Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988), страница 7

2. В качестве защитного, или писсивируюи4его, слоя иа поверх- кости полупроводниковых приборов. Слои, предиазиачеииь:е для таких целей, должны иметь толщину 500 — !000 им. ЧтоГ<и получить оксидиые слои такой толщииы, используется процесс термического окисления. Кремниевые пластины устанавливаются вертикально в кварцевую лодочку, которая затем помещается в кварцевую трубу, находящуюся виутри трубчатой печи. Г!о своей конструкции зта печь апалогичиа оппсаииой выше печи для диффузии.

Пластины нагреваются до высокой температуры, обычно до 950 — 1150'С, и одиовремеиио подвергаются воздействию газа, содержа<цего О, или НвО или и то и другое. Одпако основную часть газового потока в кварцевой трубе образует Хв, который служит газом-иосителсм. Скорость диффузии О, и Н,О в Я экспоиеициальио увеличивается с температурой, так что при столь высоких температурах эти окислители диффуидиру<от через оксидпый слой достаточно быстро, позволяя получить требуемую толщ<шу окисла за приемлемый период времени.

Об этом свидетельствуют графики, приведеияые иа рпс. 1.22. В процессе окисления у поверхности кремиия протекают следующие химические реакции: для О,; Я + Ов — ЯО,, для НаО: Я + 2Н,Π— ЯО, + 2Н,. (1,17) Зтот процесс называется термическим окислением, так как иитепсивиый рост окисла достигается здесь благодаря высокотемпературиому нагреву. На первой стадии окислеипя скорость роста окисла ограиичивается скоростью протекаиия химической реакции.

Когда толщина оки< ла достигает 10 — 30 им, скорость его дальнейшего рос< а ограиичивается главиым образом скоростью диффузии окислителя (О, или Н,О) через оксидиый слой (рис. !.23). Скорость дпф- 7'елеиоеил мтеоеамймл Флюмердлаюи сдам чо,о 1,0 о,г о,о~ од го,о !,о о,г о,о~ о,ое о,! но ггтыггя аниселяия, к Рнс. 1.22. Завнснмоств тог!щнны окисла от иремено окнслснин, а — термкческое окисление в су. хом кислороде; б — тер. мнческое окнслепне во влажном кислороде 1с добавленнем паров, получаемых прн нагреве НеО до 95'С). )В.

Е. Оса!, г). 5. Огоое, с)епега1 ге1а!1опа!нр 1ог !)ге Рлеппа) ох!ба1!оп о1 а11)соп, донгпа! о) Арр1!еб Рйуйса 36, Мо. 12, рр, 3370 — 3376, 1965, 3. К. 6долгтг, ТЬеогу аггее Ргас!)се о1 гп!сгое1ес1- гон!са, %1)еу, 1966.) ч ч! й !,о го бремя яяислыия, у гв Глава 1 /Ф~млий Ф й Зовем )Д УГХгемл о Ряе, 1.23. а — Окисление кремния с протеканием реакций ай + О, -ь 240я мкв Бг+ 2Н,О -в ЯОе+ 2Н,; б — яевисггыость толсцины окисла от времени окисления при термическом окислении кремния, в /гвсогг волисел блажггдй"олисел Рнс. К24. Комоии1грованвый окнсел, полученный путем трехстядийного процесса окисления: в кислороде, в пирах воды и снова в кислороде, „алой"ели сел Иремиие3пя лодложли грировать его, то получим хя/2 = СС Отсюда найдем выражение для толщины окисла х = (2С1)'г-'.

Таким образом, за начальной фазой линейного роста окисла (процесс, ограниченный скоростшо реакции) следует фаза роста, ограниченного скоростью диффузии, когда толщина окисла увеличивается как корень квадратный из времени роста. фузни О, или Н,О через этот слой обратно пропорциональна его толщине, так что выполняется соотношение пгх/М = С/х, где х — толщина окисла, С вЂ” коэффициент пропорциональности. Если представить это уравнение в виде х ггх = С г/1 и проинтеОт или ней Технологии иггоигоелених ггнгиегролених схем 43 При использовании в качестве окислителя Н,О скоросгь роста окисла оказывается примерно в четыре раза больше, чем при использовании О,, Это объясняется главным образом тем, что молекула Н»О примерно и два раза меньше по размеру, чем молекула О„так что скорость диффузии Н«О через ЯО., гораздо больше скорости диффузии О,.

Хотя в атмосфере Н«0 окисел растет гораздо быстрее, чем в атмосфере Осо при «сухом» окггсленип (с использованием О,) окисел получается несколько более плотным и с более высокой диэлектрической прочностью, чем при Исходная надаахнаать наенния Преннаедая падяажна Рис. К25. Потреблеигге кремнии в процессе роста окисла. <влажном» окислении (в парах Н,О), Часто используется трехстадийный процесс окисления типа «сухое — влажное — сухое». Сначала выращивается тонкий слой окисла в атмосфере О„затем — более толстый слой в парах Н,О и в заключение снова проводится «сухое» окисление. В результате получается комбинированное оксидное покрытие: непосредственно на поверхности кремния лежит слой более плотного «сухого» окисла, затем следует менее плотный «влажный» окисел, а на его поверхности находится защитный слой «сухого» окисла (рис.

