В. И. Смирнов (987304), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Так что влияние дефектов в эпитаксиальном слое практическисведено к минимуму. Тем не менее нередко используют методы, позволяющиеулучшить качество кристаллической структуры эпитаксиальных слоев. Это, вчастности, достигается имплантацией в выращенный эпитаксиальный слой ионов кремния и последующей обработкой поверхности слоя лазерным лучом,что вызывает процессы рекристаллизации в эпитаксиальном слое кремния.3.2.

Формирование диэлектрических слоев на поверхности кремнияФормирование диэлектрических слоев на поверхности кремнияв основном предназначено для решения трех задач. Во-первых, это пассивацияповерхности пластины после создания в ней элементов микросхемы. Наличие24такого слоя препятствует адсорбции атомов из окружающей средына поверхность пластины, тем самым исключается образование электропроводящих дорожек, шунтирующих p-n-переходы. Обычно для решения этой задачиприменяется SiO2 и Si3N4. Во-вторых, диэлектрические слои из SiO2 и Si3N4 используются при операции фотолитографии в качестве маскирующих покрытий.В-третьих, диэлектрические слои необходимы для создания МДП-транзисторовмикросхем. Наиболее широко используются диэлектрические покрытияиз SiO2, реже – из Si3N4 и еще реже – из Al2O3.Формирование диэлектрических слоев SiO2 на поверхности кремния методом термического окисленияПолучить пленку аморфного SiO2 на поверхности кремниевой пластиныможно разными способами.

Из них наиболее широко используется методы термического окисления и химического осаждения. При термическом окислениирост пленки SiO2 происходит за счет окисления кремния кислородом (сухоеокисление) или парами воды (влажное окисление) согласно реакциямSi + O2 → SiO2,Si + 2H2O → SiO2 + 2H2.Реакция окисления происходит на границе раздела Si − SiO2, то есть атомы и молекулы окислителя диффундируют через растущий слой оксидак поверхности кремния, где и происходит реакция. Температура процесса находится в диапазоне 800−1300 °С. Чем выше температура, тем выше скоростьроста пленки SiO2.

Однако проводить процесс окисления пластин Si при высоких температурах, когда в них уже сформированы элементы микросхемы, нежелательно, поскольку дополнительный нагрев приводит к процессу диффузиипримесей, уже внедренных в пластину.Кинетика процесса окисления описывается моделью Дила-Гроува(рис. 3.3). Авторы модели исходили из того, чтовесь процесс окисления можно разбить на несколько основных стадий: адсорбция и растворение молекул или атомов окислителя в приповерхностномслое, их диффузия через слой SiO2, реакция окисления.

Каждая из этих стадий описывается плотностью потока окислителя j, под которой понимаетсяколичество молекул, проходящих через единичнуюповерхность за единицу времени. Плотность потокаРис. 3.3. Модельj1, описывающая адсорбцию и растворение молекулДила-Гроуваокислителя в приповерхностном слое, в первомприближении может считаться пропорциональнойразности концентраций молекул в газовой фазе С0 и в слое оксида кремния С1(3.1)j1 = h(C0 − C1),где h – константа скорости растворения молекул окислителя в слое SiO2.25Плотность потока молекул окислителя через растущий слой оксида кремния j2 определяется законом Фика:C − C2dC≈D 1,(3.2)dzz0где D – коэффициент диффузии молекул окислителя в SiO2; z0 – толщина слояSiO; С2 – концентрация молекул на границе раздела SiO2 – Si.Плотность потока j3, описывающая реакцию окисления, пропорциональнаконцентрации молекул окислителя C2j3 = kC2,(3.3)где k – константа скорости химической реакции.В установившемся режиме все эти три плотности потока должны бытьравны.

Объединяя (3.1) – (3.3), получимC − C2h(C0 - C1 ) = D 1= k C2 .z0В данной системе уравнений реально измеряемой величиной является концентрация молекул окислителя в газовой фазе C0. Исключим концентрацию C1, аконцентрацию C2 выразим через C0. В результате получимС0С2 =.(3.4)k k1 + + z0h DПусть за время dt слой оксида кремния увеличивается на dz0, объем слояSiO2 при этом увеличится на dV=Sdz0 , где S – площадь поверхности пластины.Для этого потребуется N молекул окислителя, причем N = Ci⋅dV= CiSdz0, гдеCi − концентрация атомов кремния в слое 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 = j3Sdt. Тогдас учетом (3.3) и (3.4) получимkC 0 dtC 0 dtC i dz 0 ==.(3.5)k k1 1 z01 + + zo+ +h Dk h DПроизведем в уравнении (3.5) разделение переменных и проинтегрируемj2 = − DtC 1 1 z0 0dt .(3.6)∫  + + dz 0 = ∫h Dzi  k0 CiПри определении нижнего предела интегрирования в уравнении (3.6) учтено,что при t = 0 на поверхности кремния уже существовал слой SiO2(так называемый самородный слой zi). В результате интегрирования получимz0C111 11 1z0 −z i = 0 t. + z 0 −  + z i +2DCi2Dk hk h26(3.7)Умножим левую и правую части выражения (3.7) на 2D и обозначим2DC 01 1A = 2D +  ,B=.Cik hВ результате выражение (3.7) после несложных преобразований примет видz 02 + Az 0 = Bt + z i2 + Azi = B(t + τ),где введено обозначениеz i2 + Az i.τ=BПолучилось квадратное уравнение относительно толщины оксидного слоя z0z 02 + Az 0 − B(t + τ) = 0.Учитывая, что z0 − величина положительная, решение уравнения будетAA2A4B(t + τ) .z0 = − ++ B(t + τ) =  1 +−1242A2(3.8)Проанализируем полученное выражение.

