牺牲氧化层是生长在晶圆表面元器件区域上的二氧化硅薄膜(低于1000Å)。牺牲氧化层生成之后将立刻被氢氟酸溶剂剥除。一般情况下,栅氧化工艺之前都将先生长一层牺牲氧化层来移除硅表面的损伤和缺陷。该氧化层的生成和移除有利于产生零缺陷的硅表面并获得高质量的栅氧化层。

 

以MOS为主的IC芯片,其最薄也最重要的二氧化硅层是栅氧化层。由于元器件尺寸不断缩小,栅氧化层从20世纪60年代大于1000Å厚度降低到2000年复杂芯片上的15Å左右,而且IC芯片的工作电压从12V降低到1.2V。栅氧化层的质量对于元器件能否正常工作非常重要,栅氧化层中的任何缺陷、杂质或微粒污染物都可能影响元器件的性能,并且显著降低芯片的成品率。下图说明了牺牲氧化层和栅氧化层的形成过程,下图列出了℃生产中应用热生长的二氧化硅情况。

 

氧化前的清洗工艺

 

热生长的二氧化硅是一种不稳定的非晶态物质,而且分子容易交叉结合形成结晶结构,这也是为什么二氧化硅在自然界中以石英和石英砂形式存在的原因由于非晶态的二氧化硅在室温下需要数百万年才能结晶,因此非晶态的二氧化硅在IC芯片使用期内将保持非常稳定的状态。然而生长二氧化硅时所需的1000℃高温将急剧加速结晶化过程,如果硅表面留有残余污染物,这些缺陷和粒子将成为结晶过程的成核点,这使得二氧化硅变成如同冬天玻璃上形成的冰晶雪花般的多晶态结构。由于二氧化硅的结晶化不均匀,结晶边界容易使杂质和湿气通过,所以氧化之前,必须尽量将粒子、有机和无污染物、原生氧化层和表面缺陷移除以避免产生结晶化。下图为二氧化硅生长在粗糙硅表面上的结晶结构。

 

湿式清洗是先进半导体生产中最常使用的清洗方法,如H2SO4:H202:H20或NH40H:H2O2:H20等强氧化剂溶液都能去除微粒和有机污染物。当晶圆浸入这些溶液时,微粒和有机污染物将会氧化而生成气态(如一氧化碳等)或可溶解的副产品(如水)。大多数IC制造公司都广泛使用温度为70℃一80℃、混合比例为1:1:5至1:2:7的NH40H:H202:H20溶液。这就是RCA清洗的SC-I(Standard Cleanngl)清洗工艺,由美国无线电公司(RCA)的克恩(Kern)和布欧狄南(Puotinen)在19年发明,SC-I过程之后,用去离子水(DIwater)在浸水槽中冲洗晶圆,然后放入旋干机中进行干燥。

 

经过SC-I及去离子水冲洗后,晶圆再放到温度在70℃-80℃,混合比为1:1:6到1:2:8之间的HCI:H202:H20溶液中,这就是RCA清洗的SC-2步骤,这个过程能将污染物转变成可溶于低PH值溶液的副产品后去除。在SC-2步骤中,H202将氧化无机污染物,HCI将会与氧化物反应生成可溶解的氯化物,这些氯化物能使污染物从晶圆表面脱附出来,SC-2之后是去离子水冲洗和旋干过程。