Oxidação térmica - Thermal oxidation

Fornos usados ​​para difusão e oxidação térmica nas instalações tecnológicas da LAAS em Toulouse, França.

Na microfabricação , a oxidação térmica é uma maneira de produzir uma fina camada de óxido (geralmente dióxido de silício ) na superfície de um wafer . A técnica força um agente oxidante a se difundir no wafer em alta temperatura e reagir com ele. A taxa de crescimento do óxido é frequentemente prevista pelo modelo Deal – Grove . A oxidação térmica pode ser aplicada a diferentes materiais, mas mais comumente envolve a oxidação de substratos de silício para produzir dióxido de silício .

A reação química

A oxidação térmica do silício é geralmente realizada a uma temperatura entre 800 e 1200 ° C , resultando na chamada camada de óxido de alta temperatura (HTO). Ele pode usar vapor de água (geralmente vapor UHP ) ou oxigênio molecular como oxidante; conseqüentemente, é chamada de oxidação úmida ou seca . A reação é uma das seguintes:

${\ displaystyle {\ rm {Si + 2H_ {2} O \ rightarrow SiO_ {2} + 2H_ {2 \ (g)}}}}$

${\ displaystyle {\ rm {Si + O_ {2} \ rightarrow SiO_ {2} \,}}}$

O ambiente oxidante também pode conter várias porcentagens de ácido clorídrico (HCl). O cloro remove íons metálicos que podem ocorrer no óxido.

O óxido térmico incorpora silício consumido do substrato e oxigênio fornecido do ambiente. Assim, ele cresce tanto para dentro do wafer quanto para fora dele. Para cada espessura unitária de silício consumido, aparecerão 2,17 espessuras unitárias de óxido. Se uma superfície nua de silício for oxidada, 46% da espessura do óxido ficará abaixo da superfície original e 54% acima dela.

Modelo Deal-Grove

De acordo com o modelo Deal-Grove comumente usado, o tempo τ necessário para crescer um óxido de espessura X _o , a uma temperatura constante, em uma superfície de silício nua, é:

${\ displaystyle \ tau = {\ frac {X_ {o} ^ {2}} {B}} + {\ frac {X_ {o}} {({\ frac {B} {A}})}}}$

onde as constantes A e B se referem às propriedades da reação e da camada de óxido, respectivamente. Este modelo foi ainda adaptado para levar em conta os processos de oxidação autolimitantes , conforme usado para a fabricação e design morfológico de nanofios de Si e outras nanoestruturas.

Se uma bolacha que já contém óxido for colocada em um ambiente oxidante, esta equação deve ser modificada pela adição de um termo corretivo τ, o tempo que teria sido necessário para crescer o óxido pré-existente nas condições atuais. Este termo pode ser encontrado usando a equação para t acima.

Resolver a equação quadrática para X _o produz:

${\ displaystyle X_ {o} (t) = A / 2 \ cdot \ left [{\ sqrt {1 + {\ frac {4B} {A ^ {2}}} (t + \ tau)}} - 1 \ right ]}$

Tecnologia de oxidação

A maior parte da oxidação térmica é realizada em fornos , a temperaturas entre 800 e 1200 ° C. Um único forno aceita muitos wafers ao mesmo tempo, em um rack de quartzo especialmente projetado (chamado de "barco"). Historicamente, o barco entrava na câmara de oxidação pela lateral (esse design é chamado de "horizontal") e segurava as bolachas verticalmente, uma ao lado da outra. No entanto, muitos projetos modernos seguram os wafers horizontalmente, acima e abaixo uns dos outros, e os carregam na câmara de oxidação por baixo.

Os fornos verticais ficam mais altos do que os horizontais, então eles podem não se encaixar em algumas instalações de microfabricação. No entanto, eles ajudam a prevenir a contaminação por poeira . Ao contrário dos fornos horizontais, nos quais a poeira que cai pode contaminar qualquer wafer, os fornos verticais usam gabinetes fechados com sistemas de filtragem de ar para evitar que a poeira alcance os wafers.

