Hauptarten der thermischen Oxidation

Bei der Herstellung von High-End-Halbleiterbauelementen werden SiO₂-Filme typischerweise über Oxidationsprozesse zur Oberflächenbehandlung von Substraten gebildet. Zu ihren üblichen Anwendungen gehören Dotierstoffbarrierenschichten, Oberflächenisolationsschichten, Gateoxidschichten, Feldoxide und Opferoxide. Als Kernprozesse bei der Waferherstellung wird die thermische Oxidation basierend auf der Oxidationsatmosphäre in Trockenoxidation, Nassoxidation mit Sauerstoff und Dampfoxidation eingeteilt.

Trockene Oxidation

Die Trockenoxidation erfolgt durch Einleiten von reinem und trockenem Sauerstoff in die Reaktionskammer. Bei hohen Temperaturen reagieren Sauerstoffmoleküle mit Siliziumatomen auf der Waferoberfläche und bilden eine erste SiO₂-Schicht, die den direkten Kontakt zwischen Sauerstoffmolekülen und der Siliziumoberfläche blockiert. Im anschließenden Oxidationsprozess müssen Sauerstoffmoleküle durch die bestehende SiO₂-Schicht diffundieren, um zur weiteren Reaktion die Si/SiO₂-Grenzfläche zu erreichen. Aus diesem Grund verändert sich die Si/SiO₂-Grenzfläche ständig, was zu unvollständigem SiOₓ zwischen der endgültigen Oxidschicht und dem Substrat führt, was wiederum zur Bildung von Grenzflächenzuständen führt. Die durch Trockenoxidation gebildete SiO₂-Schicht zeichnet sich durch eine dichte Struktur, hervorragende Gleichmäßigkeit und hervorragende Prozesswiederholbarkeit aus. Sie verbinden sich fest mit unpolarem Fotolack, verhindern das Ablösen des Fotolacks und gewährleisten eine hohe Lithographieauflösung, was sie zur besten Wahl für mit Fotolack in Kontakt stehende Oxidschichten macht.

Die mit Chlor dotierte Oxidation ist eine Variante der Trockenoxidation. Während des Prozesses wird dem trockenen Sauerstoff eine geringe Menge chlorhaltiger gasförmiger Verbindungen wie Chlorgas, Chlorwasserstoff, Trichlorethylen oder Trichlorethan zugesetzt. Chlor baut sich in die Oxidschicht ein und reichert sich in der Nähe der SiO₂/Si-Grenzfläche an. Es fängt mobile Ionen (z. B. Natriumionen) ein und deaktiviert sie. Unterdessen bildet Chlor an der Grenzfläche Cl-Si-O-Komplexe, die Grenzflächenladungen neutralisieren und Sauerstofflücken füllen. Dies verringert die Grenzflächenzustandsdichte und minimiert Defekte innerhalb des SiO₂-Films. Bei hohen Temperaturen reagiert Chlor mit Verunreinigungen, die sich in langfristig genutzten Oxidationsöfen angesammelt haben, und bildet flüchtige Verbindungen, die aus der Kammer ausgestoßen werden. Die mit Chlor dotierte Oxidation reduziert somit Verunreinigungen im Silizium, senkt die Rekombinationszentren und erhöht die Lebensdauer der Minoritätsträger.

Dampfoxidation

Bei der Dampfoxidation wird Wasserdampf in der Reaktionskammer genutzt. Der Wasserdampf wird aus hochreinem entionisiertem Wasser oder durch die Verbrennungsreaktion von Wasserstoff- und Sauerstoffgas erzeugt. Bei hohen Temperaturen reagiert Wasserdampf mit Silizium auf der Waferoberfläche und bildet die erste SiO₂-Schicht. Wassermoleküle reagieren zunächst mit dem Oberflächen-SiO₂ unter Bildung von Silanolgruppen (Si-OH). Diese Gruppen diffundieren durch die Oxidschicht zur SiO₂/Si-Grenzfläche und reagieren weiter mit Siliziumatomen. Der größte Teil des erzeugten Wasserstoffs entweicht aus der Grenzfläche, während sich ein Teil mit Sauerstoff zu Hydroxylgruppen (-OH) verbindet.

Der durch Dampfoxidation erzeugte SiO₂-Film hat eine Silanolstruktur mit nicht verbrückenden Sauerstoffatomen, wobei jedes Sauerstoffatom nur an ein Siliziumatom bindet. Solche Oxidfilme sind weniger dicht und weisen eine schlechte Wiederholbarkeit des Prozesses auf. Die Hydroxylgruppen absorbieren leicht Feuchtigkeit und machen den Film polar, was zu einer schlechten Haftung mit unpolarem Fotolack und häufigem Ablösen des Fotolacks führt. Aufgrund seiner lockeren Struktur verläuft die Dampfoxidation viel schneller als die Trockenoxidation.

Nasse Sauerstoffoxidation

Bei der nassen Sauerstoffoxidation strömt Sauerstoffgas vor dem Eintritt in die Reaktionskammer durch erhitztes, hochreines entionisiertes Wasser, sodass der Sauerstoff eine bestimmte Konzentration an Wasserdampf mit sich führt. Der Wasserdampfgehalt wird durch Temperatur und Gasdurchfluss bestimmt. Dieses Verfahren vereint die Eigenschaften der Trockenoxidation und der Dampfoxidation. Seine Oxidationsrate ist höher als bei der Trockenoxidation, aber niedriger als bei der Dampfoxidation. Hinsichtlich der Filmqualität ist die Nassoxidation mit Sauerstoff der Trockenoxidation unterlegen, der Dampfoxidation jedoch überlegen.

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