[11] Методы Выращивания Кристаллов В Электронной Технике (Материалы с сайта Арсеньева), страница 30

Реактивное распыление

При получении пленок методом реактивного распыления взаимодействие рабочих газов с конденсируемой пленкой в ряде случаев улучшает ее электрофизические свойства. Взаимодействие реактивных газов, например О₂ и N₂, с ато­мами мишени Х приводит к образованию соединений типа Х_пО_т и X_kN_l. Газы сложного состава (NH₃, CH₄) под действием газового разряда диссоциируют и образуют ана­логичные приведенным выше соединения. При наличии в газе молекул типа SiO, Si₂O₃, SiO₂ ,CuO, Cu₂O и др., образовав­шихся из реагирующих ионов, состав формируемой пленки сильно зависит от катодного напряжения и их парциальных давлений. Оксиды при реактивном распылении образуются путем добавления к реакторному газу незначительной доли кислорода, в противном случае, например распыление SiO₂ в чистом аргоне, приводит к образованию пленки состава SiO_x, где x=1,94; ...; 1,97.

Количественно процесс катодного распыления характери­зуется коэффициентом распыления К_р, численно равным ко­личеству атомов, выбитых с поверхности мишени одной соударяющейся в ней частицей:

(11.7.6)

где К—поправочный коэффициент, учитывающий физичес­кое состояние поверхности мишени; m_i и m_а—массы бомбар­дирующего иона и атома мишени соответственно; W_i—энер­гия иона; λ_i—длина свободного пробега иона к мишени. В практике катодного распыления величина К_р обычно не превышает 10. В случае получения пленок двухкомпонентных сплавов применяются системы, содержащие два катода с от­дельным регулированием напряжения на каждом из них.

Скорость распыления материалов существенно зависит от коэффициента распыления. Однако повышение скорости осаж­дения обычно отрицательно сказывается на свойствах пленки. Стремление повысить производительность ионно-плазменного распыления привело к созданию метода магнетронного рас­пыления, основанного на удержании плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях. Применение этого метода позволяет за счет удержания плазмы в пространстве, приле­гающем к мишени, повысить плотность ионного потока и, следовательно, увеличить скорость распыления.

11.7.3. Окисление

О
кисление кремния применяется в ходе всего технологи­ческого цикла изготовления ИС и преследует следующие цели: создание масок при ионной имплантации или диффузии легирующих примесей, для изоляции приборов друг от друга.

Рис. 11.7.5. Модель термического окисления кремния

Во многих случаях толщина окисленного слоя составляет несколько сотен нанометров и по существу представляет со­бой тонкую пленку. Помимо перечисленных выше способов получения оксидных пленок кремния часто применяется тер­мическое окисление в кислороде или парах воды:

Si_ТВ+O₂→SiO_2TB. (11.7.7)

Si_ТВ+2Н₂О→SiO₂тв+2Н₂ (11.7.8)

Согласно современным представлениям окисление проис­ходит в результате диффузии окисляющих элементов через оксидный слой к границе раздела фаз Si—SiO₂, где и проте­кает реакция окисления. Однако до сих пор нет точных све­дений о том, какая частица диффундирует через окисленный слой (заряженная или нейтральная), а также неясна очеред­ность некоторых этапов реакции окисления на границе раз­дела фаз Si—SiO2.

Рассмотрим модель термического окисления кремния (рис. 11.7.5). Окисляющие элементы диффундируют из газовой фазы. их поток определяется, как число атомов или молекул, пересекающих в единицу времени единичную поверхность газ — твердое тело, и пропорционален разности концентраций окислителя в объеме газовой фазы и вблизи поверхности

F₁=h_G(C_G-C_s)

где h_g — коэффициент массопереноса в газовой фазе.

Равновесная концентрация молекул окислителя в оксидном слое, согласно закону Генри, связана с их концентрацией в газовой фазе соотношений

Со=Н_Ps (11.7.10)

С*=H_PG (11.7.11)

где Со—равновесная концентрация в окисле на внешней по­верхности; С*—равновесная объемная концентрация в окси­де; р_s — парциальное давление в газовой фазе вблизи по­верхности оксида; р_G — парциальное давление в объеме га­зовой фазы; H—постоянная Генри. Воспользовавшись зако­ном Генри совместно с законом идеальных газов (С==р/kТ). получим следующее выражение для потока F₁;

F₁=h/(C*—Co), (11.7.12)

где h — коэффициент масеопереноса в газовой фазе, опреде­ляемый как h=h_G /HkT.

Поток частиц окислителя через оксид описывается зако­ном Фика

F2=-D*dC/dx (11.7.13)

Для установившегося процесса выражение для этого потока имеет следующий вид:

F2=D*/( Co - C_i)/d₀ (11.7.14)

где C_i—концентрация окисляющего агента в оксиде вблизи фазовой границы с кремнием; d—толщина оксида.

Поток, соответствующий реакции, происходящей на гра­нице раздела фаз Si—SiO₂, пропорционален C₁:

F3=k_s C_i (11.7.15)

где k_s—константа скорости поверхностной химической реак­ции окисления кремния.

В

условиях равновесия F₁=F₂=F₃. Совместное решение уравнений для этих потоков приводит к следующим выраже­ниям для C_i и Со:

(11.7.16)

(11.7.17)

С

корость роста слоя оксида кремния, определяемая как число молекул окисления, входящих в единичный объем оксидного слоя, описывается следующим уравнением:

(11.7.18)

при следующих начальных условиях: d=di при t=0, где di соответствует начальной толщине оксидного слоя. Решение уравнения (11.7.18) имеет следующий вид:

d²₀+Ad₀=B (t+τ) (11.7.19)

где A=2D(1/k_s+1/h) (11.7.20а)

B=2DC_*/N₁ (11.7.20б)

τ=(d²_i+Ad_i)/B (11.7.20в)

Толщина оксидного слоя d_o, как функция времени, выгля­дит следующим образом:

(11.7.21)

В предельном случае при t>> τ d_o=Bt, а при малых вре­менах t когда (t+ τ) <<A²/4B:

d₀=B/A (t + τ) (11.7.22)

При окислении легированного кремния примесные атомы, первоначально расположенные в кремнии, будут перераспре­деляться на границе раздела фаз. Это явление, как уже отме­чалось в первой главе, получило название сегрегации приме­сей и обусловлено выравниванием химического потенциала примеси по обеим сторонам границы раздела фаз. На пере­распределение легирующих атомов влияет также величина коэффициента диффузии атомов примеси через слой оксида и отношение скорости перемещения границы раздела фаз в глубь кремния, но по отношению к скорости перемещения диффузионного фронта. На рис. 11.7.6 представлены четыре различных варианта сегрегации примеси, происходящей при термическом окислении кремния.

Р
ис. 11.7.6. Профили распределения примеси в системе Si—SiO₂ при диффузии с одновременным окислением для различных значений коэффициента сегрегации и параметра r=D_Si/D_SiO2

В
заключение отметим, что окисление в сухом и влажном кислороде протекает не с одинаковой скоростью (рис. 11.7.7), а при малых толщинах пленок (около 50 нм) наблюдаются аномально высокие скорости окисления.

Рис. 11.7.7. Влияние температуры: а — на параболическую константу скорости роста оксидной пленки при окислении в сухом и влажном кислороде; б — на линейную константу скорости окисления