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.
| Kenmerk | Droge oxidatie | Natte oxidatie |
|---|---|---|
| Oxidant | Droge zuurstof (O2) | Waterdamp (H2O). Gebruikelijk is een methode waarbij waterstof en zuurstof aan de ingang van de oven worden verbrand (pyrogene oxidatie) |
| Reactievergelijking | Si + O2 → SiO2 | Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 |
| Groeisnelheid | Langzaam. Bijv.: ongeveer 70 nm in 1 uur bij 1000 °C | Snel (enkele tot ongeveer 10 keer zo snel als droog). Bijv.: ongeveer 400 nm in 1 uur bij 1000 °C |
| Reden voor snel of langzaam | O2 lost maar in kleine hoeveelheid op in SiO2 | H2O lost enkele honderden keren beter op in SiO2 dan O2, zodat veel oxidant het grensvlak bereikt |
| Laagkwaliteit en dichtheid | Dicht, met weinig grensvlaktoestanden en een hoge doorslagvastheid | Iets minder dicht dan droog; waterstof en OH-groepen blijven gemakkelijk in de laag achter |
| Temperatuur (typisch bereik) | Ongeveer 800–1200 °C | Ongeveer 800–1200 °C. Omdat de groei snel is, kan dezelfde dikte bij lagere temperatuur of in kortere tijd worden gemaakt |
| Beheersbaarheid van de dikte | Door de langzame groei zijn dunne lagen van enkele nm tot enkele tientallen nm nauwkeurig te beheersen | Door de snelle groei niet geschikt voor nauwkeurige beheersing van dunne lagen |
| Behandeling in het Deal-Grove-model | Beschreven 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 τ | Zelfde vergelijking, goede overeenstemming met het model. Vaak wordt τ ≈ 0 genomen. De snelheidsconstanten B en B/A zijn veel groter dan bij droog |
| Typische laagdikte | Enkele nm tot enkele tientallen nm | Enkele honderden nm tot ongeveer 1 µm |
| Belangrijkste toepassingen | Gate-oxide, tunneloxide, dun padoxide | LOCOS-veldoxide, maskers voor ionenimplantatie en diffusie, dikke isolatielagen |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.