Федеральне агентство з освіти
Державна освітня установа вищої професійної освіти
Новгородський державний університет імені Ярослава Мудрого
Інститут електронних інформаційних систем
Кафедра «Проектування і технології радіоапаратури»
ТЕРМІЧНЕ ОКИСНЕННЯ КРЕМЛЕНІЯ
Реферат з дисципліни:
«Фізико-хімічні основи технології електронних засобів»
Спеціальність 210201
Керівник
__________ Л.В. Бистрова
"___" __________ 2009
Студент групи 6023зу
__________ Д. А. Смирнов
"___" __________ 2009
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
Рис. 1
Вимоги до обладнання:
· Контрольована з точністю до 1 градуса температура подложкодержателя,
· Забезпечення плавного підвищення та зниження температури в реакторі (двостадійний нагрів),
· Відсутність сторонніх часток в реакторі (подложкодержатель спочатку вводиться в трубу реактора, а потім опускається на дно),
· Відсутність сторонніх домішок, зокрема, іонів натрію на внутрішній поверхні реактора (з метою їх видалення проводиться попередня продування труби реактора хлором),
· Забезпечення введення кремнієвих пластин в реактор відразу після їх хімічного очищення.
Хімічна реакція, що йде на поверхні кремнієвої пластини, відповідає одному з наступних рівнянь:
· Окислення в атмосфері сухого кисню (сухе окислення): Si твердий. + O 2 = SiO 2;
· Окислення в парах води (вологе окислення): Si твердий. +2 H 2 O = SiO 2 + 2H 2;
· Термічне окислення в присутності хлору (хлорне окислення);
· Термічне окислення при взаємодії молекул води, синтезованих з 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 у вдосконаленні технології окислення кремнію стало додавання в окисну середовище в процесі окислення хлорвмісних компонентів. Це призвело до поліпшення стабільності порогового напруги польових МДП транзисторів, збільшення напруги пробою діелектриків і підвищенню швидкості окислення кремнію. Головна роль хлору в плівках двоокису кремнію (зазвичай з концентрацією хлору 10 16 - 20 жовтня см -3) полягає в перетворенні випадково проникли в SiO2 домішкових іонів натрію або калію в електрично неактивні.
Для теоретичного обгрунтування було запропоновано безліч моделей, заснованих на об'ємної дифузії заряджених частинок або нейтральних пар, а також ефекти тунелювання електронів, кінетики адсорбції, освіти просторового заряду, зміну граничних концентрацій дифундують частинок в залежності від товщини плівки і багатьох інших.
На жаль, жоден із зазначених механізмів не здатний повністю пояснити великий клас наявних до теперішнього часу експериментальних даних. Що стосується отримання плівок двоокису кремнію, то кінетику її зростання 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 шари оксиду 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 реальною поверхневою 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 оксиду F2 і на його кордоні з кремнієм F3. Відповідно до закону Фіка, потік через обсяг оксиду 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 оксиду.
Величина потоку F3 на кордоні оксиду 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 висловити величини Ci і C0 через C *:
(3)
Для того щоб визначити швидкість росту оксиду, уявімо потік F3 як зміна кількості 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 в єдиний об'єм оксиду. Оскільки концентрація молекул SiO2 в оксиді дорівнює 2.2 * 10 22 см -3, то для отримання двоокису кремнію потрібно така ж концентрація молекул кисню або в два рази більша концентрація молекул води.
Співвідношення між величинами z 0 і t визначається інтегралом виду
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 окиснення характеризується в рівновазі лінійним законом, то у випадку 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:
· Лінійним Х (т) = К 1 * т; (1)
· Параболічним Х 2 (т) = К 2 * т, (2)
· Кубічним Х 3 (т) = К 3 * т, (3)
· Логарифмічним Х (т) = К 4 * lg (В * т + 1); (5)
· Назад логарифмічним K 5 / X (т) = А - lg (т) (6)
Існування кожного з цих законів визначається умовами проведення процесу окислення і властивостями вихідного матеріалу. Константи К 1 - До 5 залежать від температури, тиску реагенту і природи окислюваного матеріалу.
Залежність експериментально спостережуваних кінетичних закономірностей від температури процесу наведена в Таблиці 1.
