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 → SiO2Si + 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。

適用於什麼情況

乾式氧化
膜可以很薄,但以介面品質與膜厚精度為最優先時。例如 MOSFET 的閘極氧化層,或鋪在氮化膜下方的薄墊氧化層。
濕式氧化
想在短時間內形成厚氧化層時。例如 LOCOS 的場氧化層、擴散與佈植的遮罩、元件周圍的厚絕緣膜。
搭配使用
有時也會依序組合:先以乾式氧化形成介面,再以濕式氧化增加厚度,最後再以乾式氧化收尾。

常見問題

為什麼濕式氧化比乾式氧化快?

氧化是在 SiO2 與矽的介面進行,因此氧化劑必須在膜中擴散並抵達介面。H2O 在 SiO2 中的溶解量比 O2 多數百倍,因此膜中的氧化劑濃度較高,抵達介面的量也增加。在 Deal-Grove 模型中,這表現為速率常數 B 與 B/A 變大。

為什麼閘極氧化層一直使用乾式氧化?

因為乾式氧化的膜緻密,與矽之間的介面態少,也耐介電崩潰。成長慢、容易精確控制數 nm 的膜厚也是原因之一。先進製程的閘極已改用 High-k 膜,但其下方極薄的 SiO2 介面層至今仍很重要。

為什麼在 Deal-Grove 模型中只有乾式氧化需要修正?

因為已知在乾式氧化中,膜厚低於數十 nm 時,氧化進行得比模型預測更快。因此將初期的快速成長視為已形成約 25 nm 的膜,並把這部分以時間 τ 加入式中加以修正。濕式氧化與模型吻合良好,因此常取 τ ≈ 0。

熱氧化會消耗多少矽?

乾式氧化與濕式氧化都一樣,會消耗相當於所形成氧化層厚度約 44% 的矽。氧化層以約 56% 高於原始表面、約 44% 低於原始表面的比例成長。

理解度檢測

關於矽的熱氧化,下列對乾式氧化(O2)與濕式氧化(H2O)的比較,何者正確?

  1. A乾式氧化的氧化層成長速率較快
  2. B濕式氧化的氧化層成長速率較快
  3. C兩者的成長速率相同
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正確答案:B. 濕式氧化的氧化層成長速率較快

使用水蒸氣的濕式氧化,其氧化劑 H2O 在 SiO2 中的溶解度比 O2 高數百倍,因此成長速率比乾式氧化快數倍至 10 倍左右。例如在 1000 ℃、1 小時的條件下,乾式約為 70 nm,濕式約為 400 nm。濕式氧化適合需要厚膜的元件隔離與遮罩。乾式氧化雖然較慢,但能形成緻密、介面態少的優質薄膜,膜厚也容易控制,因此一直被用於薄的閘極氧化層。

依 Deal-Grove 模型,熱氧化是在何處進行的?

  1. A在氧化層最表面,矽原子與氧化劑反應
  2. B矽原子擴散到氧化層表面後進行反應
  3. C氧化劑在氧化層中擴散,並在 Si/SiO2 介面與矽反應
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正確答案:C. 氧化劑在氧化層中擴散,並在 Si/SiO2 介面與矽反應

在 Deal-Grove 模型(1965 年)中,認為氧化劑從氣相被吸收到氧化層表面,在膜中擴散,於與矽的介面反應而產生新的氧化層。因此氧化層是在介面側成長,介面始終是新的表面。氧化層越厚,擴散距離越長,成長也就越慢。該模型令這三個步驟的通量相等,用一個式子同時表示出線性定律與拋物線定律。

在 Deal-Grove 模型中,熱氧化初期(氧化層仍薄時)的氧化層厚度與時間的關係,下列何者正確?

  1. A厚度與時間的平方根成正比
  2. B厚度大致與時間成正比(呈線性增加)
  3. C厚度與時間無關,維持固定
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正確答案:B. 厚度大致與時間成正比(呈線性增加)

氧化層薄的時候,氧化劑很容易穿過膜,由介面的反應速度主導,因此厚度大致與時間成正比增加(線性定律,速率常數 B/A)。膜變厚後,由氧化劑在膜中的擴散主導,厚度便與時間的平方根成正比(拋物線定律,速率常數 B)。轉換的大致標準是厚度約 A/2,乾式氧化時約為數十 nm~100 nm 左右。

  1. 熱氧化時,當氧化層變得夠厚後,氧化層厚度與氧化時間的關係,下列何者正確?
  2. 矽的乾式熱氧化中發生的化學反應,下列何者正確?
  3. 對於用於 LOCOS 等元件隔離的場氧化層,與 MOSFET 的閘極氧化層,兩者厚度的關係一般何者正確?

前往氧化與擴散的練習題

相關名詞的解說

乾式氧化
使用乾燥氧氣進行的熱氧化。成長較慢,但能形成緻密且品質良好的氧化膜,用於閘極氧化膜等。
濕式氧化
在含水蒸氣的氣氛中進行的熱氧化。成長速度比乾式氧化快,用於製作較厚的氧化膜。
Deal-Grove模型
將矽的熱氧化描述為氧化劑在氧化膜中擴散,並於Si/SiO2界面與矽反應之過程的模型。膜薄時膜厚與時間成正比,變厚後則與時間的平方根成正比。
熱氧化
在氧氣或水蒸氣中加熱矽,使其表面形成SiO2薄膜的方法。有乾式氧化與濕式氧化兩種。
LOCOS(局部矽氧化隔離)
只將未被氮化膜覆蓋的部分氧化成厚膜,以隔離元件的方法。邊緣會出現鳥嘴狀的侵蝕(鳥嘴效應),現已被STI取代。

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