Формирование диэлектрических покрытий

Диэлектрические слои используются для:

1. маскирования или диффузного легирования примеси кремния

2. для пассивации поверхности полупроводника

3. для изоляции элементов ИМС друг от друга

4. для изоляции проводимых слоев в структурах с многослойной разводкой

5. в качестве активных компонентов в МДП структурах

6. для защиты полупроводниковой структуры от механических повреждений и воздействия внешней среды

Существует 2 группы методов нанесения пленок SiO₂

- 1 группа – связана с использованием материала подложки (активная)

- 2 группа – нанесение пленки SiO₂ из внешней фазы

Выбор конкретного метода зависит от функционального назначения пленок.

Наиболее распространенный – методы кислического окисления:

1. в сухом кислороде

2. в парах воды

3. во влажном кислороде

4. окисление при повышенном давлении

5. простое окисление

Согласно экспериментальным данным, свежеобрабатываемая поверхность кремния при обычных условиях покрывается слоем оксида толщиной 3-7 нанометров, после чего дальнейший процесс окисления прекращается.

Для продолжения роста пленки оксида необходимо активизировать перенос реагирующих элементов кислорода или кремния с целью их непосредственного контакта и образования SiO₂.

Процесс высокотемпературный – термическое окисление.

I – окисление в сухом кислороде

I и II – окисление во влажном кислороде

1- вентили

2- осушитель

3- фильтр

4- печь

5- пластины кремния

6- вытяжное устройство

8- увлажнитель

9- нагреватель

Термическое окислении е в сухом кислороде

В качестве осушителя используют вымораживающую ловушку или химический поглотитель, позволяющие снизить содержание влаги в кислороде до точки росы (не выше 60). Точка росы – это состояние когда пар выпадает в виде жидкой пленки. Чем меньше воды в газе, тем ниже точка росы.

Достоинство – качество пленки.

Недостаток – скорость окисления мала.

Si (тв.) + O₂ → SiO₂ (тв.)

Окисление во влажном кислороде

Комбинация 2 процессов в парах влажного и в сухом кислороде. Кислород подают в увлажнитель (емкость со сверхчистой ионной водой). Вода нагревается до 95 градусов, что соответствует давлению водяных паров 85·10³ Па.

H₂O + Si → SiO₂ + H₂↑ - в парах воды

В рассмотренных процессах разрыв химических связей реагентов происходит засчет тепловой энергии нагрева пластин.

При плазмохимическом осаждении необходима энергия разрыва связи, приобретенная засчет энергии ионов газа, образуемого плазму.

Осаждение можно осуществлять на холодные пластины для улучшения структуры пленок и для повышения прилегания к пластине нагревают до 250 градусов.

В качестве транспортирующего и плазмообразующего газа используют кислород и аргон.

Осаждение диэлектрических пленок

Осаждение взамен окисления пластин позволяет:

1. уменьшить температурное воздействие на пластину

2. использование широко применяющихся материалов

3. получить относительно толстые пленки межслойной изоляции

Для осаждения SiO₂ широко используют следующие реакции:

1. Реакция окисления силана

SiH4 + O2 SiO2 + H2O

Достоинства:

1. не требует высокотемпературного нагрева пластины (200-300º)

2. отсутствие загрязнения пленки

3. высокая скорость осаждения – до 0,1 микрон в минуту

4. возможность осаждения легирующего окисла в качестве твердого диффузанта

Недостаток – токсичность и взрывоопасность силана

2. пиролитическое осаждение SiO₂ из кремнийорганического соединения (тетраэтоксисилан)

Si(OC2H5)4 SiO2 + 4 C2H4 + 2H2O

Достоинство – процесс безопасен

Недостаток – загрузка пленки

3. Осаждение нитрида кремния Si3N4

6 Si + 4 N2 2 Si3N4

Даже при температуре 1300º скорость реакции мала, поэтому в производстве используются реакции взаимодействия гидрида или галогенов кремния а аммиаком или гидрозином.

SiH₄ + NH₃ → Si₃N₄ + H₂

SiH₄ + N₂H₄ → SiN₄ + NH₃