Лекция 6 Окисление Технология изготовления п/п приборов 13 Лекция 6 ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ КРЕМНИЯ Окисление кремния – физико-химический процесс, применение которого необходимо в течение всего цикла изготовления ИС. Двуокись кремния, полученная термическим окислением, используется для формирования межкомпонентной изоляции в ИС, подзатворного диэлектрика в микросхемах, содержащих МОП структуры, служит в качестве маски при загонке легирующей примеси в необходимые места кремниевой пластины. Процесс окисления происходит в кварцевом или карбид-кремниевом реакторе (трубе) при температурах Т ~ 7000÷ 12000С в потоке “сухого” кислорода или паров воды,1. В качестве газов-разбавителей используются азот или аргон. Для устранения нежелательных загрязнений (примесей) в растущей плёнке двуокиси кремния при проведении процесса в реактор может подаваться небольшое количество хлористого водорода. Химические реакции, описывающие процесс окисления имеют следующий вид: SiТВ + O2 SiO2 SiТВ + H2O SiO2ТВ + 2H2 В настоящий момент установлено, что окисление кремния протекает за счёт диффузии окисляющих компонентов (O2, H2O) через окисел к границе раздела фаз Si - SiO2, где и происходит реакция окисления. МОДЕЛЬ ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ Кинетика процесса окисления описывается моделью? разработанной Дилом и Гроувом в 1965 г. Она применима для температурного диапазона 700 ÷ 13000С, толщины окисных плёнок 30 ÷ 2000 нм в атмосфере, состоящей из кислорода и (или) паров воды в широком диапазоне парциальных давлений окислителя. На рис.12 показана подложка кремния, покрытая слоем окисла и которая находится в контакте с газовой фазой. Газ Окисел Кремний d0 CG CS C0 Рис. 1 Модель термического окисления кремния Ci F1 F2 F3 В настоящее время пары воды образуют при сжигании водорода в реакторе (пирогенное окисление). 1 2 Технология СБИС, под редакцией С. Зи, Москва Мир 1986 стр. 177 Лекция 6 Окисление Технология изготовления п/п приборов 14 Окисляющие элементы диффундируют из объёма газовой фазы на границу раздела газ - окисел. Поток окислителя (число атомов или молекул, пересекающих поверхность единичной площади в единицу времени) к границе раздела фаз пропорционален разности концентраций окислителя в объёме газовой фазы CG и вблизи поверхности окисла CS. F1 = hG(CG - CS) (1), где hG - коэффициент массопереноса в газовой фазе. Концентрация CG и CS связаны с парциальным давлением среды при заданной температуре законом для идеального газа: CG = PG / kT (2а) CS = PS / kT (2б), где PG - парциальное давление в объёме газовой фазы, PS - парциальное давление в газовой фазе вблизи поверхности, k - постоянная Больцмана T - абсолютная температура. По закону Генри равновесная концентрация окислителя в окисле на внешней поверхности пропорциональна парциальному давлению в газовой фазе вблизи поверхности: C0 = HpS (3а), где H постоянная Генри, а равновесная концентрация окислителя в объёме окисла пропорциональна парциальному давлению в объёме газовой фазы: C* = HpG (3б). Объединение соотношений (1) – (3) даёт: F1 = h(C* - C0) (4), где h = hG / HkT - коэффициент массопереноса в газовой фазе, выраженный в размерности концентрации в твёрдом теле (SiO2). Когда концентрация окислителя C0 в окисле на границе раздела окисел газовая фаза меньше объёмной равновесной концентрации в окисле, то поток F1 положительный. Отметим, что закон Генри справедлив только в отсутствие явления диссоциации молекулы окислителя на границе раздела окисла с газовой фазой. Это означает, что частицы, двигающиеся через окисел, представляют собой молекулы. Окисление представляет собой неравновесный процесс, движущей силой которого является