Droge versus natte oxidatie: groeisnelheid, kwaliteit en gebruik

Beide zijn vormen van thermische oxidatie waarbij silicium bij hoge temperatuur wordt geoxideerd tot SiO2, maar ze gebruiken een ander oxidant. Droge oxidatie gebruikt droge zuurstof (O2): de groei is langzaam, maar levert een dichte laag van goede kwaliteit met weinig grensvlaktoestanden, en wordt daarom gebruikt voor dunne gate-oxides. Natte oxidatie gebruikt waterdamp (H2O); omdat H2O veel beter oplost in SiO2 dan O2, groeit de laag enkele tot ongeveer 10 keer sneller. Daarom wordt ze gebruikt voor dikke lagen zoals LOCOS-veldoxide en maskers.

KenmerkDroge oxidatieNatte oxidatie
OxidantDroge zuurstof (O2)Waterdamp (H2O). Gebruikelijk is een methode waarbij waterstof en zuurstof aan de ingang van de oven worden verbrand (pyrogene oxidatie)
ReactievergelijkingSi + O2 → SiO2Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
GroeisnelheidLangzaam. Bijv.: ongeveer 70 nm in 1 uur bij 1000 °CSnel (enkele tot ongeveer 10 keer zo snel als droog). Bijv.: ongeveer 400 nm in 1 uur bij 1000 °C
Reden voor snel of langzaamO2 lost maar in kleine hoeveelheid op in SiO2H2O lost enkele honderden keren beter op in SiO2 dan O2, zodat veel oxidant het grensvlak bereikt
Laagkwaliteit en dichtheidDicht, met weinig grensvlaktoestanden en een hoge doorslagvastheidIets minder dicht dan droog; waterstof en OH-groepen blijven gemakkelijk in de laag achter
Temperatuur (typisch bereik)Ongeveer 800–1200 °COngeveer 800–1200 °C. Omdat de groei snel is, kan dezelfde dikte bij lagere temperatuur of in kortere tijd worden gemaakt
Beheersbaarheid van de dikteDoor de langzame groei zijn dunne lagen van enkele nm tot enkele tientallen nm nauwkeurig te beheersenDoor de snelle groei niet geschikt voor nauwkeurige beheersing van dunne lagen
Behandeling in het Deal-Grove-modelBeschreven door x² + Ax = B(t + τ). De beginoxidatie onder enkele tientallen nm verloopt sneller dan het model voorspelt; daarom wordt een begindikte (ongeveer 25 nm) als correctie omgerekend naar een tijd τZelfde vergelijking, goede overeenstemming met het model. Vaak wordt τ ≈ 0 genomen. De snelheidsconstanten B en B/A zijn veel groter dan bij droog
Typische laagdikteEnkele nm tot enkele tientallen nmEnkele honderden nm tot ongeveer 1 µm
Belangrijkste toepassingenGate-oxide, tunneloxide, dun padoxideLOCOS-veldoxide, maskers voor ionenimplantatie en diffusie, dikke isolatielagen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Droge oxidatie
Wanneer de laag dun mag zijn, maar de kwaliteit van het grensvlak en de nauwkeurigheid van de dikte voorop staan. Bijvoorbeeld het gate-oxide van een MOSFET of het dunne padoxide onder een nitridelaag.
Natte oxidatie
Wanneer een dik oxide in korte tijd nodig is. Bijvoorbeeld LOCOS-veldoxide, maskers voor diffusie of implantatie en dikke isolatielagen rond componenten.
Combinatie
Soms worden ze in deze volgorde gecombineerd: eerst droge oxidatie voor het grensvlak, dan natte oxidatie voor de dikte, en tot slot nog eens droge oxidatie als afwerking.

Veelgestelde vragen

Waarom is natte oxidatie sneller dan droge oxidatie?

Oxidatie vindt plaats aan het grensvlak tussen SiO2 en silicium, dus het oxidant moet door de laag diffunderen om het grensvlak te bereiken. H2O lost enkele honderden keren beter op in SiO2 dan O2, waardoor de concentratie oxidant in de laag hoger is en er meer het grensvlak bereikt. In het Deal-Grove-model komt dit tot uiting in grotere snelheidsconstanten B en B/A.

Waarom wordt droge oxidatie gebruikt voor gate-oxides?

Omdat een droog oxide dicht is, weinig grensvlaktoestanden met het silicium heeft en een hoge doorslagvastheid heeft. Door de langzame groei is ook een dikte van enkele nm nauwkeurig te beheersen. Bij geavanceerde gates is het oxide vervangen door high-k-lagen, maar de zeer dunne SiO2-grenslaag daaronder blijft belangrijk.

Waarom is in het Deal-Grove-model alleen voor droge oxidatie een correctie nodig?

Omdat bekend is dat droge oxidatie, zolang de laag dunner is dan enkele tientallen nm, sneller verloopt dan het model voorspelt. Daarom wordt aangenomen dat de snelle begingroei een laag van ongeveer 25 nm oplevert, en wordt dat als tijd τ aan de vergelijking toegevoegd. Natte oxidatie komt goed overeen met het model, dus daar wordt vaak τ ≈ 0 genomen.

Hoeveel silicium wordt bij thermische oxidatie verbruikt?

