Окисление кремния

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУЛИКИ КАЗАХСТАН

 

ИННОВАЦИОННЫЙ ЕВРАЗИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

ДЕПАРТАМЕНТ ________________________________________

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

по дисциплине: __________________________________________________

на тему: _________________________________________________________

 

 

 

Оценка: _________	Выполнил (-а): студент (-ка) гр. __________ _________________________
	Проверил: преподаватель ____________ __________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Павлодар

2014

Окисление кремния

 

Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС. Слои SiO2используются как:

·                     маска для диффузии легирующих примесей;

·                     для пассивации поверхности полупроводников;

·                     для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга;

·                     в качестве подзатворного диэлектрика;

·                     в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти;

·                     в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией;

·                     как составная часть шаблона для рентгеновской литографии.

Пленки SiO2 в микроэлектронной промышленности получают путем окисления кремния различными способами:

• термическое окисление (сухое, влажное, хлорное, пирогенное);

• анодное окисление;

• пиролитическое окисление;

• плазмохимическое окисление.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:

1) окисление в атмосфере  сухого кислорода (сухое окисление): Siтв.+ O2 = SiO2;

2) окисление в парах  воды (влажное окисление): Siтв.+2H2O = SiO2 + 2H2;

3) термическое окисление  в присутствии хлора (хлорное  окисление);

4) термическое окисление  при взаимодействии молекул воды, синтезированных из атомарно  чистых кислорода и водорода  непосредственно у поверхности  кремния, с атомами кремния (пирогенное  окисление).

Значительным достижением в совершенствовании технологии окисления кремния явилось добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов. Это привело к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния (обычно с концентрацией хлора 1016- 1020 см-3) заключается в превращении случайно проникших в SiO2примесных ионов натрия или калия в электрически неактивные.

Следует отметить, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. В микроэлектронике используются окислы кремния толщиной от нескольких нанометров до 1-2 мкм.

Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления подбирают соответствующие температурно-временные условия. Однако необходимо учитывать, что для пассивирования ионов натрия хлором, вводимым в пленку в процессе окисления, требуются достаточно высокие температуры окисления. Плотность окисла и концентрация дефектов в кремнии также определяются температурой. Часто применяется двухстадийный процесс сухого окисления кремния, состоящий из окисления с добавлением HCl при средних температурах (около 1000оС), с последующей термообработкой в атмосфере O2, N2 и HCl при температуре 1150оС.

Для получения высокооднородных пленок SiO2 с воспроизводимыми свойствами используют также реакторы пониженного давления. Окисление в них позволяет синтезировать тонкие слои SiO2 с точностью до нескольких ангстрем. Температура окисления T = 900 - 1000оС, давление P = 30 - 300 Па ще одним способом, используемым для производства тонких пленок SiO2, является их получение во влажной атмосфере, но при пониженной температуре (T = 750оС) и атмосферном давлении (P = 1 МПа).Толстые окисные пленки получают, как правило, во влажной атмосфере при повышенном давлении. По своим свойствам они более пористые, имеют меньшие значения напряженности пробоя. Такие пленки используются в биполярной технологии для создания окисной изоляции и в МОП технологии - для выращивания толстых изолирующих слоев. Верхний предел по толщине для термического окисления составляет 1-2 мкм. Пленку такой толщины получают при давлении 2*106 Па при окислении в парах воды и температуре 900оС в течение 1 - 2 часов.

Основными контролируемыми параметрами пленок являются: коэффициент преломления, химический состав пленки, пористость, плотность, скорость травления, напряженность поля пробоя.

 

На рис. 9 показаны возможные случаи осаждения пленок на ступеньки. Вводится термин конформное осаждение – т.е. осаждение равнотолщинной      пленки на горизонтальные и вертикальные стенки структуры.

 

 

Рис. 9.1. Конформное воспроизведение. Толщина пленки на стенках ступеньки не отличается от толщины на дне и поверхности. Обусловлено быстрой поверхностной миграцией.

 

 

Рис. 9.2. Неконформное воспроизведение при отсутствии поверхностных миграций и больших значениях величины среднего пробега молекулы в газе.

 

 

Рис. 9.3. Неконформное воспроизведение при отсутствии поверхностных миграций и малых значениях величины среднего пробега молекулы в газе (по сравнению с размерами ступеньки).

Плазмохимическое окисление кремния

 

Основным процессом пассивации поверхности кремниевых пластин служит термическое окисление. Однако по мере перехода к изготовлению сверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем возникает необходимость в снижении температуры окислительных обработок с 1400 до 900-1100 К, при которых отсутствует неконтролируемая термодиффузия примесей и другие побочные эффекты, стимулируемые высокой температурой. Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении подложек-образцов в кислородную плазму.

Рис. 10. Принципиальная схема установки процесса плазменного анодирования.

На рис. 10 изображена принципиальная схема установки для осуществления процесса плазменного анодирования. Кислородная плазма возбуждается в объеме генератора плазмы (1). Существует несколько видов плазмы, отличающиеся способом возбуждения:

- Тлеющий разряд на  постоянном токе. При этом в  объеме создается пониженное  давление кислорода (обычно 0.1-1 Торр) и между электродами 2 и 3 прикладывается постоянное напряжение разряда Ud величиной в несколько сотен вольт.

- Дуговой разряд низкого  давления. Катод 3 нагревается за  счет пропускания через него  тока накаливания. Вследствие термоэмиссии электронов с поверхности катода облегчается ионизация газоразрядного промежутка, что приводит к снижению напряжения Ud до величины менее 100 В.

- ВЧ разряд (радиочастотный  разряд). Плазма возбуждается за  счет поглощения ВЧ мощности  генератора, связанного - СВЧ разряд (микроволновый разряд).

Анодируемый образец 4 находится под положительным относительно плазмы потенциалом, который подается на образец через специальный контакт. Наличие анодного потенциала на образце вызывает протекание через него анодного тока, который состоит из ионной составляющей, вызывающей рост оксида, и электронной составляющей. Чем больше доля ионного тока, тем эффективнее протекает рост плазменных оксидов.

Свойства плазменных окислов кремния.

Плазменные оксиды кремния независимо от способа получения представляют собой стехиометрический диоксид кремния SiO2. Их структура является аморфной, а свойства приближаются к параметрам пленок SiO2, полученных методом термического окисления кремния. Плазменные оксиды, будучи сформированными при существенно более низких температурах, не обладают дефектами упаковки, не создают механических напряжений на границах раздела оксид - подложка и в ряде случаев имеют более совершенную структуру границы.

Термические пленки SiO2, сформированные при больших скоростях окисления, содержат кластеры кремния размером 2-3 нм. В то же время плазменные оксиды, сформированные даже при более высоких скоростях, не имеют подобных дефектов на границе раздела Si - SiO2 и в них не наблюдается эффект перераспределения примеси при окислении