系统闲置时,高温炉通常保持在高温状态,如850℃,这样可以不需要花费太多时间就能将温度升到工艺所需的温度。当系统闲置一段时间时,要用氮气吹除净化气体。晶圆载入前,氮气就开始通入炉管内使炉管内部充满高纯度的氮气。为了避免因为温度剧变产生热应力造成晶圆弯曲,需要几分钟时间将石英或碳化硅晶圆载舟缓慢推入炉管中。当晶圆载舟放置在炉管中的平带区域时,温度开始急速升高,升温速率大约为每分钟10℃。由于高热容量的限制,炉管系统的温度不能升得太快。如果升温速率过快,温度可能超过或低于设定温度而造成温度波动。当炉管达到工艺所需的温度(一般为1000℃)后,如果存在温度波动,就需要通入几分钟氮气稳定温度减弱波动,使炉管维持在设置温度的稳定状态。
当系统准备进行氧化反应时,打开氧气和无水氯化氢气流并关掉氮气气流,使氧气和硅反应在硅晶圆表面形成一层二氧化硅薄膜。当氧化层的厚度达到要求时关掉氧气和氯化氢并重新注入氮气。此时晶圆在高温中停留一段时间进行氧化层退火,这个过程能够提高二氧化硅的质量,使二氧化硅更致密,并可以减少界面电荷提高击穿电压。薄的栅氧化层(厚度约50A)可以在大约700℃低温炉管生长,这样就不会因为氧化时间太短而难以控制氧化过程。氧化层薄膜形成之后,再放入一个超过1000℃的氮气环境中退火以提高氧化层的质量。氧化层退火之后就可以将炉管逐渐冷却到闲置温度,并在稳定的氮气中缓慢将晶圆载舟从炉管中拉出。
用H20取代02就是所谓的湿氧氧化反应,生成的氧化层称为蒸气氧化层。其化学反应式可以表示如下:
2H20+Si乛Si02+2H2
H20在高温下分解形成氧化氢HO,HO在二氧化硅中的扩散速度比氧快,所以湿氧氧化过程的氧化速率远比干氧氧化高。湿氧氧化用于生长较厚的氧化层如遮蔽氧化层、整面全区覆盖氧化层和LOCOS氧化层。下表说明了在1000℃生长1000Å氧化层薄膜时所需的时间差。
有好几种系统用于将水蒸气送入高温炉的炉管内。煮沸式系统在超过100℃的高温下将水蒸发,并经过加热的气体管道将水蒸气送入炉管中。气泡式系统先使氮气气泡经过超纯水,再将水蒸气带入炉管中。下图为煮沸式系统和气泡式系统的示意图。
冲洗式系统先将很小的超纯水水滴滴在热石英板上使水滴蒸发,接着氧气气流将水蒸气带入炉管中。下图说明了冲洗式系统的工作情况。
煮沸式系统、气泡式系统和冲水式系统的最大问题在于无法准确控制H20气流的流量。最常使用的湿氧氧化系统是所谓的氢氧燃烧湿氧氧化系统。这个系统会在炉管的入口处燃烧H2气体,所以水蒸气由H2和02化学反应形成。
2H2+02一2H20
这样可以略去处理液体和气体的过程,又可以准确控制气流的流量,但条件是必须使用易燃易爆的氢气。下图为氢氧燃烧蒸气系统的说明图。
下图显示了使用氢氧燃烧蒸气的湿氧氧化系统。在排放系统中还必须使用燃何排放气体进入大气前能将残余的氢气烧光。