ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный
технический университет»
Кафедра физики твёрдого тела
Методические указания
к выполнению лабораторных работ №1-2
по дисциплине «Физико-химические основы технологии
материалов и структур твёрдотельной электроники»
для студентов направления 223200.62
«Техническая физика» (профиль «Физическая электроника»)
очной формы обучения
Воронеж 2012
Составители: канд. физ.-мат. наук доц. О.И. Сысоев, д-р физ.-мат. наук проф. Л.Н. Коротков, канд. физ.-мат. наук, доц. И.В. Бабкина, инженер М.А. Каширин
УДК 621.382.2
Методические указания к выполнению лабораторных работ №1-2 по дисциплине «Физико-химические основы технологии материалов и структур твёрдотельной электроники» для студентов направления 223200.62 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы обучения /ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. О.И. Сысоев, Л.Н. Коротков, И.В. Бабкина, М.А. Каширин. Воронеж, 2012. 45 с.
Методические указания включают теоретические сведения по теме «Процессы термического окисления и диффузионного легирования кремния», инструкции по выполнению численных экспериментов с применением математического пакета Mathcad, требования к отчётам и контрольные вопросы. В приложениях приведены литературные данные, необходимые для выполнения лабораторных заданий. Предназначены для студентов второго курса.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержатся в файле Мет указ к лаб ТФ № 1-2.doc.
Табл. 5. Ил. 14. Библиогр.: 5 назв.
Рецензент канд. техн. наук, проф. А.Н. Корнеева
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин
Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Исследование процессов термического окисления кремния
методом численного эксперимента
Цель работы: изучение модели Дила-Гроува термического окисления кремния; исследование закономерностей процесса термического окисления кремния методом численного эксперимента.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. Термическое окисление кремния в планарной технологии полупроводниковых интегральных микросхем
В планарной технологии кремниевых интегральных микросхем (ИМС) слои диоксида кремния, полученные методом термического окисления кремния, используют для создания:
маски для локального диффузионного или ионного легирования;
изолирующего слоя первого уровня при формировании многоуровневой разводки;
подзатворного диэлектрика в МОП-ИМС;
изолирующих областей ИМС и др.
Стадии процесса термического окисления кремния и химические реакции, лежащие в его основе, представлены на рис.1. Окисление происходит на границе раздела SiO2/Si, так что окисляющее вещество ( H2O или О2 ) должно продиффундировать через образовавшийся до этого окисел и прореагировать с кремнием на этой границе раздела. Более подробное обсуждение стадий процесса отложим до следующего пункта.
В современной технологии кремниевых ИМС находят применение следующие варианты рассматриваемого процесса:
Рис.2.Схема установки для термического окисления кремния
высокотемпературное окисление при атмосферном давлении в среде осушенного кислорода ( температура от 950 до 1150 оС, содержание молекул воды в парогазовой смеси менее 5·10-4 % ) ;
высокотемпературное окисление при атмосферном давлении в парах воды ( парциальное давление водяного пара на уровне 103 - 105 Па );
высокотемпературное окисление при атмосферном давлении в среде, содержащей кислород и водяной пар ( влажный кислород ) ;
низкотемпературное окисление в парах воды повышенного давления (температура от 700 до 850 оС, парциальное давление водяного пара от 5 до50 атм. ).
Схема установки для термического окисления кремния при атмосферном давлении представлена на рис 2. Атмосфера влажного пара получается путём пропускания особо чистого сухого кислорода или азота через деионизованную воду, нагретую почти до температуры кипения. При этом часть потока кислорода может направляться в реактор, минуя борботёр. Атмосфера сухого кислорода создаётся в реакторе при полном перекрывании магистрали увлажнителя.
Окислением в сухом кислороде получают высококачественные тонкие слои подзатворного диэлектрика ( ХОХ < 0.1 мкм ). При этом скорость роста окисла низкая. В некоторых случаях для связывания зарядов подвижных ионов и улучшения качества подзатворного окисла в парогазовую смесь вводят 3 ÷ 5 % сухого хлорсодержащего газа , например, HCl, Cl 2 и др. Скорость окисления при этом может слегка возрастать.
В присутствии водяного пара окисление происходит гораздо быстрее, чем в сухом кислороде. Поэтому слои толщиной ХОХ ≤ 0.5 мкм, используемые для маскирования или изоляции, получают окислением во влажной среде или в режиме «сухой - влажный - сухой». На рис. 3 показана зависимость толщины слоя диоксида кремния от времени и температуры
Рис.3.Зависимость толщины слоя диоксида кремния от времени и температуры при окислении в парах воды (а) и в сухом кислороде (б)
процесса для случаев окисления низколегированных пластин кремния с ориентацией (111) в сухом кислороде и в парах воды /4, с 98/.
Высокочистый водяной пар может быть получен и путём сжигания водорода в кислороде перед зоной окисления. Получаемый пирогенный пар может иметь давление до нескольких десятков атмосфер. Это позволяет уменьшать время окисления при повышенной температуре или снижать температуру процесса, оставляя технологически приемлемой его продолжительность. Таким путём удаётся уменьшить нежелательное перераспределение легирующих примесей в структуре ИМС.
При разработке технологии кремниевых ИМС необходимо иметь модель, позволяющую рассчитать толщину слоя диоксида кремния в зависимости от температуры и времени окисления. В рамках такой модели нужно иметь возможность учесть состав окислительной среды, ориентацию пластины, уровень легирования подложки и тип легирующей примеси.