5. Окисление под давлением

Влияние парциального давления окислителя

Константа k_p в модели Д-Г линейно зависит от парциального давления окислителя, вследствие чего может быть использован закон Генри:

C = HPs ,

где С - концентрация окислителя; Н - постоянная Генри; P_S - парциальное давление окислителя. Экспериментально показано, что в диапазоне температур 850 - 1000 °С при давлениях порядка 104 - 106 Па закон Генри соблюдается. Это свидетельствует о том, что диссоциация молекул окислителя на границе газ - SiO₂ отсутствует, следовательно, через окисел идет диффузия и сухого кислорода, и воды в молекулярной форме.

Для линейной константы зависимость от давления окислителя оказалась также линейной, только в узком диапазоне высоких температур (1000 - 1200 °С) и давлений (0,1 - 1,0)-10⁵ Па окислителя. Более точная зависимость может быть описана соотношением k ~ Pⁿ. Для окисления в сухом O₂, по данным различных экспериментов, показатель n меняется от 0,59 до 0,70 при температурах до 900 °С и от 0,8 до 1,0 при более высоких температурах. Кроме того, n зависит от ориентации подложки, что может быть связано с промежуточным этапом реакции O₂ с Si, хемосорбцией кислорода, а также участием в реакции, помимо молекулярного, и атомарного кислорода.

При окислении в парах воды или влажном кислороде (H ₂O + O₂) во всем диапазоне температур и давлений порядка 105 Па n = 1/2.

6. Контроль параметров и качества окисных пленок.

Контроль толщины слоя диэлектрика

Метод измерения выбирается в зависимости от того, в каком диапазоне толщин находится исследуемая диэлектрическая пленка и с какой точностью необходимо измерить ее толщину.

Наиболее прост метод цветовых оттенков Ньютона, основанный на наблюдении интерференционных цветов в отраженном свете, возникновение которых обусловлено двойным отражением и преломлением белого света, проходящего через прозрачную пленку и отражающегося от непрозрачной подложки. Цветность пленок зависит только от их толщины и показателя преломления А=2nx sin a,где А - разность хода лучей; n - показатель преломления пленки; a - угол отражения; х - толщина пленки.

Если отраженный свет наблюдать под прямым углом к поверхности пленки, то A=2nx.

Зная показатель преломления материала, по цвету пленки легко оп­ределить ее толщину. Однако для SiO₂ цветовые оттенки повторяются примерно через каждые 0,22 мкм, проходя весь спектр. Поэтому для од­нозначного определения толщины необходимо знать порядок интерференции, т.е. какое по счету повторение цветов наблюдается. Для определения порядка интерференции на окисленную пластину осторожно наносят каплю плавиковой кислоты. В окисле вытравливается лунка до поверхности кремния. По периферии лунки наблюдается ряд колец. Количество темных красно- фиолетовых колец и определяет порядок интерференции. Например, зеленый цвет окисла в четвертом порядке соответствует толщине 0,72 мкм, а во втором порядке - толщине 0,33 мкм. Этот простой, не требующий оборудования метод позволяет измерить толщину окисла с погрешностью (5 - 10) %. Диапазон измеряемых этим методом толщин составляет 0,05 - 1,5 мкм.

Для более толстых слоев диэлектриков часто используют метод оп­ределения толщины при помощи микроинтерферометра МИИ-4, который дает возможность измерять толщину пленок до 20 мкм с погрешностью ±30 нм.

Сущность метода заключается в измерении высоты "ступеньки" после стравливания пленки диэлектрика с части пластины. При наблюдении ступеньки с помощью микроинтерферометра на фоне поверхности видны серии интерференционных полос, которые претерпевают излом на ступеньке (рис.2.10).

Рис.2.10. Определение толщины пленок при помощи микроинтерферометра

Толщина пленки пропорцией нальна сдвигу интерференционных полос:

X = (∆h / h) λ/2,

где ∆h - сдвиг полосы, отн. ед.; h - расстояние между соседними интерференционными полосами, мкм; X - длина волны для видимого света, λ /2 = 0,27 мкм.

Для определения толщины тонких диэлектрических пленок (х < 50 нм) или измерения толщин с большей точностью используется эллипсометрический метод. Он основан на отражении линейно-поляризованного луча (обычно поляризованного под углом 45° к плоскости падения) от поверхности кремния, покрытой пленкой диэлектрика. Компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно определить свойства пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации волны.

Контроль дефектности пленок

Под дефектностью диэлектрических слоев обычно понимают плотность сквозных микродефектов (пор) и слабых мест (скрытых дефектов). Основные причины их возникновения: структурные нарушения подложки, загрязнения поверхности полупроводника, механические напряжения на границе раздела полупроводник - диэлектрик и т.д. Дефектность диэлектрических слоев - одна из важнейших причин снижения выхода годных микросхем.

Метод электролиза воды

При пропускании постоянного электрического тока через химически чистую воду происходит разложение воды на ионы водорода (Н⁺) и гидроксильные ионы (ОН^-). Ионы водорода перемещаются к катоду, где отдают свой заряд, превращаясь в атомы водорода, соединяющиеся в молекулы. Ионы гидроксила отдают свой заряд на аноде и, соединяясь друг с другом, образуют воду и кислород.

Если на поверхность диэлектрической пленки нанести каплю воды, поместить в нее положительный платиновый, электрод, а на подложку (кремний) подать отрицательный потенциал, то дефекты сплошности пленки можно регистрировать по пузырькам водорода, выделяющимся на поверхности дефекта. О плотности дефектов судят по результатам микроскопического исследования или по величине тока в цепи электрод-электролит-подложка при постоянном напряжении.

