Лабораторная работа № . Термическое окисление кремния.

Цель работы: ознакомление с особенностями кинетики окисления кремния; получение термического окисла и контроль его толщины; освоение методов прогнозирования параметров окисленного кремния (пакет программ ICECREAM 4.2).

Оборудование: печь SNOL 8,2/100, вольтметр В7-27, термопара хромель-алюмель, кремневая пластина, персональный компьютер.

1. Введение

Окисление кремния - физико-химический процесс, примене­ние которого необходимо в ходе всего технологического цикла изготовления современных интегральных схем. Для создания надежных высококачественных ИС требуется не только пони­мание основных механизмов окисления, но и наличие возможно­стей формирования высококачественного слоя окисела контролируемым и воспроизводимым образом. Кроме того, чтобы гарантировать надежность ИС, нужно знать зависимость электрических свойств окисла от технологических параметров процесса окисления.

В технологии формирования ИС двуокись кремния использу­ется для нескольких целей. Она служит в качестве маски при ионной имплантации или диффузии легирующей примеси в крем­ний, для пассивирования поверхности структур, для изоляции приборов друг от друга (диэлектрическая изоляция в отличие от изоляции приборов р-n переходами), выступает в роли од­ного из основных компонентов в МОП-структурах и обеспечи­вает электрическую изоляцию в системах многослойной метал­лизации. В настоящее время для формирования окисных слоев разработано несколько методов, которые включают в себя тер­мическое окисление, анодирование в растворах электролитов, пиролитическое осаждение (осаждение из газовой фазы) и плаз­менное анодирование, или окисление. В тех случаях, когда на границе раздела фаз необходимо получить низкую плотность поверхностных состояний, предпочтение отдается методу терми­ческого окисления. Однако в связи с тем, что маскирующий окисел в последствии чаще всего удаляют, условие получения минимальной плотности поверхностных состояний не играет ро­ли при выборе метода формирования маскирующего слоя для процессов диффузии легирующей примеси в кремний. Очевидно, что при необходимости формирования окисной пленки на по­верхности металлического слоя (а это характерно для процессов формирования многослойной металлизации) пригодными оказываются только методы газофазного осаждения.

2. Механизм роста и кинетика окисления.

При выдержке кремниевой подложки в атмосфере, содержащей кислород, происходит быстрое формирование окисной пленки. Химические реакции, описываю­щие процесс термического окисления кремния в кислороде или парах воды, имеют следующий вид:

Si _тв. + O₂ SiO₂ (1)

Si _тв. + 2H₂OSiO₂ +2H₂ . (2)

Рис.1. Рост SiO₂ .

Основной процесс, происходящий при этом, заключается в перераспределении валентных электронов между кремнием и кислородом. Связь кислород—кремний представляет собой ковалентную связь. При протекании процесса окисления граница раздела Si – SiO₂ двигается в глубь кремниевой подложки, од­нако происходящее при этом расширение объема приводит к то­му, что внешняя поверхность пленки SiO₂ не совпадает с пер­воначальной поверхностью кремния. Если обратиться к значе­ниям плотности и молекулярному весу Si и SiO₂ , то можно пока­зать, что рост окисной пленки толщиной d происходит за счет слоя кремния толщиной 0,44 d (рис.1).