Halbleiter sind zu einem wesentlichen Bestandteil unseres Lebens geworden. Heute kehren wir zur Reihe „Acht grundlegende Halbleiterprozesse“ zurück, um die Untersuchung von Halbleiterherstellungsprozessen fortzusetzen. Im vorherigen Artikel haben wir etwas über den Wafer-Herstellungsprozess erfahren. In diesem Artikel stellen wir den Oxidationsprozess vor.

Waferoxidschicht (Siliziumdioxid, SiO2): Bietet Schutz und Isolierung.

Bevor aus Sand gewonnenes Silizium als Rohstoff für integrierte Schaltkreise verwendet wird, durchläuft es eine Reihe von Reinigungsprozessen, um einen Siliziumbarren zu bilden. Der Siliziumblock wird dann in gleichmäßige Dicken geschnitten, poliert und schließlich zur Grundlage von Halbleiterwafern geformt.

Die aus diesen Schritten hergestellten Wafer sind nicht leitfähig. Daher ist eine weitere Verarbeitung erforderlich, um sie zu „Halbleitern“ mit sowohl leitenden als auch nichtleitenden Eigenschaften zu machen. Dazu müssen verschiedene Substanzen auf den Wafer übertragen und Schaltmuster in die Oberfläche geätzt werden. Diese Prozesse müssen möglicherweise mehrmals wiederholt werden.

Oxidation ist die Grundlage aller oben genannten Prozesse. Durch den Oxidationsprozess entsteht eine Schicht aus SiO2, die als Isolierschicht dient, um Leckströme zwischen Schaltkreisen zu verhindern. Die Oxidschicht kann den Siliziumwafer auch bei nachfolgenden Ionenimplantations- und Ätzprozessen schützen.

Mit anderen Worten: Die Siliziumdioxidschicht fungiert während des gesamten Halbleiterherstellungsprozesses als zuverlässige Abschirmschicht. Integrierte Schaltkreise erfordern eine hohe Präzision, und selbst kleinste Verunreinigungen können negative Auswirkungen auf die elektrische Leistung des integrierten Schaltkreises haben, weshalb die Rolle der Oxidschicht von entscheidender Bedeutung ist.

Wie entsteht diese schützende Oxidschicht?

Wenn der Wafer Luftsauerstoff oder anderen chemischen Substanzen ausgesetzt wird, bildet er eine Oxidschicht, ähnlich wie Eisen (Fe) rostet, wenn es der Luft ausgesetzt wird.

Es gibt verschiedene Oxidationsmethoden, wie z. B. thermische Oxidation, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und elektrochemische Anodisierung. Am weitesten verbreitet ist dabei der thermische Oxidationsprozess, der bei hohen Temperaturen von 800–1200 °C durchgeführt wird, um eine dünne und gleichmäßige Schicht aus Siliziumdioxid zu bilden.

Thermische Oxidation kann je nach den für die Oxidationsreaktion verwendeten Gasen in Trockenoxidation und Nassoxidation unterteilt werden. Bei der Trockenoxidation wird reiner Sauerstoff (O₂) verwendet, wodurch die Oxidschicht langsamer wächst. Daher eignet sie sich ideal zur Bildung dünner Schichten. Mit der Trockenmethode hergestellte Oxide weisen hervorragende elektrische Eigenschaften auf. Bei der Nassoxidation werden sowohl Sauerstoff (O₂) als auch Wasserdampf (H₂O) verwendet. Dadurch wächst die Oxidschicht schneller und wird dicker. Allerdings sind mit der Nassmethode hergestellte Oxide nicht so dicht wie die mit der Trockenmethode hergestellten. Unter gleichen Zeit- und Temperaturbedingungen ist das mit der Nassmethode hergestellte Oxid etwa fünf- bis zehnmal dicker als das mit der Trockenmethode hergestellte.

In diesem Artikel wird hauptsächlich die Funktion von Oxidschichten und ihre Entstehung vorgestellt. Seien Sie gespannt auf den nächsten Teil dieser Serie, in dem wir erklären, wie Schaltkreismuster auf mit Oxidschichten bedeckte Wafer gedruckt werden.