M-MT_Thermische Oxidation V3

Thermische Oxidation
zur Herstellung von SiO2 Schichten (sehr hoher Qualität) aus substrateigenem Si-Material (1000°C)
Verfahren zur SiO2 Bildung
Silizium reagiert mit Sauerstoff, bzw. sauerstoffhaltigen Verbindungen, unter Bildung einer
amorphen, glasartigen Schicht, das Siliziumdioxid.
Auf frisch geätzten (oder gespaltenen) Si-Oberflächen (lagen längere Zeit an Luft) wächst (bei
Raumtemp.) eine Gleichgewichtsdicke SiO2 (kleiner 2nm) für dickere Schichten ist eine Aktivierung
des Oxidationsprozesses notwendig durch Zufuhr von Wärme entweder durch el. Felder od.
Anregung des Sauerstoffs im Plasma
-
Thermische Oxidation: zwischen 500°C und 1200°C in oxidierender Atmosphäre
Plasma Oxidation: bei ca. 400°C in reiner Sauerstoffentladung
CVD Verfahren: je nach Verfahren zwischen 250°C und 750°C
Verfahren der Thermischen Oxidation
dünne Schichten:
Gateoxid (GOX) d= 2 … 8nm (in MOS-Technik)
Streuoxid d= 20 … 50nm (für Implantation)
dicke Schichten:
Feldoxid (FOX) d= 200 … 400nm
Maskierungsoxid d= 200 ... 500nm
Oxidationsvorgang
1. Transport Sauerstoff zur Waferoberfläche und Adsorption
2. Diffusion Sauerstoff (Oxidanten) zur Grenzfläche Si/SiO2 (=wachsende Oxidschicht)
3. chemische Reaktion (Oxidation) des Sauerstoffs mit dem Silizium an der Grenzfläche Beschichtungsprozess: keine Schicht im eigentlichen Sinn auf ein Substrat aufgebracht, sondern das
Substrat wird an der Oberfläche umgewandelt. Im Unterschied zu einer Beschichtung liegt ein Teil
der späteren Schicht im Bereich des vorherigen Siliziumsubstrats. Das Silizium wird
sozusagen „verbraucht“.
Grenzschicht wandert in Silizium hinein
Oxid wächst erst schnell, dann immer langsamer (√-Funktion)
Volume expandiert (nimmt zu), da O2 eingebaut wird: Umwandlung 1μm Si in 2,2μm Oxid
zur Bildung einer SiO2-Schicht der Dicke dox wir eine Siliziumschicht der Dicke dSi= 0,44*dox
verbraucht
entstehende Oxidschicht liegt zu 44% unterhalb und 56% oberhalb des Ausgangssubstrats
Zusammenfassung Mikrotechnologien, Thermische Oxidation
- www.BHP.isdrin.de -
Seite 1
Die aufgewachsenen SiO2 Schichten sind i.d.R. amorph (glasartig), d.h. SiO4—Tetraeder sind im
Gegensatz zum Kristall regellos aneinander zugeordnet (Si4+ im Zentrum Tetraeder und 02- an Ecken)
(
Thermodyn. GG: 2 Si(s) + O2(g) 2 SiO (s)
)
Si(s) + O2(g) SiO2(s)
SiO2(s) + Si(s) 2 SiO(g)
Oxidationsarten
- Oxidation im trockenen Sauerstoff (Trockenoxidation) für GOX
⟶ - im reinen Sauerstoff
- hohe Oxidationstemperaturen (900 … 1200 °C), da ddOx rel. gering
- saubere Schichten, hohe Dichte
- hohe elektr. Durchbruchstabilität
- durch Zusatz von HCL (HCL Oxidation) oder Cl-haltiger Gase kann Qualität Oxidschicht
weiter verbessert werden, da dadurch weniger Alkaliionen in die SiO2 Schicht eingebaut
werden (Alkaliionen reagieren bei den hohen Temperaturen dann zu gasförmigen Salzen
[NaCl, KCl] abführen)
Schichtdicke abhängig von T und t
- Oxidation im Wasserdampf (Feuchtoxidation) für FOX
2 ⟶ 2
- Wasserdampf in Oxidationsrohr bringen: durch Beladen eines Trägergases (O2, N2) mit
Wasserdampf oder Synthese von H20 durch Reaktion von H2 mit O2 im Oxidationsrohr
- Höhere Wachstumsgeschwindigkeit (H2O-Moleküle diffundieren schneller durch Oxidschicht)
- rel. niedrige Oxidationstemperaturen (ca. 900 °C)
- weniger dicht (d.h. für Verunreinigungen durchlässiger
- schlechtere elektronische Eigenschaften geringere elektr. Durchschlagfestigkeit
