Термический оксид на кремнии
Пластины с термическим SiO₂ 10 нм – 4 мкм. Сухое, влажное, пирогенное окисление. Эллипсометрическое картирование.
Что такое термический оксид на кремнии?
Термический диоксид кремния (SiO₂) — краеугольный диэлектрик кремниевой полупроводниковой технологии: высококачественная стехиометрическая оксидная плёнка, выращиваемая непосредственно на монокристаллическом кремнии путём воздействия окислительной среды при повышенных температурах (800–1200 °C). В отличие от осаждённых оксидов, термически выращенный SiO₂ расходует нижележащий кремний, формируя идеальную границу Si/SiO₂ с исключительно низкой плотностью поверхностных состояний (Dit < 10¹⁰ см⁻²эВ⁻¹). Это незаменимое качество границы удерживает термический SiO₂ в основе затворных стеков MOSFET более 50 лет, даже когда диэлектрики с высокой κ дополнили его в передовых техпроцессах.
GINECHIP поставляет пластины с термическим оксидом, изготовленные всеми тремя отработанными химическими механизмами окисления — сухим (O₂), влажным (пары H₂O) и пирогенным (сжигание H₂/O₂), — каждый из которых даёт свои компромиссы по скорости роста, плотности плёнки и электрическому качеству. Толщины от 10 нм (сухой оксид затворного качества) до 4 мкм (полевой оксид и жертвенные слои MEMS) производятся серийно с равномерностью ±1% по пластине, что подтверждается спектроскопическим эллипсометрическим картированием по 49 или 81 точке на пластину.
Каждая партия пластин с термическим оксидом поставляется с полным сертификатом анализа (CoA), включающим карту толщины по 49 или 81 точке, равномерность показателя преломления, C-V (ёмкостно-вольтовые) измерения заряда оксида и плотности поверхностных состояний, а также сканы шероховатости поверхности AFM. Сертифицированные по ISO 9001:2015 партнёрские площадки обеспечивают прослеживаемость контроля процесса до стандартов NIST.
Сравнение процессов термического окисления
Выбор химии окисления определяет плотность плёнки, скорость роста, электрическое качество и содержание водорода — факторы, напрямую влияющие на характеристики приборов и пропускную способность процесса. В таблице ниже обобщены ключевые различия между тремя основными методами термического окисления.
| Параметр | Сухое окисление (O₂) | Влажное окисление (пары H₂O) | Пирогенное (H₂/O₂-горелка) |
|---|---|---|---|
| Тип окислителя | O₂ (молекулярный кислород) | H₂O (водяной пар) | H₂O из реакции H₂ + O₂ |
| Типичная температура | 850–1100°C | 900–1100°C | 800–1050°C |
| Скорость роста (1000°C) | ~8–15 nm/hr (100nm film) | ~60–100 nm/hr (100nm film) | ~50–90 nm/hr (100nm film) |
| Плотность плёнки | 2,27 г/см³ (наивысшая) | 2,20 г/см³ (несколько ниже) | 2.24 g/cm³ (high) |
| Показатель преломления | 1.462 ± 0.002 | 1.458 ± 0.003 | 1.460 ± 0.002 |
| Электрическая прочность | >12 MV/cm | >10 MV/cm | >11 MV/cm |
| Качество границы (Dit) | 5×10⁹ – 2×10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹ | 1×10¹⁰ – 5×10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹ | 8×10⁹ – 3×10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹ |
| Фиксированный заряд оксида (Qf) | 5×10¹⁰ – 2×10¹¹ cm⁻² | 1×10¹¹ – 5×10¹¹ cm⁻² | 8×10¹⁰ – 3×10¹¹ cm⁻² |
| Содержание водорода | Очень низкое (H₂O не используется) | Умеренное (внедряется в виде Si–OH) | Низкое–умеренное |
| Скорость травления (5:1 BHF) | ~90 нм/мин | ~110 nm/min | ~100 nm/min |
| Напряжение плёнки (сжимающее) | –250 to –400 MPa | –200 to –350 MPa | –220 to –380 MPa |
| Наилучшее применение | Затворный оксид, туннельный оксид | Полевой оксид, жертвенные слои | Высокопроизводительный затворный/полевой оксид |
Материальный стек термический SiO₂/Si
Высококачественный термически выращенный диоксид кремния. Плотный (2,27 г/см³ для сухого), низкая плотность проколов, превосходная электрическая прочность (>10 МВ/см) и высокая химическая стойкость.
Атомарно резкая граница с переходной подобластью (SiOx, x<2). Interface trap density Dit для сухого оксида после отжига в формовочном газе снижается до 5×10⁹ см⁻²эВ⁻¹.
Монокристаллическая кремниевая подложка. Доступна во всех стандартных диаметрах, ориентациях, типах легирования (n-тип/p-тип) и диапазонах удельного сопротивления. В процессе роста примерно 44% конечной толщины оксида расходуется из поверхности кремния.
Кинетика окисления по Дилу–Гроуву
Термическое окисление кремния подчиняется модели Дила–Гроува, которая описывает рост оксида как конкуренцию между диффузией окислителя через уже существующий оксид и химической реакцией на границе Si/SiO₂. Для тонких оксидов (< 50 нм) процесс лимитируется скоростью реакции, и рост линеен во времени; для толстых оксидов (> 200 нм) он лимитируется диффузией, и рост подчиняется параболическому закону.
Линейно-параболическая модель выражается как: x²o + Axo = B(t + τ), где xo — толщина оксида, B/A — линейная константа скорости, B — параболическая константа скорости, а τ учитывает начальный собственный оксид. Обе константы скорости подчиняются температурной зависимости Аррениуса с энергиями активации ~2,0 эВ (линейная) и ~1,2 эВ (параболическая). Эта модель направляет проектирование процессов окисления более пяти десятилетий и остаётся основой проектирования процессов термического SiO₂ в GINECHIP.
Применения и рыночные сегменты
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.
Технические характеристики
| Параметр | Доступный диапазон / значения |
|---|---|
| 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 |
Метрология и обеспечение качества
Качество пластин с термическим оксидом проверяется в каждой партии по методике измерений с использованием нескольких методов. Каждая поставка включает полный сертификат анализа с количественными данными по всем измеренным параметрам.
Готовы задать спецификацию своих пластин с термическим оксидом?
Сообщите нам целевую толщину SiO₂, метод окисления (сухой/влажный/пирогенный), диаметр пластины, тип легирования и количество — наши инженеры по процессам окисления предоставят подробное коммерческое предложение со спецификациями измерений и сроком поставки в течение 24 часов.