芯片制造中的二氧化硅介绍

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

二氧化硅是芯片制造中最基础且关键的绝缘材料。本文介绍其常见沉积方法与应用场景，解析SiO₂在栅极氧化、侧墙注入、STI隔离等核心工艺中的重要作用。

二氧化硅（SiO₂）是由硅和氧原子通过共价键形成的无机化合物，是半导体工艺中应用最广泛、最基础的绝缘材料。

SiO₂的合成方法：ALD、LPCVD与SOD

芯片制造中，SiO₂薄膜的制备依赖多种工艺，不同方法的特点与原料如下：

方法	原理	前驱体与反应	特点
ALD	交替通入硅源和氧源，逐层沉积原子级薄膜	- 硅源：SiCl₄、三甲基铝硅烷（3DMAS） - 氧源：O₃、H₂O等离子体反应：SiCl₄ + 2H₂O → SiO₂ + 4HCl↑	厚度控制精度高（±0.1 nm），适合复杂三维结构（如FinFET侧墙）
LPCVD	硅烷（SiH₄）与氧气（O₂）在高温下反应生成SiO₂	反应：SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2H₂O↑ 温度：400-600℃ 压力：0.1-1 Torr	沉积速率快（50-100 nm/min），成本低，适合大面积沉积（如STI填充）
SOD	旋涂液态硅前驱体，经高温退火转化为SiO₂	原料：硅溶胶（如TEOS基溶液） 退火条件：800-1000℃惰性气体环境	工艺简单，适合非平面结构填充，但薄膜均匀性略低

SiO₂在芯片制造中的核心作用

1. 栅极氧化绝缘材料

在传统MOSFET中，SiO₂直接作为栅介质隔离栅极与沟道。例如，90 nm制程中，SiO₂厚度≈1.2 nm。厚度<2 nm时，量子隧穿效应导致漏电流剧增。现代工艺中，SiO₂作为High-K材料（如HfO₂）的界面层（0.5-1 nm），优化界面态密度。  

2. 栅极侧墙调控离子注入

LDD（轻掺杂漏极）与Halo注入

沉积SiO₂侧墙→作为掩膜阻挡离子注入，形成浅结（LDD）和抑制短沟道效应（Halo）。侧墙宽度（10-30 nm）决定注入区域尺寸。例如，侧墙越宽，LDD结深越浅，提升抗短沟道能力。

3. 浅沟槽隔离（STI）

刻蚀硅衬底形成沟槽→SOD填充SiO₂→化学机械抛光（CMP）平坦化。隔离相邻晶体管，防止漏电。例如，7 nm制程中，STI宽度<20 nm，需优化SiO₂填充致密性。  

4. 掩膜层（如SAQP掩膜）

自对准四重图案化（SAQP）旨在通过多次图形转移，在不增加光刻复杂度的情况下，将初始图案细分为四个更精细的图案，以实现更高分辨率。首先利用标准光刻创建初步图案，然后通过沉积和刻蚀一系列间隔层细分图案，每次仅在前一步骤的线条侧壁留下间隔物。重复此过程两次以上，逐步细化图案至目标尺寸，最后将精细图案转移到实际器件层上，如多晶硅栅极或金属互连层。这一技术对于10纳米及以下节点至关重要。

5. 绝缘隔离作用

层间介质（ILD）:在金属互连层间沉积SiO₂（或掺氟SiO₂，k≈3.5），减少线路间电容耦合。