Principais tipos de oxidação térmica

Na fabricação de dispositivos semicondutores de última geração, os filmes de SiO₂ são normalmente formados por meio de processos de oxidação para tratamento de superfície de substrato, e suas aplicações comuns incluem camadas de barreira dopante, camadas de isolamento de superfície, camadas de óxido de porta, óxidos de campo e óxidos de sacrifício. Como os principais processos na fabricação de wafers, com base na atmosfera de oxidação, a oxidação térmica é classificada em oxidação seca, oxidação úmida com oxigênio e oxidação a vapor.

Oxidação Seca

A oxidação a seco é realizada através da introdução de oxigênio puro e seco na câmara de reação. Em altas temperaturas, as moléculas de oxigênio reagem com os átomos de silício na superfície do wafer para formar uma camada inicial de SiO₂, bloqueando o contato direto entre as moléculas de oxigênio e a superfície de silício. No processo de oxidação subsequente, as moléculas de oxigênio devem se difundir através da camada existente de SiO₂ para alcançar a interface Si/SiO₂ para reação adicional. Por esta razão, a interface Si/SiO₂ está em constante mudança, o que resulta em SiOₓ incompleto entre a camada final de óxido e o substrato, levando ainda à formação de estados de interface. A camada de SiO₂ formada pela oxidação a seco apresenta estrutura densa, uniformidade superior e excelente repetibilidade do processo. Eles se ligam firmemente ao fotorresistente não polar, evitam a descamação do fotorresistente e garantem excelente resolução de litografia, tornando-os a melhor escolha para camadas de óxido em contato com o fotorresiste.

A oxidação dopada com cloro é uma variante da oxidação seca. Durante o processo, uma pequena quantidade de compostos gasosos contendo cloro, como cloro gasoso, cloreto de hidrogênio, tricloroetileno ou tricloroetano, é adicionada ao oxigênio seco. O cloro se incorpora à camada de óxido e se acumula próximo à interface SiO₂/Si. Ele captura íons móveis (por exemplo, íons de sódio) e os desativa. Enquanto isso, o cloro forma complexos Cl-Si-O na interface, que neutralizam as cargas da interface e preenchem as lacunas de oxigênio. Isso reduz a densidade do estado da interface e minimiza defeitos no filme de SiO₂. Em altas temperaturas, o cloro reage com impurezas acumuladas em fornos de oxidação usados ​​há muito tempo para formar compostos voláteis que são expelidos para fora da câmara. A oxidação dopada com cloro reduz assim as impurezas no silício, reduz os centros de recombinação e aumenta a vida útil dos portadores minoritários.

Oxidação a Vapor

A oxidação a vapor utiliza vapor de água dentro da câmara de reação. O vapor de água é gerado a partir de água deionizada de alta pureza ou da reação de combustão de hidrogênio e oxigênio gasoso. Em altas temperaturas, o vapor de água reage com o silício na superfície do wafer para formar a camada inicial de SiO₂. As moléculas de água reagem primeiro com o SiO₂ da superfície para formar grupos silanol (Si-OH). Esses grupos se difundem através da camada de óxido até a interface SiO₂/Si e continuam reagindo com os átomos de silício. A maior parte do hidrogênio gerado escapa da interface, enquanto uma porção se combina com o oxigênio para formar grupos hidroxila (-OH).

O filme de SiO₂ produzido pela oxidação a vapor possui uma estrutura de silanol com átomos de oxigênio sem ponte, onde cada átomo de oxigênio se liga a apenas um átomo de silício. Tais filmes de óxido são menos densos e apresentam baixa repetibilidade do processo. Os grupos hidroxila absorvem prontamente a umidade e tornam o filme polar, levando a uma má adesão com fotorresiste não polar e frequente levantamento do fotorresiste. Devido à sua estrutura solta, a oxidação a vapor ocorre muito mais rapidamente do que a oxidação a seco.

Oxidação de oxigênio úmido

Para a oxidação úmida do oxigênio, o gás oxigênio passa através da água deionizada aquecida de alta pureza antes de entrar na câmara de reação, de modo que o oxigênio carregue uma certa concentração de vapor d'água. O teor de vapor de água é determinado pela temperatura e vazão do gás. Este processo combina as características da oxidação a seco e da oxidação a vapor. Sua taxa de oxidação é maior que a oxidação a seco, mas menor que a oxidação a vapor. Em termos de qualidade do filme, a oxidação com oxigênio úmido é inferior à oxidação a seco, mas superior à oxidação com vapor.

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