Модель Дила - Гроува

Первые попытки описания термического окисления кремния основывались на известных моделях роста окисла на металлах, в которых предполагалось, что при высоких температурах процесс окисления является следствием диффузии заряженных частиц - ионов и электронов - через растущую пленку. При этом скорость химической реакции считалась много большей скорости диффузионного процесса.

рассматривающая процесс окисления состоящим из двух этапов - массопе-реноса окислителя в растущем окисле и протекания химической реакции кремния с окислителем. Модель предполагает три потока (рис.2.2):

Рис.2.2. Модель высокотемпературного окисления кремния

1. массоперенос окислителя через внешнюю границу растущего окисла SiO₂из газовой фазы (поток F₁):

2. диффузию окисляющих частиц через окисел к границе раздела SiO₂- Si (поток F₂):

3. химическую реакцию взаимодействия окислителя с кремнием (поток F₃):

Нетрудно поучить аналитическое выражение для зависимости толщины окисла от времени окисления (уравнение Дила-Гроува):

x²+ Ax = B(t + t₀

где t₀- время, соответствующее начальной толщине окисла x₀, А и В константы, зависящие от температуры термообработки и окисляющей среды.

Зависимость толщины окисла от времени окисления при высокой (от 700 до 1200 °С) температуре изображена на рис.2.3.

Рис.2.3. Зависимость толщины окисла кремния от времени окисления при высокой температуре

При малых временах окисления t << A²/4B рост окисла описывается линейным законом

x =

при больших временах окисления t >> A²/4B - параболическим

x²= Bt

Имеется некоторое характерное время t_хар, при превышении которого линейный закон роста окисла переходит в параболический (см. рис.2.3).

Модель Дила - Гроува описывает достаточно точно экспериментальные результаты в широком диапазоне температур и толщин окисла, за исключением начального участка роста окисного слоя (особенно в сухом кислороде) толщиной примерно до 30 нм.

Анализ многочисленных экспериментов позволил выделить основные факторы, оказывающие определяющее влияние на скорость термического окисления. К таким факторам относятся:

1.температура окисления;

2.давление окислителя в окружающей среде;

3.ориентация окисляемой поверхности кремния;

4.уровень легирования и тип примеси в подложке;

Оборудование для окисления кремния

Установка для окисления представляет собой систему, в которой используется сухой или влажный кислород. Во втором случае кислород сначала пропускают через водяную баню, а затем направляют в печь для окисления пластин (рис.2.4). Содержание влаги в потоке газа определяется температурой водяной бани и скоростью потока. Так как окисление в водяных парах происходит гораздо быстрее, чем в сухом кислороде, содержание влаги в потоке газа-носителя (кислорода) является наиболее важным фактором,.

Рис.2.4. Схема установки для термического окисления кремния во влажном кислороде: 1 - баллон с кислородом; 2 - редуктор; 3 - ротаметр; 4 - двухходовый кран; 5 - барбатер или водяная баня; 6 - кварцевый шлиф; 7 - кварцевая лодочка; 8 - пластины кремния; 9 - трубчатая печь; 10 - кварцевый реактор; 11 - термопара

обусловливающим скорость окисления при заданных значениях времени и температуры

Содержание влаги в потоке газа определяется температурой водяной бани и скоростью потока. Так как окисление в водяных парах происходит гораздо быстрее, чем в сухом кислороде, содержание влаги в потоке газа-носителя (кислорода) является наиболее важным фактором, обусловливающим скорость окисления при заданных значениях времени и температуры.

Основное отличие окисления во влажном кислороде от окисления в сухом кислороде или парах воды, заключается в том, что концентрацию окислителя можно легко изменять от величины, соответствующей 100 % содержания кислорода, до величины, соответствующей 100 % содержания паров воды.

Слои SiO₂, выращенные не только в парах воды, но и во влажном кислороде, и содержащие воду, обладают худшими электрическими и защитными свойствами, чем слои, выращенные в сухом кислороде. Поэтому на практике в большинстве случаев используются комбинированные режимы окисления - чередование этапов выращивания окисла в сухом и влажном кислороде. Этап окисления во влажном кислороде обеспечивает высокую скорость роста пленки, что очень важно, так как сокращается время высокотемпературной операции, а этап окисления в сухом кислороде обеспечивает удаление воды из слоя SiO₂. Кроме того, во время этого этапа происходит дополнительный рост слоя окисла и, главное, уплотнение выращенного на первом этапе слоя, а также заращивание имеющихся в нем пустот и других дефектов.

Особенности формирования различных диэлектрических слоев в составе активных структур ИС на основе процесса термического окисления кремния.

В качестве пассивирующих и маскирующих диэлектрических слоев, как правило, используются пленки толщиной, составляющие десятые доли микрона. Поэтому для их формирования используется обычное термическое окисление в открытой диффузионной трубе.

Иначе обстоит дело в случае формирования толстых слоев, так например, в случае формирования локальных участков толстого окисла, Здесь уже используется процесс термического окисления под давлением (10 атм.), что позволяет существенно повысить скорость окисления и тем самым уменьшить процесс расползания сформированных ранее диффузионных областей. При этом, для организации локальных участков слоя окисла используется разработанный американскими специалистами процесс «Локос». Суть метода связана с использованием локальной маски из Si₃N₄, которая препятствует проникновению через нее окисляющих частиц, что как раз и позволяет обеспечить формирование локальных окисных областей в свободных от нитридной маски участках кремния.

Одним из наиболее ответственных является процесс выращивания сверхтонкого подзатворного диэлектрика, когда необходима предварительная тщательная подготовка поверхности кремния, освобождение его от естественного окисла, пассивация поверхности. Сам процесс окисления осуществляют при атмосферном давлении в открытой диффузионной трубе при пониженных температурах ~800 ^оС . При этом для уменьшения положительного заряда в окисле окисление проводят с присутствием например, паров хлора (как правило, используется газообразный НCl) и осуществляют дополнительные низкотемпературные (~400^оС) отжиги в H₂ и т.д.