Oxid-Schichten

Bei der thermischen Oxidation wird ein Silizium-Wafer einer Kombination aus Oxidationsmitteln und Hitze ausgesetzt, um eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) zu erzeugen. Diese Schicht wird in der Regel mit Wasserstoff- und/oder Sauerstoffgas erzeugt, obwohl jedes Halogengas verwendet werden kann. Das Wachstum von Siliziumdioxid findet auf Wafern in Umgebungsluft bis zu einer Dicke von etwa 20 Å (Angström) statt. Für die meisten Spezifikationen wird beim thermischen Oxidwachstum jedoch eine Wärmequelle verwendet, um diese Reaktion zu katalysieren und Oxidschichten mit einer Dicke von bis zu 25.000 Å zu erzeugen.

Es gibt zahlreiche Anwendungen für thermische OxidWafer, aber ihr Haupteinsatzgebiet ist die Verwendung als dielektrisches Material und in MEMS-Bauteilen (mikroelektromechanische Systeme).

Es gibt zwei Hauptmethoden für die thermische Oxidation von Silizium-Wafern, und beide erfordern das Wachstum von Sauerstoff auf der Oberfläche des Wafer, wie in Abbildung 1 dargestellt. Dies unterscheidet sich von CVD-Anwendungen, bei denen die Oxidschicht auf der Oberfläche des Wafer abgeschieden wird.

Die erste Methode ist die schnelle thermische Verarbeitung (RTP), die in der Regel bei dünnen trockenen thermischen Oxid- oder Implantatglühanwendungen eingesetzt wird. Bei der RTP werden die Wafer für einen sehr kurzen Zeitraum schnell auf über 1.000°C erhitzt. Nach ein paar Sekunden kühlen die Wafer langsam auf Raumtemperatur ab, um Risse zu vermeiden. Das Ergebnis ist eine dünne Siliziumdioxidschicht, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann.

Die zweite und häufigere Methode ist die Diffusion. Die thermische Oxiddiffusion findet zwischen ~800° und 1.100°C statt, und es gibt zwei Möglichkeiten, diesen Film wachsen zu lassen: 'nass' oder 'trocken'.

Nasses thermisches Oxid

Nasse thermische Oxidschichten sind im Allgemeinen für Anwendungen gedacht, bei denen eine dickere Siliziumdioxidschicht erforderlich ist. Um Verunreinigungen zu vermeiden, wachsen diese Schichten in der Regel in Quarzrohren unter Verwendung einer Kombination aus Hitze und reinem Dampf. Die meisten großen Hersteller verwenden externe Heizelemente, die in einem vom Ofen getrennten Quarzrohr untergebracht sind (siehe Abbildung 2). Einige Systeme verwenden stattdessen eine interne Flamme zum Erhitzen der Wafer, obwohl dies eher ungewöhnlich ist. Während des Oxidationsprozesses wird die Temperatur im externen Heizer auf über 800°C erhöht. Dies führt dazu, dass sich die Gase spontan entzünden und eine blaue Flamme ohne eine Zündquelle erzeugen. Die Flamme erzeugt reinen Dampf, daher der Name nasses thermisches Oxid. Der reine Dampf strömt durch das Rohr, in dem sich die Flamme befindet, in den Ofen, in dem sich die Wafer befinden. Sobald der Dampf in die Quarzkammer eintritt, dehnt er sich aus und verteilt sich gleichmäßig im gesamten Ofen.

Die Wafer, die entweder horizontal stehen (wie in Abbildung 2 gezeigt) oder vertikal gestapelt werden, befinden sich mehrere Stunden lang im Ofen, da die Zeit je nach der angestrebten Schichtdicke variieren kann. Das Wachstum von SiO2 verläuft nicht linear. Wenn also ein Wafer 5 Stunden lang in einem 1.000 °C heißen Ofen liegt, bildet sich eine Oxidschicht von etwa 10.000 Å, und wenn derselbe Wafer 24 Stunden lang im Ofen bleibt, bildet sich eine Schicht von etwa 25.000 Å. Der zweite Wafer war fast fünfmal so lange im Ofen, aber die Oxidschicht ist nur etwa doppelt so dick. Das liegt daran, dass es für Sauerstoff mit zunehmender Oxidschicht schwieriger wird, in die Geräteschicht einzudringen und mit dem Siliziumsubstrat zu interagieren, um SiO2 zu erzeugen.

Trockenes thermisches Oxid

Trockenes thermisches Oxid führt zu einer viel dünneren Siliziumdioxidschicht als nasses Oxid und der Prozess dauert viel länger. Aufgrund dieser Einschränkungen sind trockene Siliziumdioxidschichten nicht dicker als 1.000Å.

Das trockene thermische Oxidwachstum ist ein sehr ähnlicher Prozess wie das nasse thermische Oxid. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei diesem Verfahren molekularer Sauerstoff anstelle von reinem Wasserdampf zur Erzeugung der Bauelementeschicht verwendet wird. Dies führt zu einer hohen Gleichmäßigkeit, einer hohen Durchschlagsfestigkeit und einer hohen Dichte der Siliziumdioxid-Wafer.

Dickes thermisches Oxid

Dickes Oxid ist eine Siliziumdioxidschicht, die größer als 2μm (20.000Å) ist.

Wenn dickere Oxidschichten benötigt werden, werden sie in der Regel mit nassem thermischen Oxid gezüchtet. Diese Technik hat eine viel schnellere Wachstumsrate als trockenes thermisches Oxid und kann zu viel dickeren Siliziumdioxidschichten führen.

Thick Oxide Anwendungen:

Nasses thermisches Oxid wird im Allgemeinen als Barriere auf Dickschicht-Silizium-auf -Isolator-Wafern zwischen dem Griff und dem Träger-Wafer verwendet. Es ist ein Verbrauchsmaterial bei der chemisch-mechanischen Planarisierung (CMP) zum Einbrechen von Werkzeugen und Pads.

Partikel-empfindliches Oxid

Partikelsensitives Oxid ist der Prozess des thermischen Oxidwachstums auf einem Substrat, wobei während des Wachstums so wenig Partikel wie möglich hinzugefügt werden. Um die Wafer vor Partikeln zu schützen, findet die gesamte Verarbeitung in einem Reinraum statt. Auch die AusgangsWafer müssen eine geringe Partikelzahl aufweisen und in der Originalverpackung verpackt sein, um die Kontamination durch Partikel zu minimieren.

Um diese Beschichtung zu erzeugen, werden die Wafer in einem Quarzofen nass oder trocken thermisch oxidiert. Es ist wichtig, einen sauberen Quarzofen zu verwenden, um die Wafer vor Partikeln aus der Umgebung zu schützen.