Halfgeleiders zijn een essentieel onderdeel van ons leven geworden. Vandaag keren we terug naar de serie "Acht basishalfgeleiderprocessen" om de productieprocessen van halfgeleiders verder te onderzoeken. In het vorige artikel leerden we over het productieproces van wafels. In dit artikel introduceren we het oxidatieproces.

Waferoxidelaag (siliciumdioxide, SiO2): Biedt bescherming en isolatie.

Voordat het uit zand gewonnen silicium als grondstof voor geïntegreerde schakelingen wordt gebruikt, ondergaat het een reeks zuiveringsprocessen om een ​​siliciumstaaf te vormen. De siliciumstaaf wordt vervolgens in uniforme dikte gesneden, gepolijst en uiteindelijk gevormd tot de basis van halfgeleiderwafels.

De uit deze stappen geproduceerde wafels zijn niet geleidend. Daarom is verdere verwerking vereist om ze "halfgeleider" te maken, met zowel geleidende als niet-geleidende eigenschappen. Om dit te bereiken moeten verschillende stoffen op de wafer worden overgebracht en worden circuitpatronen op het oppervlak geëtst. Deze processen moeten mogelijk meerdere keren worden herhaald.

Oxidatie is de basis van alle bovengenoemde processen. Door het oxidatieproces ontstaat een laag SiO2, die als isolatielaag wordt gebruikt om lekstroom tussen circuits te voorkomen. De oxidelaag kan de siliciumwafel ook beschermen tijdens daaropvolgende ionenimplantatie- en etsprocessen.

Met andere woorden: de siliciumdioxidelaag fungeert als een betrouwbare afschermingslaag gedurende het hele halfgeleiderproductieproces. Geïntegreerde schakelingen vereisen een hoge nauwkeurigheid, en zelfs kleine verontreinigingen kunnen nadelige gevolgen hebben voor de elektrische prestaties van de geïntegreerde schakeling, waardoor de rol van de oxidelaag cruciaal wordt.

Hoe wordt deze beschermende oxidelaag gevormd?

Wanneer de wafel wordt blootgesteld aan zuurstof in de lucht of andere chemische stoffen, vormt deze een oxidelaag, vergelijkbaar met hoe ijzer (Fe) roest bij blootstelling aan lucht.

Er zijn verschillende oxidatiemethoden, zoals thermische oxidatie, plasma-enhanced chemische dampafzetting (PECVD) en elektrochemische anodisatie. De meest gebruikte daarvan is het thermische oxidatieproces dat wordt uitgevoerd bij hoge temperaturen van 800-1200°C om een ​​dunne en uniforme laag siliciumdioxide te vormen.

Thermische oxidatie kan worden ingedeeld in droge oxidatie en natte oxidatie, afhankelijk van de gassen die voor de oxidatiereactie worden gebruikt. Droge oxidatie gebruikt zuivere zuurstof (O₂), wat resulteert in een langzamere groei van de oxidelaag, waardoor het een ideale keuze is voor het vormen van dunne lagen. Oxiden die via de droge methode worden geproduceerd, vertonen uitstekende elektrische eigenschappen. Natte oxidatie gebruikt zowel zuurstof (O₂) als waterdamp (H₂O). Hierdoor groeit de oxidelaag sneller en wordt deze dikker. Oxiden die via de natte methode worden geproduceerd, hebben echter niet zo'n hoge dichtheid als die welke via de droge methode worden gevormd. Onder dezelfde tijd- en temperatuuromstandigheden is het via de natte methode gevormde oxide ongeveer vijf tot tien keer dikker dan het via de droge methode gevormde oxide.

Dit artikel introduceert voornamelijk de functie van oxidelagen en hoe ze worden gevormd. Houd ons in de gaten voor het volgende deel van deze serie, waar we zullen uitleggen hoe circuitpatronen worden afgedrukt op wafers bedekt met oxidelagen.