹数，如m=9。

（3）计算SiO2层厚度 d=m· =9×6000 A°/（2×1.5）=18000A°=1.8μm 。

这么厚的SiO2层，足以保证磷扩扩散25μm结深，而不穿透SiO2层。

3 氧化工艺出现的质量问题和原因分析

3.1 氧化层厚度不均匀

氧化后的硅片表面呈蓝紫色（抛光面），若颜色不均匀，说明厚度不均匀。原因是炉内温度不均匀，氧气和水汽的蒸汽压不均匀（不稳定）。若使用恒温区较长的氧化炉，控制好水温和氧气流量，就可以解决问题。

3.2 氧化膜上的斑点

产生的原因有：

（1）氧化前硅片处理不干净，硅片表面有杂质微粒所致。

（2）石英管和石英舟使用时间太长，表面产生白色剥蚀层和白渣，易掉在硅片表面。若加强氧化前硅片的处理，定期淘汰老化的石英管或石英舟，就能消除氧化膜上的斑点。

3.3 氧化层表面有雾状花斑

有花斑的SiO2层对杂质可能起不到掩蔽作用。产生花斑的原因主要是石英管口的小水点飞溅到硅片表面，只要适当控制氧气流量和水温，另外进气口的小石英管长度尽量短些，在此处尽量少产生凝结水。

3.4 氧化层有针孔

硅片若有严重的位错，在位错处往往集中了快扩散杂质，此处不能很好生长氧化层，需要加强对氧化前硅片的检查。

3.5 氧化后寿命下降

氧化后，硅片的伏安特性变软，电压下降，少子寿命大幅度下降，这是最致命的质量问题。产生此类问题的原因：一是某些环节产生污染，二是硅片在高温下产生变形。解决办法就是要保证所有环节的清洁度（包括硅片、石英管、石英舟、气体、DI水、气体净化系统等），采用适当的氧化夹具，采用分段升温、慢降温的方式来减轻硅片在高温下的变形。

4 结束语

通过对闸流晶体管制造过程中的氧化工艺的理论分析、氧化后二氧化硅层的测量、氧化后出现的问题进行原因分析和解决措施的阐述，能够保证二氧化硅层有效的起到掩蔽作用。

作者单位

阜新市天琪电子有限责任公司 辽宁省阜新市 123009