Trocken- vs. Nassoxidation: Wachstumsrate, Qualität, Temperatur
Beide sind thermische Oxidationsverfahren, bei denen Silizium bei hoher Temperatur zu SiO2 oxidiert wird, sie verwenden aber unterschiedliche Oxidationsmittel. Die Trockenoxidation nutzt trockenen Sauerstoff (O2); sie wächst langsam, liefert aber dichte, hochwertige Schichten mit wenigen Grenzflächenzuständen und wurde daher für dünne Gateoxide eingesetzt. Die Nassoxidation nutzt Wasserdampf (H2O); da sich H2O in SiO2 weit besser löst als O2, wächst das Oxid etwa einige Male bis zehnmal schneller. Deshalb wird sie für dicke Schichten wie LOCOS-Feldoxide oder Masken verwendet.
| Merkmal | Trockenoxidation | Nassoxidation |
|---|---|---|
| Oxidationsmittel | Trockener Sauerstoff (O2) | Wasserdampf (H2O). Üblich ist die Erzeugung durch Verbrennen von Wasserstoff und Sauerstoff am Ofeneingang (pyrogene Oxidation) |
| Reaktionsgleichung | Si + O2 → SiO2 | Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 |
| Wachstumsrate | Langsam. Beispiel: etwa 70 nm bei 1000 °C in 1 Stunde | Schnell (etwa einige Male bis zehnmal schneller als trocken). Beispiel: etwa 400 nm bei 1000 °C in 1 Stunde |
| Grund für schnell bzw. langsam | O2 löst sich nur in geringer Menge in SiO2 | H2O löst sich in SiO2 in einigen hundertfach größerer Menge als O2, sodass viel Oxidationsmittel die Grenzfläche erreicht |
| Schichtqualität und Dichte | Dicht, wenige Grenzflächenzustände, hohe Durchbruchfestigkeit | Etwas geringere Dichte als trocken; Wasserstoff und OH-Gruppen bleiben leicht in der Schicht zurück |
| Temperatur (typischer Bereich) | Etwa 800–1200 °C | Etwa 800–1200 °C. Wegen der hohen Rate lässt sich dieselbe Dicke bei niedrigerer Temperatur oder in kürzerer Zeit erzeugen |
| Kontrolle der Schichtdicke | Wegen der langsamen Rate lassen sich dünne Schichten von einigen nm bis einigen zehn nm präzise einstellen | Wegen der hohen Rate wenig geeignet für die präzise Kontrolle dünner Schichten |
| Behandlung im Deal-Grove-Modell | Beschrieben durch x² + Ax = B(t + τ). Die Anfangsoxidation unter einigen zehn nm verläuft schneller als vom Modell vorhergesagt; daher wird eine Anfangsdicke (etwa 25 nm) in eine Zeit τ umgerechnet und korrigiert | Dieselbe Gleichung passt gut zum Modell. Meist wird τ ≈ 0 gesetzt. Die Ratenkonstanten B und B/A sind viel größer als bei trockener Oxidation |
| Typische Schichtdicke | Einige nm bis einige zehn nm | Einige hundert nm bis etwa 1 µm |
| Hauptanwendungen | Gateoxid, Tunneloxid, dünnes Pad-Oxid | LOCOS-Feldoxid, Masken für Ionenimplantation und Diffusion, dicke Isolierschichten |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.