En technologie des semi‑conducteurs, les couches d'oxyde de silicium sont principalement utilisées comme diélectriques, ou plus récemment pour des applications MEMS (micro electro mécaniques systèmes). La manière la plus simple de produire des couches d'oxyde de silicium sur du silicium est l'oxydation du silicium par l'oxygène. Ce processus a lieu dans des fours tubulaires, aujourd'hui la plupart du temps dans des fours verticaux. Si l'on souhaite former de l'oxyde de silicium sur un substrat autre que le silicium, il est nécessaire de déposer les deux éléments depuis la phase gazeuse. On distingue les procédés dits LPCVD (low pressure chemical vapor deposition), qui sont réalisés dans des fours verticaux généralement à des températures plus élevées, et des procédés effectués à basse température assistés par plasma dans des systèmes PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition).
Oxydation thermique atmosphérique du silicium dans le four de diffusion
L'oxydation du Si se déroule en trois étapes : transport de l'oxygène vers la surface, diffusion de l'oxygène à travers l'oxyde déjà formé, et enfin réaction de l'oxygène avec le silicium à l'interface silicium-dioxyde de silicium. Avec l'augmentation de l'épaisseur de l'oxyde, la vitesse de croissance diminue car la diffusion à travers l'oxyde devient l'étape limitante. Les oxydes très fins peuvent également être obtenus à basse pression ou dans des systèmes RTP (rapid thermal anneal). Pendant l'oxydation, le silicium est consommé et l'interface se déplace vers l'intérieur du substrat. L'oxydation du silicium peut être sèche ou humide.
Si + O2 → SiO2
L'oxydation sèche a lieu à des températures d'environ 850 à 1200°C et est relativement lente mais offre une très bonne uniformité. En ajoutant de petites quantités de HCl ou d'autres gaz contenant du chlore comme le trans‑DCE (dichloroéthylène) ou le TCA (trichloroéthane), on peut empêcher l'incorporation d'atomes métalliques contaminants et réduire le nombre de défauts cristallins. Toutefois une petite quantité de chlore est incorporée dans la couche d'oxyde. Dans l'oxydation humide, le dépôt d'oxyde est fortement accéléré et les vitesses de croissance augmentent considérablement, permettant la formation de couches d'oxyde épaisses. L'humidité est généralement introduite via un brûleur en torche, c'est‑à‑dire que l'hydrogène et l'oxygène réagissent immédiatement avant d'entrer dans le four, produisant de l'eau d'une très grande pureté. Pour piloter ce procédé en toute sécurité, la flamme du brûleur doit être surveillée en permanence et d'éventuelles fuites d'hydrogène doivent être détectées rapidement. Cela rend cette technologie plus coûteuse.
Dépôt LPCVD d'oxyde de silicium dans le four tubulaire
Les procédés thermiques de dépôt d'oxyde se déroulent presque tous à pression réduite (LPCVD). Il existe plusieurs méthodes courantes. Dans la méthode LTO (low temperature oxidation), le silane dilué réagit directement avec l'oxygène à environ 430°C (décomposition pyrolytique du silane) :
SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2
Malheureusement, cette réaction est contrôlée par diffusion, c'est‑à‑dire que la concentration du gaz à proximité de la surface détermine la vitesse de dépôt. Comme les réactifs s'appauvrissent lors du dépôt, il est difficile de maintenir des conditions uniformes dans tout le réacteur. Pour ce procédé, JTEKT (anciennement Koyo) utilise des cages d'injection qui garantissent que le gaz frais s'écoule simultanément vers la chambre du four depuis tous les côtés. Ce n'est qu'ainsi que l'on obtient des couches d'épaisseur uniforme sur l'ensemble du lot de plaquettes traitées.
À des températures plus élevées (900°C), le SiO2 peut être formé selon la méthode HTO (high temperature oxidation) ou à partir d'une combinaison de dichlorosilane SiH2Cl2 et d'oxyde nitreux N2O :
SiH2Cl2 + 2 N2O → SiO2 + produits de décomposition
Méthode TEOS. Un précurseur fréquemment utilisé pour l'apport de dioxyde de silicium est le TEOS (tétraéthoxysilane), qui se décompose thermiquement assez facilement :
Si(OC2H5)4 → SiO2 + produits de décomposition
Dépôt PECVD d'oxyde de silicium
Souvent, les hautes températures nécessaires à la formation décrite ci‑dessus des couches d'oxyde de silicium ne sont pas souhaitables. L'activation des réactifs dans le plasma permet des dépôts à des températures beaucoup plus basses. On utilise des systèmes PECVD. Pour le dépôt d'oxyde assisté par plasma on emploie du silane SiH4 et de l'oxyde nitreux N2O :
3 SiH4 + 6 N2O → 3 SiO2 + 4 NH3 + 4 N2
Le dépôt par plasma d'oxyde de silicium à partir de TEOS est également possible :
Si(OC2H5)4 → SiO2 + produits de décomposition
De plus, le dépôt par plasma d'oxyde de silicium en configuration triode, comme pour le dépôt de nitrure par plasma, permet de régler la contrainte de la couche (contrôle du stress). La contrainte s'accumule surtout dans les couches épaisses, ce qui peut entraîner le voilage de la plaquette et poser des problèmes, notamment pour les applications MEMS. La contrainte est influencée par l'incorporation d'hydrogène, la température de dépôt et le bombardement ionique pendant le dépôt.
Pour mieux maîtriser la contrainte des couches, on utilise une configuration triode du réacteur plasma, aussi appelée PECVD double fréquence. L'électrode supérieure est alimentée en RF à 13,56 MHz tandis que le porte‑échantillons est polarisé à 360 kHz. La chambre de réaction est reliée à la terre. Cela permet, via le générateur haute fréquence, d'obtenir une forte densité de plasma, tandis que le générateur basse fréquence accélère les ions vers le substrat. Les fréquences inférieures à 1 MHz permettent aux ions de suivre l'oscillation du plasma - à 13,56 MHz seuls les électrons y parviennent.