Защитные диэлектрические пленки в планарной технологии

Или

Решая это квадратное уравнение, получим выражение для толщины оксида в функции времени:

5

Или

Рассмотрим два предельных случая процесса термического окисления кремния. При

большом времени окислительного процесса, когда t^> >Л2/(4£), получим

, или Xo=Bi.

Таким образом, в этом предельном случае имеет место параболический закон процесса термического окисления. Коэффициент В рассматривается как константа скорости окисления.

В другом предельном случае при относительно малом времени окисления, т. е. при условии t<^A2/(4B), получим

Рис. 2. Зависимость толщины пленки S1O2 от времени проведения процесса окисления кремния

На рис. 2 показаны общая зависимость толщины оксида от времени проведения процесса термического окисления и два ее предельных случая.

3. Термическое окисление кремния в парах воды

Для получения защитных диэлектрических пленок на кремнии используют термическое окисление в парах воды высокой чистоты (порядка 10—20 МОм-см). Высокотемпературную реакцию кремния с водяным паром используют в том случае, когда количество пара не ограничивает скорость реакции. Для поддержания необходимого парциального давления водяных паров у поверхности кремниевых пластин воду подогревают.

Структурное формирование пленки оксида происходит за счет диффузионного переноса воды через слой оксида к поверхности кремния. На структурное формирование пленки оксида оказывает влияние водород, образующийся в процессе реакции окисления и диффундирующий вглубь пластины. Так как коэффициент диффузии водорода (2·10-6 см2/с при 1050°С) значительно больше, чем коэффициент диффузии воды (9· 10-10 см2/с при 1050°С), то образование гидроксильных групп у границы раздела кремний — оксид объясняется наличием не только молекул воды, но и водорода.

При температурах процесса окисления образование слоя оксида идет согласно параболическому закону и описывается выражением X2=Bt.

Чем ниже температура процесса окисления, тем ближе к линейному закон образования слоя оксида. Линейный характер роста оксидной пленки наблюдается в парах воды высокого давления (2,5· 105—4,0*107 Па) при температуре 500—800°С.

Рис. 3. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере водяного пара, от времени для температур, °С

Рост пленки оксида по линейному закону имеет место в том случае, когда скорость окисления ограничена скоростью химической реакции на границе кремний — Оксид. На участке линейного роста скорость реакции зависит от количества свободных связей атомов кремния, которые могут реагировать с молекулами воды на границе раздела кремний— оксид.

На рис. 3 приведена зависимость изменения толщины пленки оксида в атмосфере водяного пара от времени проведения процесса для различных температур.

Большое влияние на скорость роста оксидной пленки оказывают ориентация подложки, тип электропроводности и концентрация примеси исходной подложки.

Высокая концентрация примеси в подложке влияет либо на скорость реакции окисления на границе раздела кремний — оксид, либо на коэффициенты диффузии окислителей. Так, наличие в исходной подложке фосфора в первую очередь оказывает влияние на скорость реакции окисления. Поверхность кристалла с высокой концентрацией фосфора окисляется значительно быстрее, чем слаболегированная поверхность. Это справедливо для низкотемпературного диапазона (600—10000C).

При термическом окислении растущий оксид оттесняет фосфор в глубь кристалла кремния и, таким образом, в оксидном слое концентрация фосфора весьма мала. Для бора картина обратная: растущий оксид включает в себя большое количество бора, что приводит к ускорению диффузии окисляющих веществ. Поэтому кремний с высокой концентрацией бора окисляется быстрее как в высокотемпературной, так и в низкотемпературной области.

Скорость окисления в парах воды зависит от ориентации исходной пластины кремния только в низкотемпературной области, где рост оксидной пленки не подчиняется параболическому закону.

4. Термическое окисление кремния в сухом кислороде

Отличием метода окисления в сухом кислороде от окисления в парах воды является то, что в первом случае веществом, диффундирующим сквозь растущую пленку оксида, является не вода, а ионы кислорода. Необходимо отметить, что коэффициент диффузии кислорода в пленке оксида (2,8· 10-14 см2/с при 1050°С) значительно меньше, чем у водорода и воды при тех же условиях. Поэтому скорость роста оксидной пленки в сухом кислороде меньше, чем в парах воды.

Так как в процессе образования оксидных пленок отсутствуют водород и - пары воды, то в структуре выращенного оксида нет гидроксильных групп (ОН). Высокая энергия активации процесса окисления кремния в сухом кислороде и отсутствие гидроксильных групп приводят к образованию прочных связей кислорода с кремнием в структуре получаемого оксидного слоя кремния.

Как и при окислении в парах воды, кинетика окисления в области низких температур определяется в большей мере скоростью реакции на границе раздела кремний — оксид, чем диффузией кислорода. Отклонение закона роста пленки оксида в сторону линейности обычно имеет место при температурах ниже 10000C

На рис. 4 приведены графики зависимости изменения толщины оксида в атмосфере сухого кислорода от времени проведения процесса окисления для различных температур.

Процесс окисления кремния в сухом кислороде проводят на установке, показанной на рис. 5. В качестве осушителя используют вымораживающую ловушку, химический поглотитель или комбинированное устройство, позволяющее снизить содержание влаги в кислороде до точки росы. Фильтр служит для удаления частиц пыли и механических загрязнений.

Рис. 4. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере сухого кислорода, от времени для температур, °С:

5. Термическое окисление кремния во влажном кислороде

Процесс окисления кремния во влажном кислороде представляет собой комбинацию двух ранее рассмотренных процессов окисления: в парах воды и в сухом кислороде. Сухой и очищенный от примесей кислород пропускают через водяную баню, где он насыщается горячими водяными парами, и затем подают его в рабочую камеру. Содержание влаги в потоке кислорода определяется температурой водяной бани и скоростью потока кислорода.

Так как скорость образования оксидного слоя в парах воды значительно выше, чем в сухом кислороде, то скорость процесса окисления кремния зависит от содержания влаги в потоке кислорода. Процесс окисления кремния во влажном кислороде проводят на установке, показанной на рис. 5.

 Скачать реферат