книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

_ [l+(k.Xsl0t)/D]C*

ответственно случаем, когда скорость окисления опреде­ ляется диффузией, и случаем, когда скорость окисления

определяется реакцией на поверхности кремния.

Чтобы определить скорость роста окисла, необходи­ мо установить Ni— число молекул окислителя в единице объема окисла. В 1 см3 окисла имеется 2,2-102 2 молекул Si02 . Каждой молекуле Si0 2 соответствуют одна моле­

окисла, полученного при предыдущем окислении (в об­ щем случае можно считать, что окисление осуществляет­ ся в несколько этапов). Из уравнения (3-12) можно по­ лучить общее соотношение между временем окисления и толщиной выросшего окисла:

где

БУх г" //

82

а для воды С* = 3 • Ш1 9 l/см3. Эти величины близки к пре­ дельной растворимости кислорода и воды в аморфной Si0 2 при атмосферном давлении.

На рис. 3-3 показано, что постоянная линейного за­ кона окисления В/А зависит экспоненциально от температуры. Пр этом и для окисления в сухом кисло­ роде и для окисления в парах воды энергия активации близка к 2 эв. Эта величина близка к энергии разрыва

процесс определяется реакцией, происходящей на по­ верхности раздела между Si0 2 и кремнием, т. е. вели­

скоростей роста окисла на линейном участке для различ­ ной кристаллографической ориентации поверхности кремния [Л. 3-4]. Данные рис. 3-1—3-3 относятся к Si, ориентированному по плоскости (111). Слабое влияние скорости газового потока на величину В/А, установлен­ ное экспериментально, также свидетельствует о том, что перенос через газовую фазу не ограничивает процесса окисления и что, следовательно, li^$>ks.

Экспериментально установлено, что совпадение тол­ щины окисла, выросшего в сухом кислороде, с расчет­ ным значением наблюдается, если предполагать, что в начале окисления поверхность кремния была покрыта

о

слоем Si0 2 толщиной около 200 А.

Наличие начального участка быстрого роста может быть связано с тем, что окислитель диффундирует через окисел не в нейтральном, а в заряженном состоянии. Если молекула 02 , попадая в окисел, диссоциирует на ион 0~2 и положительно заряженную дырку р + , обладаю­ щую в окисле очень высокой подвижностью, то при диф­

эффективно сказываться только в начальный момент окисления и что после достижения толщины Si02 около

о

150 А скорость окисления упадет. Для окисления в парах

воды в этой же работе было показано, что толщина на-

о

чального участка роста должна быть около 5 А, т. е. что

84

такого начального участка практически не должно на­ блюдаться. Оба результата хорошо согласуются с экс­ периментом.

Вопросу о влиянии электрического поля на кинетику роста слоя Si0 2 в литературе уделено значительное вни­ мание. Были получены результаты, свидетельствующие о том, что при окислении в атмосфере кислорода с на­ ложением электрического поля окисляющий агент диф­ фундирует через Si0 2 в отрицательно заряженном со­ стоянии. Во всех работах по данному вопросу не исклю­ чается наличие в слое Si02 отрицательно заряженных ионов кислорода, которые могут оказывать некоторое влияние на кинетику роста окисла, хотя в некоторых из них определяющая роль приписывается нейтральным молекулам кислорода.

Рассмотренная модель термического окисления может считаться справедливой, если окисление проводится или в чистом сухом кислороде, или в чистых парах воды. На практике при термическом окислении очень часто исполь­ зуется смесь кислорода и паров воды (увлажненный кислород). При этом скорость роста слоя может прибли­ жаться к высокой скорости роста в парах воды, характе­ ризуемой более низкой энергией активации, а свойства слоя могут быть ненамного хуже, чем при выращивании

Однако, как было показано в работе [Л. 3-6], при опреде­ ленных условиях окисление во влажном кислороде мо­ жет быть описано параболическим законом:

85

ваются при более низком давлении водяных паров (ниже 0,15 атмосферного), которое достигается при температу­ ре барботера ниже 60 °С.

Хорошо известно, что слои SiCX выращенные не толь­ ко в парах воды, но и во влажном кислороде и содер­ жащие воду, обладают худшими электрическими и за­ щитными свойствами, чем слои, выращенные в сухом кислороде. В связи с этим было предложено при созда­ нии пленарных приборов создавать термический окисел при комбинированных режимах, когда чередуются эта­ пы выращивания в сухом и влажном кислороде. В ра­

удаление воды из слоя Si02 . Кроме того, во время вто­ рого этапа будет происходить дополнительно незначи­ тельный рост слоя окисла и, главное, уплотнение вы­ ращенного на первом этапе слоя, а также заращивание имеющихся в нем пустот и различных дефектов.

Остановимся* еще на некоторых особенностях кине­ тики термического окисления кремния, не описываемых

рядка десятков часов и больше, было замечено, что 3aj висимость толщины окисла от времени лучше всего опи­ сывается законом

границе и при одновременном наличии обратимой реак­ ции между диффузантом и средой, в которой идет диф­ фузия. В результате скорость роста слоя может быть несколько выше, чем при чисто параболическом законе.

на

ния на границе раздела Si—Si02, либо изменением ко­ эффициента диффузии окислителя в слое. Так как при окислении бор стремится 'перейти из кремния в окисел, то растущий слой обогащен бором. Коэффициент диф­ фузии через такой слой растет. Поэтому кремний, силь­ нолегированный бором, окисляется быстрее высокоомного кремния как при высоких температурах, где справед­ лив параболический закон роста, так и при более низких

Время, мин

Рис. 3-4. Зависимость толщины окисла от температуры и вре­ мени при окислении в парах воды.

температурах, где выполняется линейный, закон роста окисла. Фосфор, которым может быть легирован кремкий, не имеет тенденции переходить в слой окисла, по­ этому коэффициент диффузии окислителя в таком слое мало отличается от коэффициента диффузии в окисле, растущем на слаболегированном кремнии. Однако на­ личие фосфора в кремнии увеличивает скорость химиче­ ской реакции на поверхности кремния. Поэтому крем­ ний, силы-юлегированный фосфором, при температурах ниже 1 100°С окисляется быстрее, чем высокоомный кремний (так как лри низких температурах скорость окисления определяется реакцией на поверхности Si). Особенно резко это различие заметно при 700—800°С. При температурах выше 1 100°С увеличение скорости

87