Oxydation sèche vs humide : vitesse, qualité du film et usages

Toutes deux sont des oxydations thermiques qui forment du SiO2 en oxydant le silicium à haute température, mais elles n'utilisent pas le même oxydant. L'oxydation sèche utilise de l'oxygène sec (O2) : la croissance est lente, mais elle donne un film dense et de bonne qualité avec peu d'états d'interface, d'où son utilisation pour les oxydes de grille minces. L'oxydation humide utilise de la vapeur d'eau (H2O) : comme H2O est beaucoup plus soluble que O2 dans SiO2, la croissance est de quelques fois à environ 10 fois plus rapide. Elle sert donc aux films épais comme l'oxyde de champ LOCOS et les masques.

CritèreOxydation sècheOxydation humide
OxydantOxygène sec (O2)Vapeur d'eau (H2O). On la produit généralement en brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène à l'entrée du four (oxydation pyrogénique)
Équation de réactionSi + O2 → SiO2Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
Vitesse de croissanceLente. Ex. : environ 70 nm en 1 heure à 1000 °CRapide (de quelques fois à environ 10 fois celle de l'oxydation sèche). Ex. : environ 400 nm en 1 heure à 1000 °C
Raison de la différence de vitesseO2 est peu soluble dans SiO2H2O est plusieurs centaines de fois plus soluble que O2 dans SiO2, si bien que beaucoup d'oxydant atteint l'interface
Qualité et densité du filmDense, peu d'états d'interface, bonne tenue au claquage diélectriqueUn peu moins dense que l'oxyde sec ; de l'hydrogène et des groupes OH restent facilement dans le film
Température (plage typique)Environ 800–1200 °CEnviron 800–1200 °C. La croissance étant rapide, la même épaisseur peut être obtenue à plus basse température ou en moins de temps
Contrôle de l'épaisseurLa croissance lente permet de contrôler précisément des films minces de quelques nm à quelques dizaines de nmLa croissance rapide se prête mal au contrôle précis des films minces
Traitement dans le modèle de Deal-GroveDécrite par x² + Ax = B(t + τ). L'oxydation initiale en dessous de quelques dizaines de nm est plus rapide que ne le prévoit le modèle ; on corrige en convertissant une épaisseur initiale (environ 25 nm) en un temps τMême équation, bon accord avec le modèle. On pose souvent τ ≈ 0. Les constantes de vitesse B et B/A sont bien plus grandes qu'en oxydation sèche
Épaisseur typiqueDe quelques nm à quelques dizaines de nmDe quelques centaines de nm à environ 1 µm
Usages principauxOxyde de grille, oxyde tunnel, oxyde tampon (pad oxide) minceOxyde de champ LOCOS, masques d'implantation ionique et de diffusion, isolants épais

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Oxydation sèche
Lorsque le film peut être mince mais que la qualité de l'interface et la précision de l'épaisseur priment. Par exemple l'oxyde de grille d'un MOSFET ou l'oxyde tampon mince placé sous un film de nitrure.
Oxydation humide
Lorsqu'il faut obtenir un oxyde épais en peu de temps. Par exemple l'oxyde de champ LOCOS, les masques de diffusion ou d'implantation et les isolants épais autour des composants.
Combinaison
On les combine parfois dans cet ordre : oxydation sèche pour former l'interface, oxydation humide pour gagner de l'épaisseur, puis de nouveau oxydation sèche pour la finition.

Questions fréquentes

Pourquoi l'oxydation humide est-elle plus rapide que l'oxydation sèche ?

L'oxydation se produit à l'interface entre SiO2 et silicium, si bien que l'oxydant doit diffuser à travers le film pour atteindre l'interface. H2O est plusieurs centaines de fois plus soluble que O2 dans SiO2 : la concentration d'oxydant dans le film est plus élevée et la quantité qui atteint l'interface augmente. Dans le modèle de Deal-Grove, cela se traduit par des constantes de vitesse B et B/A plus grandes.

Pourquoi utilise-t-on l'oxydation sèche pour les oxydes de grille ?

Parce que l'oxyde sec est dense, présente peu d'états à l'interface avec le silicium et résiste bien au claquage diélectrique. Sa croissance lente permet en outre de contrôler précisément une épaisseur de quelques nm. Dans les grilles avancées, il a été remplacé par des films high-k, mais la très fine couche d'interface en SiO2 située en dessous reste importante.

Pourquoi seule l'oxydation sèche nécessite-t-elle une correction dans le modèle de Deal-Grove ?

Parce qu'on sait que l'oxydation sèche progresse plus vite que ne le prévoit le modèle tant que le film est plus mince que quelques dizaines de nm. On considère donc que la croissance rapide initiale forme un film d'environ 25 nm, et on l'ajoute à l'équation sous forme d'un temps τ. L'oxydation humide concorde bien avec le modèle, et l'on pose souvent τ ≈ 0.

Quelle quantité de silicium l'oxydation thermique consomme-t-elle ?

