Siliciumoxidschichten. Oxidation, LPCVD und PECVD Abscheideverfahren.
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Herstellung von Siliciumoxid-Schichten SiO2

In der Halbleitertechnik werden Siliciumoxidschichten vorwiegend als Dielektrika oder neuerdings auch für MEMS-Anwendungen (micro electro mechanical systems) eingesetzt. Die einfachste Art der Herstellung von Siliciumoxidschichten auf Silicium ist die Oxidation des Siliciums durch Sauerstoff. Dieser Prozess findet in Rohröfen, heutzutage meist Vertikalöfen statt. Soll Siliciumoxid auf einem anderen Substrat als Silicium gebildet werden, ist die Abscheidung von beiden Elementen aus der Gasphase nötig. Man unterscheidet sogenannte LPCVD-Verfahren (low pressure chemical vapor deposition), die in Vertikalöfen bei meist höheren Temperaturen durchgeführt werden und Prozessen die bei niederigen Temperaturen plasmagestützt in PECVD-Anlagen (plasma enhanced chemical vapor deposition) erfolgen.

Nassoxidationsofen LPCVD Oxid Reaktor PECVD Oxid Reaktor
Ofen für nasse Oxidation LPCVD Ofen Trioden-PECVD Reaktor

Atmosphärische, thermische Oxidation von Silicium im Diffusionsofen

Die Oxidation des Si findet in 3 Schritten statt: Transport des Sauerstoffs zur Oberfläche, Diffusion des Sauerstoffs durch das bereits aufgewachsene Oxide und schließlich die Reaktion des Sauerstoffs mit dem Silicium an der Silicium-Siliciumoxid Grenzfläche. Mit zunehmender Oxiddicke verlangsamt sich die Aufwachsrate, da die Diffusionszeit durch das Oxid geschwindigkeitsbestimmend wird. Sehr dünne Oxide lassen sich auch bei vermindertem Druck oder in RTP-Anlagen (rapid thermal anneal) aufwachsen. Durch die Oxidation des Siliciums wird Silicium verbraucht und die Grenzfläche wandert in das Substrat hinein. Die Oxidation des Silciums kann trocken oder feucht erfolgen.
Si    +     O2    →     SiO2    
Die trockene Oxidation findet bei Temperaturen von 850 - 1200°C statt und verläuft relativ langsam, aber mit sehr guter Gleichmäßigkeit. Durch Zusatz geringer Mengen von HCl oder anderer chlorhaltiger Gase wie TCE (Trichlorethylen) läßt sich der Einbau von kontaminierenden Metallatomen verhindern und die Zahl von Kristallfehlern reduzieren - allerdings wird etwas Chlor in die Oxidsschicht eingebaut.
Bei der feuchten Oxidation wird die Abscheidung des Oxids stark beschleunigt. Die Wachstumsraten steigen stark. So lassen sich dicke Oxidschichten erzeugen. Die Feuchtigkeit wird meist über einen Knallgasbrenner eingebracht, d.h. Wasserstoff und Sauerstoff werden unmittelbar vor Einbringung in den Ofen zur Reaktion gebracht, wobei sich das gewünschte Wasser in sehr großer Reinheit bildet. Um diesen Prozess sicher fahren zu können, muß die Flamme des Brenners ständig überwacht werden und es muss sichergestellt werden, dass evt. Wasserstofflecks rechtzeitig erkannt werden. Das macht diese Technologie leider teuerer.

LPCVD-Abscheidung von Siliciumoxid im Rohrofen

Die thermischen Oxidabscheideverfahren finden fast alle bei reduziertem Druck statt (LPCVD). Es gibt mehrere gängige Methoden. Im LTO-Verfahren (low temperature oxid) wird bei ca. 430°C verdünntes Silan direkt mit Sauerstoff umgesetzt (pyrolytische Zersetzung von Silan):
SiH4    +     O2    →    SiO2     +    2 H2
Leider ist diese Reaktion diffusionskontrolliert, d.h. die Konzentration des Gases in Oberflächennähe entscheidet über die Abscheiderate. Da es bei der Abscheidung selbst zu einer Verarmung der Ausgangsverbindungen durch die Reaktion kommt, ist es schwierig im gesamten Reaktor gleichmäßige Bedingungen für die Abscheidung zu schaffen. Von Koyo werden daher für diesen Prozess Käfige für die Injektion der Gase eingesetzt, die sicherstellen, dass frisches Gas von allen Seiten gleichzeitig in die Ofenkammer strömt. Nur so lassen sich gleichmäßig dicke Schichten über das gesamte Los prozessierter Wafer erreichen.
Bei höheren Temperaturen (900°C) läßt sich SiO2 im sogenannten HTO-Verfahren (high temperature oxid) aber auch aus einer Kombination von Dichlorsilan SiH2Cl2 und Lachgas N2O bilden:
SiH2Cl2    +     2 N2O    →    SiO2     +    Zersetzungsprodukte
TEOS-Verfahren. Eine viel genutzte Verbindung für die Aufbringung von Siliciumdioxidschichten ist TEOS (Tetraethoxysilan), das sich leicht thermisch zersetzten läßt:
Si(OC2H5)4    →     SiO2    +    Zersetzungsprodukte

PECVD-Abscheidung von Siliciumoxid

Oftmals sind die nötigen, hohen Temperaturen bei der oben beschriebenen Bildung von Siliciumoxidschichten nicht gewünscht. Die Aktivierung der Ausgangsverbindungen im Plasma ermöglicht deutlich niedrigere Temperaturen bei der Abscheidung. Es kommen PECVD-Anlagen zum Einsatz. Bei der plasmagestützten Oxidabscheidung verwendet man Silan SiH4 und Lachgas N2O:
3 SiH4    +     6 N2O    →     3 SiO2     +    4 NH3    +     4 N2
Auch die Plasmaabscheidung von Siliciumoxid aus TEOS ist möglich:
Si(OC2H5)4    →     SiO2    +    Zersetzungsprodukte
Zudem ermöglicht die Plasmaabscheidung von Siliciumoxid bei Nutzung der Triodenkonfiguration wie auch bei der Abscheidung von Plasmanitrid die Einstellung der Schichtspannung (Stress-Kontrolle). Stress baut sich vor allem bei der Abscheidung dickerer Schichten auf, was zu einer Verbiegung des gesamten Wafers führen kann und insbesondere bei MEMS-Anwendungen störend ist. Der Stress wird durch den Einbau von Wasserstoff, die Abscheidetemperatur und den Beschuss mit Teilchen während der Abscheidung beeinflusst.
Zur besseren Einstellung der Schichtspannung wird eine Triodenkonfiguration des Plasmareaktors eingesetzt, auch bekannt als Doppelfrequenz-PECVD. Die obere Elektrode wird mit einer RF-Spannung von 13,56 MHz belegt, während der Probenhalter mit 360kHz beaufschlagt wird. Die Reaktionskammmer selbst ist geerdet. Damit kann über den Hochfrequenzgenerator eine hohe Plasmadichte eingestellt werden, während über den Niederfrequenzgenerator eine Beschleunigung der Ionen zum Substrat hin erreicht werden kann. Frequenzen unter 1 MHz ermöglichen es den Ionen der Richtungsänderung des Plasmas zu folgen - bei 13,56 MHz gelingt dies nur den Elektronen.

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