Capas de óxido de silicio. Métodos de deposición de oxidación, LPCVD y PECVD.

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Producción de capas de óxido de silicio SiO2

En la tecnología de semiconductores, las capas de óxido de silicio se utilizan principalmente como dieléctricos o, más recientemente, también para aplicaciones MEMS (sistemas microelectromecánicos). La forma más simple de producir capas de óxido de silicio en silicio es mediante la oxidación del silicio con oxígeno. Este proceso se lleva a cabo en hornos tubulares, hoy en día generalmente en hornos verticales. Si se desea formar óxido de silicio en un sustrato distinto del silicio, es necesario depositar ambos elementos desde la fase gaseosa. Se distinguen los llamados procesos LPCVD (deposición química en fase vapor a baja presión), que se realizan en hornos verticales a temperaturas generalmente más altas, y los procesos que se llevan a cabo a bajas temperaturas con asistencia de plasma en equipos PECVD (deposición química en fase vapor asistida por plasma).

Horno de oxidación húmeda Reactor LPCVD de óxido Reactor PECVD de óxido
Horno para oxidación húmeda Horno LPCVD Reactor PECVD de triodos

Oxidación térmica atmosférica de silicio en horno de difusión

La oxidación del Si ocurre en 3 etapas: transporte del oxígeno a la superficie, difusión del oxígeno a través del óxido ya formado y finalmente la reacción del oxígeno con el silicio en la interfaz silicio-óxido de silicio. Con el aumento del grosor del óxido, la velocidad de crecimiento disminuye, ya que el tiempo de difusión a través del óxido se convierte en determinante de la velocidad. Se pueden formar óxidos muy delgados incluso a presiones reducidas o en equipos RTP (tratamiento térmico rápido). La oxidación del silicio consume silicio y la interfaz avanza hacia el sustrato. La oxidación del silicio puede ser seca o húmeda.
Si    +     O2    →     SiO2    
La oxidación seca ocurre a temperaturas de 850 - 1200°C y es relativamente lenta pero muy uniforme. Agregar pequeñas cantidades de HCl u otros gases clorados como Trans-LC (dicloroetileno; DCE) o TCA (tricloroetano) evita la incorporación de átomos metálicos contaminantes y reduce el número de defectos cristalinos, aunque introduce algo de cloro en la capa de óxido.
La oxidación húmeda acelera significativamente la deposición del óxido. Las tasas de crecimiento aumentan considerablemente, lo que permite la formación de capas de óxido gruesas. La humedad se introduce generalmente a través de un quemador de gas de explosión, es decir, el hidrógeno y el oxígeno se combinan justo antes de ingresar al horno, produciendo el agua deseada con una pureza muy alta. Para controlar este proceso de manera segura, se debe monitorear constantemente la llama del quemador y garantizar la detección temprana de posibles fugas de hidrógeno. Esto hace que esta tecnología sea más costosa.

Deposición LPCVD de óxido de silicio en horno de tubo

Casi todos los métodos de deposición de óxido térmico se llevan a cabo a presión reducida (LPCVD). Hay varios métodos comunes. En el proceso LTO (óxido a baja temperatura), se hace reaccionar silano diluido con oxígeno a aproximadamente 430°C (descomposición pirólisis de silano):
SiH4    +     O2    →    SiO2     +    2 H2
Desafortunadamente, esta reacción está controlada por la difusión, es decir, la concentración del gas cerca de la superficie determina la velocidad de deposición. Dado que durante la deposición hay una disminución de las sustancias de partida debido a la reacción, es difícil crear condiciones uniformes para la deposición en todo el reactor. Por lo tanto, JTEKT (anteriormente Koyo) utiliza jaulas para inyectar los gases en este proceso, asegurando que el gas fresco fluya hacia la cámara del horno desde todos los lados al mismo tiempo. Solo de esta manera se pueden obtener capas uniformemente gruesas sobre todo el lote de obleas procesadas.
A temperaturas más altas (900°C), también se puede formar SiO2 en el llamado proceso HTO (óxido a alta temperatura) a partir de una combinación de diclorosilano SiH2Cl2 y óxido nitroso N2O:
SiH2Cl2    +     2 N2O    →    SiO2     +    Productos de descomposición
Proceso TEOS. Un compuesto ampliamente utilizado para la deposición de capas de dióxido de silicio es el TEOS (tetraetoxisilano), que se descompone fácilmente térmicamente:
Si(OC2H5)4    →     SiO2    +    Productos de descomposición

Deposición PECVD de óxido de silicio

A menudo, las altas temperaturas necesarias para la formación de capas de óxido de silicio descrita anteriormente no son deseables. La activación de los precursores en el plasma permite temperaturas de deposición considerablemente más bajas. Se utilizan equipos PECVD para la deposición asistida por plasma. En la deposición asistida por plasma de óxido, se utiliza silano SiH4 y óxido nitroso N2O:
3 SiH4    +     6 N2O    →     3 SiO2     +    4 NH3    +     4 N2
También es posible la deposición de óxido de silicio a partir de TEOS en plasma:
Si(OC2H5)4    →     SiO2    +    Productos de descomposición
Además, la deposición de óxido de silicio por plasma utilizando la configuración de triodos permite ajustar la tensión de la capa (control de esfuerzos). Los esfuerzos se acumulan principalmente durante la deposición de capas más gruesas, lo que puede provocar la deformación de toda la oblea y ser especialmente molesto en aplicaciones MEMS. El esfuerzo se ve afectado por la incorporación de hidrógeno, la temperatura de deposición y el bombardeo de partículas durante la deposición. Para ajustar mejor la tensión de la capa, se utiliza una configuración de triodos del reactor de plasma, también conocida como PECVD de doble frecuencia. El electrodo superior se carga con un voltaje de RF de 13,56 MHz, mientras que el portaobjetos se somete a 360 kHz. La cámara de reacción en sí está conectada a tierra. Esto permite ajustar la densidad de plasma a través del generador de alta frecuencia, mientras que a través del generador de baja frecuencia se puede lograr una aceleración de los iones hacia el sustrato. Frecuencias por debajo de 1 MHz permiten que los iones sigan el cambio de dirección del plasma, mientras que a 13,56 MHz solo los electrones pueden lograr esto.