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半导体前端工艺FEOL(1):工艺概览与氧化
2025年04月03日 09:30   浏览:510   来源:小萍子

参考硬件中电子元件的制程,基本结构都是把 MOS 管,三极管,电阻,电容,电感,电池等各种电子元器件固定在 PCB 板上。类比,在一片 wafer 上制作 MOS 管时也是类似这种顺序,需要一步一步制造。

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对于 logic device,简单地说,首先是在 Silicon 衬底上划分制备晶体管的区域 (active area),然后是离子注入实现N型和P型区域,其次是做栅极,随后又是implant,完成每一个晶体管的源极 (source) 和漏极 (drain)。这部分工艺流程是为了在 Si 衬底上实现N型和P型场效应晶体管,这一过程称为晶圆加工的前端工艺 (FEOL,Front End Of the Line)。

当然,对于这么小的 MOS 管,无法使用直接焊接的方式,而是需要采用与FEOL相似的技术,通过金属布线在多达数十亿个 MOS 管之间形成连接。这一过程我们称之为晶圆加工的后端工艺(BEOL,Back End Of the Line)。目前大多选用 Cu 作为导电金属,因此后道又被称为 Cu 互联(interconnect)。

一般来说,半导体制造的八大工艺分别为:晶圆制造、氧化、光刻、刻蚀、沉积、金属布线、测试和封装。但需要注意的是,晶圆制造通常不在半导体制造工厂内完成,而金属布线、封装和测试是对特定作业流程的统称,与光刻、刻蚀、沉积等单一步骤的工艺不同。

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从上图可以看出,半导体的制程是自下而上的,就像盖房子。为了不同的材料变成我们想要的样子,需要经过多道处理工艺,如不需要的部分 ETCH,需要的部分留下。在这一过程中,还会使用各种反应性很强的化学物质,如果化学物质接触到不应接触的部分,就会影响到半导体制造的顺利进行。而且,半导体内还有一些物质,一旦相互接触就会产生短路。氧化工艺的目的,就是通过生成隔离膜防止短路的发生。

氧化工艺就是在 Silicon 上生成一层保护膜。硅(Si)和氧气反应就会形成二氧化硅(SiO₂),通俗来说也就是玻璃。玻璃在我们生活中随处可见,其具有很高的化学稳定性,比如用作各种饮料甚至盐酸、硫酸等各种化学药品的容器。

SiO2材料的主要特点有:

  • 具有高熔点和高沸点(分别为1713 º C和2950º C)

  • 不溶于水和部分酸,溶于氢氟酸

  • 具有良好的绝缘性、保护性和化学稳定性

在半导体制作过程中,通过氧化工艺形成的氧化膜也同样具有稳定性。它可以防止其他物质的穿透,因此在离子注入工艺中非常实用。

氧化膜还可以用于阻止电路间电流(电子)的流动。MOSFET结构的核心就是栅极(Gate)。MOSFET与BJT晶体管不同,栅极不与沟道(S与D的中间部分)直接接触,只是“间接”发挥作用。这也是MOSFET不工作时,功耗低的原因。MOSFET通过氧化膜隔绝栅极与电流沟道,这种氧化膜被称为栅氧化层(Gate Oxide)。

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氧化工艺的种类

氧化工艺可分为以下三大类:

干法氧化(Dry Oxidation)

湿法氧化(Wet Oxidation)

自由基氧化(Radical Oxidation)

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干法氧化:

  • 干法氧化是通过将硅晶圆暴露在高温纯氧(O₂)环境中,使硅与氧气直接反应生成二氧化硅(SiO₂)。

方程式:Si + O2 → SiO2

特点:

  • 氧化膜生长速度较慢:由于氧分子比水分子重,扩散速度较慢,因此氧化膜的生长速度较慢。

  • 氧化膜均匀性和密度较高:干法氧化生成的氧化膜均匀性好,密度高,适合用于需要高质量氧化膜的场合,如栅极氧化层的制备。

  • 无副产物:干法氧化不会产生副产物,如H2。

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湿法氧化:

  • 湿法氧化是通过将硅晶圆暴露在高温水蒸气(H₂O)环境中,使硅与水蒸气反应生成二氧化硅(SiO₂)。

方程式:Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

特点:

  • 氧化膜生长速度快:水蒸气的反应活性比纯氧高,因此氧化膜的生长速度较快,类似于"生锈"。

  • 氧化膜均匀性和密度较低:湿法氧化生成的氧化膜均匀性和密度较低,且会产生如 H2 等副产物。

  • 适合快速氧化需求:由于生长速度快,湿法氧化适合用于需要快速生成氧化膜的场合。

湿法氧化常用于需要快速生成氧化膜的场合,但因其均匀性和密度较低,通常不用于核心工艺。

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自由基氧化:

  • 自由基氧化是通过将硅晶圆暴露在高温条件下,将氧原子和氢分子混合形成化学活性极强的自由基气体,然后使自由基气体与硅晶圆反应生成二氧化硅(SiO₂)。自由基氧化的化学反应活性极高,能够更均匀地生成氧化膜。

特点:

  • 氧化膜均匀性高:自由基氧化能够在立体结构上生成厚度均匀的氧化膜,特别适合三维结构的氧化处理。

  • 反应完全:由于自由基的化学活性极高,自由基氧化几乎不会产生不完全反应,生成的氧化膜质量更高。

  • 适合复杂结构:自由基氧化能够在难以形成氧化膜的区域(如圆化顶角)和反应活性较弱的材料(如氮化硅)上生成均匀的氧化膜。

自由基氧化常用于需要高均匀性和高质量氧化膜的复杂结构中,此外,自由基氧化还可以生成在立体结构/三维结构上厚度均匀的氧化膜。

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总结

干法氧化:适合生成高质量、高均匀性的氧化膜,常用于栅极氧化层。

湿法氧化:适合快速生成氧化膜,但均匀性和密度较低。

自由基氧化:适合生成高均匀性、高质量的氧化膜,特别适用于复杂结构和三维工艺



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