отклонение концентрации от равновесия. Поток этих частиц окислителя через окисел для любой точки d слоя окисла описывается законом Фика: F2 = - D dC , dd (5) где D – коэффициент диффузии, а dC / dd – градиент концентрации частиц окислителя в окисле. Если рассматривать установившийся процесс, то поток F2 должен быть одинаковым в любой точке внутри окисла (т. е. dF2 / dd = 0), из чего следует: F2 = D(C0 - Ci) / d0, (6) Лекция 6 Окисление Технология изготовления п/п приборов 15 где CI – концентрация окислителя в окисле вблизи границы раздела фаз окисел - кремний, а d0 – толщина окисла. Предполагается, что поток F3, соответствующий реакции, происходящей на границе раздела фаз Si - SiO2, пропорционален Ci: F3 = kSCi , (7) где kS – константа скорости поверхностной химической реакции. Так как в установившемся режиме F1 = F2 = F3 = F, то, решая уравнения (4) – (7) относительно Ci и C0, получим: C* Ci = k k d 1 s s h D ks d (1 )C * D C0 = k k d 1 s s h D (8) (9). Предельные случаи при рассмотрении уравнений (8), (9) возникают тогда, когда коэффициент диффузии либо слишком мал, либо слишком велик: При D / kSd0 0 Ci 0, C0 C*. В этом случае говорят, что реакция идёт при диффузионном контроле т.е. лимитирующей стадией является диффузионная стадия протекания реакции. В этом случае скорость окисления зависит от доставки окислителя к границе раздела фаз, а не от скорости его взаимодействия с кремнием на этой границе. При D Ci = C0 = C* / (1+ ks ). h Можно сказать, что реакция идёт при кинетическом контроле, т. е. лимитирующей стадией является кинетическая стадия протекания самой реакции, поскольку излишнее количество окислителя доставляется к границе раздела фаз Si - SiO2 и скорость окисления контролируется константой скорости реакции kS и концентрацией Ci равной C0. Для того, чтобы рассчитать скорость роста окисла, определим N1 как число молекул окислителя, входящего в единичный объём окисного слоя. Так как окисел содержит 2,2*1022 молекул SiO2 в 1см3 и на создание одной молекулы SiO2 требуется одна молекула O2 или две молекулы H2O, то N1 = 2,2*1022 см-3 при окислении в сухом O2 и удвоенному значению в H2O. Тогда поток F3 = N1 запишем: dd (10). Подставив выражение (8) в (7) и используя (10) dt N1 dd = dt ksC * k k d 1 s s h D (11). Решим это дифференциальное уравнение, предположив, что окисел мог присутствовать на поверхности кремния до того как стали справедливы условия, положенные в основу настоящей модели, т. е. d0 = di при t = 0 (начальное и граничное условие). Лекция 6 dd 0 dt Окисление Технология изготовления п/п приборов 16 ksC * C* DC * 1 1 d0 1 1 1 1 1 N 1 k s ( ) N 1 D( ) d 0 N 1 D( ) d 0 ks h D D ks h ks h Введём обозначения: A = 2D(1 /kS + 1 / h) (12а), B = 2DC* / N1 (12б), тогда = dd DC * 2 DC * B . 0 . (12в) A N 1 ( A 2d 0 ) A 2d 0 dt N1 ( d 0 ) 2 Разделив переменные в уравнении (12в) и интегрируя от dI до d0 , получим: d02 + Ad0 = B(t + ), (13) 2 где = (dI + AdI) / B –соответствует сдвигу по временной оси, который необходим для того, чтобы учесть наличие первоначального окисла dI . уравнение (13) представляет собой линейно - параболическое соотношение. Решая (13) относительно d0 ,получим: d0 A t 12 (1 2 ) 1 2 A / 4B (14). Для предельных случаев, когда t >> A2 / 4B , получим: d02 = Bt (15). Уравнение (15) представляет собой параболический закон, где B – параболическая константа скорости окисления. Когда t + A2 / 4B , то разложение (14) в ряд даёт: d0 B (t ) A (16). Уравнение (16) представляет собой линейный закон, где B / A – линейная константа скорости окисления, определяемая из выражений (12а) и (12б). Уравнения (15) и (16) соответствуют случаям протекания процесса окисления с диффузионным и кинетическим контролем.