C'est la même chose en oxydation sèche et humide : le silicium consommé correspond à environ 44 % de l'épaisseur de l'oxyde formé. L'oxyde croît pour environ 56 % au-dessus de la surface d'origine et pour environ 44 % en dessous.

Vérifier vos connaissances

Pour l’oxydation thermique du silicium, quelle comparaison entre oxydation sèche (O2) et oxydation humide (H2O) est correcte ?

  1. AL’oxydation sèche a une vitesse de croissance d’oxyde plus élevée
  2. BL’oxydation humide a une vitesse de croissance d’oxyde plus élevée
  3. CLes deux ont la même vitesse de croissance
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Réponse : B. L’oxydation humide a une vitesse de croissance d’oxyde plus élevée

Dans l’oxydation humide à la vapeur d’eau, la solubilité de l’oxydant H2O dans SiO2 est plusieurs centaines de fois supérieure à celle de O2, si bien que la croissance est de plusieurs fois à environ 10 fois plus rapide qu’en oxydation sèche. Par exemple, à 1000 ℃ pendant 1 heure, on obtient environ 70 nm en sec et environ 400 nm en humide. Elle convient à l’isolation des composants et aux masques, qui exigent des films épais. L’oxydation sèche, plus lente, donne un film dense de bonne qualité avec peu d’états d’interface et une épaisseur facile à contrôler ; elle a été utilisée pour les oxydes de grille minces.

Selon le modèle de Deal-Grove, où se déroule l’oxydation thermique ?

  1. AÀ la surface extrême de l’oxyde, où les atomes de silicium réagissent avec l’oxydant
  2. BLes atomes de silicium diffusent jusqu’à la surface de l’oxyde pour y réagir
  3. CL’oxydant diffuse à travers l’oxyde et réagit avec le silicium à l’interface Si/SiO2
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Réponse : C. L’oxydant diffuse à travers l’oxyde et réagit avec le silicium à l’interface Si/SiO2

Le modèle de Deal-Grove (1965) considère que l’oxydant passe de la phase gazeuse à la surface de l’oxyde, diffuse dans le film et réagit à l’interface avec le silicium pour former un nouvel oxyde. L’oxyde croît donc côté interface, et l’interface est toujours une surface nouvelle. Plus l’oxyde s’épaissit, plus la distance de diffusion s’allonge et plus la croissance ralentit. En égalant les flux de ces trois étapes, on exprime les lois linéaire et parabolique en une seule équation.

Selon le modèle de Deal-Grove, quelle est la relation entre épaisseur d’oxyde et temps au début de l’oxydation thermique (lorsque l’oxyde est encore mince) ?

  1. AL’épaisseur est proportionnelle à la racine carrée du temps
  2. BL’épaisseur est à peu près proportionnelle au temps (croissance linéaire)
  3. CL’épaisseur est constante, indépendamment du temps
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Réponse : B. L’épaisseur est à peu près proportionnelle au temps (croissance linéaire)

Tant que l’oxyde est mince, l’oxydant le traverse facilement et c’est la vitesse de réaction à l’interface qui est limitante ; l’épaisseur augmente à peu près proportionnellement au temps (loi linéaire, constante de vitesse B/A). Lorsque le film s’épaissit, la diffusion de l’oxydant dans le film devient limitante et l’épaisseur devient proportionnelle à la racine carrée du temps (loi parabolique, constante de vitesse B). La transition se situe vers une épaisseur d’environ A/2, soit quelques dizaines de nm à environ 100 nm en oxydation sèche.

  1. Lorsque l’oxyde est devenu suffisamment épais en oxydation thermique, quelle est la relation entre son épaisseur et la durée d’oxydation ?
  2. Quelle réaction chimique se produit lors de l’oxydation thermique sèche du silicium ?
  3. Quelle est la relation générale entre l’épaisseur de l’oxyde de champ utilisé pour l’isolation des composants, comme en LOCOS, et celle de l’oxyde de grille des MOSFET ?

Questions d'entraînement sur Oxydation et diffusion

Termes clés expliqués

Oxydation sèche
Oxydation thermique sous oxygène sec. La croissance est lente mais donne un oxyde dense et de bonne qualité, utilisé notamment comme oxyde de grille.
Oxydation humide
Oxydation thermique sous atmosphère contenant de la vapeur d'eau. Plus rapide que l'oxydation sèche ; utilisée pour former des oxydes épais.
Modèle de Deal-Grove
Modèle de l'oxydation thermique du silicium où l'oxydant diffuse dans l'oxyde puis réagit avec le silicium à l'interface Si/SiO2. Pour un film mince, l'épaisseur est proportionnelle au temps ; pour un film épais, à la racine carrée du temps.
Oxydation thermique
Méthode consistant à chauffer le silicium dans de l'oxygène ou de la vapeur d'eau pour former un film de SiO2 en surface. On distingue l'oxydation sèche et l'oxydation humide.
LOCOS
Méthode d'isolation entre composants consistant à oxyder fortement uniquement les zones non couvertes de nitrure. Elle crée en bordure une avancée en bec d'oiseau (bird's beak) ; elle a été remplacée par la STI.

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