3.3. Быстрое термическое окисление (rto)

• Процесс:

  • Подложка нагревается лазером или лампой до высокой температуры (1000–1200 С) на короткое время (несколько секунд).

  • Происходит быстрое формирование тонких оксидных слоёв.

• Особенности:

  • Высокая скорость процесса.

  • Минимизация диффузии примесей, что важно для создания тонких структур.

• Применение: Используется для формирования затворных оксидов в современных микросхемах.

3.4. Плазмохимическое окисление

• Процесс:

  • Окисление проводится в среде плазмы, которая инициирует химические реакции при более низкой температуре (300–600 C).

• Особенности:

  • Позволяет снизить температурные нагрузки на подложку.

  • Применимо для окисления материалов с низкой температурной стойкостью.

• Применение: Используется для обработки тонкоплёночных структур и сложных материалов.

4. Особенности термического окисления

• Точность контроля: Процесс требует строгого контроля температуры, времени и состава атмосферы для достижения равномерной толщины слоя SiO2.

• Зависимость от ориентации подложки:

  • Скорость роста оксида зависит от ориентации кристалла кремния. Например, ориентация <111> даёт более высокую скорость роста, чем <100>.

• Зависимость от примесей:

  • Наличие примесей, таких как бор или фосфор, может влиять на скорость роста и качество оксида.

5. Применение термического окисления

1. Создание затворных оксидов в МОП-транзисторах:

   • Тонкие оксидные слои (<10 нм) обеспечивают высокую диэлектрическую прочность и стабильность.

2. Изоляция элементов в интегральных схемах:

   • Толстые оксиды (>1 μм) используются для электрической изоляции между элементами микросхем.

3. Защитные покрытия:

   • Оксиды используются для защиты подложек от внешних воздействий, таких как коррозия или механическое повреждение.

4. Использование в оптоэлектронике:

   • Формирование прозрачных диэлектриков для светочувствительных элементов.

Заключение

Методы термического окисления кремния являются ключевыми для микроэлектроники, обеспечивая возможность создания высококачественных диэлектрических слоёв. Выбор метода (сухое, мокрое, комбинированное или плазмохимическое окисление) зависит от требований к толщине, плотности и качеству оксидного слоя. Строгий контроль параметров процесса позволяет достичь высокой надёжности и производительности полупроводниковых устройств.

Коэффициент диффузии О2 несколько выше, чем коэффициент диффузии паров воды, однако, по крайней мере, при атмосферном давлении растворимость паров воды в SiO2приблизительно на три порядка величины больше, чем растворимость О2. Поэтому окисление в парах воды идёт в десятки раз быстрее, чем в кислороде. Например, для выращивания плёнки Si02 толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000° С требуется около 5 ч, а во влажном – всего 20 мин. С уменьшением температуры на каждые 100° С время окисления возрастает в 2–3 раза.

Энергия активации Ea диффузионных процессов этих окислителей также различна, EaO2 1.25 эВ и приблизительно Ea 0.8 эВ для паров воды.

Пары воды скорее всего диффундируют в виде молекул.

Качество окисной плёнки повышается с уменьшением температуры при выращивании, а также при использовании сухого кислорода. Поэтому тонкий подзатворный окисел, от качества которого зависит стабильность параметров МОП-транзистора, получают сухим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют сухое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса.

В последние годы начали все шире использоваться методы термического окисления при умеренно повышенных давлениях (приблизительно до 6–10 атм) и температурах, типичных для обычного термического окисления. Этот метод позволяет в несколько раз увеличить скорость окисления при сохранении других качеств плёнок, которые получаются при атмосферном давлении.

Ограниченное распространение получил и метод анодирования. Этот метод позволяет получать плёнки оксида кремния толщиной до 200–300 нм при комнатной температуре и прецизионно воспроизводить их толщину. Очень высокие значения поверхностного заряда на границе раздела SiO2 – Si (см. ниже) ограничивают применение этого метода. Практически он используется лишь для послойного стравливания кремния при исследованиях профилей распределения примесей и в других аналогичных случаях.

Необходимо отметить и некоторые особенности окисления кремния при пониженных давлениях окислителя. В этом случае могут формироваться плёнки моноокиси (SiO). Этот оксид при температурах выше 1200–1250оС испаряется заметно легче, чем кремний или его диоксид. В результате может наблюдаться не окисление, а травление кремния.

Механизм окисления имеет два варианта. Первый состоит из следующих этапов: 1) диффузия атомов кремния через уже имеющуюся плёнку окисла к поверхности, 2) адсорбция молекул кислорода поверхностью из газовой фазы, 3) собственно окисление, т. е. химическая реакция. В этом случае плёнка нарастает над исходной поверхностью кремния. Второй вариант состоит из следующих этапов: 1) адсорбция кислорода поверхностью уже имеющегося окисла,2) диффузия кислорода через окисел к ещё не окислённому кремнию, 3) собственно окисление. В этом случае плёнка нарастает вглубь от исходной поверхности кремния. На практике оба механизма сочетаются, но главную роль обычно играет второй.

Экспериментально установлено, что окислитель диффундирует в оксиде гораздо быстрее, чем Si, и поэтому рост оксида идёт преимущественно на границе раздела Si–SiO2.

Кинетика процесса окисления Si наиболее точно описывается моделью Дила и Гроува (см. С. Зи Технология СБИС). Она применима для температурного диапазона 700–1300 °С, парциальных давлений O₂ (0,2– 1,0)∙10⁵ Па и толщины окисных плёнок 30–2000 нм в атмосфере, состоящей из кислорода и (или) паров воды. Пусть на поверхности Si уже есть плёнка некоторой толщины и примем, что нарастание новых слоёв плёнки идёт на границе раздела плёнка – Si. В этом случае окислитель только диффундирует сквозь плёнку, не накапливаясь в ней. Иными словами, поток атомов окислителя j постоянен по всей ее толще, а градиент концентрации постоянен по толще плёнки.

Рис. 9.2. Кинетика роста Si0₂ Рис. 9.3. Рост Si0₂

Рост толстой плёнки лимитируется процессами диффузии, толщина плёнки возрастает как t^1/2. Все эти процессы сильно зависят от температуры.