Федеральне агентство з освіти
Державне освітня установа вищої професійної освіти
Новгородський державний університет імені Ярослава Мудрого
Інститут електронних інформаційних систем
Кафедра В«Проектування і технології радіоапаратуриВ»
ТЕРМІЧНЕ ОКИСНЕННЯ КРЕМЛЕНІЯ
Реферат по дисципліни:
В«Фізико-хімічні основи технології електронних засобів В»
Спеціальність 210201
Керівник
__________ Л.В. Бистрова
"___" __________ 2009
Студент групи 6023зу
__________ Д.А.Смірнов
"___" __________ 2009
Зміст
1. Устаткування для термічного окислення
2. Модель Діла-Гроува
3. Залежність товщини оксиду від часу окислення
4. Особливості росту тонких і товстих плівок двоокису кремнію
5. Властивості плівок SiO2
Список літератури
1. Устаткування для термічного окислення
Шар двоокису кремнію формується звичайно на кремнієвій пластині за рахунок хімічної взаємодії в приповерхневій області напівпровідника атомів кремнію і кисню. Кисень міститься в окислювальному середовищі, з якої контактує поверхню кремнієвої підкладки, нагрітої в печі до температури T = 900 - 1200 Вє С. Окисної середовищем може бути сухий чи вологий кисень. Схематично вид установки показаний на рис. 1 (в сучасних установках пластини в подложкодержателе розташовуються вертикально).
Рис. 1
Вимоги до устаткуванню:
В· контрольована з точністю до 1 градуса температура подложкодержателя,
В· забезпечення плавного підвищення і зниження температури в реакторі (двостадійний нагрів),
В· відсутність сторонніх часток в реакторі (подложкодержатель спочатку вводиться в трубу реактора, а потім опускається на дно),
В· відсутність сторонніх домішок, зокрема, іонів натрію на внутрішній поверхні реактора (з метою їх видалення проводиться попередня продувка труби реактора хлором),
В· забезпечення введення кремнієвих пластин в реактор відразу після їх хімічного очищення.
Хімічна реакція, що йде на поверхні кремнієвої пластини, відповідає одному з таких рівнянь:
В· окислення в атмосфері сухого кисню (сухе окислення): Si твердий. + O 2 = SiO 2
В· окислення в парах води (вологе окислення): Si твердий. +2 H 2 O = SiO 2 + 2H 2
В· термічне окислення в присутності хлору (хлорне окислення);
В· термічне окислення при взаємодії молекул води, синтезованих із атомарно чистих кисню і водню безпосередньо біля поверхні кремнію, з атомами кремнію (Пірогенний окислення).
Час окислення в стандартних технологічних процесах становить 4 - 5 годин.
Значним досягненням в удосконаленні технології окислення кремнію стало додавання в окисну середовище в процесі окислення хлорвмісних компонентів. Це призвело до поліпшення стабільності порогового напруги польових МДП транзисторів, збільшенню напруги пробою діелектриків і підвищенню швидкості окислення кремнію. Головна роль хлору в плівках двоокису кремнію (зазвичай з концентрацією хлору 10 16 - 10 20 см -3 ) полягає в перетворенні випадково проникли в SiO2 домішкових іонів натрію або калію в електрично неактивні.
2. Модель Діла-Гроува
Методом радіоактивного маркера показано, що зростання SiO2 відбувається за рахунок дифузії кисню до поверхні кремнію . Вихід SiO2 за кордону початкового об'єму, займаного кремнієм, зумовлений їх різними плотностями.
Для теоретичного обгрунтування було запропоновано безліч моделей, заснованих на об'ємній дифузії заряджених частинок або нейтральних пар, а також ефектах тунелювання електронів, кінетиці адсорбції, освіти просторового заряду, зміні граничних концентрацій дифундують частинок в залежності від товщини плівки і багатьох інших.
На жаль, жоден з зазначених механізмів не здатний повністю пояснити великий клас наявних до теперішнього часу експериментальних даних. Що стосується отримання плівок двоокису кремнію, то кінетику її росту в широкому діапазоні товщин SiO2 можна пояснити, виходячи з досить простої моделі Діла-Гроува.
Процес окислення відбувається на кордоні Si - SiO2, тому молекули окислювача дифундують через всі попередньо сформовані верстви окисла і лише потім вступають в реакцію з кремнієм на його кордоні. Відповідно до закону Генрі, рівноважна концентрація твердої фази прямо пропорційна парціальному тиску газу P:
C * = HP, де
C * - максимальна концентрація окислювача в газі для даного значення тиску P,
H - постійний коефіцієнт Генрі.
У нерівноважному випадку концентрація окислювача на поверхні твердого тіла менше, ніж C *.
Потік F1 визначається різницею між максимальною і реальної поверхневої концентрацій окислювача:
F1 = h (C * - C0), де
C 0 - поверхнева концентрація окислювача,
h - коефіцієнт переносу.
Значення концентрації окислювача C0 залежить від температури, швидкості газового потоку і розчинності окислювача в SiO 2 .
Для того щоб визначити швидкість росту оксиду, розглянемо потоки окислювача в обсязі окисла F2 і на його кордоні з кремнієм F3. Відповідно до закону Фіка, потік через обсяг окисла визначається градієнтом концентрації окислювача:
F2 = - D (dC/dz) = D (C0 - Ci)/z 0 , (1)
де C i - концентрація окислювача в молекулах на кубічний сантиметр при z = z 0 ,
D - коефіцієнт дифузії при даній температурі,
z 0 - товщина окисла.
Величина потоку F3 на кордоні окисла з напівпровідником залежить від постійної K швидкості поверхневої реакції і визначається як:
F 3 = kCi (2)
При стаціонарних умовах ці потоки рівні, так що F3 = F2 = F1 = F. Отже, прирівнявши співвідношення (1) і (2), можна виразити величини Ci і C0 через C *:
(3)
Для того щоб визначити швидкість росту оксиду, представимо потік F3 як зміна числа молекул в шарі dz 0 за час dt. Тоді рівняння потоку на кордоні SiO2 - Si буде мати наступний вигляд:
(4)
Швидкість росту оксиду визначається потоком F3 і кількістю молекул окислювача Ni, що входять до одиничний обсяг окисла. Оскільки концентрація молекул SiO2 в оксиді дорівнює 2.2 * 10 22 см -3 , то для отримання двоокису кремнію потрібна така ж концентрація молекул кисню або в два рази велика концентрація молекул води.
Співвідношення між величинами z 0 і t визначається інтегралом виду
3. Залежність товщини оксиду від часу окислення
Отже, для малих часів окислення товщина окисла визначається постійної швидкості поверхневої реакції K і прямо пропорційна часу окислення (8). Для великих часів окислення швидкість росту залежить від постійної дифузії D (9), а товщина окисла пропорційна кореню квадратному з часу процесу.
На швидкість окислення впливають також орієнтація підкладки, присутність парів води, наявність натрію, хлору і концентрація легуючої домішки в кремнії. На рис. 3 наведена залежність товщини плівки SiO2 від часу окислення у вологому кисні при парціальному тиску парів води 85 * 10 3 Па.
Для широкого класу напівпровідників і металів кінетика процесу активного окислення характеризується в рівновазі лінійним законом, то у разі пасивного окислення фізична картина процесу ускладнюється процесом перенесення реагенту до реакційної поверхні розділу крізь зростаючу плівку. При цьому кінетика окислення може бути аппроксимирована наступними законами:
В· лінійним Х (т) = К 1 * т; (1)
...