Os fornos verticais também eliminam um problema que atormentava os fornos horizontais: a não uniformidade do óxido crescido no wafer. Fornos horizontais normalmente têm correntes de convecção dentro do tubo, o que faz com que o fundo do tubo seja ligeiramente mais frio do que o topo do tubo. Como as bolachas ficam verticalmente no tubo, a convecção e o gradiente de temperatura fazem com que a parte superior da bolacha tenha um óxido mais espesso do que o fundo da bolacha. Os fornos verticais resolvem este problema tendo o wafer posicionado horizontalmente e, em seguida, fazendo com que o gás flua no forno de cima para baixo, amortecendo significativamente quaisquer convecções térmicas.

Fornos verticais também permitem o uso de travas de carga para purgar os wafers com nitrogênio antes da oxidação para limitar o crescimento do óxido nativo na superfície do Si.

Qualidade do óxido

A oxidação úmida é preferida à oxidação seca para o crescimento de óxidos espessos, devido à maior taxa de crescimento. No entanto, a oxidação rápida deixa mais ligações pendentes na interface de silício, que produzem estados quânticos para elétrons e permitem que a corrente vaze ao longo da interface. (Isso é chamado de interface "suja".) A oxidação úmida também produz um óxido de densidade mais baixa , com rigidez dielétrica mais baixa .

O longo tempo necessário para crescer um óxido espesso na oxidação seca torna esse processo impraticável. Óxidos espessos são geralmente cultivados com uma longa oxidação úmida entre os curtos e secos (um ciclo seco-úmido-seco ). As oxidações secas iniciais e finais produzem filmes de óxido de alta qualidade nas superfícies externa e interna da camada de óxido, respectivamente.

Os íons metálicos móveis podem degradar o desempenho dos MOSFETs (o sódio é uma preocupação particular). No entanto, o cloro pode imobilizar o sódio, formando cloreto de sódio . O cloro é freqüentemente introduzido pela adição de cloreto de hidrogênio ou tricloroetileno ao meio oxidante. Sua presença também aumenta a taxa de oxidação.

Outras notas

A oxidação térmica pode ser realizada em áreas selecionadas de um wafer e bloqueada em outras. Esse processo, desenvolvido pela primeira vez na Philips, é comumente conhecido como processo de oxidação local do silício ( LOCOS ). As áreas que não devem ser oxidadas são cobertas por uma película de nitreto de silício , que bloqueia a difusão do oxigênio e do vapor de água devido à sua oxidação a uma taxa muito mais lenta. O nitreto é removido após a conclusão da oxidação. Este processo não pode produzir características nítidas, porque a difusão lateral (paralela à superfície) das moléculas oxidantes sob a máscara de nitreto faz com que o óxido se projete para a área mascarada.

Como as impurezas se dissolvem de maneira diferente no silício e no óxido, um óxido em crescimento absorverá ou rejeitará seletivamente os dopantes . Essa redistribuição é governada pelo coeficiente de segregação, que determina a intensidade com que o óxido absorve ou rejeita o dopante, e a difusividade .

A orientação do cristal de silício afeta a oxidação. Um wafer <100> (veja os índices de Miller ) oxida mais lentamente do que um wafer <111>, mas produz uma interface de óxido eletricamente mais limpa.

A oxidação térmica de qualquer variedade produz um óxido de qualidade superior, com uma interface muito mais limpa, do que a deposição química de vapor de óxido, resultando em uma camada de óxido de baixa temperatura (reação de TEOS a cerca de 600 ° C). No entanto, as altas temperaturas necessárias para produzir óxido de alta temperatura (HTO) restringem sua usabilidade. Por exemplo, em processos MOSFET , a oxidação térmica nunca é realizada após a dopagem para os terminais de fonte e dreno, pois isso atrapalharia a colocação dos dopantes.

Referências

Notas

Origens

• Jaeger, Richard C. (2001). "Oxidação Térmica do Silício". Introdução à Fabricação Microeletrônica . Upper Saddle River: Prentice Hall . ISBN 978-0-201-44494-0.

links externos

• Calculadora online incluindo modelos de oxidação de negócio e massoud, com efeitos de pressão e dopagem em: http://www.lelandstanfordjunior.com/thermaloxide.html