Защитные диэлектрические пленки в планарной технологии (стр. 1 из 6)

РЕФЕРАТ

ПО ФИЗИКЕ

ЗАЩИТНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ В ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

МОСКВА, 2008 г.

1. Требования, предъявляемые к защитным диэлектрическим пленкам

Защитные диэлектрические пленки играют важную роль в изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по планарной технологии. Они дают возможность проводить локальную диффузию донорной и акцепторной примеси, формировать изолированные друг от друга активные и пассивные элементы микросхем, а также защищать с-з-переходы от внешних воздействий.

Поэтому к защитным диэлектрическим пленкам в планарной технологии предъявляют следующие основные требования: полная защита поверхности исходной подложки от проникновения в нее диффундирующих элементов (бора, фосфора, сурьмы, мышьяка и др.); химическая стойкость и стабильность во времени; однородность и бездефектность; высокие удельное сопротивление и электрическая прочность; высокая механическая прочность.

Выбор вещества для получения защитных диэлектрических пленок лимитируется полным выполнением этих требований. Таким образом, изыскать универсальное вещество для создания защитной диэлектрической пленки, удовлетворяющей требованиям планарной технологии, очень трудно.

В качестве исходных материалов для изготовления защитных диэлектрических пленок могут быть использованы кварц, монооксид и диоксид кремния, нитрид кремния, оксид и нитрид алюминия, нитрид бора и др. Однако в настоящее время широкое промышленное применение нашли только два вида материалов: диоксид и нитрид кремния.

Рис. 1. Модель процесса термического окисления кремния

2. Кинетика термического окисления кремния

Наиболее распространенным в планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является метод термического окисления кремния, при котором защитные диэлектрические пленки SiO₂ получают при нагревании исходных кремниевых подложек в окислительной среде. Этот метод позволяет получать высококачественные маскирующие пленки, равномерные по толщине и структуре и обладающие высокими защитными и диэлектрическими свойствами.

Рассмотрим кинетику процесса образования защитной диэлектрической пленки SiO₂ при термическом окислении кремния в атмосфере кислорода. Для описания процесса термического окисления введем понятие «поток окислителя», под которым будем понимать количество молекул окислителя, пересекающих единицу поверхности подложки в единицу времени.

На рис. 1 показана модель процесса термического окисления кремния, представляющая собой систему окислитель (газ)—слой окисла (тв)—подложка кремния. Через эту систему проходит «поток окислителя», состоящий из четырех потоков, каждый из которых соответствует одной из областей системы окружающая окислительная среда — подложка кремния.

Как видно из рисунка, поток Fсоответствует газофазовому массопереносу окислителя к поверхности подложки кремния. Так как на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой оксида, то поток F_iв этом случае соответствует переносу окислителя к поверхности оксида. Этот перенос может осуществляться как за счет процесса диффузии, так и за счет принудительного перемещения с потоком газа-носителя или самого окислителя. Скорость переноса будет зависеть от технологического режима процесса окисления.

В промышленных условиях для процесса термического окисления кремния используют принудительный поток окислителя F₁, проходящий через рабочую камеру с определенной скоростью:

где h— константа скорости процесса газообразного массопереноса окислителя; C₁— равновесная концентрация окислителя в объеме газовой фазы; C₂—концентрация окислителя у поверхности оксида.

Окислитель, дошедший до поверхности оксида, адсорбируется на этой поверхности и растворяется в ней. При этом между концентрацией окислителя в газовой фазе и концентрацией окислителя, растворившегося в твердой фазе, устанавливается соотношение, определяемое коэффициентом распределения. Движущей силой процесса растворения окислителя в оксиде является градиент концентрации окислителя в системе газ — поверхность оксида. Поэтому поток окислителя

где д — константа скорости процесса растворения окислителя в слое оксида; C₃— концентрация окислителя в слое оксида на границе с газовой фазой.

Растворившийся в слое оксида окислитель будет диффундировать от поверхности раздела газовая фаза — оксид к границе раздела оксид — подложка кремния. Поток окислителя F₃в этом случае будет пропорционален разности концентраций на границах оксида и обратно пропорционален толщине слоя оксида. Таким образом, поток окислителя

5

где D— коэффициент диффузии окислителя в оксиде; C₄—концентрация окислителя на границе оксид — подложка кремния; хо — толщина слоя оксида.

Продиффундировавший через слой оксида окислитель подходит к границе оксид — кремний и вступает в реакцию с кремнием. В результате окисления кремния образуется новый слой оксида.

Поток F_iхарактеризует скорость химической реакции окисления, которая происходит на поверхности раздела оксид — кремний. Скорость окисления кремния пропорциональна концентрации окислителя, следовательно,

F, = kC

где k— константа скорости реакции окисления.

Так как в установившемся режиме (при равновесии) все потоки равны, т. е. Fx-F₂=Fz-F_i=F, то, решая уравнения для потоков совместно, можно получить выражение для суммарного потока окислителя с учетом всех входящих в отдельные потоки величин.

При ламинарном потоке газа-носителя и окислителя распределение концентрации окислителя у границы раздела газ — твердое тело можно условно заменить на линейное:

C₁ = OC₂, где 0<а<М. При условии F₂=F_aнаходим

Из условия F₃=F₄находим

Складывая почленно эти выражения, получим зависимость С от Ci (Ci = aC₂):

Подставляя значение C₄ в выражение для потока F₄, получим выражение для суммарного потока окислителя:

Если предположить, что на образование единичного объема оксида Vв результате реакции окисления пошло Nчастиц окислителя, то скорость роста слоя оксида будет выражаться следующим уравнением:

Введем обозначения:

тогда

Интегрируя обе части уравнения методом разделения переменных, получим

Или

Решая это квадратное уравнение, получим выражение для толщины оксида в функции времени:

5

Или

Рассмотрим два предельных случая процесса термического окисления кремния. При большом времени окислительного процесса, когда t^> >Л²/(4£), получим

, или Xo=Bi.

Таким образом, в этом предельном случае имеет место параболический закон процесса термического окисления. Коэффициент В рассматривается как константа скорости окисления.

В другом предельном случае при относительно малом времени окисления, т. е. при условии t<^A²/(4B), получим

Рис. 2. Зависимость толщины пленки S1O2 от времени проведения процесса окисления кремния

На рис. 2 показаны общая зависимость толщины оксида от времени проведения процесса термического окисления и два ее предельных случая.

3. Термическое окисление кремния в парах воды

Для получения защитных диэлектрических пленок на кремнии используют термическое окисление в парах воды высокой чистоты (порядка 10—20 МОм-см). Высокотемпературную реакцию кремния с водяным паром используют в том случае, когда количество пара не ограничивает скорость реакции. Для поддержания необходимого парциального давления водяных паров у поверхности кремниевых пластин воду подогревают.

Структурное формирование пленки оксида происходит за счет диффузионного переноса воды через слой оксида к поверхности кремния. На структурное формирование пленки оксида оказывает влияние водород, образующийся в процессе реакции окисления и диффундирующий вглубь пластины. Так как коэффициент диффузии водорода (2·10^-6 см²/с при 1050°С) значительно больше, чем коэффициент диффузии воды (9· 10^-10 см²/с при 1050°С), то образование гидроксильных групп у границы раздела кремний — оксид объясняется наличием не только молекул воды, но и водорода.