Одним з приладів, в яких використовуються надтонкі шари двоокису кремнію товщиною 2 - 5 нм є енергонезалежні елементи пам'яті. Зазвичай для цих цілей застосовується багатошарова структура - метал - нітрид кремнію - двоокис кремнію - кремній (багато хто транзистор). SiO2 в даній системі дозволяє провести контрольовану інжекції заряду в нітрид кремнію при подачі високого потенціалу на затвор транзистора (цикл запису або стирання інформації) та перешкоджає розтіканню цього заряду у відсутності потенціалу на затворі (зберігання інформації).
У міру підвищення ступеня інтеграції ІС стає необхідним отримання плівок подзатворного діелектрика з добре контрольованими параметрами товщиною 20-50 нм. У ряді випадків необхідно мати якісні плівки SiO2 товщиною 5 - 100 нм під маскують шарами нітриду кремнію для запобігання появи дефектів у кремнієвій підкладці, обумовлених наявністю механічних напружень.
Зазвичай для отримання відтворюваних за властивостями плівок в реакторах атмосферного тиску підбирають відповідні температурно-часові умови (див. рис. 4). Однак необхідно враховувати, що для пасивування іонів натрію хлором, що вводиться в плівку в процесі окислення, потрібні досить високі температури окислення. Щільність оксиду і концентрація дефектів у кремнії також визначаються температурою. Часто застосовується двостадійний процес сухого окислення кремнію, що складається з окислення з додаванням HCl при середніх температурах (близько 1000 єС), з наступною термообробкою в атмосфері O 2, N 2 і HCl при температурі 1150 єС.
Для отримання високооднородних плівок SiO2 з відтворюваними властивостями використовують також реактори зниженого тиску (РПД реактори). Окислення, проведене в РПД, дозволяє синтезувати тонкі шари SiO2 з точністю до декількох ангстрем. Температура окислення T = 900 - 1000 єС, тиск P = 30 - 300 Па. Окисли гомогенні, аналогічні окислам, отриманими в реакторах атмосферного тиску, напруженість електричного пробою плівок E = 10 - 13 МВ / см. Товщина синтезованих в РПД плівок становить 2 - 14 нм.
Ще одним способом, використовуваним для виробництва тонких плівок SiO2, є їх отримання у вологій атмосфері, але при зниженій температурі (T = 750 єС) і атмосферному тиску (P = 1 МПа).
Товсті окисні плівки отримують, як правило, у вологій атмосфері при підвищеному тиску. За своїми властивостями вони більш пористі, мають менші значення напруженості пробою. Такі плівки використовуються в біполярної технології для створення окисной ізоляції і в МОП технології - для вирощування товстих ізолюючих шарів. Верхня межа по товщині для термічного окислення становить 1-2 мкм. Плівку такої товщини отримують при тиску 2 * 10 6 Па при окислюванні в парах води та температурі 900 єС протягом 1 - 2 годин.
Таблиця 2
2. Курносов А.І., Юдін В.В., Технологія виробництва напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем. - 5-е вид., Перераб. і доп. М.: Наука, - 1986.
3. Технологія НВІС: у 2-х книгах, пер з англ., Під ред. Зі С. - К.: Світ, 1986. - 404 с.: Іл.
4. Болтакс Б.І. Дифузія і точкові деффект в напівпровідниках. - Л.: Наука, 1972. - 384 с.: Іл.
5. Готра З.Ю Технологія мікроелектронних пристроїв: Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 1991. - 528 с.: Іл.
Державна освітня установа вищої професійної освіти
Новгородський державний університет імені Ярослава Мудрого
Інститут електронних інформаційних систем
Кафедра «Проектування і технології радіоапаратури»
ТЕРМІЧНЕ ОКИСНЕННЯ КРЕМЛЕНІЯ
Реферат з дисципліни:
«Фізико-хімічні основи технології електронних засобів»
Спеціальність 210201
Керівник
__________ Л.В. Бистрова
"___" __________ 2009
Студент групи 6023зу
__________ Д. А. Смирнов
"___" __________ 2009
Зміст
1. Обладнання для термічного окислення2. 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. Обладнання для термічного окислення
Шар двоокису кремнію формується звичайно на кремнієвій пластині за рахунок хімічної взаємодії в приповерхневій області напівпровідника атомів кремнію та кисню. Кисень міститься в окислювальному середовищі, з якою контактує поверхню кремнієвої підкладки, нагрітої в печі до температури T = 900 - 1200 єС. Окислювальним середовищем може бути сухою або вологий кисень. Схематично вигляд установки зображений на рис. 1 (у сучасних установках пластини в подложкодержателе розташовуються вертикально).Рис. 1
Вимоги до обладнання:
· Контрольована з точністю до 1 градуса температура подложкодержателя,
· Забезпечення плавного підвищення та зниження температури в реакторі (двостадійний нагрів),
· Відсутність сторонніх часток в реакторі (подложкодержатель спочатку вводиться в трубу реактора, а потім опускається на дно),
· Відсутність сторонніх домішок, зокрема, іонів натрію на внутрішній поверхні реактора (з метою їх видалення проводиться попередня продування труби реактора хлором),
· Забезпечення введення кремнієвих пластин в реактор відразу після їх хімічного очищення.
