Влияние ориентации на скорость окисления

Эксперименты показывают, что на кинетику окисления оказывает влияние кристаллографическая ориентация поверхности кремния. Такая взаимосвязь определяется ориентационной зависимостью k и проявляется в ориентационной зависимости линейной константы скорости роста В/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 скорости В не влияет ориентация, поскольку В определяется диффузионной стадией реакции. В табл.П.3 приведены константы скорости реакции окисления для кремния с ориентацией поверхности по плоскости (111) и (100).

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 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.

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 ~ 1 атм ,либо при повышенном давлении до 25 атм). Более высокие давление позволяет выращивать толстые окисные пленки при средних температурах и приемлемых затратах времени.

Наиболее распространенный метод окисления при атмосферном давлении реализуется в кварцевых или кремниевых диффузионных трубах, где подложки кремния располагаются в вертикальном положении в пазах специальной подставки (лодочки), сделанной из кварца или кремния. Типичные температуры окисления лежат в интервале 800 - 1200  ⁰С и должны поддерживаться в процессе окисления с точностью  71 ⁰С 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 - 900 ⁰С, 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.

ХОД РАБОТЫ

1. Исходные данные для расчета: температура окисления кремниевой пластины Т = 800+15(N-1) ⁰C.

2. Используя данные таблиц, построить температурные зависимости констант скорости окисления кремния в сухом и влажном кислороде.

3. Для заданной температуры , используя построенные в п.2 графики, найти соответствующие значения констант скорости окисления кремния в сухом и влажном кислороде.

Примечание: значения констант скорости представлены в следующем пункте перед соответствующими графиками зависимостей.

4. Построить графики зависимостей толщины окислов от времени окисления в условиях влажного, сухого кислорода, а также, в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности кремния. Время окисления 150 мин; число точек - не менее 10.

ВЫВОД: в ходе лабораторной работы я ознакомиться с теоретическими основами роста окисных пленок на кремнии и методами расчета некоторых технологических параметров.