11 Лекция 8

8. Физико-химические закономерности образования диэлектрических пленок на поверхности кремния

В современных ЭС одним из главных требований является надежность и долговечность работы отдельных элементов, блоков и аппаратуры в целом. Стабильность и надежность работы ИС определяется состоянием поверхности полупроводника и характером ее взаимодействия с окружающей средой.

В качестве защитных покрытий в последнее время наибольшее распространение получили используемые в аморфном виде пленки диоксида кремния SiO₂, нитрида кремнияSi₃N₄, оксида алюминияAl₂O₃или комбинации покрытий из этих материалов.

Защитные покрытия могут выполнять и другие, более активные функции, являясь легирующей средой, диэлектриком в конденсаторе, изолятором элементов ИС, диэлектриком затвора в МДП-приборах и схемах, маской при локализации введения примесей методом диффузии или ионного внедрения.

8.1. Функциональные возможности пленок диоксида кремния

В естественных условиях поверхность полупроводника, в том числе кремния, всегда покрыта слоем оксида, толщина которого может составлять десятки мономолекулярных слоев. Защитные свойства таких слоев невысоки, поэтому для их улучшения применяют искусственное окисление поверхности в различных окисляющих средах при повышенных температурах или путем анодного или плазменного окисления. Из полупроводников химически стабильный «собственный» оксид имеет только кремний. Оксиды на поверхности германия, арсенида галлия и других полупроводников термически нестабильны и склонны к гидролизу.

Слои диоксида кремния SiO₂получили широкое распространение из-за следующих свойств:

- равномерность толщины, прочность, сплошность;

- достаточная чистота (не содержат примесей и включений, приводящих к пробою, поверхностной электропроводности и снижению надежности);

- способность защищать (маскировать) подложки от проникновения примесей при диффузии;

- температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) близок к ТКЛР кремния и других полупроводников, что снижает механические напряжения, приводящие к короблению пластин и растрескиванию слоев;

- высокие диэлектрические характеристики (диэлектрическая проницаемость 3,2 – 8,0; удельное сопротивление 10¹³– 10¹⁷Омсм).

Недостаток пленки – пористость, снижающая эффективность пассивации и ведущая к нестабильности параметров приборов.

Окисление кремния - физико-химический процесс, применение которого необходимо в ходе всего технологического цикла изготовления современных интегральных схем. Для создания надежных высококачественных ИС требуется не только понимать основной механизм окисления, но и обладать возможностью формировать высококачественный окисел контролируемым и воспроизводимым образом. Кроме того, чтобы гарантировать надежность ИС, нужно знать зависимость электрических свойств от технологических параметров окисления.

В технологии формирования ИС двуокись кремния используется для нескольких целей. Она служит в качестве маски при ионной имплантации или диффузии легирующей примеси в кремнии, для пассивирования поверхности структур, для изоляции элементов друг от друга (диэлектрическая изоляция в отличие от изоляции приборов p-n-переходами), выступает в роли одного из основных компонентов в МОП-структурах и обеспечивает электрическую изоляцию в системах многослойной металлизации. В настоящее время для формирования окисных слоев разработано несколько методов, которые включают в себя термическое окисление, анодирование в растворах электролитов, пиролитическое осаждение (осаждение из газовой фазы) и плазменное анодирование или окисление. В тех случаях, когда на границе раздела фаз необходимо получить низкую плотность поверхностных состояний, предпочтение отдается методу термического окисления. Однако, в связи с тем, что маскирующий окисел впоследствии чаще всего удаляют, условие получения минимальной плотности поверхностных состояний не играет роли при выборе метода формирования маскирующего слоя для процессов диффузии легирующей примеси в кремнии. Очевидно, что при необходимости формирования окисной пленки на поверхности металлического слоя (а это характерно для процессов формирования многослойной металлизации) пригодными оказываются только методы газофазного осаждения.