Analisi speciale sullo spessore dello strato di ossido naturale sui wafer di silicio

1. Cos'è lo strato di ossido naturale sul wafer di silicio

La pellicola di ossido naturale (nota anche come strato di ossido naturale) sul wafer di silicio si riferisce a uno strato estremamente sottile di biossido di silicio (SiO₂) formato dalla reazione spontanea tra wafer di silicio e ossigeno nell'aria a temperatura ambiente. Questo film di ossidocresce automaticamentedopo che il wafer di silicio è stato esposto all'aria, senza riscaldamento manuale o particolari processi di ossidazione.

2. Spessore tipico dello strato di ossido naturale

Secondo i dati pubblici:

Esposto all'aria a temperatura ambiente: Lo spessore finale dello strato di ossido naturale è generalmente stabile tra1~2 nm(nanometri).

Superficie di silicio appena tagliata (appena esposta): cresce fino a circa0,6~1 nmentro poche ore.

Esposizione a lungo-termine (da mesi ad anni): lo spessore finale generalmente non supera2~3 miglia nautiche.

*Consenso del settore:In un ambiente atmosferico a temperatura e pressione normali, lo spessore dello strato di ossido naturale sul wafer di silicio è solitamente compreso tra 1 e 2 nm.**

3. Legge di crescita dello strato di ossido naturale

Segue la crescita dello strato di ossido naturalelegge logaritmicaanziché una crescita lineare:

• Crescita rapida nella fase iniziale: Quando il wafer di silicio viene appena esposto all'aria, lo strato di ossido cresce in modo relativamente veloce e può raggiungere ~ 1 nm in poche ore.
• Rallentando gradualmente: All'aumentare dello spessore dello strato di ossido, l'ossigeno deve diffondersi attraverso lo strato di ossido già formato per raggiungere la superficie del silicio per la reazione, quindi il tasso di crescita diminuisce gradualmente.
• Saturazione finale: La crescita dello spessore si arresta gradualmente, si stabilizza a 1~2 nm e non si ispessisce all'infinito.
• Approssimazione della formula cinetica di crescita: x ∝ ln(t + 1), dove x è lo spessore dello strato di ossido, t è il tempo di esposizione.

4. Fattori chiave che influenzano lo spessore dello strato di ossido naturale

5. Ruolo dello strato di ossido naturale nella lavorazione dei semiconduttori

Ruoli vantaggiosi:

• Superficie in silicio passivato: Ripara i legami penzolanti sulla superficie del silicio, riduce la densità dello stato superficiale e migliora le prestazioni elettriche dei dispositivi.
• Effetto protettivo: Previene la contaminazione della superficie del silicio e svolge un ruolo protettivo temporaneo tra i processi a umido.
• Processo ausiliario: Agiscono come strato tampone in alcuni processi di pulizia e fotolitografia.

Problemi da notare:

• Impatto sul processo di giunzione ultra-superficiale: Nei processi di produzione avanzati, la presenza di uno strato di ossido naturale modificherà l'effettiva profondità di giunzione, il che richiede un controllo preciso.
• Effetto della resistenza di contatto: Prima del contatto tra metallo-silicio, lo strato di ossido naturale deve essere rimosso, altrimenti la resistenza di contatto aumenterà.
• Uniformità dello spessore: Tempi di conservazione diversi e ambienti diversi porteranno a uno spessore non uniforme dello strato di ossido naturale, influenzando la coerenza del processo.

6. Punti chiave nella pratica industriale

• Wafer di silicio semplicemente lucidato: Dopo la lucidatura, viene immediatamente esposto all'aria e lo strato di ossido naturale cresce fino a circa 1 nm in poche ore.
• Archiviazione-a lungo termine: Lo stoccaggio in ambiente sigillato di azoto può inibire la crescita dello strato di ossido naturale e mantenerne lo spessore a un livello inferiore.
• Trattamento pre-del processo: Prima dei processi chiave (come epitassia, metallizzazione), di solito è necessario rimuovere lo strato di ossido naturale con HF diluito.
• Misurazione dello spessore: Lo spessore dello strato di ossido naturale viene solitamente misurato mediante ellissometro o riflessione dei raggi X (XRR).

Riepilogo

Lo strato di ossido naturale è un fenomeno inevitabile sulla superficie del wafer di silicio. Sebbene il suo spessore sia solo di pochi nanometri, deve comunque essere rigorosamente controllato e gestito nella produzione di semiconduttori di precisione.

7. Ossidazione naturale nella confezione originale sigillata in fabbrica

Caratteristiche di ossidazione in confezione sigillata

Quando i wafer di silicio lasciano la fabbrica, di solito vengono utilizzatiimballaggio sigillato con azoto(alcuni produttori utilizzano imballaggi sottovuoto o imballaggi ad aria secca). Quando non aperto:

• Concentrazione di ossigeno estremamente bassa: nella confezione è presente azoto ad elevata purezza-e il contenuto di ossigeno è solitamente inferiore a10 ppm(0,001%), che è di gran lunga inferiore al 21% nell'atmosfera.
• Tasso di ossidazione estremamente lento: A causa dell'ossigeno insufficiente, la reazione di ossidazione naturale è gravemente inibita e la crescita dello spessore dello strato di ossido è molto lenta.
• Umidità estremamente bassa: La confezione originale di fabbrica solitamente inserisce un essiccante per controllare il punto di rugiada nella confezione al di sotto di -40 gradi e il contenuto di umidità è estremamente basso, il che rallenta ulteriormente l'ossidazione.

Variazione di spessore negli imballaggi sigillati

• Quando si lascia la fabbrica: Dopo che il wafer di silicio è stato lucidato e pulito, di solito viene brevemente esposto all'aria per l'ispezione e l'imballaggio. In questo momento, uno strato di ossido naturale di circa0,5~1 nmè cresciuto.
• Conservato per 1 anno: Negli imballaggi sigillati con azoto, lo spessore dello strato di ossido aumenta solo di0,1~0,3 nme lo spessore totale generalmente non supera 1,5 nm.
• Conservato per 2~3 anni: Lo spessore totale di solito rimane ancora entro2 miglia nautiche.
• Durata di conservazione: La durata di conservazione dei wafer di silicio sigillati originali a temperatura ambiente è generalmente6~12 mesie alcuni prodotti-di fascia alta sono contrassegnati come 3~6 mesi. Dopo la scadenza del periodo di validità, sebbene lo strato di ossido naturale non aumenti molto, potrebbero verificarsi problemi come contaminazione superficiale e impurità adsorbite.

Raccomandazioni per la conservazione

Conclusione chiave

Nella confezione sigillata di azoto non aperta della fabbrica originale, l'ossidazione naturale viene efficacemente inibita e la crescita dello spessore è molto lenta. Di solito, lo spessore totale dello strato di ossido rimane entro i 2 nm entro il periodo di validità e non avrà un impatto significativo sull'uso.