3 Другие методы получения пленок оксида кремния

3.1 Осаждение пленок оксида кремния термическим испарением

Используют два метода, основанные на испарении монооксида кремния SiO.

1–используют технический порошкообразный монооксид кремния;

2–кремниевый электрод нагревают в атмосфере кислорода.

На полупроводниковой подложке получают комплекс вида Si–SiO–SiO₂.

Испарение порошкообразного монооксида кремния.

Для хорошей адгезии кремниевые пластины нагревают до 300 °С и выше. При низких скоростях осаждения, но высоком парциальном давлении кислорода пленка обладает свойствами SiO₂. При высоких скоростях осаждения, но низком парциальном давлении кислорода пленка обладает свойствами SiO. Температура источника 1300…1400 °С и суммарное давление 6,5·10^-4 Па.

Применение кремния

Кремний нагревают до температуры 700…1000 °С. Парциальное давление кислорода обеспечивает на поверхности кремниевого источника реакции

Si + O→SiO.

Монооксид легко испаряется, так как имеет более высокое давление паров, чем кремний. При нагреве подложек улучшается адсорбция паров оксида и адгезия пленки. Температура подложек должна быть на 100…200 °С ниже температуры источника, чтобы избежать испарения осажденной пленки. При давлении 6,5·10^-4 Па, температуре 900 °С, за время 30 минут нарастает пленка толщиной 100 нм..

3.2 Реактивное катодное распыление оксида кремния

В присутствии кислорода распыляют кремниевую мишень. Обычно давление 0,4 Па и напряжение 1500…2000 В.

Применяют распыление в плазме высокочастотного разряда при давлении 26,5…130 Па и напряжении 3000…5000 В.

3.3 Химическое осаждение слоев оксида кремния

Наибольшее распространение получили пиролиз кремнийорганических соединений (например, тетраэтоксилана Si(C₂H₄OH)₄) и окисление силана SiH₄.

В основе первого метода лежит реакция

Si(C₂H₄OH)₄ →SiО₂ + СО₂ + R ,

где R – органические радикалы, типа С₂Н₅, СН₃ и другие. Процесс проводят при температуре 700…750°С. Скорость роста довольно высока, что позволяет за несколько десятков минут получать слои толщиной несколько микрометров. Обычно эту реакцию реализуют с помощью потока газа-носителя (Ar, N₂, H₂, Ar+ O₂), содержащего пары тетраэтоксилана. Пиролиз тетраэтоксилана при Т<700°С будет неполным и растущий слой SiO₂ окажется загрязненным промежуточными продуктами разложения Si(C₂H₄OH)₄. Выше 750°С слой SiO₂ загрязняется углеродом, карбидом кремния SiC и смолянистыми продуктами пиролиза. Для улучшения качества слоев иногда процесс проводят не в открытой трубе в потоке газа-носителя, а в вакуумной системе, наполненной после откачки парами тетраэтокилана. Процесс безопасен, что отличает его от реакций с использованием окисления силана.

В основе второго метода лежит реакция

SiH₄ + 2O₂ →SiO₂ + 2H₂O.

Реакция проходит при температурах 250…400°С. Данный метод по сравнению с пиролизом тетраэтоксилана обладает рядом преимуществ. Во-первых, получаются более чистые пленки без образования остатков органических соединений, углерода, карбида кремния и других. Во-вторых, процесс проходит при более низких температурах. В-третьих, окисление силана легко согласуется с эпитаксией кремния, то есть можно осуществлять процесс в одном реакторе, что очень важно при нанесении защитных покрытий на эпитаксиальные структуры.

Недостаток метода – токсичность и пирофорность (самовозгораемость) силана. Поэтому реагенты вводят в реактор сильно разбавленными аргоном, что позволяет регулировать скорость роста оксидных слоев. Скорость роста SiO₂ растет примерно линейно с увеличением расхода силана и лимитируется расходом кислорода, то есть линейный участок переходит в насыщение, если становится недостаточно кислорода. Скорость роста SiO₂ может достигать десятков нанометров в минуту.