Защитные диэлектрические пленки в планарной технологии (стр. 2 из 6)
При температурах процесса окисления образование слоя оксида идет согласно параболическому закону и описывается выражением X2=Bt.
Чем ниже температура процесса окисления, тем ближе к линейному закон образования слоя оксида. Линейный характер роста оксидной пленки наблюдается в парах воды высокого давления (2,5· 105—4,0*107 Па) при температуре 500—800°С.
Рис. 3. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере водяного пара, от времени для температур, °С
Рост пленки оксида по линейному закону имеет место в том случае, когда скорость окисления ограничена скоростью химической реакции на границе кремний — Оксид. На участке линейного роста скорость реакции зависит от количества свободных связей атомов кремния, которые могут реагировать с молекулами воды на границе раздела кремний— оксид.
На рис. 3 приведена зависимость изменения толщины пленки оксида в атмосфере водяного пара от времени проведения процесса для различных температур.
Большое влияние на скорость роста оксидной пленки оказывают ориентация подложки, тип электропроводности и концентрация примеси исходной подложки.
Высокая концентрация примеси в подложке влияет либо на скорость реакции окисления на границе раздела кремний — оксид, либо на коэффициенты диффузии окислителей. Так, наличие в исходной подложке фосфора в первую очередь оказывает влияние на скорость реакции окисления. Поверхность кристалла с высокой концентрацией фосфора окисляется значительно быстрее, чем слаболегированная поверхность. Это справедливо для низкотемпературного диапазона (600—10000C).
При термическом окислении растущий оксид оттесняет фосфор в глубь кристалла кремния и, таким образом, в оксидном слое концентрация фосфора весьма мала. Для бора картина обратная: растущий оксид включает в себя большое количество бора, что приводит к ускорению диффузии окисляющих веществ. Поэтому кремний с высокой концентрацией бора окисляется быстрее как в высокотемпературной, так и в низкотемпературной области.
Скорость окисления в парах воды зависит от ориентации исходной пластины кремния только в низкотемпературной области, где рост оксидной пленки не подчиняется параболическому закону.
4. Термическое окисление кремния в сухом кислороде
Отличием метода окисления в сухом кислороде от окисления в парах воды является то, что в первом случае веществом, диффундирующим сквозь растущую пленку оксида, является не вода, а ионы кислорода. Необходимо отметить, что коэффициент диффузии кислорода в пленке оксида (2,8· 10-14 см2/с при 1050°С) значительно меньше, чем у водорода и воды при тех же условиях. Поэтому скорость роста оксидной пленки в сухом кислороде меньше, чем в парах воды.
Так как в процессе образования оксидных пленок отсутствуют водород и - пары воды, то в структуре выращенного оксида нет гидроксильных групп (ОН). Высокая энергия активации процесса окисления кремния в сухом кислороде и отсутствие гидроксильных групп приводят к образованию прочных связей кислорода с кремнием в структуре получаемого оксидного слоя кремния.
Как и при окислении в парах воды, кинетика окисления в области низких температур определяется в большей мере скоростью реакции на границе раздела кремний — оксид, чем диффузией кислорода. Отклонение закона роста пленки оксида в сторону линейности обычно имеет место при температурах ниже 10000C
На рис. 4 приведены графики зависимости изменения толщины оксида в атмосфере сухого кислорода от времени проведения процесса окисления для различных температур.
Процесс окисления кремния в сухом кислороде проводят на установке, показанной на рис. 5. В качестве осушителя используют вымораживающую ловушку, химический поглотитель или комбинированное устройство, позволяющее снизить содержание влаги в кислороде до точки росы. Фильтр служит для удаления частиц пыли и механических загрязнений.
Рис. 4. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере сухого кислорода, от времени для температур, °С:
5. Термическое окисление кремния во влажном кислороде
Процесс окисления кремния во влажном кислороде представляет собой комбинацию двух ранее рассмотренных процессов окисления: в парах воды и в сухом кислороде. Сухой и очищенный от примесей кислород пропускают через водяную баню, где он насыщается горячими водяными парами, и затем подают его в рабочую камеру. Содержание влаги в потоке кислорода определяется температурой водяной бани и скоростью потока кислорода.
