在芯片制造过程中，“Start Oxide”（通常称为初始氧化层或起始氧化层）是一道基础且关键的工艺步骤，其核心作用是为后续制造流程提供物理保护、绝缘隔离和工艺支撑。以下从技术原理和实际应用角度详细解析其必要性：

一、Start Oxide 的定义与制备方式

定义：

初始氧化层是在硅片（衬底）清洗后，通过热氧化工艺（如干氧氧化、湿氧氧化或水汽氧化）在硅表面形成的一层薄二氧化硅（SiO₂），厚度通常为几纳米到几十纳米。

制备目的：

利用二氧化硅的化学稳定性和绝缘特性，为后续工艺构建 “基础保护层”。

二、芯片制造中需要 Start Oxide 的核心原因

1. 作为绝缘层，隔离电学结构

原理：

二氧化硅是优良的绝缘体（电阻率高达 10¹⁴~10¹⁶ Ω・cm），可阻止电流在非预期区域流动。

应用场景：

在 MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）制造中，初始氧化层虽非最终的栅氧化层，但可作为衬底表面的 “预绝缘层”，防止后续沉积的金属或多晶硅与硅衬底直接接触导致漏电。

在芯片内部的器件隔离中（如浅沟槽隔离 STI），初始氧化层可作为沟槽底部的缓冲层，避免硅片直接与填充材料（如二氧化硅或氮化硅）接触产生应力损伤。

2. 作为掩蔽层，控制离子注入区域

原理：

氧化层对离子（如硼、磷等掺杂离子）具有阻挡作用，可通过光刻和刻蚀工艺在氧化层上形成 “窗口”，精准控制离子注入的区域。

应用场景：

在源漏区（Source/Drain）掺杂时，未被氧化层覆盖的硅片区域会被离子注入，而氧化层覆盖区域被保护，从而实现器件电学特性的精准调控。

若没有氧化层掩蔽，离子注入会均匀分布在整个硅片表面，无法形成器件所需的 PN 结结构。

3. 保护硅片表面，防止污染与损伤

原理：

硅片表面极易被空气中的杂质（如金属离子、有机物）污染，或在后续工艺中被等离子体、化学溶液损伤，而氧化层可作为 “屏障”。

应用场景：

在沉积氮化硅（SiN）等应力较大的材料时，初始氧化层（如 “衬垫氧化层” Pad Oxide）可缓冲氮化硅对硅片的应力，避免硅片产生位错或裂纹。

在光刻胶涂覆、刻蚀等工艺中，氧化层可防止化学试剂直接腐蚀硅片，确保表面平整度。

4. 为后续薄膜沉积提供平整基底

原理：

硅片表面即使经过抛光，仍存在原子级的粗糙或缺陷，氧化层的生长可填充微小缺陷，形成更平整的表面。

应用场景：

在沉积多晶硅（用于栅极）或金属层时，平整的氧化层基底可提高薄膜的均匀性和附着性，避免因表面粗糙导致的短路或开路风险。

对于先进制程（如 FinFET、GAAFET），器件结构的三维尺度极小，初始氧化层的平整度直接影响后续纳米级工艺的精度。

5. 实现表面钝化，改善器件性能

原理：

硅片表面的悬挂键（未饱和的硅化学键）会引入表面态，导致器件漏电或性能不稳定，而氧化层可 “钝化” 表面悬挂键。

应用场景：

在 CMOS 器件中，初始氧化层的钝化作用可降低表面漏电流，提高器件的开关比（On/Off Ratio）和可靠性。

三、典型案例：Start Oxide 在 MOSFET 制造中的作用

以传统 MOSFET 为例，初始氧化层的工艺路径及作用如下：

硅片清洗：去除表面杂质；

生长 Start Oxide：形成约 5~20nm 的薄氧化层；

沉积氮化硅：在氧化层上覆盖氮化硅，作为后续刻蚀的掩蔽层；

光刻与刻蚀：定义器件隔离区域，刻蚀氮化硅和氧化层，露出硅片；

沟槽填充与平坦化：在沟槽中填充二氧化硅，形成隔离结构；

去除氮化硅：保留氧化层作为隔离界面的缓冲层。

若缺少 Start Oxide，氮化硅与硅片直接接触会因应力过大导致硅片损伤，隔离效果大幅下降。

四、总结：Start Oxide 的不可替代性

初始氧化层看似 “简单”，却是芯片制造中 “承上启下” 的关键环节：

从工艺角度：它是后续所有薄膜沉积、离子注入、刻蚀等工艺的 “基础平台”，缺失会导致工艺失控；

从器件角度：它通过绝缘、隔离、保护等作用，直接影响芯片的电学性能、良率和可靠性。

因此，Start Oxide 工艺是芯片制造中 “不可或缺的第一步”，其质量（如厚度均匀性、纯度、致密性）直接决定了高端芯片的制程精度和性能上限。