Épaisseur d’oxyde thermique (modèle de Deal-Grove)

Ce calculateur utilise le modèle de Deal-Grove pour déterminer l’épaisseur d’oxyde (SiO2) formée lorsque le silicium est chauffé sous oxygène ou sous vapeur d’eau. Passez de l’oxydation sèche à l’oxydation humide, des surfaces (100) aux surfaces (111), et modifiez la température et la durée pour voir comment évoluent la vitesse de croissance et le silicium consommé sous le film.

Conditions d’oxydation

Résultats

Épaisseur d’oxyde finale
–
Épaisseur formée
–
Silicium consommé
–
Constante parabolique B
–
Constante linéaire B/A
–

Calcul avec le modèle de Deal-Grove x² + Ax = B(t + τ). Les coefficients proviennent des ajustements d’Arrhenius de Deal et Grove pour le silicium (111) ; pour (100), B/A est divisé par 1,68. Le silicium consommé est pris égal à 0,44 fois l’épaisseur formée. L’oxydation sèche de films très minces, en dessous d’environ 30 nm, est connue pour être plus rapide que ne le prévoit le modèle : considérez les résultats comme des estimations.

L’équation de Deal-Grove

Lors de l’oxydation thermique, un oxydant comme O2 ou H2O diffuse à travers l’oxyde existant et réagit à l’interface avec le silicium pour former un nouvel oxyde. En égalant le flux de diffusion et le flux de réaction, on obtient x² + Ax = B(t + τ). B est la constante parabolique, fixée par la diffusion, B/A est la constante linéaire, fixée par la réaction d’interface, et τ = (xi² + A·xi)/B tient compte d’une épaisseur initiale xi. Avec les valeurs par défaut (oxydation sèche, (100), 1000 °C et 1 heure), B ≈ 0,0104 µm²/h, B/A ≈ 0,0449 µm/h et l’oxyde fait environ 38,5 nm d’épaisseur.

Régimes linéaire et parabolique

Lorsque le film est mince et que t + τ est très inférieur à A²/4B, x ≈ (B/A)(t + τ) : l’épaisseur croît proportionnellement au temps (régime linéaire). La croissance est alors limitée par la réaction d’interface, et comme la réactivité dépend de l’orientation, le silicium (111) s’oxyde plus vite que le (100) ; les conditions par défaut sur (111) donnent environ 54,2 nm. À mesure que le film s’épaissit, l’oxydant met plus de temps à le traverser par diffusion, et la croissance passe en régime parabolique, x² ≈ Bt. Doubler l’épaisseur prend alors environ quatre fois plus de temps, d’où l’aplatissement de la courbe.

Oxydation sèche ou humide

L’oxydation humide (sous vapeur d’eau) est bien plus rapide que l’oxydation sèche, car la solubilité de H2O dans l’oxyde est plusieurs centaines de fois celle de O2. À 1000 °C pendant 1 heure sur (100), l’oxydation sèche forme environ 38,5 nm, contre environ 388 nm pour l’oxydation humide. L’oxydation sèche est assez lente pour contrôler précisément l’épaisseur et donne un film dense avec peu d’états d’interface ; elle sert donc aux films minces comme les oxydes de grille. L’oxydation humide est utilisée pour les films épais de plusieurs centaines de nanomètres ou plus, comme l’oxyde de champ LOCOS et l’oxyde de masquage.

Consommation de silicium et limites du modèle

L’oxyde croît en consommant du silicium : former un film d’épaisseur x fait disparaître environ 0,44x du silicium d’origine, si bien qu’environ 44 % du film se trouve sous la surface initiale et 56 % au-dessus. Cela compte pour la hauteur de marche et le bec d’oiseau du LOCOS ainsi que pour la forme des structures d’isolation. En oxydation sèche, la croissance initiale en dessous d’environ 30 nm est plus rapide que ne le prévoit le modèle ; Deal et Grove l’ont donc corrigée par une épaisseur initiale (τ) équivalente à environ 20 à 25 nm. Les oxydes de grille de quelques nanomètres seulement sont ajustés par la mesure.

S’entraîner sur l’oxydation et la diffusion

Lorsqu’on forme par oxydation thermique du silicium un film de SiO2 d’épaisseur x, quelle épaisseur de silicium est approximativement consommée ?

  1. AEnviron 0.44x
  2. BEnviron 1.0x
  3. CEnviron 2.2x
Afficher la réponse et l'explication

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.

Lorsque l’oxyde est devenu suffisamment épais en oxydation thermique, quelle est la relation entre son épaisseur et la durée d’oxydation ?

