РЕФЕРАТ
З ФІЗИКИ
ЗАХИСНІ ДІЕЛЕКТРИЧНІ ПЛІВКИ В Планарної технології
МОСКВА, 2008 р.
1. Вимоги, що пред'являються до захисних діелектричним плівкам
Захисні діелектричні плівки відіграють важливу роль у виготовленні напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем по планарної технології. Вони дають можливість проводити локальну дифузію донорної та акцепторної домішки, формувати ізольовані один від одного активні і пасивні елементи мікросхем, а також захищати з-з-переходи від зовнішніх впливів.
Тому до захисних діелектричним плівкам в планарної технології пред'являють наступні основні вимоги: повна захист поверхні вихідної підкладки від проникнення в неї дифундують елементів (бору, фосфору, сурми, миш'яку та ін); хімічна стійкість і стабільність у часі; однорідність і бездефектность; високі питомий опір і електрична міцність; висока механічна міцність.
Вибір речовини для отримання захисних діелектричних плівок лімітується повним виконанням цих вимог. Таким чином, вишукати універсальне речовина для створення захисної діелектричної плівки, що задовольняє вимогам планарної технології, дуже важко.
У якості вихідних матеріалів для виготовлення захисних діелектричних плівок можуть бути використані кварц, монооксид і діоксид кремнію, нітрид кремнію, оксид і нітрид алюмінію, нітрид бору та ін Проте в даний час широке промислове застосування знайшли лише два види матеріалів: діоксид та нітрид кремнію.
Рис. 1. Модель процесу термічного окислення кремнію
2. Кінетика термічного окислення кремнію
Найбільш поширеним в планарної технології виготовлення напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем є метод термічного окислення кремнію, при якому захисні діелектричні плівки SiO 2 одержують при нагріванні вихідних кремнієвих підкладок в окисної середовищі. Цей метод дозволяє отримувати високоякісні маскують плівки, рівномірні по товщині і структурі і володіють високими захисними і діелектричними властивостями.
Розглянемо кінетику процесу утворення захисної діелектричної плівки SiO 2 при термічному окисленні кремнію в атмосфері кисню. Для опису процесу термічного окислення введемо поняття В«потік окислювачаВ», під яким будемо розуміти кількість молекул окислювача, що перетинають одиницю поверхні підкладки в одиницю часу.
На рис. 1 показана модель процесу термічного окислення кремнію, представляє собою систему окислювач (газ)-шар окисла (тв)-підкладка кремнію. Через цю систему проходить В«потік окислювачаВ», що складається з чотирьох потоків, кожен з яких відповідає одній з областей системи навколишня окислювальна середу - підкладка кремнію.
Як видно з малюнка, потік F відповідає газофазовому масопереносу окислювача до поверхні підкладки кремнію. Так як на поверхні кремнію завжди є тонкий шар оксиду, то потік F i в цьому випадку відповідає переносу окислювача до поверхні оксиду. Цей перенесення може здійснюватися як за рахунок процесу дифузії, так і за рахунок примусового переміщення з потоком газу-носія або самого окислювача. Швидкість перенесення буде залежати від технологічного режиму процесу окислення.
У промислових умовах для процесу термічного окислення кремнію використовують примусовий потік окислювача F 1 , що проходить через робочу камеру з певною швидкістю:
де h - константа швидкості процесу газоподібного масопереносу окислювача; C 1 - рівноважна концентрація окислювача в обсязі газової фази; C 2 -концентрація окислювача в поверхні оксиду.
Окислювач, що дійшов до поверхні оксиду, адсорбується на цій поверхні і розчиняється в ній. При цьому між концентрацією окислювача в газовій фазі і концентрацією окислювача, розчинилося в твердій фазі, встановлюється співвідношення, яке визначається коефіцієнтом розподілу. Рушійною силою процесу розчинення окислювача в оксиді є градієнт концентрації окислювача в системі газ - поверхня оксиду. Тому потік окислювача
де д - константа швидкості процесу розчинення окислювача в шарі оксиду; C 3 - концентрація окислювача в шарі оксиду на кордоні з газовою фазою.
розчину в шарі оксиду окислювач буде дифундувати від поверхні розділу газова фаза - оксид до межі розділу оксид - підкладка кремнію. Потік окислювача F 3 в цьому випадку буде пропорційний різниці концентрацій на кордонах оксиду і назад пропорційний товщині шару оксиду. Таким чином, потік окислювача
5
де D - коефіцієнт дифузії окислювача в оксиді; C 4 -концентрація окислювача на кордоні оксид - підкладка кремнію; хо - товщина шару оксиду.
Продіффундіровавшій через шар оксиду окислювач підходить до кордону оксид - Кремній і вступає в реакцію з кремнієм. В результаті окислення кремнію утворюється новий шар оксиду.
Потік F i характеризує швидкість хімічної реакції окислення, яка відбувається на поверхні розділу оксид - кремній. Швидкість окислення кремнію пропорційна концентрації окислювача, отже,
F, = KC
де k - константа швидкості реакції окислення.
Так як в сталому режимі (при рівновазі) усі потоки рівні, тобто Fx-F 2 = Fz-F i = F, то, вирішуючи рівняння для потоків спільно, можна отримати вираз для сумарного потоку окислювача з урахуванням всіх вхідних в окремі потоки величин.
При ламінарному потоці газу-носія і окислювача розподіл концентрації окислювача біля кордону розділу газ - тверде тіло можна умовно замінити на лінійне:
C 1 = OC 2 , де 0 <а <М. За умови F 2 = F a знаходимо
З умови F 3 = F 4 знаходимо
Складаючи почленно ці вирази, отримаємо залежність С від Ci (Ci = aC 2 ):
Підставляючи значення C 4 в вираз для потоку F 4 , отримаємо вираз для сумарного потоку окислювача:
Якщо припустити, що на освіту одиничного обсягу оксиду V в результаті реакції окислення пішло N частинок окисника, то швидкість росту шару оксиду буде виражатися наступним рівнянням:
Введемо позначення:
тоді
Інтегруючи обидві частини рівняння методом поділу змінних, одержимо
Або
Вирішуючи це квадратне рівняння, отримаємо вираз для товщини оксиду в функції часу:
5
Або
Розглянемо два граничних випадки процесу термічного окислення кремнію. При великому часі окисного процесу, коли t ^>> Л 2 /(4 ВЈ), отримаємо
, або Xo = Bi.
Таким чином, в цьому граничному випадку має місце параболічний закон процесу термічного окислення. Коефіцієнт В розглядається як константа швидкості окислення.
В іншому граничному випадку при відносно малому часу окислення, тобто за умови t <^ A 2 /(4B), отримаємо
Рис. 2. Залежність товщини плівки S1O2 від часу проведення процесу окислення кремнію
На рис. 2 показані загальна залежність товщини оксиду від часу проведення процесу термічного окислення і два її граничних випадки.
3. Термічне окислення кремнію в парах води
Для отримання захисних діелектричних плівок на кремнії використовують термічне окислення в парах води високої чистоти (порядку 10-20 МОм-см). Високотемпературну реакцію кремнію з водяною парою використовують у тому випадку, коли кількість пари не обмежує швидкість реакції. Для підтримки необхідного парціального тиску водяної пари у поверхні кремнієвих пластин воду підігрівають.
Структурний формування плівки оксиду відбувається за рахунок дифузійного перенесення води через шар оксиду до поверхні кремнію. На структурний фо...