Bij droge en natte oxidatie evenveel: er wordt silicium verbruikt dat overeenkomt met ongeveer 44% van de dikte van het gevormde oxide. Het oxide groeit voor ongeveer 56% boven en voor ongeveer 44% onder het oorspronkelijke oppervlak.

Test uw begrip

Welke vergelijking van droge oxidatie (O2) en natte oxidatie (H2O) bij thermische oxidatie van silicium is juist?

  1. ADroge oxidatie laat de oxidefilm sneller groeien
  2. BNatte oxidatie laat de oxidefilm sneller groeien
  3. CBeide groeisnelheden zijn gelijk
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Natte oxidatie laat de oxidefilm sneller groeien

Bij natte oxidatie met waterdamp is de oplosbaarheid van het oxidatiemiddel H2O in SiO2 honderden keren hoger dan die van O2, zodat de groeisnelheid enkele tot ongeveer 10 keer hoger is dan bij droge oxidatie. Bij 1000 °C en 1 uur is dat bijvoorbeeld ongeveer 70 nm droog en ongeveer 400 nm nat. Natte oxidatie is geschikt voor dikke films voor elementisolatie en maskers. Droge oxidatie is langzaam, maar geeft een dichte film van goede kwaliteit met weinig grensvlaktoestanden en een goed beheersbare dikte, en is daarom gebruikt voor dunne gate-oxiden.

Waar vindt volgens het Deal-Grove-model thermische oxidatie plaats?

  1. AAan het uiterste oppervlak van de oxidefilm, waar siliciumatomen met het oxidatiemiddel reageren
  2. BSiliciumatomen diffunderen naar het oppervlak van de oxidefilm en reageren daar
  3. CHet oxidatiemiddel diffundeert door de oxidefilm en reageert aan het Si/SiO2-grensvlak met silicium
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het oxidatiemiddel diffundeert door de oxidefilm en reageert aan het Si/SiO2-grensvlak met silicium

In het Deal-Grove-model (1965) wordt het oxidatiemiddel uit de gasfase in het oppervlak van de oxidefilm opgenomen, diffundeert door de film en reageert aan het grensvlak met silicium, waarbij nieuwe oxidefilm ontstaat. De oxidefilm groeit dus aan de grensvlakzijde en het grensvlak is steeds een nieuw oppervlak. Naarmate de film dikker wordt, wordt de diffusieafstand langer en gaat de groei trager. Door de fluxen van deze drie stappen gelijk te stellen, worden de lineaire en de parabolische wet in één formule uitgedrukt.

Welke relatie tussen oxidedikte en tijd is juist in het begin van thermische oxidatie (wanneer de oxidefilm nog dun is) volgens het Deal-Grove-model?

  1. ADe dikte is evenredig met de wortel van de tijd
  2. BDe dikte is ongeveer evenredig met de tijd (neemt lineair toe)
  3. CDe dikte is constant, onafhankelijk van de tijd
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. De dikte is ongeveer evenredig met de tijd (neemt lineair toe)

Zolang de oxidefilm dun is, passeert het oxidatiemiddel de film gemakkelijk en wordt de snelheid van de reactie aan het grensvlak bepalend, zodat de dikte ongeveer evenredig met de tijd toeneemt (lineaire wet, snelheidsconstante B/A). Wanneer de film dikker wordt, wordt diffusie van het oxidatiemiddel in de film bepalend en wordt de dikte evenredig met de wortel van de tijd (parabolische wet, snelheidsconstante B). De overgang ligt bij een dikte van ongeveer A/2, bij droge oxidatie bij enkele tientallen nm tot ongeveer 100 nm.

  1. Welke relatie tussen oxidedikte en oxidatietijd is juist wanneer de oxidefilm bij thermische oxidatie voldoende dik is geworden?
  2. Welke chemische reactie vindt plaats bij droge thermische oxidatie van silicium?
  3. Welke relatie tussen de dikte van het veldoxide dat voor elementisolatie zoals LOCOS wordt gebruikt en de dikte van het gate-oxide van een MOSFET is in het algemeen juist?

Oefenvragen over Oxidatie en diffusie

Belangrijke termen uitgelegd

Droge oxidatie
Thermische oxidatie met droge zuurstof. De groei is langzaam, maar het oxide is dicht en van goede kwaliteit; wordt onder meer gebruikt voor gate-oxide.
Natte oxidatie
Thermische oxidatie in een atmosfeer met waterdamp. Groeit sneller dan droge oxidatie en wordt gebruikt voor dikke oxidelagen.
Deal-Grove-model
Model dat de thermische oxidatie van silicium beschrijft als een proces waarbij het oxidatiemiddel door de oxidelaag diffundeert en aan het Si/SiO2-grensvlak met silicium reageert. Bij dunne lagen is de laagdikte evenredig met de tijd, bij dikke lagen met de wortel van de tijd.
Thermische oxidatie
Methode om een SiO2-laag op het oppervlak te vormen door silicium te verhitten in zuurstof of waterdamp. Er bestaan droge en natte oxidatie.
LOCOS
Methode om componenten van elkaar te isoleren door alleen de niet met een nitridelaag bedekte delen dik te oxideren. Aan de randen ontstaat een vogelsnavelvormige inkruiping (bird's beak); is tegenwoordig vervangen door STI.

Verwante vergelijkingen