При малых временах t, то естьпри выполнении условия4B(t + τ)A2<< 1 или t + τ <<4BA2выражение (3.8) примет видA  1 4B(t + τ)  Bz 0 ≈ 1 + ⋅− 1 = (t + τ).2 2A2 AПри больших временах, то есть при выполнении условия4B(t + τ)>> 1 или t + τ >>A2выражение (3.8) примет видz0 ≈A24BA 4B(t + τ)= B(t + τ) .2A2Таким образом, на начальной стадии окисления толщина оксидной пленки увеличивается со временем по линейному закону, а при больших временах окисления зависимость толщины от времени становится корневой.На рис. 3.4 представлены зависимости толщиныслоя SiO2 от времени окисления при двух разныхтемпературах.

Видно, что температура значиРис. 3.4. Зависимость толщины тельно увеличивает скорость роста оксидногослоя. Повышение скорости роста с температуройслоя SiO2 от времени27объясняется увеличением коэффициента диффузии молекул окислителя в слоеSiO2 и увеличением константы скорости химической реакции окисления награнице раздела SiO2 – Si.Представленные на рис. 3.4 зависимости качественно верно описываютреальный процесс термического окисления кремния. Что касается конкретныхзначений скорости роста слоя SiO2, то, например, при сухом окислениии температуре порядка 1300 °С для получения слоя толщиной 1 мкм требуетсяпримерно 15 часов.

Если термическое окисление проводить в атмосфере водяного пара, то аналогичный слой при той же температуре можно получить примерно за 1час. Более высокая скорость объясняется меньшим эффективнымдиаметром молекул Н2О по сравнению с О2 и меньшей энергией активациидиффузии молекул окислителя через растущий слой оксида. Качество слоев,полученных тем и другим способом, будет разным. При влажном окисленииполученные слои SiO2 обладают худшим 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.Факторы, влияющие на скорость роста пленок SiO2Кроме температуры и окислительной среды на скорость роста слоя SiO2влияет давление газа-окислителя.

Повышение давления увеличивает концентрацию молекул окислителя, растворенных в приповерхностном слое, тем самым увеличивается градиент концентрации молекул в слое SiO2, а значит, искорость диффузии. Окисление при повышенном давлении водяного пара (ускоренное гидротермальное окисление) позволяет получать оксидные пленкитолщиной 2−3 мкм, что особенно важно при формировании изопланарныхструктур, приборов с зарядовой связью и так далее.

Недостатком метода является необходимость использования герметичных и высокопрочных реактороввместо технологичных проточных систем.На скорость роста слоя SiO2 оказывает влияние кристаллографическаяориентация кремниевой пластины. Окисление на пластине с ориентацией (111)происходит быстрее, чем с ориентацией (100).

Влияние ориентации особеннозаметно при относительно низких температурах. Так, например, при Т = 700 °Сотличие в скорости окисления составляет 40 %, а при Т = 1200 °С всего 2 %. Зависимость скорости окисления от кристаллографической ориентации объясняется тем, что различным кристаллографическим направлениям пластины соответствует разное количество связей Si – Si.Большое влияние на скорость роста слоя SiO2 оказывает концентрациялегирующей примеси в исходной пластине кремния. Это влияние обусловленоявлением сегрегации примеси на границе раздела SiO2 – Si.

Для одних примесных атомов растворимость в Si выше, чем в SiO2, поэтому при термическомокислении растущий оксид оттесняет примесные атомы в глубь пластиныкремния. В результате оксидный слой обедняется данными примесными атома28ми. Так, в частности, ведут себя атомы фосфора, мышьяка, сурьмы. А такиеатомы, как бор, напротив, лучше растворяются в SiO2, чем в Si, поэтому приокислении слой SiO2 получается обогащенным атомами бора. Наличие примесных атомов в слое SiO2 создает в нем механические напряжения и как бы «разрыхляет» его, что способствует увеличению скорости диффузии молекул окислителя через растущий слой оксида. Атомы фосфора, мышьяка и сурьмы оказывают влияние только на скорость химической реакции.

Поэтому их влияниесущественно только на ранней стадии процесса окисления, когда толщина слояневелика и общая скорость окисления определяется скоростью химической реакции. Атомы бора, напротив, оказывают влияние и при относительно толстыхслоях SiO2.Существенный прогресс в технологии термического окисления был достигнут при добавлении в окислительную среду хлора и хлорсодержащих компонентов. Добавление хлора позволило увеличить скорость окисления, улучшить стабильность электрических характеристик и повысить пробивное напряжение оксидных слоев.

Характеристики

Список файлов книги