При окисленні у вологому кисні при температурі 1300 К величина константи параболічного рівняння швидкості знаходиться між відповідними значеннями для окислення в сухому кисні (3.6 х 10-4 мкм2/хв) та для окислення в парах води (99 х 10-4 мкм2/хв). Величина константи швидкості залежить від парціального тиску водяних парів. Значення констант не змінюються при зміні потоку газу від 30 до 200 см3/хв, що свідчить про насичення газу-носію протягом всього процесу окислення. Різниця між константами швидкості в атмосфері інертного газу або кисню приблизно дорівнює константі швидкості окислення в сухому кисні (3.6х10-4 мкм2/хв при 1400 К).
Енергія активації окислення в вологому кисні зменшується зі збільшенням концентрації парів води, що пов’язано з різницею між швидкостями потоку кисню, а також з різними температурними діапазонами процесів окислення. Енергія активації знаходиться в діапазоні від 0.8 еВ для водяної пари до 133 еВ, що відповідає сухому кисню. Експериментально знайдені значення складали 1.6 еВ при окисленні в вологому аргоні при температурі барботера 290 К [4].
Легування плівок диоксиду кремнію найкраще здійснювати в процесі росту. При цьому легуючу домішку необхідно вводити в реактор в вигляді пари. Легування плівок має свої відмінності при їх вирощуванні в “вологих” та “сухих” процесах[5].
При вирощуванні плівок в атмосфері вологого кисню домішку цинку найкраще розчиняти в приготовленому для барботування розчині. Як вихідна речовина при цьому використовується хлорид цинку.
Незважаючи на те, що згадана сіль надзвичайно гігроскопічна, при розчиненні у воді спостерігається помутніння розчину при гідролізі пов’язане з наявністю в ньому завислих комплексів, в склад яких входять не розкладені на іони молекули ZnCl2. Хлорид цинку повністю розчиняється у воді при надлишку іонів хлору. Тому, для повного розчинення солі у воді, розчин ZnCl2 необхідно титрувати соляною кислотою до повної прозорості, або відфільтровувати завислі комплекси через мікропористий фільтр.
Як згадано в [6,7] для барботування використовується вихідний розчин хлориду цинку концентрації 1 - 3%, або, при миттєвому випаровуванні розчину в реакторі, 0,001 - 0,025% розчин. В цьому випадку готується вихідний 1% розчин ZnCl2, який потім розводиться деіонізованою водою до необхідної концентрації. Миттєве випаровування попередньо приготованого розчину здійснюється шляхом введення його в реактор через капіляр з витратою 10 мл/хв.
1.2. Основні властивості диоксиду кремнію та меж розділу з напівпровідником та металом.
У літературі щодо властивостей кремнію наводяться різні конкретні значення величин параметрів, що характеризують властивостей оксидів кремнію. Очевидно, що ці залежать від експериментальних умов вирощування оксиду. Наприклад. Коефіцієнт заломлення плівок оксиду, вирощеного в сухому кисні, зменшується із збільшенням температури, досягаючи постійного значення 1.4620 при температурі вище 1190 °С. Швидкість травлення термічних оксидів при кімнатній температурі в HF (4.9%) складає 100 нм/хв і змінюється залежно від температури та концентрації травника. Крім того, швидкість травлення залежить від густини оксиду та від температури окислення.
В тонких оксидних плівках значно впливає на властивості окислу межа розділу фаз.
Здатність шару SiO2 служити локальним маскуючим покриттям при дифузії атомів легуючої домішки при підвищених температурах – дуже корисна властивість для технології формування ІС. В процесі маскування поверхні кремнію від дифузії домішки, оксид перетворюється в склоподібну фазу – так зване домішковосилікатне скло.
Значення дифузійних констант для різних легуючих домішок в SiO2 від концентрації домішок, властивостей та структури SiO2.
Найчастіше для створення в кремнію областей з провідністю n-типу застосовують Р, Sb та As, а для формування області з провідністю р-типу – В. ці домішки мають малі коефіцієнти дифузії в оксиді, тому оксид може застосовуватись для маскуванні при дифузії домішки в кремнію. Що стосується галію та алюмінію, то при їх використанні застосовувати окисел кремнію для маскування не можна. Найчастіше плівки оксиду, що використовують для маскування традиційних домішок в стандартних технологічних процесах формування напівпровідникових приладів, мають товщину 0.5-0.7 мкм.
