8.4. Влияние кристаллографической ориентации поверхности кремния на скорость окисления

Эксперименты показывают, что на кинетику окисления оказывает влияние кристаллографическая ориентация поверхности кремния. Такая взаимосвязь определяется ориентационной зависимостью kи проявляется в ориентационной зависимости линейной константы скорости ростаВ/А. Линейная константа скорости роста связана с кинетикой протекания реакции на границе раздела фаз и зависит от скорости, с которой атомы кремния переходят в окисную фазу. Этот процесс определяется поверхностной концентрацией атомов кремния, которая зависит от ориентации. На параболическую константу скоростиВне влияет ориентация, посколькуВопределяется диффузионной стадией реакции.

Для объяснения того, каким образом линейная скорость окисления кремния зависит от ориентации его поверхности, была предложена модель, согласно которой имеет место прямая реакция между молекулами воды в окисле и химической связью кремний-кремний на границе раздела фаз Si-SiO₂. На этой границе раздела все атомы кремния связаны и с атомами кремния, расположенными ниже границы, и с атомами кислорода, расположенными выше ее. Ориентационная характеристика скорости окисления обусловлена влиянием ориентации поверхности на энергию активации реакции окисления и концентрации реакционных мест. Эта концентрация зависит от концентрации связей кремний-кремний, доступных для протекания реакции в данный момент времени. Доступность связи определяется углом, который она составляет по отношению к плоскости поверхности, и ее положением по отношению к соседним атомам. Одновременно следует принять во внимание, что размер молекул воды такой, что при их реакции с кремний-кремниевыми связями, расположенными под некоторым углом, они могут экранировать соседние связи от других молекул воды. Эти и другие геометрические эффекты, называемые пространственными препятствиями, приводят к зависимости линейной скорости окисления от ориентации поверхности кремния. Пространственные препятствия обусловливают и более высокие значения энергии активации.

8.5. Методы окисления и оборудование

Выбор метода окисления определяется необходимой толщиной и свойствами формируемого окисла. Относительно тонкие окисные пленки и те окислы, для которых поставлено условие получения минимального заряда на границе раздела, обычно выращиваются в сухом кислороде. При формировании толстых окисных пленок (>0,5 мкм) используют окисление во влажном кислороде (как правило, при давлении ~ 1 атм либо при повышенном давлении до 25 атм). Более высокое давление позволяет выращивать толстые окисные пленки при средних температурах и приемлемых затратах времени.

Обычно кремний окисляют на специальных установках (рис.8.2) в три стадии: сначала в сухом кислороде в течение 15 мин (кран К1 открыт, а краны К2 и К3 закрыты), затем во влажном в течение 1 ч 45 мин (К1 закрыт, К2 и К3 открыты) и вновь в течение 1 ч в сухом кислороде для уплотнения (подсушивания) образовавшегося слоя SiO₂ за счет удаления гидроксильных групп ОН и десорбции Н₂. Содержание влаги в потоке газа определяется температурой воды увлажнителя 4 и скоростью потока, которую устанавливают по ротаметру 5.

Рис.8.2. Схема установки термического окисления: 1 – рабочая камера; 2 – кремниевые подложки; 3 – нагреватели; 4 – увлажнитель; 5 - ротаметр

Типичные температуры окисления лежат в интервале 800 - 1200  ⁰С и должны поддерживаться в процессе окисления с точностью  71⁰С для обеспечения однородности формируемых пленок. В стандартном технологическом процессе подложки подвергают очистке, сушке, размещают в лодочке и автоматически вдвигают в печь, нагретую до температуры 800 - 900⁰С, после чего температуру постепенно повышают. Такое повышение температуры необходимо для предотвращения коробления подложек. По окончании процесса окисления температура в печи постепенно снижается и подложки вынимают наружу.