Окисление полупроводников

Планарная технология получила свое развитие благодаря широкому использованию в качестве базового процесса технологию локального окисления, развитую Фрошем и Дериком.

По назначению и выполняемым функциям слои окисла подразделяются на:

• активный технологический слой – источник диффузанта;

• пассивный технологический слой – маска при диффузии и ионной имплантации, пассиватор (подавитель эрозии) поверхности;

• пассивный диэлектрик – защита поверхности и межслоевая изоляция;

• активный конструкционный материал – подзатворный и конденсаторный диэлектрик.

С точки зрения областей применения окисла могут быть выделены следующие требования к его свойствам:

• максимальная плотность;

• высокое пробивное напряжение;

• низкий тангенс угла диэлектрических потерь;

• для изоляционного и подзатворного диэлектрика желательно низкое значение ε, для конденсаторного – высокое;

• толщина подзатворного диэлектрика должна быть 5 – 10 нм;

• низкая плотность поверхностных состояний.

Комплиментарные диэлектрики: SiO₂, Si₄N₄, Al₂O₃, Ta₂O₅, TiO₂, полиимид. Сочетание SiO₂ и Si₄N₄ применяется для обеспечения резких границ маски, поскольку оксид кремния травится в тех травителях, к которым стоек нитрид кремния.

Al₂O₃ находит применение в качестве изолирующих слоев, защитного покрытия окон космических кораблей, полиимид чрезвычайно стоек к внешним воздействиям – из него изготавливают стекла для истребителей.

Методы окисления:

1. термическое;

2. ионно-плазменные (корпускулярные);

3. электрохимические.

Термическое окисление. Способы реализации и особенности

Выделяют разновидности методики:

1. окисление в сухом кислороде;

2. окисление в сухом кислороде в присутствии паров HCl (хлорное окисление). В окислителе присутствуют ионы, в частности, ионы Na+, которые могут мигрировать в окисле. Хлор связывает ионы натрия и подавляет их миграцию;

3. влажное окисление (в присутствии кислорода и паров воды). Применяется для увеличения скорости окисления, однако в результате получается менее плотный окисел;

4. окисление при высоком давлении (до 25 атм.). Позволяет снизить температуру процесса, повысить скорость, увеличить плотность окисла и уменьшить количество незаполненных связей, получать радиационно- и термически стойкие окислы;

5. быстрое термическое окисление при повышенной интенсивности нагревания. Цель такого процесса – уменьшить продолжительность процесса окисления, уменьшить изменение диффузионных профилей.

Процесс окисления кремния описывается реакциями:

Si + O₂ → SiO_2тв

Si + 2H₂O → SiO_2тв + 2H₂↑

В начальный момент взаимодействия окислителя с кремнием происходит химическая реакция с образованием оксида на поверхности подложки. Скорость реакции высокая, образуется тонкий окисел (4 – 5 нм), который называют естественным окислом. При низких температурах процесс на этом останавливается. При высоких температурах толщина окисла будет увеличиваться. Однако скорость роста оксида ограничивается уже не скоростью протекания химической реакции, а скоростью диффузии кислорода сквозь образовавшийся оксид до границы с кремнием, где и происходит реакция.

Теоретические основы процесса окисления были разработаны Дилом и Гроувом в 1965 году.

Процесс термического окисления кремния подчиняется линейно-параболическому закону:

, (1.1)

где х₀ – толщина выращенного слоя SiO₂, x_n – первоначальная толщина оксида (обычно составляет 0,02 – 0,05 нм), t – продолжительность процесса окисления, k_p – константа параболического роста, характеризующая процесс окисления за счет диффузии окислителя через SiO₂, k_l – константа линейного роста, характеризующая скорость процесса химической реакции кислорода с кремнием.

Выражение (1.1) удобнее представить в виде:

,

где k = k_p/(2k_l).

Коэффициенты k_p и k_l зависят от ряда факторов. Наиболее значимые из них: природа окисляемого материала, температура процесса и давление окислителя в атмосфере реакционной камеры.

Оптимальные условия окисления: Т = 700 – 1000 ºС, Р(О₂) = 0,2 – 1·10⁵ Па. Поскольку по мере увеличения толщины окисла имеет место замедление процесса диффузии, то наблюдается переход от линейного к параболическому закону роста окисла.

При окислении в среде влажного кислорода константы окисления вычисляются с использованием следующих выражений:

;

Константа параболического роста k_п не зависит от поверхностной концентрации легирующей примеси N_s при концентрации меньше 5·10¹⁸ см^-3, а константа линейного роста – при концентрации меньше 1·10¹⁹ см^-3. Скорости окисления поверхности пластин с ориентацией <100> и <111> относятся как: k^<100>/k^<111> =0,59.

Пренебрегая концентрационной зависимостью и влиянием ориентации подложки, получим:

;

,

где значение давления подставляется в Паскалях, при этом толщина оксида получается в сантиметрах.

Перераспределение примесей при разгонке с одновременным окислением

Константы сегрегации для основных легирующих примесей на границе между кремнием и оксидом (k_s):

бор - 2…10, алюминий - ~ 10³, галлий – 0,001…0,05, фосфор, мышьяк и сурьма – 0,001…0,1.

На рис. представлены профили распределения примесей в кремнии и оксиде, полученном во время разгонки примеси с одновременным окислением. В профилях учтено испарение примеси с поверхности. Пунктиром обозначено распределение примеси при диффузии из ограниченного источника без окисления. Независимо от коэффициента сегрегации происходит обеднение приповерхностного слоя кремния.

Переход от линейного закона роста (прямая 1) к параболическому и изменение крутизны кривой (кривые 1 – 4) происходит с повышением давления и температуры. Чем выше температура и давление, тем больше скорость насыщения.

Часто для описания процессов окисления пользуются эмпирическими формулами:

, Т > 1100 К, сухое окисление

, влажное окисление.

При окислении в парах воды большое значение имеет присутствие в растущей пленке водорода, который играет роль разрыхлителя. За счет образования связей Si —H пленка SiO₂ имеет нанопустоты, через которые происходит диффузия окислителя. Поскольку пленка более пористая в этом случае уменьшается значение пробивного напряжения E_пр. Скорости сухого и влажного окисления относятся как 1:10, а изменение Е_пр происходит в десятки раз.