En la tecnología de semiconductores, las capas de óxido de silicio se utilizan principalmente como dieléctricos o, más recientemente, también para aplicaciones MEMS (micro electro mecánicas sistemas). La forma más sencilla de obtener capas de óxido de silicio sobre silicio es la oxidación del silicio por oxígeno. Este proceso tiene lugar en hornos de tubo, hoy en día mayoritariamente en hornos verticales. Si se desea formar óxido de silicio sobre un sustrato distinto del silicio, es necesario depositar ambos elementos desde la fase gaseosa. Se distingue entre los llamados procesos LPCVD (low pressure chemical vapor deposition), que se realizan en hornos verticales normalmente a temperaturas más altas, y procesos que se llevan a cabo a bajas temperaturas asistidos por plasma en sistemas PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition).
Oxidación térmica atmosférica del silicio en el horno de difusión
La oxidación del Si ocurre en tres pasos: transporte del oxígeno hacia la superficie, difusión del oxígeno a través del óxido ya formado y, finalmente, la reacción del oxígeno con el silicio en la interfaz silicio-dióxido de silicio. Con el aumento del espesor del óxido, la velocidad de crecimiento disminuye porque la difusión a través del óxido se convierte en el paso limitante. Los óxidos muy finos también pueden crecer a presión reducida o en sistemas RTP (rapid thermal anneal). Durante la oxidación se consume silicio y la interfaz avanza hacia el interior del sustrato. La oxidación del silicio puede realizarse en seco o en húmedo.
Si + O2 → SiO2
La oxidación seca tiene lugar a temperaturas entre aproximadamente 850 y 1200°C y es relativamente lenta pero con muy buena uniformidad. Mediante la adición de pequeñas cantidades de HCl u otros gases que contienen cloro como trans‑DCE (dicloroetileno) o TCA (tricloroetano) se puede impedir la incorporación de átomos metálicos contaminantes y reducir el número de defectos cristalinos, aunque se incorpora algo de cloro en la capa de óxido. En la oxidación húmeda la deposición de óxido se acelera considerablemente y las tasas de crecimiento aumentan mucho, permitiendo obtener capas de óxido gruesas. La humedad se introduce por lo general mediante un quemador tipo antorcha: hidrógeno y oxígeno reaccionan justo antes de entrar al horno, produciendo agua de muy alta pureza. Para operar este proceso de forma segura, la llama del quemador debe vigilarse continuamente y deben detectarse rápidamente posibles fugas de hidrógeno. Esto encarece la tecnología.
Deposición LPCVD de óxido de silicio en el horno de tubo
Los procesos térmicos de deposición de óxido se realizan casi todos a presión reducida (LPCVD). Existen varios métodos habituales. En el método LTO (low temperature oxidation) el silano diluido reacciona directamente con oxígeno a unos 430°C (descomposición pirolítica del silano):
SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2
Desafortunadamente esta reacción está controlada por difusión, es decir, la concentración del gas cerca de la superficie determina la velocidad de deposición. Dado que durante la deposición los reactivos se agotan, es difícil mantener condiciones uniformes en todo el reactor. Para este proceso JTEKT (anteriormente Koyo) emplea jaulas de inyección que aseguran que el gas fresco fluya hacia la cámara del horno desde todos los lados simultáneamente. Solo así se pueden conseguir capas de espesor uniforme en todo el lote de obleas procesadas.
A temperaturas más altas (900°C) puede formarse SiO2 en el llamado método HTO (high temperature oxidation) o a partir de una combinación de diclorosilano SiH2Cl2 y óxido nitroso N2O:
SiH2Cl2 + 2 N2O → SiO2 + productos de descomposición
Método TEOS. Un precursor muy utilizado para la deposición de dióxido de silicio es el TEOS (tetraetoxisilano), que se descompone térmicamente con relativa facilidad:
Si(OC2H5)4 → SiO2 + productos de descomposición
Deposición PECVD de óxido de silicio
A menudo las altas temperaturas requeridas para la formación descrita arriba de capas de óxido de silicio no son deseables. La activación de los reactivos en el plasma permite depositar a temperaturas mucho más bajas. Se emplean sistemas PECVD. En la deposición asistida por plasma se utilizan silano SiH4 y óxido nitroso N2O:
3 SiH4 + 6 N2O → 3 SiO2 + 4 NH3 + 4 N2
La deposición por plasma de óxido de silicio a partir de TEOS también es posible:
Si(OC2H5)4 → SiO2 + productos de descomposición
Además, la deposición por plasma de óxido de silicio utilizando una configuración de triodo, como también se emplea para la deposición de nitruro por plasma, permite ajustar la tensión de la capa (control del estrés). El estrés se acumula sobre todo en capas más gruesas, lo que puede provocar curvatura de la oblea y resulta especialmente problemático en aplicaciones MEMS. El estrés está influido por la incorporación de hidrógeno, la temperatura de deposición y el bombardeo iónico durante la deposición.
Para ajustar mejor la tensión de la capa se utiliza una configuración de triodo del reactor de plasma, también conocida como PECVD de doble frecuencia. El electrodo superior se alimenta con una tensión RF de 13,56 MHz mientras que el porta‑muestras se polariza a 360 kHz. La cámara de reacción está a tierra. De este modo se puede ajustar una alta densidad de plasma mediante el generador de alta frecuencia, mientras que el generador de baja frecuencia acelera los iones hacia el sustrato. Las frecuencias por debajo de 1 MHz permiten que los iones sigan la oscilación del plasma; a 13,56 MHz solo los electrones pueden hacerlo.