Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

МММ / 04_lecture5

.pdf
Скачиваний:
33
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
799.35 Кб
Скачать

Oxide growth rate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HPg / ki

 

 

Rate of growth =

dxox

=

 

J3

 

=

Ciki

,

 

 

 

 

 

 

 

 

Ci

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

xox

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

N

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

+ DO2

 

+ ki

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( N = # O2 molecules incorporated / cm3 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

ox

=

 

 

 

 

HPg / N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N = 2.2 x 1022 / cm3, dry

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rate depends on xoxide

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

xox

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 x 1022 / cm3, H O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

+

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

D

 

 

ki

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xox 1

 

 

x

 

 

1 ˆ

t

HPg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SiO2

 

 

 

 

 

ox

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

 

˜dxox =

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si

 

x0 h

 

 

D

ki

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

t 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = 2D

+

 

 

(length)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

Axox = B(t + τ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

˜

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

h

 

ki

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x ox

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

length

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B = 2DH P

N

 

(

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

time

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ = (x02 + Ax0 )B (time)

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

11

xox

1

 

xox

 

1

ˆ

 

 

t

HPg

 

 

 

+

+

dx

 

=

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

D

k

˜

ox

 

N

h

 

 

x0

 

 

 

 

 

i

 

 

 

0

 

 

x2 + Axox = B(t + τ )

ox

xox = A + A2 + 4B(t + τ )

2

 

 

 

 

 

SiO2

 

 

 

 

 

 

Si

 

 

 

 

 

 

t 0

 

1

 

1

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

˜

 

 

+

 

 

 

A = 2D

 

˜

 

 

 

 

 

ki

 

 

h

 

Si

B = 2DH Pg

N

 

 

t > 0

τ = (x02 + Ax0 )B

Rate constants A and B known experimentally; both D = D0e-Ea/kT

Parabolic and linear growth rates

xox

 

Thick oxide => parabolic rate constant, B

 

2

>> Axox

Quad .Eq

= B(t + τ)

xox

xox

t

τ

Thin oxide => linear rate constant, B/A

xox

 

 

 

 

2

2

Quad .Eq

 

 

B

(t + τ )

 

 

 

 

 

xox

<< Axox

 

xox

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

Sept. 19, 2003

 

 

3.155J/6.152J

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

DO2 (SiO2 ) <

700-1200ºC, 1 atm, 0.1 μm / hr fi dry oxide, denser,

use for gate oxide.

DH2 O (SiO 2)

750-1100°C, 25 atm , 1 μm / hr

=> wet oxide,

more porous, poorer diffusion barriers; use for etch oxide, field oxide.

Dry O2 + 1-3% Cl; Cl is a metal getter cleaner oxide.

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

13

Exercise: calculate xOX grown for 1 hr. in dry oxidation at 1100 °C.

From table, A = 0.09 μm , B = 0.027 μm2 / hr, τ = 0.076 hr.

 

A + A2 + 4B(t + τ )

 

(0.1 - 1.0 μm / hr is typical)

xox =

 

= 0.14

μm

2

 

 

 

 

This is the oxide thickness grown over any thin native oxide present.

Now you calculate xox for steam oxidation at same time and temp.

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

14

SiO2

Si

O2

 

SiO2/Si interface, local charges

Oxide near the interface is a sub oxide, SiOx, x < 2.

 

 

 

xox

C

O2

SiO2

SiO, which is often

+ charged.

 

 

 

 

 

 

 

 

WHY?

Electronegativity

Si

e-

Si

Si

 

 

2+

e-

 

 

 

Si

Si3+

O2-

Si4+

O2-

 

O2-

O2-

O

 

O

O

O

 

SiO2

 

SiO

SiO+ + e-

 

 

 

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

15

SiO2/Si interface and dry vs. wet oxidation

SiO2

Si

O2

 

Which species diffuse quickly?

Large small

O -, O, H-, H, H+, h+

 

 

 

xox

C

O2

SiO2

SiO+

 

 

 

e-.

Gases unstable at 100oC, dissociate at surface.

Outside

in oxide

O2

-> O + O- + h+

2H2O -> O + O- + h+ +

 

n(H+, H, H-)

Slow

fast

CO2 SiO2

SiO+

 

 

e-.

H+, h+

 

CO2 SiO2 SiO+

e-.

O-

O - + SiO+ -> SiO2

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

16

Initial oxidation regime.

x ox

+ Axox = B(t + τ )

 

2

 

 

 

 

Deal - Grove: at small xox,

B

xox = A (t + τ )

dxox = B = const. dt A

SiO2

Si

O2

 

To explain this… many models proposed.

It appears that SiO2 / Si interface is not sharp.

Oxide grows not just at xox but also at

xox

δx

small xox

 

2

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

17

Structure of SiO2

Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Amorphous tetrahedral network

Quartzite

Si O Si

bridging

O O

oxygen

Si O Si

disorder

fewer bridging O’s, some non-bridging.

Network modifyers B, P replace Si

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

18

Effects of Dopants on Oxidation of Si SiO2

We will see segregation coefficient for crystal growth:

 

CS

generally < 1

k =

 

 

 

 

 

 

CL

 

 

 

Related parameter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m =

CX

(in Si)

 

 

for segregation of impurity X on oxidation:

 

 

 

CX

(in SiO2)

 

 

 

 

 

 

 

Impurity concentration profiles depend on m, Dx in Si, Dx in SiO2 and growth rate

(not shown below):

m > 1 ( oxide rejects impurity, X)

Dx (SiO 2) < Dx (Si)

Jx (SiO 2) int = Jx (Si)

SiO2

Si

CX (0)

 

Dx (SiO 2) > Dx (Si)

SiO2

Si

CX (0)

 

 

m < 1( oxide consumes X )

 

 

Dx (SiO 2) < Dx (Si)

Si

Dx (SiO 2) > Dx (Si)

SiO2

Si

SiO2

 

CX (0)

 

CX (0)

 

 

Sept. 19, 2003

 

3.155J/6.152J

 

19

Common dopants in Si enhance oxidation at higher concentration

Oxide thickness vs. wet oxidation time

Linear, B/A, and parabolic, B, rate constants

For three different boron concentrations

vs. phosphorus concentration.

Sept. 19, 2003

3.155J/6.152J

20

Соседние файлы в папке МММ