Технология СБИС / sbis / okisl / okis_mdo
.htmМодель окисления кремнияМодель окисления кремния Дила-Гроува
Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями.
Для теоретического обоснования было предложено множество моделей, основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар, а также эффектах туннелирования электронов, кинетике адсорбции, образования пространственного заряда, изменении граничных концентраций диффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.
К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностью объяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных. Что касается получения пленок двуокиси кремния, то кинетику ее роста в широком диапазоне толщин SiO2 можно объяснить, исходя из достаточно простой модели Дила-Гроува (см. рис).
Процесс окисления происходит на границе Si - SiO2, поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы прямо пропорциональна парциальному давлению газа P:
C* = HP, где
C* - максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения давления P,
H - постоянный коэффициент Генри.
В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем C*.
Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностной концентраций окислителя:
F1 = h(C* - C0), где
C0 - поверхностная концентрация окислителя,
h - коэффициент переноса.
Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скорости газового потока и растворимости окислителя в SiO2.
Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки окислителя в объеме окисла F2 и на его границе с кремнием F3. Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентом концентрации окислителя:
F2 = - D(dC/dz) = D(C0 - Ci)/z0, (1)
где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр при z = z0,
D - коэффициент диффузии при данной температуре,
z0 - толщина окисла.
Величина потока F3 на границе окисла с полупроводником зависит от постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:
F3= kCi (2)
При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 = F2 = F1 = F. Следовательно, приравняв соотношения (1) и (2), можно выразить величины Ci и C0 через C*:
(3)
Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим поток F3 как изменение числа молекул в слое dz0 за время dt. Тогда уравнение потока на границе SiO2 - Si будет иметь следующий вид:
(4)
Скорость роста окисла определяется потоком F3 и количеством молекул окислителя Ni, входящих в единичный объем окисла. Поскольку концентрация молекул SiO2 в окисле равна 2.2·1022 см-3, то для получения двуокиси кремния требуется такая же концентрация молекул кислорода или в два раза большая концентрация молекул воды.
Соотношение между величинами z0 и t определяется интегралом вида
(5)
В результате интегрирования получаем
(6)
где (т.к. обычно h >> D), ,
, zi=20 нм для сухого O2, zi=0 нм для влажного O2,
zi - начальное значение толщины окисла при t=0.
Решая уравнение (6) для значения толщины окисла z0, получаем
(7)
Уравнение (7) упрощается и приводится к виду