1.2.1. Заряд в окислі.
Межа розділу Si-SiO2 є перехідною областю між кристалічним кремнієм і аморфним кварцевим склом, як щодо положення атомів, так і щодо стехіометрії. Різні за природою заряди та пастки носіїв супроводжують термічно окислений кремній, частина з них зв’язана з перехідною областю. Заряд на межі розділу може індукувати заряд протилежної полярності в розташованій під нею області кремнію, впливаючи на і деальність характеристик МОН-приладу та цим самим на вихід якісних виробів і їх надійність.
На рис. 1.4. показані основні види зарядів, зв’язаних з оксидом. Вони записуються:
N=Q/q,
де Q(Кл/см2) – результуючий ефективний заряд на одиницю площі на межі розділу – Si-SiO2; N (см-2) – результуюче число зарядів на одиницю площі на межі розділу Si-SiO2; q – заряд електрона.
Заряд поверхневих станів - це заряд електронних станів, що локалізовані на границі розділу SI-SiO2 і енергія яких лежить в глибині забороненої зони напівпровідника. Ці поверхневі стани (їх називають також швидкими) можуть досить швидко перезаряджатися, обмінюючись електронами (дірками) з кремнієм. Поверхневі стани зумовлені надлишковими атомами кремнію, надлишковим киснем або домішковими атомами. Основною причиною виникнення цих станів є те, що сама межа розділу є порушенням просторової періодичності кристалічної решітки. В сучасних МОН-структурах, які отримують шляхом термічного окислення кремнію, більша частина поверхневого заряду нейтралізується в процесі низькотемпературного відпалу (450 °С) в атмосфері водню. В кращих зразках величина Nit не перевищує 1010 см-2, що відповідає одному захопленому заряду на кожні 105 атомів межі розділу.
Поверхневі стани вважаються донорними, якщо, віддаючи електрон, вони стають нейтральними або позитивно зарядженими. Акцепторними називають поверхневі стани, які стають нейтральними або негативно зарядженими, захоплюючи електрон.
Еквівалентна електрична схема МОН-структури, що враховує вплив поверхнева станів, показана на рис.2.2.
На цьому малюнку Сi і Сd ємності ізолятора та збідненого шару напівпровідника. Еквівалентна ємність Сs, і еквівалентний опір Rs, залежать від поверхневого потенціалу і описують перезарядку поверхневих станів. Добуток СsRs, визначає час релаксації заповнення поверхневих пасток та залежність процесу перезарядки поверхневих станів. Паралельні гілки електричної схеми на рис. 2.2 можна показати в вигляді залежної від частоти еквівалентної ємності:
Cp=Cd+Cs/(1+wt2),t
включеної паралельно з провідністю:
Cp/w= Cswt/(1+w2t2),
де t=СsRs.
Активна та реактивна складові повної комплексної провідності еквівалентах схем, показаних на рис. 2.2 :
Yig=Gin+jw×Cin,
визначаються виразами:
Gin=w2CstCi2/[Ci+Cd+Cs)2+w2t2(Ci+w2t2(Ci+Cd)2],
Cin=Ci{Cd+Cs[(Ci+Cd+Cs)2+w2t2Cd(Ci+Cd)]/[( Ci+Cd+Cs)2+ w2t2Cd(Ci+Cd)]}/
[(Ci+Cd+Cs)…
Для визначення величини заряду, захопленого на поверхневі пастки, можна використовувати вимірювання вхідної ємності МДН-структури та вимірювання ЇЇ вхідної провідності. Метод провідності дозволяє точніше визначати густину поверхневих станів. Це особливо важливо при дослідженні МОН-структур з відносно малою (~1010 см-2еВ-1) густиною поверхневих станів. Перевага ємнісних методів полягає в тому, що з їх допо-
могою можна порівняно легко визначити зсув напруги плоских зон та величину повного захопленого заряду Оit.
На рис. 2.2 проілюстроване витягування С-V-характеристики МОН-структури за рахунок поверхневого захопленого заряду. При високих частотах (wt>>1) заряд на поверхневих станах не встигає за змінами тестуючої напруги. В цьому випадку вираз для значення С набуде вигляду: