Termicheskoe_Oxidirovanie_Kremnia_tsvetk ov_v5_s (Лекции Цветкова)

Термическое окисление кремния

Проведенный в первых разделах курса технологический анализ изделий микротехнологии показал, что в их производстве используется огромная номенклатура всевозможных материалов – полупроводников, диэлектриков, проводников.

Особое место среди этих материалов занимает диоксид кремния, обладающий уникальным набором свойств, благодаря которым кремний прочно занимает лидирующее положение среди полупроводниковых материалов.

Свойства диоксида кремния SiO₂

1. Из-за высокого сродства к кислороду поверхность кремния уже при комнатной температуре покрыта пленкой оксида толщиной 50…100 Ǻ. Это обеспечивает предельно плотную (на молекулярном уровне) и стабильную во времени связь слоя диоксида кремния с исходной поверхностью кремниевой пластины.

Для увеличения ее толщины оксида необходима термическая стимуляция окисления, поэтому технологические слои толщиной 200…1500 нм получаются термическим оксидированием кремния.

2. Диоксид кремния являются отличными изолятором: его удельное сопротивление лежит в диапазоне 10¹³ …10¹⁷ Ом∙см, а электрическая прочность составляет 10⁷ В/см.

3
. Используемый в качестве технологических слоев аморфный SiO₂ очень конформен (рис. 1) – легко повторяет рельефную структуру подложки

Рис. 1. Конформность SiO₂

1. 
   Слои SiO₂ противостоят большинству химических реактивов, применяемых при обработке кремния, и поэтому могут использоваться в качестве маски для его локальной обработки. В то же время, существуют травители, например HF, которые селективно стравливают SiO₂, не воздействуя при этом на кремний (рис. 2). Аналогичный результат можно получить, применяя плазменное травление

Рис. 2. Селективность травления Si и SiO₂

5
. Диоксид кремния блокирует диффузию основных легирующих элементов (B, P, As), а также нежелательных примесей и поэтому незаменим в качестве маски для локального легирования кремния (рис. 3).

Рис. 3. Маска из SiO₂ для локальной микрообработки

1. SiO₂ стабилен при высоких температурах (до 1400 ^оС), применяемых в технологических процессах изготовления интегральных микросхем.

Перечисленное сочетание физико-химических свойств диоксида кремния обусловило его широкое применение как конструктивного и технологического материала при создании микроструктур.

Как следует из разделов 1.1. и 1.2 основными функциями SiO₂ в микротехнологии являются:

• обеспечение тонкого подзатворного диэлектрика,

• маскирование легирующих примесей, в том числе в виде спейсеров,

• электрическая изоляция активных областей и многослойной металлизации,

• использование в качестве жертвенного (удаляемого) слоя.

Отметим, что, помимо уже рассмотренных свойств, диоксид кремния является также биосовместимым материалом, обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, способен модифицировать оптические свойства поверхности кремниевой подложки.

Структура диоксида кремния

Молекулярная структура SiO₂ имеет вид четырехгранной ячейки (рис.4, а), в которой атом кремний Si находится в центре тетраэдра из четырех атомов кислорода, а атомы кислорода – по углам тетраэдра, связывая ячейки между собой.

Возможны две схемы соединения ячеек SiO₂ с образованием соответствующих материалов.

1. Кристаллический кварц - ячейки выстроены в виде кристаллической структуры (рис.4, б).

2. Аморфный плавленый кварц (кварцевое стекло) – здесь ячейки соединяются бессистемно (рис.4, в).

а б в Рис. 4. Молекулярная структура диоксида кремния а – четырехгранная ячейка SiO2, структура кварца: б – кристаллического, в – плавленого

В качестве технологических слоев используется аморфный диоксид кремния SiO₂, в котором не все кристаллические ячейки соединены атомами кислорода. Поэтому его структура менее упорядочена и плотность (2,3 г/см³) меньше, чем у кристаллического кварца (2,65 г/см³).

Получение диоксида кремния

Пленки SiO₂ в микротехнологии получают путем окисления кремния различными способами:

• термическое окисление (сухое, влажное);

• анодное окисление;

• пиролитическое окисление;

• плазмохимическое окисление.

Наиболее качественный оксид для основных применений в микротехнологии получают термическим окислением.