1.24). В процессе термического окисления тонкий поверхностный слой кремния превращается в окисел. Если толщина выращенного слоя 5!Ое равна 1ох„то толщина слоя кремния, перешедшего в окисел, составляет 0,44(,х (рис. 1.25). 1.4.1. г(сггользовоние окисла в качесгпве моски. Оксидный слой может быть использован для маскирования находящейся под ним поверхности кремния в процессе диффузии или ионной имплан. тации. С помощью фотолитографической обработки можно удалить определенные участки окисла, сформировав «окна», открывающие поверхность кремния. В процессе диффузии или ионной имплантации примеси проникают в кремний только в окнах, а остальная поверхность оказывается защищенной.

Получаемый таким образом рисунок легированных областей повторяет рисунок окон, срормпро=апкых в окисле. Р-.з т хцологг.я «локальиосо» легировання играет ключевую роль в производстве твердотельных электронных приборов, имеющих микроскопические размеры. Толщина окисла, используемого в качестве маски при диффузии, зависит от типа диффузанта, а также от времени и темпера- 44 Глава Г ол 5 ь 2 ь оог 1о го 6 1ь 2 2 е гоо 2 е гооа Время Виаларзии, мин ол Рис, 1,лб, Зависимость толщины маскирующего окисла от иараметроа ироцесса ди~Кгузиги а— дибгфузия бора; б — диффузия фострора.

1З. К. Ваалсь Ткеогу аг1д ргас11се о1 гакгое1ес1гои1св, ту11еу, 1968,) ьо 1о Время Рир:уугии, мия 7.4.2. Исполозовангге окисла длгг пассиваг4гггг планарных приборов. На рис. !.27 схематически показано поперечное сечение рп-перехода, полученного путем диффузии через окно в окисле, Поскольку диффузия предо!валяет собой изотропный процесс, туры диффузии (рис. !.2б).

Как видно из приведенных графикон, оксидный слой толщиной примерно 500 нм может с успехом служить маской почти при любом процессе диффузии. Он также служит достаточной защитой при ионном легировании, за исключением тех случаев, когда используются ионы очень высоких энергий, ьо 45 Технология изготовления внтгральных схем она протекает не только в направлении, перпендикулярном поверхности, но и в боковых направлениях. Глубина перехода в вертикальном направлении обозначена хл а расстояние от края окна до боковой границы перехода, находящейся под окпслом,— у,. Эти величины связаны между собой соотношением уг = 0,8хл Таким образом, можно приближенно считать, что граница перехода на участках, находящихся под краем окисла, представляет собой четверть окружности с радиусом, равным глубине перехода.

Как видно па рисунке, место выхода перехода на поверхность кремния находится под слоем термически выращенного окисла, эо, т ° - лл йищрувия лев си тй т яисла У у,=стсгх„ Ркс. 1.27. Использование окскдвого слон в качестве маски при дкффузкв. причем достаточно далеко от края окна. Слой окисла защищает переход от различных внешних воздействий, поэтому такой окисел называют пиееиетсруюи4им. Видно также, что линия пересечения перехода с поверхностью кремния лежит в одной геометрической плоскости, поэтому такой переход называют планарныж.

При этом сам переход не является плоским: он имеет изогнутые участки, расположенные под краями диффузионного окна. В местах изгиба перехода напряженность электрического поля в переходе возрастает и напряжение пробоя перехода оказывается ниже, чем у плоского перехода с таким же распределением концентрации примеси. Для получения рисунка окон в слое окисла требуется ряд технологических операций, образу1ощих процесс фоптолитоерафии. Зтот процесс рассматривается в следующем раздече. 1.4.З. Окисление при автсоко.и даеленити Скорость термического Окисления может быть значительно повышена, если проводить его при давлениях, намного превышающих атмосферное. СкоРость диффузии молекул окислителя в оксидпом слое пропорциональна внешнему давлению.

Так например, при давлении 10 ат скорость диффузии возрастает в 10 раз, значнт, примерно во столько же раз может быть уменьшено время окисления. Или же можно оставить неизменным время окисления, но зато существенно снизить температуру проведения пропесса. Если, напри- Глава 7 мер, проводить окисление в парах воды при температуре 1200 "С и давлении 1 ат в течение 36 мин, то полученный слой окисла будет иметь толщину 600 нм (0,6 мкм). Если же повысить давление до 10 ат, то можно получить такой же слой окисла за тот же период времени, но при температуре всего лигпь 920 'С.

Второй пример: проводя окисление в парах воды при температуре 920 'С и давлении 1 ат в течение часа, получим слой окисла толщиной 200 нм, а увеличив давление до 10 ат, получим такой же слой окисла за тот же период времен>г, но при температуре 795 'С. Возможность проведения процесса при более низкой температуре — одно из главьых преимуществ окисления при высоков> давлении. Чем ниже температура процесса, тем меньше вероятность образования дефектов кристаллической решетки и тем слабее влияние обработки на характьргггтггки структур, сформированных предыдущими процессами, например диффузией.

Сокращение времени окисления полезно с ~очки зрения повышения производительности технологического оборудования. Главный недостаток этого процесса — высокие первоначальные затраты иа оборудование. 1.5. Фотолитография С помощью фотолитографии иа поверхности кремниевой пластины можно получать рисунок схем пли приборов с микроскопическими размерами элементов, размещая на одном кристалле площадью 1 см х 1 см до 10 000 транзисторов.