26. Методы термического окисления кремния. Способы реализации и особенности.

Термическое окисление кремния — это ключевой процесс в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Он используется для создания высококачественных оксидных слоёв, таких как диоксид кремния (SiO2), которые выполняют функции изоляции, защиты поверхности или формирования масок при фотолитографии и травлении.

При осаждении плёнок SiO2 применяют разные методы, отличающиеся типом используемого реактора, температурой процесса осаждения и исходными реагентами:

1. Принципы термического окисления

Термическое окисление заключается в реакции кислорода (или воды) с поверхностью кремния при высокой температуре. Реакция протекает по следующим уравнениям:

1. Сухое окисление:

Siтвёрд.+O2→SiO2

2. Влажное окисление:

Siтвёрд+2H2O→SiO2+2H

Температура окисления обычно находится в диапазоне 900–1200 °C, что обеспечивает высокую скорость роста оксида и его однородность.

2. Методы термического окисления

2.1. Сухое окисление

• Процесс: Кремний окисляется в атмосфере сухого кислорода (O2).

• Особенности:

  • Образуется высококачественный и плотный слой SiO2, обладающий низкой пористостью.

  • Медленная скорость роста оксида: 10–15 нм/ч при стандартных условиях.

  • Подходит для формирования тонких оксидных слоёв (<20 нм), которые используются в затворах MOSFET-транзисторов.

• Применение: Создание изолирующих слоёв с высокой электрической прочностью, защитных покрытий.

2.2. Мокрое окисление

• Процесс: Окисление происходит в парофазной атмосфере с использованием водяного пара (H2O).

• Особенности:

  • Высокая скорость роста оксида: примерно в 10 раз быстрее, чем при сухом окислении.

  • Образуется менее плотный оксид, чем при сухом окислении, с более высокой концентрацией дефектов.

  • Толщина оксида может достигать нескольких микрон.

• Применение: Формирование толстых оксидных слоёв, таких как межслойные диэлектрики или пассивационные покрытия.

2.3. Комбинированное (двухэтапное) окисление

• Процесс: Включает начальный этап мокрого окисления для быстрого роста оксида и последующее сухое окисление для повышения качества и плотности слоя.

• Особенности:

  • Обеспечивает баланс между скоростью роста и качеством оксидного слоя.

  • Снижает дефекты в слое, повышая электрическую прочность.

• Применение: Используется для создания слоёв с улучшенными изоляционными свойствами.

3. Способы реализации процесса термического окисления

3.1. Печи для термического окисления

• Трубчатые печи:

  • Подложки из кремния помещаются в кварцевую трубу, через которую подаётся газ (кислород или водяной пар).

  • Температура контролируется нагревателями и составляет 900–1200 C.

  • Используются для обработки большого количества подложек одновременно.

  • Пример конструкции: горизонтальные или вертикальные установки.

3.2. Локальное окисление (locos)

• Процесс:

  • Кремний изолируется маской из нитрида кремния (Si3N4), которая предотвращает рост оксида на определённых участках.

  • Происходит термическое окисление открытых областей кремния.

• Особенности:

  • Позволяет избирательно формировать изоляционные области.

  • Используется в производстве МОП-транзисторов для создания изоляционных барьеров между элементами.