Термическое окисление

Термическое окисление – наиболее распространенный метод получения качественных слоев SiO₂ нагревом кремниевых пластин в окислительной атмосфере.

Высокая температура (1000…1200 ^оС) процесса характерна и для других операций микротехнологии, например, разгонки примеси при диффузии. Поэтому термическое окисление легко встраивается в общий цикл обработки пластин, совмещается во времени с операциями диффузии и выполняется на том же технологическом оборудовании.

Окисление поверхности кремния может проводится при использовании:

• сухого кислорода: Si + O₂ = SiO₂

• влажного кислорода (паров воды): Si + 2H₂O = SiO₂ + 2H₂

Схемы проведения процессов показаны на рис. 5.

Стадии оксидирования

При термическом оксидировании кислород взаимодействует с кремнием, диффундируя через слой SiO₂(рис. 6), поскольку коэффициент диффузии O₂ в SiO₂ во много раз больше, чем аналогичный коэффициент диффузии Si в SiO₂.

Рис. 6. Границы раздела сред при термическом оксидировании

Объемная плотность образующегося SiO2 (2,3·10²² мол/см³) примерно в 2 раза меньше, чем у кремния (5·10²² мол/см³). Поэтому из молекул кремния, содержащихся в слое толщиной 1 мкм, образуется слой диоксида толщиной 2,17 мкм.

Частично этот слой внедряется в исходный кремний, а частично нарастает над ним (рис. 7), следуя определенному соотношению.

Рис. 7. Формирование оксидной пленки

Таким образом, в процессе термического оксидирования можно выделить следующие стадии, характеризуемые соответствующими скоростями:

• Молекулы кислорода или паров воды подаются в виде газового потока к поверхности кремниевых пластин.

• Далее молекулы диффундируют через уже имеющуюся на поверхности кремния оксидную пленку

• Реакция окисления происходит на границе раздела Si-SiO₂. Слой SiO₂ растет как за счет врастания в кремний, так и нарастания над его исходной поверхностью.

Модель роста оксида Дила-Гроува (Deal-Grove)

Выводы предыдущего раздела позволяют выделить в процессе термического окисления три основных этапа (рис. 8).

1. Молекулы кислорода из газовой среды перемещаются к внешней поверхности пластины, на которой в начальной стадии происходит их реакция с кремнием, а затем – адсорбция кислорода на формирующемся оксиде.

2. Молекулы кислорода диффундируют через оксида SiO₂ к кремнию Si.

3. Химическая реакция кислорода с кремнием на границе раздела SiO₂ /Si.

Каждый из этих этапов характеризуется плотностью потока окислителя F, под которой понимается количество молекул, проходящих через единичную поверхность за единицу времени.

1. Плотность потока F₁, описывающая адсорбцию и растворение молекул окислителя в приповерхностном слое, определяется разностью между ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

, (1)

где h -___________________________________________________________ [см/с].

[что именно описывается в данном случае описывается законом Генри

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________]описывается законом Генри:

, (2)

где Н – постоянная Генри, [что за постоянная, мерой чего является].

Рис. 8. Потоки молекул кислорода при оксидировании кремния

2. Плотность потока молекул окислителя через растущий слой оксида кремния F₂ описывается законом Фика для диффузии в твердом теле:

(3)

где D – коэффициент диффузии кислорода в окисный слой [см/с²],

C_i – концентрации окислителя в оксиде у границы раздела SiO₂/Si,

X_ox – толщина слоя оксида (oxide).

Заметим, что C₀  C*, поскольку не все молекулы кислорода, адсорбированные поверхностью оксида, проникнут внутрь оксида через его поверхность.

1. Плотность потока F₃ определяется химической реакцией на границе раздела SiO₂/Si и пропорциональна концентрации реагента:

, (4)

где k – константа скорости химической реакции.

В равновесном состоянии все три потока равны между собой:

F₁ = F₂ = F₃ = F.

Объединяя (1) – (4), получим:

(5)

В данной системе уравнений реально измеряемой и контролируемой величиной является концентрация молекул окислителя в газовой фазе C*. С учетом этого преобразуем выражение (5):

(6)

Учтем, что за время dt толщина слоя оксида кремния увеличивается на dX_ox, а его объем при этом увеличится на dV=S·dX_ox , где S – площадь поверхности пластины.