Principali tipi di ossidazione termica

Nella fabbricazione di dispositivi semiconduttori di fascia alta, i film di SiO₂ vengono generalmente formati tramite processi di ossidazione per il trattamento superficiale del substrato e le loro applicazioni comuni includono strati barriera droganti, strati isolanti superficiali, strati di ossido di gate, ossidi di campo e ossidi sacrificali. Essendo i processi principali nella fabbricazione dei wafer, basati sull'atmosfera di ossidazione, l'ossidazione termica è classificata in ossidazione a secco, ossidazione con ossigeno umido e ossidazione con vapore.

Ossidazione secca

L'ossidazione a secco viene eseguita introducendo ossigeno puro e secco nella camera di reazione. Ad alte temperature, le molecole di ossigeno reagiscono con gli atomi di silicio sulla superficie del wafer per formare uno strato iniziale di SiO₂, bloccando il contatto diretto tra le molecole di ossigeno e la superficie del silicio. Nel successivo processo di ossidazione, le molecole di ossigeno devono diffondersi attraverso lo strato SiO₂ esistente per raggiungere l'interfaccia Si/SiO₂ per un'ulteriore reazione. Per questo motivo, l'interfaccia Si/SiO₂ cambia costantemente, il che si traduce in SiOₓ incompleto tra lo strato di ossido finale e il substrato, portando ulteriormente alla formazione di stati di interfaccia. Lo strato SiO₂ formato mediante ossidazione a secco presenta una struttura densa, un'uniformità superiore e un'eccellente ripetibilità del processo. Si legano saldamente al fotoresist non polare, prevengono il distacco del fotoresist e garantiscono un'ottima risoluzione litografica, rendendoli la scelta migliore per gli strati di ossido a contatto con il fotoresist.

L'ossidazione drogata con cloro è una variante dell'ossidazione a secco. Durante il processo, all'ossigeno secco viene aggiunta una piccola quantità di composti gassosi contenenti cloro come cloro gassoso, acido cloridrico, tricloroetilene o tricloroetano. Il cloro si incorpora nello strato di ossido e si accumula vicino all'interfaccia SiO₂/Si. Intrappola gli ioni mobili (ad esempio gli ioni sodio) e li disattiva. Nel frattempo, il cloro forma complessi Cl-Si-O all'interfaccia, che neutralizzano le cariche di interfaccia e riempiono i posti vacanti di ossigeno. Ciò riduce la densità dello stato dell'interfaccia e minimizza i difetti all'interno del film SiO₂. A temperature elevate, il cloro reagisce con le impurità accumulate nei forni di ossidazione utilizzati a lungo termine per formare composti volatili che vengono scaricati fuori dalla camera. L'ossidazione drogata con cloro riduce quindi le impurità nel silicio, abbassa i centri di ricombinazione e aumenta la durata dei portatori minoritari.

Ossidazione con vapore

L'ossidazione a vapore utilizza il vapore acqueo all'interno della camera di reazione. Il vapore acqueo è generato da acqua deionizzata di elevata purezza o dalla reazione di combustione di idrogeno e ossigeno. Ad alte temperature, il vapore acqueo reagisce con il silicio sulla superficie del wafer per formare lo strato iniziale di SiO₂. Le molecole d'acqua reagiscono prima con la superficie SiO₂ per formare gruppi silanolo (Si-OH). Questi gruppi diffondono attraverso lo strato di ossido fino all'interfaccia SiO₂/Si e continuano a reagire con gli atomi di silicio. La maggior parte dell'idrogeno generato fuoriesce dall'interfaccia, mentre una parte si combina con l'ossigeno per formare gruppi idrossilici (-OH).

Il film di SiO₂ prodotto dall'ossidazione con vapore ha una struttura silanolica con atomi di ossigeno non a ponte, dove ciascun atomo di ossigeno si lega a un solo atomo di silicio. Tali pellicole di ossido sono meno dense e hanno scarsa ripetibilità del processo. I gruppi idrossilici assorbono facilmente l'umidità e rendono la pellicola polare, determinando una scarsa adesione con il fotoresist non polare e un frequente sollevamento del fotoresist. A causa della sua struttura sciolta, l'ossidazione a vapore procede molto più velocemente dell'ossidazione a secco.

Ossidazione dell'ossigeno umido

Per l'ossidazione dell'ossigeno umido, l'ossigeno gassoso passa attraverso acqua deionizzata ad elevata purezza riscaldata prima di entrare nella camera di reazione, in modo che l'ossigeno trasporti una certa concentrazione di vapore acqueo. Il contenuto di vapore acqueo è determinato dalla temperatura e dalla portata del gas. Questo processo combina le caratteristiche dell'ossidazione a secco e dell'ossidazione a vapore. Il suo tasso di ossidazione è superiore all'ossidazione a secco ma inferiore all'ossidazione a vapore. In termini di qualità della pellicola, l’ossidazione con ossigeno umido è inferiore all’ossidazione a secco ma superiore all’ossidazione con vapore.

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