En microfabricación , la oxidación térmica es una forma de producir una fina capa de óxido (normalmente dióxido de silicio ) sobre la superficie de una oblea . La técnica obliga a un agente oxidante a difundirse en la oblea a alta temperatura y reaccionar con ella. La velocidad de crecimiento del óxido suele predecirse mediante el modelo de Deal-Grove . [1] La oxidación térmica se puede aplicar a diferentes materiales, pero lo más habitual es que implique la oxidación de sustratos de silicio para producir dióxido de silicio .
La oxidación térmica del silicio se realiza normalmente a una temperatura de entre 800 y 1200 °C , lo que da lugar a la denominada capa de óxido de alta temperatura (HTO). Puede utilizar vapor de agua (normalmente vapor UHP ) u oxígeno molecular como oxidante; por tanto, se denomina oxidación húmeda o seca . La reacción es una de las siguientes:
El ambiente oxidante también puede contener un cierto porcentaje de ácido clorhídrico (HCl). El cloro neutraliza los iones metálicos que pueden estar presentes en el óxido.
El óxido térmico incorpora silicio consumido del sustrato y oxígeno suministrado desde el ambiente. De esta manera, crece hacia abajo en la oblea y hacia arriba fuera de ella. Por cada unidad de espesor de silicio consumido, aparecerán 2,17 unidades de espesor de óxido. [2] Si se oxida una superficie de silicio desnudo, el 46% del espesor del óxido quedará por debajo de la superficie original y el 54% por encima de ella.
Según el modelo de Deal-Grove comúnmente utilizado, el tiempo τ necesario para hacer crecer un óxido de espesor X o , a una temperatura constante, sobre una superficie de silicio desnudo, es:
donde las constantes A y B se relacionan con las propiedades de la reacción y la capa de óxido, respectivamente. Este modelo se ha adaptado además para tener en cuenta los procesos de oxidación autolimitantes , como los que se utilizan para la fabricación y el diseño morfológico de nanocables de Si y otras nanoestructuras. [1]
Si una oblea que ya contiene óxido se coloca en un ambiente oxidante, esta ecuación debe modificarse agregando un término correctivo τ, el tiempo que se habría requerido para que creciera el óxido preexistente en las condiciones actuales. Este término puede hallarse utilizando la ecuación para t anterior.
Resolviendo la ecuación cuadrática para X o obtenemos:
La mayor parte de la oxidación térmica se realiza en hornos , a temperaturas de entre 800 y 1200 °C. Un solo horno acepta muchas obleas al mismo tiempo, en un bastidor de cuarzo especialmente diseñado (llamado "barca"). Históricamente, la barca entraba en la cámara de oxidación desde un costado (este diseño se llama "horizontal") y sostenía las obleas verticalmente, una al lado de la otra. Sin embargo, muchos diseños modernos sostienen las obleas horizontalmente, una encima de la otra y la otra debajo, y las cargan en la cámara de oxidación desde abajo.
Debido a que los hornos verticales son más altos que los horizontales, es posible que no quepan en algunas instalaciones de microfabricación. Ayudan a prevenir la contaminación por polvo . A diferencia de los hornos horizontales, en los que el polvo que cae puede contaminar cualquier oblea, los hornos verticales utilizan gabinetes cerrados con sistemas de filtración de aire para evitar que el polvo llegue a las obleas.
Los hornos verticales también eliminan un problema que afectaba a los hornos horizontales: la falta de uniformidad del óxido formado a lo largo de la oblea. [3] Los hornos horizontales suelen tener corrientes de convección dentro del tubo, lo que hace que la parte inferior del tubo sea ligeramente más fría que la parte superior. Como las obleas se encuentran verticalmente en el tubo, la convección y el gradiente de temperatura que la acompaña hacen que la parte superior de la oblea tenga un óxido más grueso que la parte inferior de la oblea. Los hornos verticales resuelven este problema al colocar la oblea en posición horizontal y luego hacer que el flujo de gas en el horno fluya de arriba a abajo, lo que amortigua significativamente cualquier convección térmica.
Los hornos verticales también permiten el uso de esclusas de carga para purgar las obleas con nitrógeno antes de la oxidación para limitar el crecimiento de óxido nativo en la superficie de Si.
La oxidación húmeda es preferible a la oxidación seca para generar óxidos espesos, debido a la mayor tasa de crecimiento. Sin embargo, la oxidación rápida deja más enlaces sueltos en la interfaz de silicio, lo que produce estados cuánticos para los electrones y permite que la corriente se filtre a lo largo de la interfaz. (Esto se denomina interfaz "sucia"). La oxidación húmeda también produce un óxido de menor densidad , con menor rigidez dieléctrica .
El largo tiempo necesario para generar un óxido espeso en la oxidación seca hace que este proceso sea poco práctico. Los óxidos espesos suelen generarse mediante una oxidación húmeda prolongada intercalada con otras secas cortas (un ciclo seco-húmedo-seco ). Las oxidaciones secas iniciales y finales producen películas de óxido de alta calidad en las superficies externa e interna de la capa de óxido, respectivamente.
Los iones metálicos móviles pueden degradar el rendimiento de los MOSFET ( el sodio es un problema particular). Sin embargo, el cloro puede inmovilizar el sodio formando cloruro de sodio . El cloro se introduce a menudo añadiendo cloruro de hidrógeno o tricloroetileno al medio oxidante. Su presencia también aumenta la velocidad de oxidación.
La oxidación térmica se puede realizar en áreas seleccionadas de una oblea y bloquear otras. Este proceso, desarrollado por primera vez en Philips, [4] se conoce comúnmente como el proceso de oxidación local de silicio ( LOCOS ). Las áreas que no se van a oxidar se cubren con una película de nitruro de silicio , que bloquea la difusión de oxígeno y vapor de agua debido a su oxidación a un ritmo mucho más lento. [5] El nitruro se elimina una vez completada la oxidación. Este proceso no puede producir características nítidas, porque la difusión lateral (paralela a la superficie) de las moléculas oxidantes debajo de la máscara de nitruro hace que el óxido sobresalga hacia el área enmascarada.
Debido a que las impurezas se disuelven de manera diferente en el silicio y el óxido, un óxido en crecimiento absorberá o rechazará selectivamente los dopantes . Esta redistribución está regida por el coeficiente de segregación, que determina la fuerza con la que el óxido absorbe o rechaza el dopante, y la difusividad .
La orientación del cristal de silicio afecta la oxidación. Una oblea <100> (ver índices de Miller ) se oxida más lentamente que una oblea <111>, pero produce una interfaz de óxido eléctricamente más limpia.
La oxidación térmica de cualquier tipo produce un óxido de mayor calidad, con una interfaz mucho más limpia, que la deposición química de vapor de óxido, que da como resultado una capa de óxido de baja temperatura (reacción de TEOS a unos 600 °C). Sin embargo, las altas temperaturas requeridas para producir óxido de alta temperatura (HTO) restringen su uso. Por ejemplo, en los procesos MOSFET , la oxidación térmica nunca se realiza después de realizar el dopado de los terminales de fuente y drenaje, porque alteraría la colocación de los dopantes.
![{\displaystyle X_{o}(t)=A/2\cdot \left[{\sqrt {1+{\frac {4B}{A^{2}}}(t+\tau )}}-1\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5158ecd7b2de353feb794c032702f4117e38c67a)
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