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為什麼選擇濕氧化而非乾氧化？這背後的科學原理是什麼？
在微加工領域中，熱氧化是生產薄氧化層（通常是二氧化矽）的一種重要技術。這種技術透過在高溫環境下促使氧化劑擴散到晶圓中進行反應，從而在矽基底上形成氧化層。當涉及到磷的氧化過程時，使用水蒸氣或分子氧會影響最終氧化層的質量和特性，而這兩種方法亦被稱為濕氧化和乾氧化。本文將探索濕氧化的優勢及其背後的科學原理。
熱氧化的化學反應是由矽和氧或水蒸氣反應生成二氧化矽，這一反應的本質直接影響氧化層的生長特性和質量。
熱氧化的基本原理
熱氧化一般在800°C到1200°C之間進行，當中水蒸氣或分子氧作為氧化劑。這樣的化學反應可以表達如下：
Si + 2H2O → SiO2 + 2H2(g)
在這個過程中，濕氧化會生成大量的二氧化矽，並且相對於乾氧化，濕氧化的生長速率更快，使得在需要厚氧化層的場合時，選擇濕氧化會較為理想。
濕氧化的優勢
濕氧化有多個優勢，首先，它的生長速率明顯高於乾氧化。這意味著如果需要在較短的時間內獲得厚氧化層，濕氧化會是更佳的選擇。其次，由於濕氧化過程中有水分的參與，它在形成的二氧化矽中會留下較少的缺陷和雜質，使得氧化層的質量相對較高。
需注意的是，快速氧化雖然在生長速率上具優勢，但在矽與氧化層界面可能會留下更多的未飽和鍵，這會引發電流漏電的問題。
氧化技術的應用
在現代微製造中，氧化技術主要通過專業的氧化爐進行，這些爐子能同時容納多片晶圓。在氧化過程中，晶圓的放置方式對氧化的均勻性影響頗大，垂直爐的設計有效避免了因重力造成的沉降和不均勻氧化，從而提高了整體的工藝良率。
如何減少雜質對性能的影響
在熱氧化過程中，金屬雜質的存在通常會影響MOSFET的性能，尤其是鈉的影響最為顯著。然而，氯化物的存在可以有效地將這些將雜質固定住。在氧化過程中，氫氯酸的添加不僅提升了氧化速率，還減少了對晶片的污染。
濕氧化與乾氧化的平衡
儘管濕氧化具有多項優勢，但在某些應用中，乾氧化的減少缺陷特性同樣重要。因此，工藝上常採用“濕-乾-濕”循環的方式，這樣可以在整體的厚度增長中兼顧氧化層的品質和電子性能的穩定性。
未來的發展方向
隨著微電子技術的發展，對高品質氧化層的需求不斷增加。研究者們正努力改進現有的熱氧化技術，例如探討階段性的氧化方法以減少缺陷、增強界面的電子特性。這些無疑將驅動未來微製造領域的進一步創新。
那麼，當新技術不斷推陳出新時，我們怎樣才能選擇最適合的氧化方法，以滿足日益挑戰的製造需求呢？
