《炬丰科技-半导体工艺》硅表面原生氧化物的生长

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：在该研究中探讨了硅表面上 native oxide film 的形成过程
编号：JFKJ-21-530
作者：炬丰科技

摘要
经过深入研究分析,成功确定了影响硅(Si)表面天然氧化硅生长的关键因素。在室温环境下,空气和超纯水中天然氧化物的增长必须依赖于氧气与水或其液态形式共同的存在条件才能实现稳定发展。自然形成的氧化膜逐层生长通常出现在暴露于空气中的硅表面区域。特别地,在超纯净水环境中, n-Si型硅表面向外扩展形成的第一层至第十层(10 Å)之间,其天然是抛物线型增长模式；当达到10 Å时, 在n ±Si±结构中形成的氧化物膜厚度达到了饱和状态并维持稳定不再继续扩展。在此过程中, 随着超纯净水环境中的Si向水中溶解过程持续进行, 在n-Si±结构中形成的天然氧化物膜不仅伴随有明显的原子密度降低现象(这降低了界面处的原子密度), 而且还形成了较为粗糙的表面特征。对于那些被空气中产生的自然氧化覆盖所覆盖的真实晶体圆盘状硅片, 则未能观察到显著程度上的二氧化硅晶体溶解现象存在明显差异性表现: 例如通过接触角大小可以用来区分两种不同环境条件下的材料性能特征; 同时对两种不同环境下生成出来的自然二氧化硅薄膜化学键合结做出了详细讨论.

导言
硅表面自然氧化物生长速率的调节对于超大规模集成器件的制造至关重要。硅表面上的天然氧化膜不仅阻碍了外延硅膜在低温条件下的高质量生长，在微小面积通孔接触点还增加了接触龟阻。随着集成电路上图案尺寸趋近于微米级，对自然氧化物薄膜生长速率的关注度日益提升。

实验

实验结果表明，在室温下这些半导体晶片上发生了逐层、连续性增强的氧气扩散过程。具体而言，在n-Si半导体中，材料从5.4微米逐渐扩展至7微米对应于两个分子层的增长；随后又新增了一层自然形成的氧核结构；这种氧核结构同时存在于p±Si半导体中，并分别测量得到了不同厚度值：n±Si晶片初始归一化氧核厚度为4.4 Å（埃），而p±Si晶片则分别为2.3 Å；这些氧核主要是在经过超钝水清洗、氟化氢预处理并干燥后才得以形成。

讨论

结论
经实验验证，在空气中及超纯水中，在清洁的硅晶片上生长天然氧化物必须依赖于氧气与水或湿气的共同存在。通过降低空气及超纯水中的水分浓度及溶解氧浓度，则可显著降低其在此介质中的生长速率。已证实其发生在硅表面接触空气中。而在超纯净水中的氮硅晶片上则发生自然氧化物形成长过程。此过程中，二氧化硅从晶体结构中溶解，并导致氧化物-二氧化硅界面处出现高度有序状态的同时产生粗糙的自然氧化物膜表面。对于n±Si面上的大多数情况而言，在初始阶段就展现出较高的增长速率并且由于费尔德辅助机制而使厚度达到10μm时即达到饱和状态。当使用H2O2溶液并加入催化剂时，则发生场辅助作用下的自然氧化物形成长过程。