2.4 Факторы, влияющие на скорость роста и качество пленок SiO2

На скорость роста слоя SiO₂ влияет

• температура;

• окислительная среда;

• давление газа-окислителя;

• кристаллографическая ориентация кремниевой пластины;

• концентрация легирующей примеси в исходной пластине кремния.

Влияние давления газа-окислителя.

Повышение давления увеличивает концентрацию молекул окислителя, растворенных в приповерхностном слое, тем самым увеличивается градиент концентрации молекул в слое SiO₂, а значит, и скорость диффузии. Окисление при повышенном давлении водяного пара (ускоренное гидротермальное окисление) позволяет получать оксидные пленки толщиной 2-3 мкм, что особенно важно при формировании изопланарных структур, приборов с зарядовой связью и так далее. Недостатком метода является необходимость использования герметичных и высокопрочных реакторов вместо технологичных проточных систем.

Влияние кристаллографическая ориентация кремниевой пластины. Окисление на пластине с ориентацией (111) происходит быстрее, чем с ориентацией (100). Влияние ориентации особенно заметно при относительно низких температурах. Так, например, при Т = 700 °С отличие в скорости окисления составляет 40 %, а при Т = 1200 °С всего 2 %. Зависимость скорости окисления от кристаллографической ориентации объясняется тем, что различным кристаллографическим направлениям пластины соответствует разное количество связей Si – Si.

Влияние концентрация легирующей примеси в исходной пластине кремния.

Это влияние обусловлено явлением сегрегации примеси на границе раздела SiO₂ – Si. Для одних примесных атомов растворимость в Si выше, чем в SiO₂, поэтому при термическом окислении растущий оксид оттесняет примесные атомы в глубь пластины кремния. В результате оксидный слой обедняется данными примесными атомами. Так, в частности, ведут себя атомы фосфора, мышьяка, сурьмы. А такие атомы, как бор, напротив, лучше растворяются в SiO₂, чем в Si, поэтому при окислении слой SiO₂ получается обогащенным атомами бора. Наличие примесных атомов в слое SiO₂ создает в нем механические напряжения и как бы «разрыхляет» его, что способствует увеличению скорости диффузии молекул окислителя через растущий слой оксида. Атомы фосфора, мышьяка и сурьмы оказывают влияние только на скорость химической реакции. Поэтому их влияние существенно только на ранней стадии процесса окисления, когда толщина слоя невелика и общая скорость окисления определяется скоростью химической реакции. Атомы бора, напротив, оказывают влияние и при относительно толстых слоях SiO₂.

Для улучшения качества пленок оксида в окислительную среду добавляют хлор и хлорсодержащие компоненты.

Добавление хлора:

увеличивает скорость окисления;

улучшает стабильность электрических характеристик;

повышает пробивное напряжение оксидных слоев.

Увеличение скорости окисления обусловлено образованием механических напряжений в растущем слое оксида, что способствует увеличению скорости диффузии молекул окислителя.

Улучшение качества оксидных слоев обусловлено тем, что ионы хлора способны связать ионы натрия и калия, оказывающих очень негативное влияние на характеристики оксида. Данные ионы в слое SiO2 могут появиться на более ранней стадии технологического процесса, например, при удалении фоторезиста щелочными растворами на основе NaOH и KOH. Попав в слой SiO₂, они способны перемещаться в нем под действием электрического поля, что резко снижает электрическую прочность оксидного слоя. Особенно важно это для подзатворного слоя диэлектрика в МДП-транзисторах.

Несмотря на то, что метод термического окисления позволяет получать качественные слои SiO₂, он имеет один серьезный недостаток, а именно, с его помощью сложно получать «толстые» слои. При толщине порядка 12 мкм скорость роста слоя SiO₂ становится практически равной нулю. Для многих задач (создание маскирующего покрытия при фотолитографии или подзатворного слоя диэлектрика в МДП-структурах) такая толщина и не требуется. Тем не менее, существуют задачи, для решения которых необходимо выращивать слои SiO₂ толщиной несколько микрометров. Это требует применения других методов формирования оксидных слоев, в частности, метода химического осаждения.