2.2 Явления, сопутствующие процессу термического оксидирования

В процессе термического выращивания диоксида кремния расходуется исходный кремний. Окисел растет вглубь кристалла и вверх. Толщина выращенного слоя диоксида приблизительно в 2,27 раза больше толщины слоя кремния , израсходованного на это. Например, на выращивание слоя диоксида кремния толщиной 0,227мкм расходуется слой кремния 0,1 мкм (рис. 3).

Рисунок 3 – Механизм образования пленки термического диоксида кремния на исходной пластины из кремния

Локальное оксидирование кремния. В многих случаях слой диоксида кремния необходимо выращивать локально на определенных участках кристалла. Для этого используют маску нитрида кремния (рис. 4). Диоксид растет вверх, вниз и в боковых направлениях под маску приблизительно с одинаковой скоростью (рис. 4). Прорастание диоксида вглубь кристалла позволяет его использовать для изоляции соседних слоев (рис.4б). Рост диоксида в боковом направлении препятствует получению маленьких расстояний между соседними изолированными областями, а рост вверх приводит к неровности поверхности. Для получения ровной поверхности предварительно перед окислением вытравливают канавку глубиной приблизительно в половину толщины диоксида, используя ту же маску .

Рисунок 4 – Локальное окисление кремния с применением маски нитрида кремния

Перераспределение примесей на границе Si-SiО₂. Пленка термического диоксида изменяет концентрацию донорных и акцепторных примесей в слое кремния на границе Si-SiО₂. Во время окисления атомы кремния на поверхности пластины вступают в реакцию с кислородом и образуют молекулы SiО₂. Атомы примесей, присутствующие в кремнии, перераспределяются между пленкой оксида и кремнием из-за разной растворимости в SiО₂ и Si. Это явление называют сегрегацией (перераспределением).

Перераспределение примесей на границе Si-SiО₂ может изменить распределение примесей в структурах элементов ИМС и те самим ухудшить электрические параметры элементов ИМС (увеличить обратные токи p-n переходов и шумы транзисторов) и нарушить их нормальное функционирование.

2.3 Техника процесса.

Для термического оксидирования применяют то же оборудование, что и для диффузионного легирования, например диффузионные электропечи типа СДО-125/3, трех- или шестикамерные автоматизированные системы типа АДС-6-100. Камера установки (рис.5) из дважды переплавленного в вакууме кварца проходит через муфель печи с резистивными нагревателями. Температура в рабочей зоне поддерживается с точностью 0,5 ^оС в диапазоне 700...1250 ^оС. Процесс проводят способом открытой трубы, т.е. через кварцевую трубу-камеру непрерывно проходит сухой или влажный кислород. Для обеспечения подачи в камеру строго определенного количества паров воды испарение ведут в стационарном режиме. Для этого определенное количество воды (дозу) заливают в герметичный сосуд-дозатор. Поступающий в дозатор кислород проходит сквозь воду, захватывая пары воды. Такой дозатор барботажного типа нагревают до температуры 60...95 ^оС.

Рисунок 5. Схема процесса термического оксидирования кремния:

1 - вентили; 2 - ротаметры; 3 - кварцевая труба-реактор; 4 - нагревательная печь; 5 - водоохлаждаемая заглушка; 6 - нагреватель воды

Подготовленные к процессу пластины кремния помещают вертикально в пазы кварцевой кассеты-лодочки. Лодочку с пластинами устанавливают на площадку загрузочного устройства установки. Запуском программатора автоматически выполняются технологические переходы оксидирования: продувка камеры азотом, нагрев рабочей зоны до предварительной температуры, которая на 100...150 ^оС ниже заданной по технологии рабочей температуры; загрузка лодочки с пластинами в рабочую зону установки кварцевым толкателем со скоростью 10...60 см/мин, нагрев печи с заданной скоростью до рабочей температуры, подача парогазовой смеси, выдержка пластин в течение заданного времени, охлаждение печи, выгрузка пластин кварцевым толкателем.

В процессе термического оксидирования с помощью кварцевого толкателя осуществляются возвратно-поступательные перемещения лодочки с пластинами с амплитудой около 20 мм, чтобы предотвратить ее приварку к поверхности трубы. Предварительный нагрев печи и медленная загрузка и выгрузка пластин обеспечивают более мягкий режим оксидирования и уменьшают градиент температуры по радиусу пластин, а следовательно и термические напряжения, приводящие к изгибу пластин. Скорость нагрева печи вместе с пластинами до рабочей температуры 10...30^о С/мин, скорость охлаждения около 8 ^о С/мин.