Термическое окисление кремния во влажном кислороде

На практике используется окисление кремния во влажном кислороде. Изменяя степень увлажнения, можно менять энергию активации процесса окисления от 1,33 эВ (для сухого кислорода) до 0,8 эВ (для паров воды) и управлять структурой окисных пленок и скоростью окисления. При приемлемых скоростях роста достигается плотность пленки порядка 2,18÷2,2 г/см³ . При этом пленка толщиной 1 мкм является достаточной для проведения многократной диффузии. Зависимость толщины окисла от времени окисления во влажном кислороде приведена на рис. ….

Атмосфера увлажненного кислорода (1 и 2) и увлажненного аргона (3 и 4) при t = 1200°C; температура воды в увлажнителе 85°C (1 и 2) и 28°C (2 и 4).

Схема установки для термического окисления кремния представлена на рисунке …...

Схема установки для термического окисления кремния: 1, 2, 3 – краны; 4 – индуктор; 5 – кварцевая труба; 6 – подложки; 7 – держатель подложек; 8 – водяная баня.

Кремниевые пластины устанавливаются в кварцевой кассете, которая в свою очередь помещается в кварцевую трубу, снабженную нагревателем. Кислород подается в зону окисления либо непосредственно с помощью крана 1, либо через увлажнитель с помощью кранов 2 и 3. Увлажнитель – сосуд со сверхчистой (деионизованной) водой, снабженной нагревателем и термометром. В зависимости от расхода кислорода и температуры воды в увлажнителе можно получить различное соотношение компонентов в смеси. При окислении во влажном кислороде температура в увлажнителе устанавливается обычно в пределах 80÷110°C, расход кислорода порядка 0,5 л/мин.

Для окисления кремния в парах воды через увлажнитель может быть пропущен транспортирующий инертный газ (азот, аргон и т.п.).

Практика показала, что чередование этапов окисления в сухом кислороде и в увлажненном позволяет получить качественные пленки при удовлетворительной производительности процесса. Это объясняется тем, что пористая пленка, полученная в увлажненном кислороде и обработанная затем сухим кислородом, уплотняется («подсушивается») за счет удаления гидроксильных групп и десорбции водорода.

Примерный технологический процесс окисления подложек из кремния выглядит так:

1. нагрев рабочей зоны до 1150°C и выдержка 30 мин;

2. установка кассеты с пластинами в рабочую зону;

3. окисление в сухом кислороде (Т = 1050°C; t = 15 мин);

4. окисление во влажном кислороде в течение 1 часа 45 мин (Т = 1050°C, температура в увлажнителе 80°C, расход кислорода 0,5 л/мин,; t = 105 мин);

5. окисление в сухом кислороде (Т = 1050°C, t = 60 мин).

В отлаженном процессе термического окисления толщина выращенной пленки контролируется временем окисления.

При таком чередовании получают достаточно толстую пленку окисла с плотной структурой на границе раздела Si – SiO₂ (3-е окисление) и на поверхности SiO₂ (1-е окисление). Сравнительно пористый средний слой окисла (2-е окисление во влажном кислороде) не оказывает существенного влияния на защитные свойства пленки и электрофизические свойства границы разделаSi – SiO₂.

При изготовлении интегральных схем даже одним из наименее сложных способов, необходимо четыре раза окислять поверхность кремния. Каждая операция окисления занимает 1,5÷2 часа. Кроме того, по ряду технологических требований процесс окисления стремятся проводить при более низких температурах (хотя скорость окисления при этом уменьшается).

Все это заставляет непрерывно искать методы пассивации, позволяющие проводить этот процесс при более низких температурах с большой скоростью.

Скорость роста окисной пленки ограничивается, как уже говорилось, скоростью диффузии атомов кислорода сквозь предварительно выращенный слой окисла к границе раздела Si – SiO₂.Как увеличить скорость диффузии кислорода сквозь слой SiO₂? Для ответа на этот вопрос необходимо предварительно рассмотреть сам механизм диффузии. Этот процесс может осуществляться тремя способами.

• Диффузией по междоузлиям;

• Диффузией с замещением атомов кислорода в решетке новыми атомами кислорода из атмосферы;

• Диффузией по вакансиям решетки.

Диффузия первыми двумя способами требует значительно большей энергии активации по сравнению с экспериментально полученными данными (1,326 эВ), поэтому очевидно превалирующее действие диффузии атомов кислорода по вакансиям решетки окисла.

При отладке процесса толщина пленки может быть измерена интерференционным методом с помощью микроскопа, для чего предварительно создается «ступенька» до 10Ẩ тощиной. При достаточном навыке толщина пленки может быть определена методом цветовых оттенков, в котором используется свойство окиси кремния менять свой цвет в зависимости от толщины (относительная ошибка не более 5%).