Отработка режима термического окисления кремния

621.3

К65

№895

Конструирование и технология микросхем и микропроцессоров.

Методические указания к лабораторной работе №6.

Лабораторная работа № 6

Отработка режима термического окисления кремния.

1. Цель работы.

2. Некоторые сведения из теории.

Термическое окисление кремния – один из наиболее важных технологических процессов при изготовлении современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Двуокись кремния выполняет ряд функций:
- используется в качестве маски при ионной имплантации и локальной диффузии; толщина пленки в этом случае составляет 400…800 нм;
- применяется для пассивации поверхности полупроводниковых материалов в качестве основы для размещения коммутационных проводников, для изоляции элементов интегральных схем (ИС);
- является основным элементом конструкции МДП-транзистора - “подзатворным диэлектриком”, его толщина составляет 20…100 нм.

2.1 Модель Дила-Гроува.

При объяснении экспериментальных результатов чаще всего используют модель, предложенную Дилом и Гроувом. В соответствии с ней предполагается, что слой двуокиси формируется на поверхности кремния за счет химической реакции с окислителем, в качестве которого используется сухой и влажный кислород или пары воды. Соответствующие реакции:

   ,                                   (1)

.(2)

Процесс осуществляется в кварцевых реакторах при температурах 900…1200°С. При более высоких температурах скорость роста увеличивается, но одновременно ухудшается качество пленки, искажаются диффузионные профили для примесей, введенных на более  ранних этапах технологического процесса, резко сокращается срок службы кварцевой оснастки.
            Термическая двуокись кремния обладает более высокими характеристиками, чем аналогичные пленки, полученные осаждением из газовой фазы, так как обеспечивают более низкую плотность поверхностных состояний на границе раздела , что очень важно для МДП-транзисторов, имеют более высокую плотность и меньшую пористость.
            Количественно процесс окисления может быть описан на основе модели трех потоков (см. рисунок). Определим поток как число атомов, пересекающих заданную единичную площадку за единицу времени. Поток окислителя, поступающий из газовой фазы к поверхности окисла , переносится затем через уже образовавшуюся пленку  и вступает в химическую реакцию с кремнием у границы раздела .

Модель термического окисления кремния

            Рассмотрим поток , его величина пропорциональна разности концентрации в газовой фазе около поверхности окисла и равновесной концентрации в поверхностном слое .

,        (3)

где - коэффициент массопереноса в газовой фазе. В соответствии с законом Генри

связано с парциальным давлением  окислителя в газовой фазе

        ,           (4)

где - коэффициент Генри.
            Поток окислителя через окисел определяется диффузионным переносом в соответствии с 1-м законом Фика

,     (5)

где  - концентрация окислителя на границе раздела ;  - коэффициент диффузии окислителя через пленку .

Поток  обусловлен протеканием химической реакции взаимодействия окислителя с кремнием в соответствии с (1) и (2) и может быть записан в виде

.     (6)

В условиях равновесия все 3 потока равны, поэтому можно записать

.      (7)

Приравняв (3) и (5), (5) и (6) и решив относительно и , получаем связь между концентрациями:

,           (8)

.    (9)

Таким образом, поток окислителя через границу раздела

 .    (10)

Этот же поток можно выразить и через скорость роста окисла (через количество образующегося в единицу времени окисла)

               ,             (11)

здесь - количество молекул окислителя, необходимых для образования единичного объема окисла. Концентрация - 2,2×10²²см^-3, для ее обеспечения необходимо 2,2×10²² молекул кислорода или 4,4×10²² молекул воды.

            Решая совместно (10) и (11), получаем для скорости окисления          

.               (12)

Решив уравнение (12), найдем толщину окисла, выросшего за время t

,         (13)
,                                     (14)
.                                               (15)

Параметр  зависит в основном от первоначальной толщины окисной пленки, всегда присутствующей на поверхности кремния после пребывания на воздухе при комнатной температуре (в нормальных условиях она составляет 1…4 нм).
            Общепринятая форма записи уравнения (13)

.          (16)

Величину  можно вычислить по формуле

.       (17)

Коэффициент принято называть параболической константой скорости окисления, так как при длительном времени окисления () изменение толщины со временем описывается параболическим законом

.   (18)

            При малых временах окисления толщина окисла линейно зависит от времени (при )