Так как скорость образования оксидного слоя в парах воды значительно выше, чем в сухом кислороде, то скорость процесса окисления кремния зависит от содержания влаги в потоке кислорода. Процесс окисления кремния во влажном кислороде проводят на установке, показанной на рис. 5.
Основным достоинством данного метода является то, что он позволяет легко изменять концентрацию паров воды в потоке кислорода и варьировать скорость окисления от значения, соответствующего 100%-ному содержанию кислорода, до значения, соответствующего 100%-ному содержанию паров воды.
В данном методе в качестве окислителя служит смесь кислорода и паров воды, причем соотношение этих компонентов можно изменять в широких пределах.
Если необходимо иметь низкие скорости процесса окисления, то вместо кислорода можно использовать поток аргона или азота «(температура водяной бани должна быть комнатной).
Энергия активации реакции окисления во влажном кислороде уменьшается с увеличением концентрации паров воды. Энергия активации лежит в диапазоне от 1,3 эВ, что соответствует процессу окисления в сухом кислороде, до 0,8 эВ, что соответствует процессу окисления в атмосфере водяного пара.
На рис. 6 приведены графики зависимости толщины оксидной пленки, выращенной в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200° С, от времени проведения процесса окисления для различных температур водяного пара.
В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем широкое применение нашли двух- и трехступенчатый способы термического окисления кремния. Эти способы основаны на последовательном использовании в качестве окислителей сухого кислорода, влажного кислорода или водяного пара и снова сухого кислорода. Такой технологический процесс образования защитной диэлектрической пленки оксида кремния вызван тем, что оксид, выращенный в атмосфере сухого кислорода, имеет более совершенную структуру пленки, но малую скорость ее роста, а выращенный в атмосфере влажного кислорода и паров воды имеет менее совершенную структуру, но более высокую скорость роста.
Поэтому первая стадия в сухом кислороде многоступенчатого способа окисления направлена на получение тонкой пленки оксида кремния с совершенной структурой, вторая стадия (во влажном кислороде) применяется для убыстрения процесса окисления и наращивания достаточной по толщине пленки оксида, а третья стадия (в сухом кислороде) — вновь для получения совершенной структуры оксида на поверхности кремния.
Предельная толщина термически выращенной пленки не превышает 1 —1,5 мкм. Для практических целей планарной технологии толщина оксидных защитных пленок должна составлять 0,2— 0,8 мкм. Это продиктовано тем, что при использовании пленок толщиной более 0,8 мкм клин травления при проведении процесса фотолитографии возрастает и ограничивает возможность получения микроизображения требуемого размера. При использовании пленок толщиной менее 0,2 мкм увеличивается вероятность появления в ней сквозных отверстий и пор, которые при диффузии приводят к локальному проникновению диффузанта в подложку.
6. Пиролитическое осаждение оксидных пленок кремния
Наиболее простым и технологичным способом образования оксидов кремния без участия материалов подложки является пиролитическое разложение различных кремнийорганических соединений. Следовательно, этот способ дает возможность осаждать оксидные пленки кремния на подложку практически из любого материала. Другим важным преимуществом данного способа является то, что он позволяет свести к минимуму перераспределение примесей, которое имело место в исходной подложке, т. е. сохранить геометрические размеры и электрические параметры активных и пассивных областей подложки. Третьим достоинством способа является более низкая температура процесса.
Рис. 6. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200°С, от времени для различных температур водяного пара, °С
Рассмотрим два варианта данного способа, которые нашли широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов я интегральных микросхем.
Термическое разложение тетраэтоксилана Si(OCHs) 4. Этот процесс может проводиться непосредственно над поверхностью подложки либо в отдельной камере, из которой продукты реакции транспортируются к подложке. Реакция разложения тетраэтоксиланапроисходит при температуре 700—750°С. В результате реакции выделяются диоксид кремния, оксид кремния, оксид углерода и органические радикалы в газообразной форме. Источником кислорода в этой реакции служит сам тетраэтоксилан, а не внешний источник. На рис. 7 приведены графики зависимости толщины пленки от времени проведения процесса.
Если реакция разложения тетраэтоксилана проводится в одной камере с подложкой, то температура подложки соответствует температуре пиролиза. Если реакция разложения проходит в одной камере, а подложки находятся в другой камере, то температура подложек может быть значительно снижена по сравнению с температурой пиролиза.