Хімічна реакція, що йде на поверхні кремнієвої пластини, відповідає одному з наступних рівнянь:
· Окислення в атмосфері сухого кисню (сухе окислення): Si твердий. + O 2 = SiO 2;
· Окислення в парах води (вологе окислення): Si твердий. +2 H 2 O = SiO 2 + 2H 2;
· Термічне окислення в присутності хлору (хлорне окислення);
· Термічне окислення при взаємодії молекул води, синтезованих з 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 у вдосконаленні технології окислення кремнію стало додавання в окисну середовище в процесі окислення хлорвмісних компонентів. Це призвело до поліпшення стабільності порогового напруги польових МДП транзисторів, збільшення напруги пробою діелектриків і підвищенню швидкості окислення кремнію. Головна роль хлору в плівках двоокису кремнію (зазвичай з концентрацією хлору 10 16 - 20 жовтня 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 початкової обсягу, займаного кремнієм, обумовлений їх різними плотностями.Для теоретичного обгрунтування було запропоновано безліч моделей, заснованих на об'ємної дифузії заряджених частинок або нейтральних пар, а також ефекти тунелювання електронів, кінетики адсорбції, освіти просторового заряду, зміну граничних концентрацій дифундують частинок в залежності від товщини плівки і багатьох інших.
На жаль, жоден із зазначених механізмів не здатний повністю пояснити великий клас наявних до теперішнього часу експериментальних даних. Що стосується отримання плівок двоокису кремнію, то кінетику її зростання 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 шари оксиду 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 реальною поверхневою 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 оксиду F2 і на його кордоні з кремнієм F3. Відповідно до закону Фіка, потік через обсяг оксиду 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 оксиду.
Величина потоку F3 на кордоні оксиду 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 висловити величини Ci і C0 через C *:
Для того щоб визначити швидкість росту оксиду, уявімо потік F3 як зміна кількості молекул в шарі dz 0 за час dt. Тоді рівняння потоку на кордоні SiO2 - Si буде мати наступний вигляд:
Швидкість росту оксиду визначається потоком F3 і кількістю молекул окислювача Ni, що входять в єдиний об'єм оксиду. Оскільки концентрація молекул SiO2 в оксиді дорівнює 2.2 * 10 22 см -3, то для отримання двоокису кремнію потрібно така ж концентрація молекул кисню або в два рази більша 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 оксиду 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 оксиду 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 окиснення характеризується в рівновазі лінійним законом, то у випадку 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:
· Лінійним Х (т) = К 1 * т; (1)
· Параболічним Х 2 (т) = К 2 * т, (2)
· Кубічним Х 3 (т) = К 3 * т, (3)
· Логарифмічним Х (т) = К 4 * lg (В * т + 1); (5)
· Назад логарифмічним K 5 / X (т) = А - lg (т) (6)
Існування кожного з цих законів визначається умовами проведення процесу окислення і властивостями вихідного матеріалу. Константи К 1 - До 5 залежать від температури, тиску реагенту і природи окислюваного матеріалу.
Залежність експериментально спостережуваних кінетичних закономірностей від температури процесу наведена в Таблиці 1.
4. Особливості росту тонких і товстих плівок двоокису кремнію
Відзначимо, що в мікроелектроніці найбільш часто використовуються окисли кремнію товщиною в декілька десятих доль мікрона а верхня межа по товщині для звичайного термічного окислення становить 1-2 мкм. У технології НВІС використовуються також як більш тонкі, так і більш товсті плівки SiO2.Одним з приладів, в яких використовуються надтонкі шари двоокису кремнію товщиною 2 - 5 нм є енергонезалежні елементи пам'яті. Зазвичай для цих цілей застосовується багатошарова структура - метал - нітрид кремнію - двоокис кремнію - кремній (багато хто транзистор). SiO2 в даній системі дозволяє провести контрольовану інжекції заряду в нітрид кремнію при подачі високого потенціалу на затвор транзистора (цикл запису або стирання інформації) та перешкоджає розтіканню цього заряду у відсутності потенціалу на затворі (зберігання інформації).
