2.2. Способы получения диэлектрических плёнок

В технологии ИМС используются следующие способы получения диэлектрических плёнок.

1. Термическое окисление кремния проводят в сухом кислороде или в парах воды:

Si + O₂  SiO₂;

Si + 2H₂O  SiO₂ + 2H₂.

Обе реакции термического окисления проводятся обычно при температурах 800…1200 С в проточных (открытых) системах при атмосфер-ном давлении. Зависимость толщины плёнки диоксида кремния SiO₂ от времени имеет линейно-корневую зависимость (см. 2.3).

2. Пиролиз (разложение). Для получения плёнок SiO₂ методом пиролиза используется кремнийорганическое соединение – тетраэтаоксисилан

Si(OC₂H₅)₄  SiO₂ + 4C₂H₄ + 4H₂O.

Реакция пиролиза проводится при температурах 700…800 С. Зависимость толщины от времени имеет линейный характер.

3. Газофазное осаждение плёнок SiO₂ осуществляется путем окисления силана:

SiH₄ + 2O₂  SiO₂ + 2H₂O.

Реакция проводится при температурах 350…450 С. Зависимость толщины пленки от времени линейная.

Получение плёнок нитрида кремния Si₃N₄ методом газофазного осаждения осуществляется путем взаимодействия силана с аммиаком при температурах 700…900 С:

3SiH₄ + 4NH₃  Si₃N₄ + 12H₂.

4. Для плазмохимического осаждения плёнок SiO₂ используется кремнийорганическое соединение – гексаметилдисилоксан

C₆H₁₈OSi₂ + 12O₂  2SiO₂ + 9H₂O + 6CO₂.

Температура подложки во время процесса плазмохимического осаждения не превышает 200…300 С, толщина плёнки зависит линейно от времени.

Метод высокотемпературного термического окисления используется для создания базового слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой подложки, среднетемпературный метод пиролиза – для получения легированных примесями стабилизирующих покрытий, низкотемпературные методы газофазного и плазмохимического осаждения – для межслойной изоляции и защитного покрытия.

2.3. Модель термического окисления Дила–Гроува

К инетика окисления описывается моделью Дила–Гроува, которая применима для широкого диапазона температур (700…1300 ºС), парциаль-ных давлений окислителя (0.2…10)·10⁵ Па и толщин пленок диоксида кремния (30 нм...2 мкм). Дил и Гроув рассмотрели баланс потоков частиц окислителя в системе Si–SiO₂ (рис. 2.1). Согласно этой модели, молекулы окислителя (O₂ или H₂O) поступают к поверхности SiO₂ из газовой фазы, создавая поток

Установлено, что термическое окисление кремния происходит на внутренней границе Si–SiO₂, поэтому частицы окислителя должны продиффундировать через плёнку диоксида кремния. Диффузионный поток окислителя через плёнку оксида в соответствии с первым законом Фика выражается как:

г де D – коэффициент диффузии окислителя в диоксиде; С, C₀ и C_i – концентрации окислителя в диоксиде, на его внешней и внутренней поверхностях, соответственно; x – толщина пленки диоксида, отсчитываемая от его внешней поверхности. Поток окислителя, соответствующий реакции окисления на внутренней границе,

,

где k – константа скорости реакции окисления кремния. Из условия непрерывности потока следует, что F₁ = F₂ = F₃ = F, откуда получаем выражение для концентрации окислителя на внутренней границе:

.

Скорость окисления U_ox связана с потоком окислителя выражением

,

где N_ox – концентрация атомов кислорода в диоксиде кремния (N_ox = = 4.4·10²² см^–3). Для скорости окисления получаем следующее выражение:

,

где , .

После разделения переменных и интегрирования при начальном условии x = x₀ при t = 0 получаем квадратное уравнение относительно x

x² – x₀² +A(x – x₀) – Bt = 0,

которое имеет решение следующего вида

.

При малых временах окисления ( ) и отсутствии начального оксида (x₀ = 0) имеем линейную зависимость , где параметр k_l = B/A получил название константы скорости линейного окисления. При больших временах окисления ( ) и x₀ = 0 имеем корневую зависимость , где параметр k_p = B получил название константы скорости параболического окисления. Зависимость толщины оксида от времени окисления, выраженная через константы линейного и параболического окисления, имеет вид

.

Таким образом, зависимость толщины оксида от времени окисления имеет линейно-корневой характер, соответственно, зависимость времени окисления от толщины оксида – линейно-параболический.