乾式氧化與濕式氧化的差異:成長速率、膜質、溫度、用途比較
兩者都是在高溫下氧化矽以形成 SiO2 的熱氧化,但使用的氧化劑不同。乾式氧化使用乾燥的氧氣(O2),成長雖慢,卻能形成緻密且介面態少的優質薄膜,因此一直用於薄的閘極氧化層。濕式氧化使用水蒸氣(H2O),由於 H2O 在 SiO2 中的溶解量遠多於 O2,成長速度快數倍至 10 倍左右。因此用於 LOCOS 的場氧化層或遮罩等厚膜。
| 項目 | 乾式氧化 | 濕式氧化 |
|---|---|---|
| 氧化劑 | 乾燥的氧氣(O2) | 水蒸氣(H2O)。一般採用在爐管入口燃燒氫氣與氧氣來產生的方式(熱解氧化,pyrogenic oxidation) |
| 反應式 | Si + O2 → SiO2 | Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 |
| 成長速率 | 慢。例:1000 ℃、1 小時約 70 nm | 快(為乾式的數倍至 10 倍左右)。例:1000 ℃、1 小時約 400 nm |
| 快慢的原因 | O2 在 SiO2 中的溶解量少 | H2O 在 SiO2 中的溶解量為 O2 的數百倍,有大量氧化劑抵達介面 |
| 膜質、密度 | 緻密,介面態少,耐介電崩潰 | 密度略低於乾式,膜中容易殘留氫與 OH 基 |
| 溫度(典型範圍) | 約 800~1200 ℃ | 約 800~1200 ℃。由於速度快,可在較低溫度或較短時間內形成相同厚度 |
| 膜厚控制性 | 成長慢,容易精確控制數 nm 至數十 nm 的薄膜 | 成長快,不適合精確控制薄膜 |
| 在 Deal-Grove 模型中的處理 | 以 x² + Ax = B(t + τ) 表示。厚度低於數十 nm 的初期氧化比模型預測更快,因此將初始膜厚(約 25 nm)換算為時間 τ 加以修正 | 使用相同的式子,與模型吻合良好,常取 τ ≈ 0。速率常數 B 與 B/A 遠大於乾式 |
| 典型膜厚 | 數 nm 至數十 nm | 數百 nm 至 1 µm 左右 |
| 主要用途 | 閘極氧化層、穿隧氧化層、薄的墊氧化層 | LOCOS 的場氧化層、離子佈植與擴散的遮罩、厚的絕緣膜 |
數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。