Метод является неразрушающим. Основной его недостаток заключается в том, что документирование результатов исследований затруднено: при длительных измерениях количество пузырьков водорода становится так велико, что их невозможно подсчитать.

Электрографический метод

Пластина кремния накрывается поверх диэлектрической пленки смоченной в воде фотобумагой, на которую помещают металлический электрод с положительным потенциалом относительно кремниевой пластины. На фотобумаге в местах ее соприкосновения с отверстием в окисле идет реакция восстановления водородом бромистого серебра до металла ("засветка" фотослоя), что проявляется в виде увеличенных черных точек, соответствующих расположению пор в окисле. (Работа проводится при красном освещении.)

Для ускорения процесса и получения более качественных изображений фотобумагу смачивают не водой, а перенасыщенным раствором гидрохинона, что позволяет исключить последующую операцию проявления фотоотпечатка.

Этот метод также является неразрушающим, отличается простотой и документальностью, применяется для оперативного контроля в производ­ственных условиях и позволяет выявлять дефекты размером 0,1 - 0,3 мкм.

Метод электронной микроскопии

Существуют две разновидности этого метода:

а) метод растрового электронного микроскопа позволяет выявлять каналы повышенных токовых утечек, образующихся в результате проникновения алюминия по дефектам в диэлектрике к кремниевой подложке. В этих местах кремния n-типа после термообработки при температурах выше 576 °С (точка эвтектики на диаграмме состояния Al - Si) образуются сплавные p - n - переходы. Дефекты выявляются по аномальному контрасту в электронных изображениях, возникающих на сплавных p-n-переходах в режиме наведенного тока. Разрешающая способность метода близка к диаметру электронного зонда. Недостаток метода связан с подготовкой специальных образцов для исследования. Метод разрушающий;

б) метод электронного зеркального микроскопа основан на регистрации локальных областей кремния с измененной в результате проникновения диффузанта через дефекты SiO₂ проводимостью по отношению к исходной. На образовавшиеся p-n-переходы подается электрическое смещение. Имеющиеся в окисле дефекты выявляются по соответствующему контрасту в изображении. Достоинства и недостатки данного метода аналогичны предыдущим.

Метод короткого замыкания

В данном методе применяется электрическая схема измерения вольтамперных характеристик. Один из электродов присоединяется к кремниевой пластине, а другой - либо к капле электролита (раствор KCl), либо к алюминиевому пятну на поверхности диэлектрической пленки. Степень сплошности пленки оценивается по величине напряжения, при котором в цепи появляется ток, или по напряжению пробоя. В случае абсолютной сплошности пленки ток в цепи отсутствует до момента резкого пробоя при напряжении U_пр = E_крx . При наличии несквозных каналов напряжение пробоя снижается.

Если в пленке имеются сквозные каналы проводимости, то ток в цепи возникает при малых напряжениях и увеличивается пропорционально приложенному напряжению и площади дефектов.Недостатки метода связаны с тем, что без специальной калибровки другими методами нельзя определить количество дефектов и установить точное их местоположение, полезной является информация о наличии несквозных дефектов.

7. CVD- методы получения пленок.

Химическое газофазное нанесение пленок (CVD метод ) осуществляется путем направления одного или нескольких летучих прекурсоров на подложку где они разлагаются или вступают в реакции образуя требуемые пленки .Формирование покрытий CVD методом происходит за счет протекания на нагретой поверхности изделий гетерогенных процессов разложения (водородного восстановления) металлсодержащих химических соединений , находящихся в реакционном объеме в газообразном состоянии. Механизм осуществления CVD метода показан на рис. Благодаря высокой подвижности и интенсивности процессов массопереноса, присущих газообразным средам, метод CVD покрытий обладает исключительной "кроющей" способностью. Возможность обеспечивать высокие массовые потоки металлсодержащего соединения в газообразном состоянии к покрываемой поверхности позволяет реализовать высокую производительность процессов нанесения покрытия, в которых скорость роста может достигать от нескольких сотен микрон в час до нескольких миллиметров в час. Высокая поверхностная подвижность адсорбированных металлсодержащих соединений позволяет в CVD процессах получать покрытия с плотностью, близкой к теоретической, при температурах ~ 0,15-0,3 от температуры плавления материала, что недоступно для других методов нанесения покрытий, а также формировать совершенные эпитаксиальные покрытия. Мощным инструментом воздействия как на кинетику CVD процессов нанесения покрытий, так и свойства покрытий является метод CVD с плазменной поддержкой (PECVD). Применение различных приемов возбуждения плазмы в реакционном объеме и управление ее параметрами позволяет интенсифицировать процессы роста покрытий, сдвигать их в область более низких температур, делает более управляемыми процессы формирования заданного микрорельефа и структуры покрытия, примесного состава и других характеристик покрытия. Таким образом, среди известных методов нанесения покрытий высокого качества методы CVD и PECVD находятся вне конкуренции в большинстве случаев, когда необходимо:

- наносить равномерные по толщине, высокоплотные покрытия на изделия сложной формы с развитой поверхностью, в том числе, на внутренние поверхности, протяженные и глухие полости, отверстия

-получать покрытия из тугоплавких, труднообрабатываемых металлов, сплавов и соединений с плотностью близкой к теоретической и высокой чистоты, формировать из них самонесущие изделия различной геометрии.

-наносить покрытия на порошки и другие сыпучие материалы, пропитывать (уплотнять) пористые структуры.

Разновидностью CVD метода является метод металлоорганического химического газофазного нанесение пленок - MOCVD - это процесс нанесения пленок из газовой фазы в котором используются металлоорганические летучие прекурсоры (например, Ta(OC2H5)5, чтобы получить пленку Ta2O5).

Термодиффузия