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.
Nom japonais: 熱酸化
« Oxydation thermique » apparaît dans 22 questions d'entraînement réparties sur 4 thèmes, dont Oxydation et diffusion, Semi-conducteurs de puissance, Croissance épitaxiale.
Domaine: Oxydation et diffusion
L'oxydation sèche fait réagir le silicium avec de l'oxygène gazeux, Si + O2 → SiO2, tandis que l'oxydation humide utilise de la vapeur d'eau, Si + 2H2O → SiO2 + 2H2. L'eau est plusieurs centaines de fois plus soluble dans le SiO2 que l'O2 : l'oxydation humide fait donc croître l'oxyde de plusieurs fois à dix fois plus vite, soit environ 70 nm en sec contre 400 nm en humide après une heure à 1000 °C. L'oxyde humide retient un peu d'hydrogène et est légèrement moins dense : il convient aux couches épaisses d'isolation et de masquage. L'oxyde sec croît lentement, avec un contrôle précis de l'épaisseur et une faible densité d'états d'interface, ce qui en a fait l'oxyde de grille classique.
Le modèle de Deal-Grove décrit l'oxydation comme le transport de l'oxydant du gaz vers la surface de l'oxyde, sa diffusion à travers l'oxyde et sa réaction avec le silicium à l'interface Si/SiO2. L'équilibre de ces flux donne x² + Ax = B(t + τ). Tant que l'oxyde est mince, la réaction d'interface limite la croissance et l'épaisseur augmente linéairement avec le temps, à la vitesse B/A. Une fois l'oxyde plus épais qu'environ A/2, la diffusion devient limitante et l'épaisseur suit la racine carrée du temps : la doubler prend donc environ quatre fois plus longtemps. Une température ou une pression d'oxydant plus élevée accélère les deux régimes.
L'oxyde croît en consommant le substrat : former un film d'épaisseur x consomme environ 0,44x de silicium, si bien que 44 % de l'oxyde se trouve sous la surface d'origine et 56 % au-dessus. L'expansion de volume d'environ 2,2 fois laisse l'oxyde en contrainte de compression. Au-delà d'environ 950 °C, le SiO2 amorphe peut s'écouler de façon visqueuse et relaxer cette contrainte ; à plus basse température, la contrainte ralentit l'oxydation aux coins convexes, qui restent anguleux. Comme le nouvel oxyde se forme toujours à une interface fraîchement créée, l'oxyde thermique présente une interface plus propre qu'un oxyde déposé.
L'oxydation se pratique à environ 800 à 1 200 °C, généralement dans des fours verticaux contenant une centaine de plaquettes. La surface (111) s'oxyde plus vite que la surface (100), d'environ 1,5 fois pour les oxydes minces. L'ajout de quelques pour cent de HCl piège le sodium et les contaminations métalliques et supprime les fautes d'empilement induites par l'oxydation, qui croissent à partir des atomes de silicium interstitiels injectés pendant l'oxydation. Le polysilicium fortement dopé s'oxyde plus vite et donne un oxyde de moins bonne qualité. Le SiO2 thermique a une permittivité relative d'environ 3,9, valeur de référence pour l'épaisseur d'oxyde équivalente (EOT). Pour des films minces indépendants de l'orientation, on utilise l'oxydation radicalaire ISSG.
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.
Réponse : A. Environ 0.44x
En oxydation thermique, le silicium lui-même réagit avec l’oxygène pour former SiO2. Le rapport entre la densité atomique du silicium (environ 5.0×10²² cm⁻³) et la densité moléculaire de SiO2 (environ 2.3×10²² cm⁻³) montre que former un oxyde d’épaisseur x consomme environ 0.44x de silicium. Environ 44% de l’oxyde croît sous la surface initiale et 56% au-dessus, avec une expansion de volume d’environ 2.2 fois. La zone oxydée forme donc une marche, et l’interface est toujours une surface nouvelle et propre.
Environ 0,44 fois l'épaisseur finale de l'oxyde. Faire croître 100 nm de SiO2 consomme environ 44 nm de silicium, et la surface s'élève d'environ 56 nm.
Les molécules d'eau se dissolvent dans le SiO2 à une concentration plusieurs centaines de fois supérieure à celle de l'oxygène : beaucoup plus d'oxydant atteint donc l'interface Si/SiO2. L'oxydation humide est ainsi de plusieurs fois à dix fois plus rapide à température égale.
L'oxyde thermique est obtenu en transformant le substrat de silicium lui-même, ce qui donne un film dense et une interface de grande qualité. L'oxyde CVD est déposé à partir de gaz précurseurs sur n'importe quelle surface sans consommer de silicium, ce qui permet des températures plus basses et des films épais sur des couches autres que le silicium, mais donne une interface de moins bonne qualité.
En oxydation thermique, le silicium lui-même réagit avec l’oxygène pour former SiO2.
Lorsqu’on forme par oxydation thermique du silicium un film…La vitesse d’oxydation thermique, qu’il s’agisse de la réaction à l’interface ou de la diffusion de l’oxydant dans l’oxyde, augmente exponentiellement avec la température.
Si l’on élève la température d’oxydation thermique, comment…L’oxydation thermique du silicium se fait généralement vers 800 à 1,200 ℃, et elle est d’autant plus rapide que la température est élevée.
Quelle plage de température est la plus proche de celle gén…Le SiC peut aussi former du SiO2 par oxydation thermique, mais de nombreux défauts, notamment liés au carbone, subsistent à l'interface : la mobilité du canal tend à être bien inférieure à la mobilité dans le volume du cristal de SiC (environ 1000 cm²/V·s), de l'ordre de quelques dizaines de cm²/V·s.
Lequel des points suivants est connu comme l'un des problèm…Le SiO2 formé par oxydation thermique est une couche amorphe obtenue en consommant le silicium et ne relève pas de la croissance épitaxiale.
Quel est un exemple de croissance hétéroépitaxiale ?Oxydation sèche Oxydation humide Modèle de Deal-Grove Rugosité de bord de ligne (LER) FinFET Tension de seuil Oxyde natif SiC (carbure de silicium) Plasma MOL (middle-of-line)