Термическое оксидирование

Печи для диффузии и термического оксидирования (LAAS, Тулуза, Франция)

Оксидирование кремния (Si) — процесс создания оксидной плёнки (диоксида кремния SiO₂) на поверхности кремниевой подложки.

Задача оксидирования — вырастить высококачественный слой оксида на подложке из кремния. Оксид кремния получается в процессе химической реакции между кислородом и кремнием. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность подложки, нагретой в печи. В качестве окислительной среды обычно используется сухой или влажный (с паром) кислород.

Химическая реакция

Термическое оксидирование кремния обычно производят при температурах между 800 и 1200°C. В результате получается слой высокотемпературного оксида (High Temperature Oxide layer). Это может производиться как в парах воды, так и когда в роли окислителя выступает молекулярный кислород, что, соответственно, называется влажным (wet) или сухим (dry) окислением. При этом происходит одна из следующих реакций:

[math]\displaystyle{ \rm Si + 2H_2O \rightarrow SiO_2 + 2H_{2\ (g)} }[/math]

[math]\displaystyle{ \rm Si + O_2 \rightarrow SiO_2 }[/math]

Окислительная среда может также содержать несколько процентов соляной кислоты. Хлор удаляет ионы металла, что могут присутствовать в оксиде.

Применение слоёв SiO₂

Щелевая изоляция из диоксида кремния (STI) в современных МОП-транзисторах

Слои диоксида кремния используются в электронике:

• как маска для диффузии легирующих примесей
• для пассивации поверхности полупроводников
• для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга
• в качестве подзатворного диэлектрика
• в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти
• в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией
• как составная часть шаблона для рентгеновской литографии

Достоинства SiO₂

• SiO₂ — "родной" для кремния материал, поэтому легко из него получается
• SiO₂ можно легко стравить с подложки с помощью плавиковой кислоты (HF), не повредив кремний
• SiO₂ является барьером для диффузии бора, фосфора, мышьяка
• SiO₂ является хорошим изолятором (имеет высокую напряжённость пробоя)
• SiO₂ стабилен до 10⁻⁹ Тор (10⁻⁷ Па) и T > 900 °C
• SiO₂ не растворяется в воде

Режимы термического оксидирования

• T = 700 — 1300 °C
• p = 0,2 — 1,0 атм
• толщина слоя SiO₂ : 0,03 — 2 мкм
• длительность процесса: 3 — 6 часов

Виды термического оксидирования

• Сухое оксидирование
• Влажное оксидирование
• Паровое оксидирование