Особенности роста окислов и влияние различных факторов
Особенности роста окислов и влияние различных факторов
Отметим, что в микроэлектронике наиболее часто используются окислы кремния толщиной в несколько десятых долей микрона а верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1 - 2 мкм. В технологии СБИС используются также как более тонкие, так и более толстые пленки SiO2.
Одним из приборов, в которых используются сверхтонкие слои двуокиси кремния толщиной 2 - 5 нм являются энергонезависимые элементы памяти. Обычно для этих целей в применяется многослойная структура металл - нитрид кремния - двуокись кремния - кремний (МНОП транзистор). SiO2 в данной системе позволяет произвести контролируемую инжекцию заряда в нитрид кремния при подаче высокого потенциала на затвор транзистора (цикл записи или стирания информации) и препятствует растеканию этого заряда в отсутствии потенциала на затворе (хранение информации).
По мере повышения степени интеграции ИС становится необходимым получение пленок подзатворного диэлектрика с хорошо контролируемыми параметрами толщиной 20-50 нм. В ряде случаев необходимо иметь качественные пленки SiO2 толщиной 5 - 100 нм под маскирующими слоями нитрида кремния для предотвращения появления дефектов в кремниевой подложке, обусловленных наличием механических напряжений.
Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления подбирают соответствующие температурно-временные условия (см. рис). Однако необходимо учитывать, что для пассивирования ионов натрия хлором, вводимым в пленку в процессе окисления, требуются достаточно высокие температуры окисления. Плотность окисла и концентрация дефектов в кремнии также определяются температурой. Часто применяется двухстадийный процесс сухого окисления кремния, состоящий из окисления с добавлением HCl при средних температурах (около 1000 °С), с последующей термообработкой в атмосфере O2, N2 и HCl при температуре 1150 °С.
Для получения высокооднородных пленок SiO2 с воспроизводимыми свойствами используют также реакторы пониженного давления (РПД реакторы). Окисление, проводимое в РПД, позволяет синтезировать тонкие слои SiO2 с точностью до нескольких ангстрем. Температура окисления T = 900 - 1000 °С, давление P = 30 - 300 Па. Окислы гомогенны, аналогичны окислам, полученным в реакторах атмосферного давления, напряженность электрического пробоя пленок E = 10 - 13 МВ/см. Толщина синтезируемых в РПД пленок составляет 2 - 14 нм.
Еще одним способом, используемым для производства тонких пленок SiO2, является их получение во влажной атмосфере, но при пониженной температуре (T = 750 °С) и атмосферном давлении (P = 1 МПа).
Толстые окисные пленки получают, как правило, во влажной атмосфере при повышенном давлении. По своим свойствам они более пористые, имеют меньшие значения напряженности пробоя. Такие пленки используются в биполярной технологии для создания окисной изоляции и в МОП технологии - для выращивания толстых изолирующих слоев. Верхний предел по толщине для термического окисления составляет 1-2 мкм. Пленку такой толщины получают при давлении 2·106 Па при окислении в парах воды и температуре 900 °С в течение 1 - 2 часов.
Влияние ориентации на скорость окисления
1. Кристаллографическая ориентация кремния определяется ориентационной зависимостью и проявляется в зависимости линейной константы скорости роста.
Рекомендуемые материалы
2. Параболическая константа B не зависит от ориентации, так как определяется диффузионной стадией реакции.
Рекомендация для Вас - 4 Повторные испытания.
Из эксперимента константы скорости роста для Si с ориентацией поверхности по плоскости (111) в 1,68 раз выше, чем по плоскости (100).
Влияние примесей
Так как окисление во влажном O2 идет быстрее, чем в сухом, присутствие влаги в любом незначительном количестве ускоряет реакцию окисления в сухом O2.
Проанализируем влияние некоторых из этих примесей:
1. Вода. Возрастание концентрации воды с 10-4 до 1,5.10-3, увеличивая толщину с 30 нм до 37 нм при фиксированном времени.
2. Натрий. За счет изменения структуры связей в окисле ускоряет диффузию и увеличивает концентрацию O2 в окисле.
3. Основные легирующие элементы - групп 3 и 4. На границе раздела растущего Si и SiO2 происходит перераспределение примеси, она сегрегируется либо в кремнии, либо в окисле:
1) В окисле и остается там Þ химические связи в окисле ослабляются Þ повышается поток Þ увеличивается D (коэффициент диффузии).
В результате скорость окисления реакции повышается.
Если примеси диффундируют, то они не влияют на скорость окисления.
2) При высокой концентрации в кремнии увеличивается скорость окисления. (зависит линейная константа скорости и не зависит B).
Высокий уровень легирования приводит к изменению положения уровня Ферми Þ увеличивается концентрация вакансий Þ дополнительные реакционные места для протекания химической реакции.
