Termicheskoe_Oxidirovanie_Kremnia_tsvetk ov_v5_s (Лекции Цветкова), страница 2

Для этого потребуется N молекул окислителя, причем

N = N₁·dV= N₁·S·dX_ox,

где N₁ – количество атомов окислителя в единичном объеме SiO₂ (для влажного окисления это количество в два раза больше).

С другой стороны, из определения плотности потока следует, что это же количество молекул окислителя равно N = F₃·S·dt. Тогда с учетом (4) и (6) получим

(7)

Значения N₁ равны: для сухого кислорода N₁ = 2,310²² молекул/см³ и для паров воды N₁ = 4,610²² молекул/см³.

Для решения дифференциального уравнения (7) проведем в нем разделение переменных и проинтегрируем. Учтем, что при t = 0 на поверхности кремния уже существовал слой SiO₂ толщиной X_i.

Имеем:

, (8)

(9)

Умножим левую и правую части выражения (9) на 2D и обозначим . (10)

В результате выражение (9) преобразуется к виду:

,

из которого получается квадратное уравнение относительно толщины оксидного слоя:

(11)

где .

Решение уравнения (11) дает следующую зависимость толщины оксида от времени:

(12)

Анализ полученного выражения показывает, что при малом времени оксидирования t, то есть при выполнении условия

или (13)

выражение (12) принимает вид

(14)

При больших значениях времени, то есть при выполнении условия

или (15)

выражение (21) преобразуется к виду

(16)

Графическая интерпретация полученных результатов (рис. 9) показывает, что на начальной стадии окисления толщина оксидной пленки линейно зависит от времени, а при длительном оксидировании эта зависимость становится параболической.

На рис. 10 представлены зависимости толщины слоя SiO₂ от времени окисления в сухом кислороде и парах воды при разных температурах. Видно, что повышение температуры значительно увеличивает скорость роста оксидного слоя.

Повышение скорости роста SiO₂ с температурой объясняется увеличением коэффициента диффузии молекул окислителя в слое оксида и увеличением константы скорости химической реакции окисления на границе раздела SiO₂ – Si.

Представленные на рисунке зависимости качественно описывают реальный процесс термического окисления кремния.

Что касается конкретных значений скорости роста слоя SiO₂, то, например, при сухом окислении и температуре порядка 1300 °С для получения слоя толщиной 1 мкм требуется примерно 15 часов.

Если термическое окисление проводить в атмосфере водяного пара, то аналогичный слой при той же температуре можно получить примерно за 1час.

Качество слоев, полученных тем и другим способом, будет разным. При влажном окислении полученные слои SiO₂ обладают худшими электрическими и защитными свойствами, чем слои, полученные сухим окислением.

Поэтому обычно эти два способа комбинируют, тем самым удается получать слои SiO₂ приемлемого качества с достаточно высокой скоростью.

Промышленная реализация термического окисления

Основным промышленным методом проведения термического окисления является метод открытой трубы. В соответствии с этим методом кварцевую лодочку с подложками (рис. 11, а) загружают в кварцевую трубу (реактор), рабочая зона которой размещена внутри высокотемпературной печи (рис. 11, б).

В трубу подается поток влажного или сухого кислорода, который удаляется с ее обратной стороны.

Загрузка и выгрузка лодочек с подложками производится в камерах с ламинарным потоком воздуха. После прогрева пластин и лодочки в течение 20…30 мин начинается технологическая операция. Через кварцевую трубу пропускают поток окислителя (кислорода или паров воды). По истечении заданного времени прекращают подачу окислителя и производят разгрузку реакционной трубы.

Длина рабочей зоны каждой трубы составляет не менее 450...600 мм, причем на этой длине неравномерность температуры не должна превышать ±0,5 °С.

Для повышения производительности установки выполняют в виде 3-х или 4-х трубных систем, оснащенных автоматизированными ситемами управления процессом (рис. 12).

В последние годы при окислении пластин диаметром 200-300 мм все более широко применяют установки окисления кремния с вертикальными реакторами (рис. 13).

Такие установки обеспечивают большую скорость нагрева до заданной температуры, меньшее время для загрузки партии подложек и возможность автоматизации этой операции.

При вертикальном расположении реактора достигается более высокая равномерность температуры по площади подложек и, соответственно, более равномерная их обработка. Микрочастицы в потоке газа-окислителя в меньшей степени привносят дефектность в формируемые слои, т.к. практически все оседают на самой верхней подложке.

Очевидные преимущества установок с вертикальными реакторами обусловили все более широкое их применение в крупносерийном производстве изделий микротехнологии.