תחמוצת תרמית על סיליקון
פרוסות עם SiO₂ תרמי 10 ננומטר – 4 מיקרומטר. חמצון יבש, רטוב, פירוגני. מיפוי אליפסומטרי.
מהי תחמוצת תרמית על סיליקון?
דו-תחמוצת סיליקון תרמית (SiO₂) היא אבן הפינה של הדיאלקטריקה בטכנולוגיית הסיליקון — סרט תחמוצת איכותי וסטויכיומטרי הגדל ישירות על סיליקון חד-גבישי על ידי חשיפת הפרוסה לסביבה מחמצנת בטמפרטורות גבוהות (800–1200°C). בניגוד לתחמוצות מושקעות, SiO₂ הגדל תרמית צורך את הסיליקון שמתחתיו, ומייצר ממשק Si/SiO₂ נקי עם צפיפות מלכודות ממשק נמוכה במיוחד (Dit < 10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹). איכות ממשק בלתי ניתנת להחלפה זו שמרה על SiO₂ תרמי בלב מחסניות השער של MOSFET במשך למעלה מ-50 שנה, גם כאשר דיאלקטריים בעלי high-κ השלימו אותו בצמתים מתקדמים.
GINECHIP מספקת פרוסות תחמוצת תרמית המיוצרות בכל שלוש הכימיות המבוססות של חמצון — יבש (O₂), רטוב (אדי H₂O) ופירוגני (שריפת H₂/O₂) — שכל אחת מציעה פשרות שונות בקצב הגדילה, בצפיפות הסרט ובאיכות החשמלית. עוביים מ-10nm (תחמוצת יבשה באיכות שער) ועד 4μm (תחמוצת שדה ושכבות הקרבה ל-MEMS) מיוצרים באופן שגרתי עם אחידות של ±1% בתוך הפרוסה, ומאומתים במיפוי אליפסומטרי ספקטרוסקופי ב-49 או 81 נקודות לפרוסה.
כל מנת פרוסות תחמוצת תרמית נשלחת עם תעודת ניתוח (CoA) מקיפה הכוללת מפת עובי אליפסומטרית של 49 או 81 נקודות, אחידות מקדם שבירה, מדידות C-V (קיבול–מתח) לטעינת תחמוצת ולצפיפות מלכודות ממשק, וסריקות חספוס שטח AFM. מתקני שותפים בהסמכת ISO 9001:2015 מבטיחים בקרת תהליך הניתנת לעקיבה לתקני NIST.
השוואת תהליכי חמצון תרמי
הבחירה בכימיית החמצון קובעת את צפיפות הסרט, קצב הגדילה, האיכות החשמלית ותכולת המימן — גורמים המשפיעים ישירות על ביצועי ההתקן ועל התפוקה של התהליך. הטבלה שלהלן מסכמת את ההבדלים העיקריים בין שלוש שיטות החמצון התרמי העיקריות.
| פרמטר | חמצון יבש (O₂) | חמצון רטוב (אדי H₂O) | פירוגני (מבער H₂/O₂) |
|---|---|---|---|
| סוג המחמצן | O₂ (חמצן מולקולרי) | H₂O (אדי מים) | H₂O מתגובת H₂ + O₂ |
| טמפרטורה אופיינית | 850–1100°C | 900–1100°C | 800–1050°C |
| קצב גדילה (1000°C) | ~8–15 nm/hr (100nm film) | ~60–100 nm/hr (100nm film) | ~50–90 nm/hr (100nm film) |
| צפיפות הסרט | 2.27 g/cm³ (הגבוהה ביותר) | 2.20 g/cm³ (נמוכה במקצת) | 2.24 g/cm³ (high) |
| מקדם שבירה | 1.462 ± 0.002 | 1.458 ± 0.003 | 1.460 ± 0.002 |
| חוזק דיאלקטרי | >12 MV/cm | >10 MV/cm | >11 MV/cm |
| איכות ממשק (Dit) | 5×10⁹ – 2×10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹ | 1×10¹⁰ – 5×10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹ | 8×10⁹ – 3×10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹ |
| מטען תחמוצת קבוע (Qf) | 5×10¹⁰ – 2×10¹¹ cm⁻² | 1×10¹¹ – 5×10¹¹ cm⁻² | 8×10¹⁰ – 3×10¹¹ cm⁻² |
| תכולת מימן | נמוכה מאוד (ללא שימוש ב-H₂O) | בינונית (נכלל כ-Si–OH) | נמוכה–בינונית |
| קצב תחריט (5:1 BHF) | ~90 nm/min | ~110 nm/min | ~100 nm/min |
| מאמץ הסרט (דחיסה) | –250 to –400 MPa | –200 to –350 MPa | –220 to –380 MPa |
| מתאים במיוחד ל | תחמוצת שער, תחמוצת מנהרה | תחמוצת שדה, שכבות הקרבה | תחמוצת שער/שדה בתפוקה גבוהה |
מחסנית חומר SiO₂/Si תרמית
דו-תחמוצת סיליקון באיכות גבוהה הגדלה תרמית. צפוף (2.27 g/cm³ יבש), צפיפות חורים נמוכה, חוזק דיאלקטרי מעולה (>10 MV/cm) ועמידות כימית גבוהה.
ממשק חד בקנה מידה אטומי עם אזור מעבר תת-תחמוצתי (SiOx, x<2). Interface trap density Dit נמוכה עד 5×10⁹ cm⁻²eV⁻¹ עבור תחמוצת יבשה לאחר אנילינג בגז מעצב.
