Analyse spéciale de l'épaisseur de la couche d'oxyde naturel sur les plaquettes de silicium

1. Qu'est-ce que la couche d'oxyde naturel sur une plaquette de silicium

Le film d'oxyde naturel (également connu sous le nom de couche d'oxyde naturel) sur une plaquette de silicium fait référence à une couche extrêmement fine de dioxyde de silicium (SiO₂) formée par la réaction spontanée entre la plaquette de silicium et l'oxygène de l'air à température ambiante. Ce film d'oxydegrandit automatiquementaprès que la plaquette de silicium soit exposée à l'air, sans chauffage manuel ni processus d'oxydation spéciaux.

2. Épaisseur typique de la couche d’oxyde naturel

Selon les données publiques :

Exposé à l'air à température ambiante: L'épaisseur finale de la couche d'oxyde naturel est généralement stable entre1~2 nm(nanomètres).

Surface de silicium fraîchement clivée (juste exposée) : elle atteint environ0,6 ~ 1 nmdans quelques heures.

Exposition à long-terme (mois à années) : l'épaisseur finale ne dépasse généralement pas2~3nm.

*Consensus de l'industrie :Dans un environnement atmosphérique à température et pression normales, l'épaisseur de la couche d'oxyde naturel sur la plaquette de silicium est généralement comprise entre 1 et 2 nm..**

3. Loi de croissance de la couche d’oxyde naturel

La croissance de la couche d'oxyde naturelle suitloi logarithmiqueplutôt qu’une croissance linéaire :

• Croissance rapide au stade initial: Lorsque la plaquette de silicium est juste exposée à l'air, la couche d'oxyde se développe relativement rapidement et peut atteindre ~ 1 nm en quelques heures.
• Ralentir progressivement: À mesure que l'épaisseur de la couche d'oxyde augmente, l'oxygène doit diffuser à travers la couche d'oxyde déjà formée pour atteindre la surface du silicium pour la réaction, de sorte que le taux de croissance diminue progressivement.
• Saturation finale: La croissance de l'épaisseur s'arrête progressivement, se stabilise à 1 ~ 2 nm et ne s'épaissira pas infiniment.
• Approximation de la formule cinétique de croissance: x ∝ ln(t + 1), où x est l'épaisseur de la couche d'oxyde, t est le temps d'exposition.

4. Facteurs clés affectant l’épaisseur de la couche d’oxyde naturel

5. Rôle de la couche d'oxyde naturel dans le traitement des semi-conducteurs

Rôles bénéfiques :

• Surface de silicium passive: Réparez les liaisons pendantes sur la surface du silicium, réduisez la densité de l’état de surface et améliorez les performances électriques des appareils.
• Effet protecteur: Empêche la surface du silicium d'être contaminée et joue un rôle de protection temporaire entre les processus humides.
• Processus auxiliaire: Agit comme une couche tampon dans certains processus de nettoyage et de photolithographie.

Points à noter :

• Impact sur le processus de jonction ultra-superficiel: Dans les processus de fabrication avancés, la présence d'une couche d'oxyde naturel modifiera la profondeur réelle de la jonction, ce qui nécessite un contrôle précis.
• Effet de résistance de contact : Avant le contact du métal-silicium, la couche d'oxyde naturel doit être retirée, sinon la résistance de contact augmentera.
• Uniformité de l'épaisseur: Des durées de stockage différentes et des environnements différents entraîneront une épaisseur inégale de la couche d'oxyde naturel, affectant la cohérence du processus.

6. Points clés de la pratique industrielle

• Plaquette de silicium juste polie: Après polissage, il est immédiatement exposé à l'air et la couche d'oxyde naturelle atteint ~ 1 nm en quelques heures.
• Stockage-à long terme: Le stockage dans un environnement d'azote scellé peut inhiber la croissance de la couche d'oxyde naturelle et maintenir l'épaisseur à un niveau inférieur.
• Traitement préalable-au processus: Avant les procédés clés (tels que l'épitaxie, la métallisation), il est généralement nécessaire d'éliminer la couche d'oxyde naturel avec du HF dilué.
• Mesure d'épaisseur: L'épaisseur de la couche d'oxyde naturel est généralement mesurée par ellipsomètre ou par réflexion des rayons X- (XRR).

Résumé

La couche d'oxyde naturel est un phénomène inévitable à la surface des plaquettes de silicium. Bien que son épaisseur ne soit que de quelques nanomètres, elle doit néanmoins être strictement contrôlée et gérée dans la fabrication de semi-conducteurs de précision.

7. Oxydation naturelle dans l’emballage d’origine scellé en usine

Caractéristiques d'oxydation dans un emballage scellé

Lorsque les plaquettes de silicium quittent l'usine, elles utilisent généralementemballage scellé à l'azote(Certains fabricants utilisent un emballage sous vide ou un emballage à air sec). Lorsqu'il n'est pas ouvert :

• Concentration d'oxygène extrêmement faible : De l'azote de haute-pureté est rempli dans l'emballage et la teneur en oxygène est généralement inférieure à celle10 ppm(0,001%), ce qui est bien inférieur aux 21% présents dans l'atmosphère.
• Taux d'oxydation extrêmement lent: En raison d'un manque d'oxygène, la réaction naturelle d'oxydation est sévèrement inhibée et la croissance de l'épaisseur de la couche d'oxyde est très lente.
• Humidité extrêmement faible: L'emballage d'origine de l'usine contient généralement un déshydratant pour contrôler le point de rosée dans l'emballage en dessous de -40 degrés, et la teneur en humidité est extrêmement faible, ce qui ralentit encore l'oxydation.

Changement d'épaisseur dans un emballage scellé

• En quittant l'usine: Une fois la plaquette de silicium polie et nettoyée, elle est généralement brièvement exposée à l'air pour inspection et emballage. A cette époque, une couche d'oxyde naturelle d'environ0,5 ~ 1 nma grandi.
• Stocké 1 an: Dans un emballage scellé à l'azote, l'épaisseur de la couche d'oxyde n'augmente que de0,1 ~ 0,3 nm, et l'épaisseur totale ne dépasse généralement pas 1,5 nm.
• Stocké pendant 2 à 3 ans: L'épaisseur totale reste généralement dans les limites2 milles marins.
• Durée de conservation: La durée de conservation des plaquettes de silicium scellées d'origine à température ambiante est généralement6~12 mois, et certains-produits haut de gamme sont marqués entre 3 et 6 mois. Après l'expiration de la durée de conservation, même si la couche d'oxyde naturelle n'augmente pas beaucoup, des problèmes tels qu'une contamination de surface et des impuretés adsorbées peuvent survenir.

Recommandations de stockage

Conclusion clé

Dans l'emballage d'azote scellé non ouvert de l'usine d'origine, l'oxydation naturelle est efficacement inhibée et la croissance de l'épaisseur est très lente. Habituellement, l'épaisseur totale de la couche d'oxyde reste inférieure à 2 nm pendant la durée de conservation et n'aura pas d'impact significatif sur l'utilisation.