У міру підвищення ступеня інтеграції ІС стає необхідним отримання плівок подзатворного діелектрика з добре контрольованими параметрами товщиною 20-50 нм. У ряді випадків необхідно мати якісні плівки SiO2 товщиною 5 - 100 нм під маскують шарами нітриду кремнію для запобігання появи дефектів у кремнієвій підкладці, обумовлених наявністю механічних напружень.
Зазвичай для отримання відтворюваних за властивостями плівок в реакторах атмосферного тиску підбирають відповідні температурно-часові умови (див. рис. 4). Однак необхідно враховувати, що для пасивування іонів натрію хлором, що вводиться в плівку в процесі окислення, потрібні досить високі температури окислення. Щільність оксиду і концентрація дефектів у кремнії також визначаються температурою. Часто застосовується двостадійний процес сухого окислення кремнію, що складається з окислення з додаванням HCl при середніх температурах (близько 1000 єС), з наступною термообробкою в атмосфері O 2, N 2 і HCl при температурі 1150 єС.
Для отримання високооднородних плівок SiO2 з відтворюваними властивостями використовують також реактори зниженого тиску (РПД реактори). Окислення, проведене в РПД, дозволяє синтезувати тонкі шари SiO2 з точністю до декількох ангстрем. Температура окислення T = 900 - 1000 єС, тиск P = 30 - 300 Па. Окисли гомогенні, аналогічні окислам, отриманими в реакторах атмосферного тиску, напруженість електричного пробою плівок E = 10 - 13 МВ / см. Товщина синтезованих в РПД плівок становить 2 - 14 нм.
Ще одним способом, використовуваним для виробництва тонких плівок SiO2, є їх отримання у вологій атмосфері, але при зниженій температурі (T = 750 єС) і атмосферному тиску (P = 1 МПа).
Товсті окисні плівки отримують, як правило, у вологій атмосфері при підвищеному тиску. За своїми властивостями вони більш пористі, мають менші значення напруженості пробою. Такі плівки використовуються в біполярної технології для створення окисной ізоляції і в МОП технології - для вирощування товстих ізолюючих шарів. Верхня межа по товщині для термічного окислення становить 1-2 мкм. Плівку такої товщини отримують при тиску 2 * 10 6 Па при окислюванні в парах води та температурі 900 єС протягом 1 - 2 годин.
5. Властивості плівок SiO2
Основними контрольованими параметрами плівок є: коефіцієнт заломлення, хімічний склад плівки, пористість, щільність, швидкість травлення, напруженість поля пробою. Значення деяких типових характеристик термічних плівок SiO2 наведені в таблиці 2.Таблиця 2
| Параметр | Значення параметра |
| Щільність, г / см 3 | 2.2 |
| Показник заломлення | 1.46 |
| Діелектрична постійна | 3.82 |
| Ширина забороненої зони, еВ | 8.9 |
| Питомий опір постійному струму при T = 25 єС, Ом * см | 10 14 -10 16 |
| Швидкість травлення у буферному розчині HF, нм / хв | 100 |
| Лінія ІК поглинання, мкм | 9.3 |
| Коефіцієнт теплового розширення, С -1 | 5 * 10 -7 |
| Механічні напруги в оксиді, дин / см 2 | 3 * 10 9 |
Список літератури
1. Маслов А.А., Технологія та конструкції напівпровідникових приладів, М.: Енергія, 1970. - 296 с.: Іл.2. Курносов А.І., Юдін В.В., Технологія виробництва напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем. - 5-е вид., Перераб. і доп. М.: Наука, - 1986.
3. Технологія НВІС: у 2-х книгах, пер з англ., Під ред. Зі С. - К.: Світ, 1986. - 404 с.: Іл.
4. Болтакс Б.І. Дифузія і точкові деффект в напівпровідниках. - Л.: Наука, 1972. - 384 с.: Іл.
5. Готра З.Ю Технологія мікроелектронних пристроїв: Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 1991. - 528 с.: Іл.