  1. AL’épaisseur est à peu près proportionnelle à la racine carrée du temps (loi parabolique)
  2. BL’épaisseur est proportionnelle au carré du temps
  3. CL’épaisseur est constante, indépendamment du temps
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : A. L’épaisseur est à peu près proportionnelle à la racine carrée du temps (loi parabolique)

Le modèle de Deal-Grove donne x² + Ax = B(t + τ) : tant que le film est mince, la réaction à l’interface est limitante et l’épaisseur est à peu près proportionnelle au temps (loi linéaire, x ≈ (B/A)t) ; lorsqu’il s’épaissit, la diffusion de l’oxydant dans le film devient limitante et l’épaisseur est proportionnelle à la racine carrée du temps (loi parabolique, x ≈ √(Bt)). Par exemple, doubler l’épaisseur demande environ 4 fois plus de temps. Les oxydes épais prenant plus de temps, on accélère la croissance par haute température, oxydation humide ou haute pression.

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
Afficher la réponse et l'explication

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.

Lors de la formation par oxydation sèche d’oxydes minces de quelques dizaines de nm ou moins, quel écart au modèle de Deal-Grove est connu ?

  1. AL’oxydation initiale est plus rapide que ne le prédit le modèle
  2. BL’oxydation ne progresse pas du tout
  3. CL’oxyde devient conducteur
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : A. L’oxydation initiale est plus rapide que ne le prédit le modèle

Le modèle de Deal-Grove décrit bien la croissance des oxydes épais, mais en oxydation sèche, dans le régime initial où l’épaisseur est de quelques dizaines de nm ou moins, l’oxydation réelle est plus rapide que ne le prédit le modèle. On évoque comme causes d’autres chemins de l’oxydant à travers le film mince et l’effet des contraintes près de l’interface. Le modèle corrige ce régime par une épaisseur initiale (τ, équivalent à environ 20 nm), mais fixer l’épaisseur d’un oxyde de grille de quelques nm exige une mise au point des conditions par mesures réelles.

Questions fréquentes

Quelle quantité de silicium est consommée lorsqu’on forme 100 nm d’oxyde ?

Environ 0,44 fois cette épaisseur, soit 44 nm. Environ 44 nm du nouvel oxyde se trouvent sous la surface initiale du silicium et les 56 nm restants au-dessus. Ce calculateur multiplie l’épaisseur formée par 0,44.

Doubler la durée d’oxydation double-t-il l’épaisseur ?

Seulement en régime linéaire, pour les films minces. En régime parabolique, l’épaisseur n’est multipliée que par √2 ≈ 1,4. En oxydation humide du silicium (100) à 1000 °C, par exemple, 1 heure donne environ 388 nm et 2 heures environ 610 nm, soit environ 1,6 fois, entre les deux limites.

Pourquoi le silicium (100) et le silicium (111) s’oxydent-ils à des vitesses différentes ?

La constante linéaire B/A, qui décrit la réaction d’interface, dépend de l’arrangement des atomes en surface. La surface (111) offre davantage de liaisons disponibles pour la réaction, si bien que son B/A est environ 1,68 fois celui de (100). La constante B, limitée par la diffusion, ne dépend pas de l’orientation ; l’écart diminue donc à mesure que le film s’épaissit.

Termes associés

Oxydation thermique Modèle de Deal-Grove Oxydation sèche Oxydation humide LOCOS États d'interface

Calculateurs pour semi-conducteurs

Calculateur de dies par wafer et de rendementPuces par plaquette, rendement (Poisson, Murphy, binomiale négative) et coût par puce bonne, avec carte de plaquetteCalculateur de résolution et de profondeur de foyer en lithographieRésolution (demi-pas), profondeur de foyer et découpage du pas à partir de λ, NA et k1Calculateur de timing setup et holdMarges (slack) de setup et de hold et fréquence d'horloge maximale d'un chemin bascule à basculeCaractéristiques I-V du MOSFET (ID–VDS)Modifiez Vth, W/L et λ et voyez les courbes ID–VDS et le point de fonctionnement : régime, ID, gm et roCréer une série de questionsChoisissez des thèmes et un nombre de questions pour obtenir un lien de quiz à partager en cours ou en formationCalculateur de température de jonction et de résistance thermiqueTempérature de jonction, marge jusqu’à Tj(max) et puissance maximale d’après la puissance dissipée et la résistance thermiqueCalculateur de bande passante mémoireBande passante crête et effective de DDR, LPDDR, GDDR et HBM d’après le débit de transfert et la largeur de busSNR et nombre effectif de bits (ENOB) d’un ADCSNR et nombre effectif de bits d’un ADC d’après la résolution, la gigue d’horloge et le suréchantillonnageLoi d’Amdahl et accélération parallèleFacteur d’accélération et efficacité parallèle d’après la fraction parallèle et le nombre de processeurs, selon les lois d’Amdahl et de GustafsonDécoupage d’adresse d’un cache et temps d’accès mémoire moyenBits d’étiquette, d’index et d’offset et temps d’accès mémoire moyen d’après la taille du cache, la taille de ligne et l’associativitéConsommation d’un circuit CMOS (dynamique et statique)Consommation dynamique et statique d’après le facteur d’activité, la capacité, la tension, la fréquence et la fuite, et puissance après DVFSPotentiel de diffusion et largeur de la zone de déplétion d’une jonction PNPotentiel de diffusion, largeur de la zone de déplétion, champ maximal et capacité d’une jonction PN d’après le dopage et la polarisation inverse