Principaux types d'oxydation thermique

Dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs haut de gamme, les films SiO₂ sont généralement formés via des processus d'oxydation pour le traitement de surface du substrat, et leurs applications courantes incluent les couches barrières dopantes, les couches d'isolation de surface, les couches d'oxyde de grille, les oxydes de champ et les oxydes sacrificiels. En tant que processus de base dans la fabrication des plaquettes, basé sur l'atmosphère d'oxydation, l'oxydation thermique est classée en oxydation sèche, oxydation humide à l'oxygène et oxydation à la vapeur.

Oxydation sèche

L'oxydation sèche est réalisée en introduisant de l'oxygène pur et sec dans la chambre de réaction. À haute température, les molécules d'oxygène réagissent avec les atomes de silicium sur la surface de la plaquette pour former une couche initiale de SiO₂, bloquant le contact direct entre les molécules d'oxygène et la surface de silicium. Dans le processus d'oxydation ultérieur, les molécules d'oxygène doivent diffuser à travers la couche SiO₂ existante pour atteindre l'interface Si/SiO₂ pour une réaction ultérieure. Pour cette raison, l'interface Si/SiO₂ change constamment, ce qui entraîne un SiOₓ incomplet entre la couche d'oxyde finale et le substrat, conduisant en outre à la formation d'états d'interface. La couche de SiO₂ formée par oxydation sèche présente une structure dense, une uniformité supérieure et une excellente répétabilité du processus. Ils se lient fermement aux résines photosensibles non polaires, empêchent le pelage des résines photosensibles et garantissent une excellente résolution lithographique, ce qui en fait le meilleur choix pour les couches d'oxyde en contact avec les résines photosensibles.

L'oxydation dopée au chlore est une variante de l'oxydation sèche. Au cours du processus, une petite quantité de composés gazeux contenant du chlore, tels que le chlore gazeux, le chlorure d'hydrogène, le trichloréthylène ou le trichloroéthane, est ajoutée à l'oxygène sec. Le chlore s'intègre dans la couche d'oxyde et s'accumule près de l'interface SiO₂/Si. Il piège les ions mobiles (par exemple les ions sodium) et les désactive. Pendant ce temps, le chlore forme des complexes Cl-Si-O à l’interface, qui neutralisent les charges d’interface et comblent les lacunes en oxygène. Cela réduit la densité d'état d'interface et minimise les défauts dans le film SiO₂. À haute température, le chlore réagit avec les impuretés accumulées dans les fours d’oxydation utilisés à long terme pour former des composés volatils qui sont évacués hors de la chambre. L'oxydation dopée au chlore réduit ainsi les impuretés du silicium, diminue les centres de recombinaison et augmente la durée de vie des porteurs minoritaires.

Oxydation à la vapeur

L'oxydation à la vapeur utilise de la vapeur d'eau à l'intérieur de la chambre de réaction. La vapeur d'eau est générée à partir d'eau désionisée de haute pureté ou de la réaction de combustion de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. À haute température, la vapeur d'eau réagit avec le silicium à la surface de la plaquette pour former la couche initiale de SiO₂. Les molécules d'eau réagissent d'abord avec la surface SiO₂ pour former des groupes silanol (Si-OH). Ces groupes diffusent à travers la couche d'oxyde jusqu'à l'interface SiO₂/Si et continuent de réagir avec les atomes de silicium. La majeure partie de l’hydrogène généré s’échappe de l’interface, tandis qu’une partie se combine à l’oxygène pour former des groupes hydroxyle (-OH).

Le film SiO₂ produit par oxydation à la vapeur a une structure silanol avec des atomes d'oxygène non pontants, où chaque atome d'oxygène se lie à un seul atome de silicium. De tels films d'oxyde sont moins denses et ont une mauvaise répétabilité du processus. Les groupes hydroxyle absorbent facilement l'humidité et rendent le film polaire, conduisant à une mauvaise adhérence avec la résine photosensible non polaire et à un soulèvement fréquent de la résine photosensible. En raison de sa structure lâche, l'oxydation à la vapeur se déroule beaucoup plus rapidement que l'oxydation à sec.

Oxydation humide de l'oxygène

Pour l'oxydation humide de l'oxygène, l'oxygène gazeux traverse de l'eau désionisée chauffée de haute pureté avant d'entrer dans la chambre de réaction, de sorte que l'oxygène transporte une certaine concentration de vapeur d'eau. La teneur en vapeur d'eau est déterminée par la température et le débit de gaz. Ce procédé combine les caractéristiques de l'oxydation sèche et de l'oxydation à la vapeur. Son taux d'oxydation est supérieur à l'oxydation sèche mais inférieur à l'oxydation à la vapeur. En termes de qualité de film, l’oxydation humide à l’oxygène est inférieure à l’oxydation sèche mais supérieure à l’oxydation à la vapeur.

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