Общие требования, предъявляемые к оксидным пленкам

Высокая электрическая прочность. Высокое удельное сопротивление. Большая диэлектрическая проницаемость.
Устойчивость по отношению к внешним воздействиям: отсутствию движения ионов при повышении температуры в сильных электрических полях.
Высокая адгезия кремния
Плотность и сплошность структуры.
В условиях длительного высоко температурного нагрева толщина пленки должна быть достаточна, чтобы предотвратить проникновение мигрирующей примеси к поверхности кремния.
Толщина пленки окиси кремния может быть 0,4мкм, если диффузант - бор, если диффузант – фосфор, пленка должна быть в 2 раза толще: до 1 мкм.

Термическое окисление кремния.

Существует несколько методов термического окисления кремния:

окисление в сухом кислороде
окисление в парах воды
окисление во влажном кислороде
ускоренное окисление

Окисление кремния в сухом кислороде

При воздействии сухого кислорода на кремний при повышении температуры вначале молекулы кислорода адсорбируются кремнием, затем возникает химическая реакция, результатом которой является образование окисла кремния – хемосорбция. По мере роста слоя окиси кремния хемосорбция уступает место диффузии молекул кислорода в поверхность кремния. В дальнейшем процесс окисления происходит в 3 стадии: адсорбция кислорода, диффузия кислорода через окисный слой, реакция на границе раздела кремния и его окиси. При этом скорость роста пленки тем ниже, чем толще окись. Экспериментальные исследования показывают, что толщина окисла связана со временем окисления параболическим законом. При давлении кислорода 1кг/см²:

X²= 21.2*t*e^-1.33/^kt

X - толщина.

Недостаток процесса химического окисления в сухом кислороде – это его большая длительность. При t=1000С коэф. диффузии составляет 10^-14 см²/с. При таких условиях понадобиться 15 часов для 1 мкм. Наложение постоянного электрического поля позволяет управлять ростом пленки. Сквозь окись диффундируют ионы кислорода, а не молекулы. На скорость роста окиси кремния влияет концентрация и тип легирующих примесей. Чем больше примесей, тем быстрее растет окисная пленка на таком кремнии, кроме того, окисление кремния, легированного бромом, происходит еще быстрее.

Термическое окисление кремния в парах воды.

Механизм окисления кремния в парах воды до конца не выяснен. Существует две теории. Согласно первой, сначала образуется несколько монослоев оксида кремния за счет хемосорбции, после чего молекулы воды диффундируют через этот окисел к границе раздела SiO₂-Si . На границе протекает химическая реакция:

2H₂O + Si SiO₂ +2H₂↑

Согласно второй гипотезе, с Si реагирует не вода, а силановая группа [Si-OH]

H₂O +Si [Si-OH]

[Si-OH] +Si SiO₂ +H₂ ↑

Окисление кремния в парах воды протекает намного быстрее, чем в сухом О₂за счет того, что скорость диффузии молекул воды сквозь окисную пленку примерно на 3,5 порядка выше скорости диффузии сухого кислорода. Связь толщины окисла со временем окисления также определяется параболическим законом и при давлении водяного пара 1 кгс/см²имеет вид:

, где 0,8 эв – энергия активации процесса.

Для получения окисла толщиной 1 мкм при 1300°C в парах воды требуется около 1 часа (вместо 15 часов в сухом кислороде). Снижение температуры до 1000°C увеличивается время до 5 часов.

При температурах ниже 1000°C процесс окисления начинает ограничиваться скоростью реакции H₂O или [Si-OH] с кремнием и уравнение процесса приобретает вид более линейный:

Пленки SiO₂, полученные окислением в парах воды, имеют плотность ~ 2 г/см³ и рыхлую пористую структуру.

Окисление кремния в парах воды можно проводить при высоких давлениях, так как скорость роста пленки окисла повышается с ростом давления паров. Это позволяет снизить температуру процесса. Зависимость скорости окисления от температуры Т и давления Р описывается уравнением:

Ẩ/мин.

Таким образом, скорость роста пленки окисла прямо пропорциональна давлению водяного пара. При давлении пара 50 кгс/см² и t = 650°C пленка толщиной 1 мкм получается за 400 мин; при нормальном давлении пара за это же время и при той же температуре образуется пленка толщиной лишь 0,02 мкм.

Достоинством процессов окисления при высоком давлении пара является возможность одновременного снижения температуры и времени обработки. Однако, при Р > 100 кгс/см² начинается процесс травления кремния парами воды и поверхность пластин становится матовой.

Недостатком процесса является необходимость герметичной и прочной металлической камеры вместо простой открытой системы. При высоких давлениях водяного пара и повышенной температуре происходит интенсивная реакция воды со стенками камеры, что вынуждает прибегать к покрытию внутренних стенок камер инертными материалами, например, золотом.

Общим недостатком процессов окисления в атмосфере водяного пара является невысокое качество получаемых пленок и связанное с этим ухудшение маскирующих свойств. Пониженная плотность пленки (~2 г/см³) указывает на пористость из-за наличия водорода и гидроксильных групп OH.

Окисление кремния в парах воды под давлением проводят в герметичных толстостенных бомбах