מצע סיליקון חד-גבישי. זמין בכל הקטרים, הכיווניויות, סוגי הסימום (n-type/p-type) וטווחי ההתנגדות הסטנדרטיים. במהלך הגדילה נצרכים כ-44% מעובי התחמוצת הסופי מפני השטח של הסיליקון.
קינטיקת החמצון של Deal–Grove
חמצון תרמי של סיליקון עוקב אחר מודל Deal–Grove, המתאר את גדילת התחמוצת כתחרות בין דיפוזיה של המחמצן דרך התחמוצת הקיימת לבין התגובה הכימית בממשק Si/SiO₂. בתחמוצות דקות (< 50nm) התהליך מוגבל על ידי קצב התגובה והגדילה ליניארית בזמן; בתחמוצות עבות (> 200nm) הוא מוגבל על ידי דיפוזיה והגדילה עוקבת אחר חוק קצב פרבולי.
המודל הליניארי-פרבולי מבוטא כ: x²o + Axo = B(t + τ), כאשר xo הוא עובי התחמוצת, B/A הוא קבוע הקצב הליניארי, B הוא קבוע הקצב הפרבולי, ו-τ מביא בחשבון כל תחמוצת טבעית ראשונית. שני קבועי הקצב עוקבים אחר תלות הטמפרטורה של Arrhenius עם אנרגיות אקטיבציה של ~2.0 eV (ליניארי) ו-~1.2 eV (פרבולי). מודל זה הנחה את הנדסת תהליכי החמצון למעלה מחמישה עשורים ונותר הבסיס לתכנון תהליך SiO₂ תרמי ב-GINECHIP.
יישומים ופלחי שוק
Gate Oxide (MOSFET)
Ultra-thin thermal SiO₂ (2–20nm) as the critical gate dielectric in planar CMOS, power MOSFETs, and IGBTs. Carrier mobility at the Si/SiO₂ interface directly determines transistor drive current and switching performance.
Diffusion Mask
Patterned thermal oxide blocks dopant diffusion during source/drain and well formation. Selectivity of >1000:1 for B, P, As in SiO₂ vs. Si at 900–1100°C. Fundamental to all planar silicon processing.
Etch-Stop & Release Layer
Thermal SiO₂ serves as a precise etch-stop for Si DRIE and as a sacrificial release layer in MEMS surface micromachining. HF selectivity against silicon enables clean structural release.
MEMS Sacrificial Oxide
Thick thermal oxides (0.5–4μm) as sacrificial layers in polysilicon surface micromachining for accelerometers, gyroscopes, pressure sensors, and micro-mirror arrays.
Hard Mask for Etching
SiO₂ hard masks for deep silicon etching (DRIE Bosch process). Etch selectivity of >100:1 Si:SiO₂ in SF₆/C₄F₈ plasmas enables high-aspect-ratio structures exceeding 50:1.
SOI Buried Oxide (BOX)
Thermal oxide as the insulating BOX layer in Bonded SOI (BESOI) and Smart Cut SOI technologies. Provides electrical isolation, radiation hardness, and latch-up immunity for RF-SOI and FD-SOI.
Field Oxide (LOCOS/STI)
Thick thermal oxide (300–800nm) for inter-device isolation. LOCOS (Local Oxidation of Silicon) and STI (Shallow Trench Isolation) liner oxides define active areas and prevent parasitic channel formation.
Optical Waveguide Cladding
Thermal SiO₂ lower cladding for silicon photonic waveguides. Low optical loss (<0.1 dB/cm at 1550nm) and high-index contrast with the Si core enable compact photonic integrated circuits.
מפרטים טכניים
| פרמטר | טווח זמין / ערכים |
|---|---|
| SiO₂ Thickness Range | 10nm – 4μm (standard); up to 6μm on request |
| Thickness Uniformity | ±1% within-wafer (Std Dev), ±2% wafer-to-wafer |
| Refractive Index (n) | 1.46 ± 0.01 at 632.8nm (stoichiometric thermal SiO₂) |
| Dielectric Breakdown Strength | >10 MV/cm (gate-quality dry oxide, 25°C) |
| Wafer Diameters | 100mm (4″), 150mm (6″), 200mm (8″), 300mm (12″) |
| Wafer Orientations | 〈100〉, 〈111〉, 〈110〉 (〈100〉 recommended for gate oxide) |
| Oxidation Methods | Dry (O₂), Wet (H₂O vapor), Pyrogenic (H₂/O₂ torch) |
| Film Stress | –200 to –400 MPa compressive (as-grown), adjustable via anneal |
| Etch Rate (5:1 BHF) | ~100nm/min thermally grown; ~150nm/min deposited |
| Surface Roughness (RMS) | < 0.2nm on Si/SiO₂ interface, < 0.5nm on SiO₂ surface |
| Ellipsometry Mapping | 49-point and 81-point wafer maps with contour and 3D plots |
מטרולוגיה והבטחת איכות
איכות פרוסות תחמוצת תרמית מאומתת בכל מנה באמצעות פרוטוקול מטרולוגיה רב-טכניקתי. כל משלוח כולל תעודת ניתוח מלאה עם נתונים כמותיים עבור כל הפרמטרים הנמדדים.
מוכנים להגדיר את פרוסות התחמוצת התרמית שלכם?
ספרו לנו את עובי ה-SiO₂ היעד, שיטת החמצון (יבש/רטוב/פירוגני), קוטר הפרוסה, סוג הסימום והכמות — מהנדסי תהליכי התחמוצת שלנו יספקו הצעת מחיר מפורטת עם מפרטי מטרולוגיה וזמן אספקה בתוך 24 שעות.