РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ НА КРЕМНИИ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ОКИСЛЕНИИ
1.Цель работы
Ознакомиться с теоретическими основами роста окисных пленок на кремнии и методами расчета некоторых технологических параметров.
2.Теоретическая часть
2.1. Введение
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 приборов 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. В данной работе основное внимание будет уделено термическому окислению кремния, поскольку это ведущий метод, применяемый в технологии формирования ИС.
2.2. Этапы роста окисной пленки
Различают два этапа роста окисной пленки: начальный этап при низкой температуре и диффузионнный этап (высокотемпературное окисление). Начальный этап образования пленки связан с процессом перехода электронов от поверхностных атомов кристалла к адсорбированным на этой поверхности атомам кислорода. Со стороны кристалла возникает слой положительных ионов (слой, обедненный электронами), а со стороны газа - слой отрицательных ионов. В этом двойном слое появляется сильное электрическое поле, которое вызывает направленное к внешней поверхности пленки движение положительно заряженных атомов основного вещества (катионов). Катионы на поверхности пленки связываются с отрицательно заряженными атомами кислорода (анионами) и достраивают следующий слой пленки. На пленке вновь адсорбируются атомы кислорода, к которым из металла благодаря туннельному эффекту поступают электроны. Стадия формирования окисной пленки прекращается при достижении толщины пленки порядка десятка атомных слоев, что вызвано резким спадом вероятности туннельного эффекта.
В отличие от первого этапа второй этап окисления полностью определяется процессами диффузии. При высокой температуре происходит процесс диффузионного перемещения либо окисляемого вещества и электронов к поверхности раздела окисел-газ, либо атомов кислорода в объем основного вещества. Соответственно реакция окисления протекает либо на границе раздела окисел-газ, либо на границе раздела окисел-окисляемое вещество. В каждом конкретном случае проявляется тот или иной процесс диффузионного перемещения либо их сочетание.
Химические реакции, описывающие процесс термического окисления кремния в кислороде или парах воды, имеют следующий вид:
Siтв + O2 SiO2 тв,
(2.1)
Siтв + 2H2O SiO2 тв + 2H2 .
Основной процесс, происходящий при этом, заключается в перераспределении валентных электронов между кремнием и кислородом. Связь кислород-кремний представляет собой ковалентную связь. При протекании процесса окисления граница раздела Si-SiO2 двигается вглубь кремниевой подложки, однако происходящее при этом расширение объема приводит к тому, что внешняя поверхность пленки SiO2 не совпадает с первоначальной поверхностью кремния.