थर्मल ऑक्सीकरण के मुख्य प्रकार

हाई-एंड सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण में, SiO₂ फिल्में आमतौर पर सब्सट्रेट सतह उपचार के लिए ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के माध्यम से बनाई जाती हैं, और उनके सामान्य अनुप्रयोगों में डोपेंट बाधा परतें, सतह इन्सुलेशन परतें, गेट ऑक्साइड परतें, फ़ील्ड ऑक्साइड और बलि ऑक्साइड शामिल हैं। वेफर निर्माण में मुख्य प्रक्रियाओं के रूप में, ऑक्सीकरण वातावरण के आधार पर, थर्मल ऑक्सीकरण को शुष्क ऑक्सीकरण, गीला ऑक्सीजन ऑक्सीकरण और भाप ऑक्सीकरण में वर्गीकृत किया जाता है।

शुष्क ऑक्सीकरण

प्रतिक्रिया कक्ष में शुद्ध और शुष्क ऑक्सीजन को शामिल करके शुष्क ऑक्सीकरण किया जाता है। उच्च तापमान पर, ऑक्सीजन अणु वेफर सतह पर सिलिकॉन परमाणुओं के साथ प्रतिक्रिया करके एक प्रारंभिक SiO₂ परत बनाते हैं, जो ऑक्सीजन अणुओं और सिलिकॉन सतह के बीच सीधे संपर्क को अवरुद्ध करता है। बाद की ऑक्सीकरण प्रक्रिया में, ऑक्सीजन अणुओं को आगे की प्रतिक्रिया के लिए Si/SiO₂ इंटरफ़ेस तक पहुंचने के लिए मौजूदा SiO₂ परत के माध्यम से फैलना होगा। इस कारण से, Si/SiO₂ इंटरफ़ेस लगातार बदल रहा है, जिसके परिणामस्वरूप अंतिम ऑक्साइड परत और सब्सट्रेट के बीच अधूरा SiOₓ होता है, जिससे इंटरफ़ेस राज्यों का निर्माण होता है। शुष्क ऑक्सीकरण द्वारा निर्मित SiO₂ परत में सघन संरचना, बेहतर एकरूपता और उत्कृष्ट प्रक्रिया दोहराव की विशेषता होती है। वे गैर-ध्रुवीय फोटोरेसिस्ट के साथ मजबूती से जुड़ते हैं, फोटोरेसिस्ट को छीलने से रोकते हैं और बेहतरीन लिथोग्राफी रिज़ॉल्यूशन सुनिश्चित करते हैं, जिससे वे फोटोरेसिस्ट-संपर्क ऑक्साइड परतों के लिए सबसे अच्छा विकल्प बन जाते हैं।

क्लोरीन-डोप्ड ऑक्सीकरण शुष्क ऑक्सीकरण का एक प्रकार है। प्रक्रिया के दौरान, सूखी ऑक्सीजन में थोड़ी मात्रा में क्लोरीन युक्त गैसीय यौगिक जैसे क्लोरीन गैस, हाइड्रोजन क्लोराइड, ट्राइक्लोरोइथीलीन या ट्राइक्लोरोइथेन मिलाए जाते हैं। क्लोरीन ऑक्साइड परत में समाहित हो जाता है और SiO₂/Si इंटरफ़ेस के पास जमा हो जाता है। यह मोबाइल आयनों (जैसे सोडियम आयन) को फँसाता है और उन्हें निष्क्रिय कर देता है। इस बीच, क्लोरीन इंटरफ़ेस पर सीएल-सी-ओ कॉम्प्लेक्स बनाता है, जो इंटरफ़ेस चार्ज को बेअसर करता है और ऑक्सीजन रिक्तियों को भरता है। यह इंटरफ़ेस स्थिति घनत्व को कम करता है और SiO₂ फिल्म के भीतर दोषों को कम करता है। उच्च तापमान पर, क्लोरीन लंबे समय तक उपयोग की जाने वाली ऑक्सीकरण भट्टियों में जमा हुई अशुद्धियों के साथ प्रतिक्रिया करके वाष्पशील यौगिक बनाता है जो चैम्बर से बाहर निकल जाते हैं। क्लोरीन-डोप्ड ऑक्सीकरण इस प्रकार सिलिकॉन में अशुद्धियों को कम करता है, पुनर्संयोजन केंद्रों को कम करता है और अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल को बढ़ाता है।

भाप ऑक्सीकरण

भाप ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया कक्ष के अंदर जल वाष्प का उपयोग करता है। जलवाष्प उच्च शुद्धता वाले विआयनीकृत पानी या हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैस की दहन प्रतिक्रिया से उत्पन्न होता है। उच्च तापमान पर, जल वाष्प वेफर सतह पर सिलिकॉन के साथ प्रतिक्रिया करके प्रारंभिक SiO₂ परत बनाता है। पानी के अणु सबसे पहले सतह SiO₂ के साथ प्रतिक्रिया करके सिलानोल समूह (Si-OH) बनाते हैं। ये समूह ऑक्साइड परत के माध्यम से SiO₂/Si इंटरफ़ेस तक फैलते हैं और सिलिकॉन परमाणुओं के साथ प्रतिक्रिया करना जारी रखते हैं। अधिकांश उत्पन्न हाइड्रोजन इंटरफ़ेस से बाहर निकल जाता है, जबकि एक भाग ऑक्सीजन के साथ मिलकर हाइड्रॉक्सिल समूह (-OH) बनाता है।

भाप ऑक्सीकरण द्वारा निर्मित SiO₂ फिल्म में गैर-ब्रिजिंग ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ एक सिलेनॉल संरचना होती है, जहां प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु केवल एक सिलिकॉन परमाणु से बंधता है। ऐसी ऑक्साइड फिल्में कम सघन होती हैं और इनमें प्रक्रिया दोहराने की क्षमता कम होती है। हाइड्रॉक्सिल समूह आसानी से नमी को अवशोषित करते हैं और फिल्म को ध्रुवीय बना देते हैं, जिससे गैर-ध्रुवीय फोटोरेसिस्ट के साथ खराब आसंजन होता है और बार-बार फोटोरेसिस्ट उठता है। इसकी ढीली संरचना के कारण, भाप ऑक्सीकरण शुष्क ऑक्सीकरण की तुलना में बहुत तेजी से होता है।

गीला ऑक्सीजन ऑक्सीकरण

गीले ऑक्सीजन ऑक्सीकरण के लिए, ऑक्सीजन गैस प्रतिक्रिया कक्ष में प्रवेश करने से पहले गर्म उच्च शुद्धता वाले विआयनीकृत पानी से गुजरती है, ताकि ऑक्सीजन जल वाष्प की एक निश्चित सांद्रता ले सके। जलवाष्प की मात्रा तापमान और गैस प्रवाह दर से निर्धारित होती है। यह प्रक्रिया शुष्क ऑक्सीकरण और भाप ऑक्सीकरण की विशेषताओं को जोड़ती है। इसकी ऑक्सीकरण दर शुष्क ऑक्सीकरण से अधिक लेकिन भाप ऑक्सीकरण से कम होती है। फिल्म की गुणवत्ता के संदर्भ में, गीला ऑक्सीजन ऑक्सीकरण शुष्क ऑक्सीकरण से कमतर है, फिर भी भाप ऑक्सीकरण से बेहतर है।

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