Термическое окисление кремния (журналы и методы по фхомнту для всех 8ми семинаров также лекций чутка)

Формирование диэлектрических слоев на поверхности кремнияФормирование диэлектрических слоев на поверхности кремния восновном предназначено для решения трех задач. Во-первых, это пассивацияповерхности пластины после создания в ней элементов микросхемы. Наличиетакого слоя препятствует адсорбции атомов из окружающей среды наповерхность 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 Si3N4используются при операции фотолитографии в качестве маскирующихпокрытий. В-третьих, диэлектрические слои необходимы для создания МДПтранзисторов микросхем.

Наиболее широко используются диэлектрическиепокрытия из SiO2, реже – из Si3N4 и еще реже – из Al2O3.Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счетдиффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границыначального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разнымиплотностями.Для теоретического обоснования было предложено множество моделей,основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар,а также эффектах туннелирования электронов, кинетике адсорбции,образования пространственного заряда, изменении граничных концентрацийдиффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностьюобъяснить обширный класс имеющихся к настоящему времениэкспериментальных данных. Что касается получения пленок двуокиси кремния,то кинетику ее роста в широком диапазоне толщин SiO2 можно объяснить,исходя из достаточно простой модели Дила-Гроува, которая будет описананиже.Установка для окисления кремния представляет собой систему, в которойиспользуется сухой или влажный кислород.

Во втором случае кислородсначала пропускают через водяную баню, а затем направляют в печь дляокисления пластин. Содержание влаги в потоке газа определяетсятемпературой водяной бани и скоростью потока. Так как окисление в водяныхпарах происходит гораздо быстрее, чем в сухом кислороде, содержание влагив потоке газа-носителя (кислорода) является наиболее важным фактором,обусловливающим скорость окисления при заданных значениях времени итемпературы. Слои SiO2, выращенные не только в парах воды, но и вовлажном кислороде, и содержащие воду, обладают худшими электрическимии защитными свойствами, чем слои, выращенные в сухом кислороде. Поэтомуна практике в большинстве случаев используются комбинированные режимыокисления - чередование этапов выращивания окисла в сухом и влажномкислороде.1Этап окисления во влажном кислороде обеспечивает высокую скоростьроста пленки, что очень важно, так как сокращается времявысокотемпературной операции, а этап окисления в сухом кислородеобеспечивает удаление воды из слоя SiO2.

Кроме того, во время этогоэтапа происходит дополнительный рост слоя окисла и, главное,уплотнение выращенного на первом этапе слоя, а также заращиваниеимеющихся в нем пустот и других дефектов.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.1.1).

Авторы модели исходили из того, что весьпроцесс окисления можно разбить на несколькоосновных 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 потокаj1, описывающая адсорбцию и растворение молекулРис.1.1. Модельокислителя в приповерхностном слое, в первомДила-Гроуваприближении может считаться пропорциональной разности концентрациймолекул в газовой фазе С0 и в слое оксида кремния С1j1 = h(C0 − C1),где h – константа скорости растворения молекул окислителя в слое SiO2.2(1.1)Плотность потока молекул окислителя через растущий слой оксида кремния j2 определяется законом Фика:C − C2dC(1.2)≈D 1,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,(1.3)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 получимС0(1.4)С2 =.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 (1.3) и (1.4) получимC 0 dtkC 0 dt(1.5)C i dz 0 ==.k k1 1 z01 + + zo+ +h Dk h DПроизведем в уравнении (3.5) разделение переменных и проинтегрируемj2 = − DtC 1 1 z0 0(1.6)dt .∫  + + dz 0 = ∫h Dzi  k0 CiПри определении нижнего предела интегрирования в уравнении (1.6) 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 +2D2DCik hk h3(1.7)Умножим левую и правую части выражения (1.7) на 2D и обозначим2DC 01 1A = 2D +  ,B=.Cik hВ результате выражение (1.7) 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(1.8)Проанализируем полученное выражение.

При малых временах t, то естьпри выполнении условия4B(t + τ)A2<< 1 или t + τ <<4BA2выражение (1.8) 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 (1.8) 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.

1.2 представлены зависимости толщиныслоя SiO2 от времени окисления при двух разныхтемпературах. Видно, что температура значиРис. 1.2. Зависимость толщины тельно увеличивает скорость роста оксидногослоя. Повышение скорости роста с температуройслоя SiO2 от времени4объясняется увеличением коэффициента диффузии молекул окислителя в слоеSiO2 и увеличением константы скорости химической реакции окисления награнице раздела SiO2 – Si.Представленные на рис. 1.2 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.