Термическое окисление кремния (стр. 1 из 2)
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Институт электронных информационных систем
Кафедра «Проектирования и технологии радиоаппаратуры»
ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ КРЕМЛЕНИЯ
Реферат по дисциплине:
«Физико-химические основы технологии электронных средств»
Специальность 210201
Руководитель
__________ Л.В. Быстрова
“___” __________ 2009 г.
Студент группы 6023зу
__________ Д.А.Смирнов
“___” __________ 2009 г.
Содержание
1. Оборудование для термического окисления
2. Модель Дила-Гроува
3. Зависимость толщины окисла от времени окисления
4. Особенности роста тонких и толстых плёнок двуокиси кремния
5. Свойства плёнок SiO2
Список литературы
1. Оборудование для термического окисления
Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 - 1200 ºС. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично вид установки показан на рис. 1 (в современных установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально).
Рис. 1
Требования к оборудованию:
· контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя,
· обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе (двухстадийный нагрев),
· отсутствие посторонних частиц в реакторе (подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно),
· отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора (с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором),
· обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.
Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:
· окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): Siтверд.+ O2 = SiO2;
· окисление в парах воды (влажное окисление): Siтверд.+2H2O = SiO2 + 2H2;
· термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление);
· термическое окисление при взаимодействии молекул воды, синтезированных из атомарно чистых кислорода и водорода непосредственно у поверхности кремния, с атомами кремния (пирогенное окисление).
Время окисления в стандартных технологических процессах составляет 4 - 5 часов.
Значительным достижением в совершенствовании технологии окисления кремния явилось добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов. Это привело к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния (обычно с концентрацией хлора 1016- 1020 см-3) заключается в превращении случайно проникших в SiO2 примесных ионов натрия или калия в электрически неактивные.
2. Модель Дила-Гроува
Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями.
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 концентраций диффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.
К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностью объяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальных 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.
Процесс окисления происходит на границе Si - SiO2, поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы прямо пропорциональна парциальному давлению газа P:
C* = HP, где
C*- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения давления P,
H - постоянный коэффициент Генри.
В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем C*.
Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностной концентраций окислителя:
F1 = h(C* - C0), где
C0 - поверхностная концентрация окислителя,
h - коэффициент переноса.
Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скорости газового потока и растворимости окислителя в SiO2.
Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки окислителя в объеме окисла F2 и на его границе с кремнием F3. Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентом концентрации окислителя:
F2 = - D(dC/dz) = D(C0 - Ci)/z0, (1)
где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр при z = z0,
D - коэффициент диффузии при данной температуре,
z0 - толщина окисла.
Величина потока F3 на границе окисла с полупроводником зависит от постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:
F3= kCi (2)
При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 = F2 = F1 = F. Следовательно, приравняв соотношения (1) и (2), можно выразить величины Ci и C0 через C*:
(3)Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим поток F3 как изменение числа молекул в слое dz0 за время dt. Тогда уравнение потока на границе SiO2 - Si будет иметь следующий вид:
(4)Скорость роста окисла определяется потоком F3 и количеством молекул окислителя Ni , входящих в единичный объем окисла. Поскольку концентрация молекул SiO2 в окисле равна 2.2*1022 см-3, то для получения двуокиси кремния требуется такая же концентрация молекул кислородаили в два раза большая концентрация молекул воды.
Соотношение между величинами z0 и t определяется интегралом вида
3. Зависимость толщины окисла от времени окисления
Следовательно, для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции K и прямо пропорциональна времени окисления (8). Для больших времен окисления скорость роста зависит от постоянной диффузии D (9), а толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени процесса.
На скорость окисления влияют также ориентация подложки, присутствие паров воды, наличие натрия, хлора и концентрация легирующей примеси в кремнии. На рис. 3 приведена зависимость толщины пленки SiO2 от времени окисления во влажном кислороде при парциальном давлении паров воды 85*103 Па.
Для широкого класса полупроводников и металлов кинетика процесса активного окисления характеризуется в равновесии линейным законом, то в случае пассивного окисления физическая картина процесса усложняется процессом переноса реагента к реакционной поверхности раздела сквозь растущую пленку. При этом кинетика окисления может быть аппроксимирована следующими законами:
· линейным Х(т) = К1*т; (1)
· параболическим Х2(т) = К2*т; (2)
· кубическим Х3(т) = К3*т; (3)
· логарифмическим Х(т) = К4*lg(В*т+ 1); (5)
· обратно логарифмическим K5/X(т) = А - lg(т) (6)
Существование каждого из этих законов определяется условиями проведения процесса окисления и свойствами исходного материала. Константы К1- К5 зависят от температуры, давления реагента и природы окисляемого материала.
Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностей от температуры процесса приведена в Таблице 1.
4. Особенности роста тонких и толстых пленок двуокиси кремния
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 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).