Ablauf:
Trockenoxidation
Zusammenfassung Mikrotechnologien, Thermische Oxidation
Feuchtoxidation
- www.BHP.isdrin.de -
Seite 2
Weitere Oxidationsverfahren
Hochdruckoxidation: zur Senkung der Oxidationstemperatur
Rapid-Thermal-Processing: rasche Erhitzung des Wafers mit Halogenlampe Prozessdauer im
Sekundenbereich Minimierung von Diffusionsprozessen im Silizium
Verwendung: zur Ausheilung v. Defekten im Einkristall nach Ionenimplantation (Rekristallisation)
Anodische Oxidation: - O2-Plasma + Si-Scheibe trocken
- nasschem. Oxidation in wässrigen Lösungen bei angelegter el. Spannung
Oxidation von Poly-Si und Siliziumnitrid:
- Poly-Si: ähnliche Oxidation wie bei Silizium (kristallin) (bei hoher Dotierung)
- SN: Umwandlung oberflächennahen Bereich in SiO2
- SiOxNy-Oxinitride (ONO): während Oxidation Mischen von 02 und N2 bessere
Diffusionsbarriere gegen Dotanten und andere Verunreinigungen
Eigenschaften
a) allgemein
- Schichtdicke
- Struktur SiO2: amorph (Tetraeder bilden regelloses Netzwerk) erwünscht
kristallin (regelmäßige Anordnung) unerwünscht
- Durchschlagfestigkeit: ca. 8 ∙ 10 ∙ ∙
- Relative Dielektrizitätskonstante : SiO2: 4 ( )
- Oberflächen Zustandsdichte: 10 !
b) Maskierungseigenschaften
- Barriere gegen Ein-/Ausdiffusion (evtl. selektive Dotierung): eingebaute Dotantenatome
ersetzen Si-Atome es entstehen Gläser (Bor-Silizium-Glas BSG, Phospor-Silizium-Glas BSG)
c) Optische Eigenschaften
- SiO2 ist durchsichtig Strukturen unter der SiO2-Schicht erkennbar
- Brechungsindex n ist nahezu konstant im sichtbaren Bereich Bestimmung durch
Ellipsometrie (Licht ändert bei Reflexion an Grenzschicht(-fläche) Polarisationszustand)
- Thermisches Oxid: Breite der Energielücke: 8 … 9 eV
d) Elektrische Eigenschaften
- Durchbruchfelsstärke = el. Feldstärke, bei der ein starker Stromfluss durch das Oxid hindurch
%
möglich ist: homogenes Feld: "#$ & "#$ )*+,),-./0.,1
'(
Defekte können zu Löchern im Oxid führen schnellerer Durchbruch
e) Mechanische Eigenschaften (Kennwerte)
E-Modul:
Si: 2 3, 56 ∙ 3733 8/::² SiO2: " 0,73 ∙ 10 /²
Zugfestigkeit
Si: >? 6 ∙ 37@ 8/::
SiO2: AB 8,40 ∙ 10D /
Poissonsche Zahl:
Si: E 7, FG
SiO2: H 0,19
!L
Therm. Ausdehnungskoeff.:
Si: J K, FG ∙ 37
SiO2:M 0,55 ∙ 10!
Abhängigkeiten der Oxidationsrate von:
-
-
Kristallorientierung:
lineare Wachstumskonstante: starke Orientungsabhängigkeit (da prop. zur Reaktionsrate)
parabolische Wachstumr.: unabhängig v. Orientierung
Druck (p↑ Löslichkeit von Gasmolekülen in Oxidschicht steigt)
Zeit, Temperatur, Dotierung (Verringerung der Dichte des Oxids Diffusionsgeschw. ↑)
Feuchte
Zusammenfassung Mikrotechnologien, Thermische Oxidation
- www.BHP.isdrin.de -
Seite 3
Deal/Grove-Modell
Oxidationsmittel diffundiert durch die (bereits bestehende) Oxidschicht bis zur Oxid-SiliziumGrenze (dort findet die eigentliche Oxidation des Silizium statt)
Annahme von 3 Flüssen:
je dicker die Oxidschicht, desto langsamer geht die Oxidation von Silizium vonstatten
Merksatz:
Bei dünnen Oxidschichten wird das Schichtwachstum durch die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt,
und es zeigt sich ein lineares Schichtwachstum (bis ca. 30nm)
Bei dicken Oxidschichten bestimmt die Diffussionsgeschwindigkeit das Schichtwachstum – je dicker
die Schicht wird, umso langsamer wächst die sie, es entsteht ein parabolisches Wachstum
Zusammenfassung Mikrotechnologien, Thermische Oxidation
- www.BHP.isdrin.de -
Seite 4