Меню Рубрики

Установки для термического окисление кремния

Установки для термического окисление кремния

Окисление в производстве кремневых микроконтроллеров

Использование SiO2 в производстве СБИС

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

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.

Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO2 является «родным» материалом для кремния, легко из него получается и удаляется, не растворяется в воде, легко контролируется.

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

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

Под окислением полупроводников понимают процесс их взаимодействия с окисляющими агентами: кислородом, водой, озоном и т.д. При определенных условиях скорость процесса окисления по мере роста концентрации окислителя уменьшается. Это явление часто называют пассивностью и связывают с образованием тонкой диэлектрической пленки, препятствующей переносу окислителя к реакционной поверхности раздела.

В 1958 г . Вагнер ввел понятие об активном и пассивном окислении , имея в виду в первом случае процессы, не связанные с образованием оксидных пленок на поверхности исходного материала. Пассивное окисление отсутствует, когда выделяющиеся продукты реакции удаляются со скоростями, большими скорости их образования.

В настоящее время процессы активного и пассивного окисления полупроводников широко используются в технологии производства современных полупроводниковых приборов при проведении операций химического или газового травления, эпитаксии, термического окисления и диффузии. При этом основное внимание технологов и разработчиков сосредоточено на процессах пассивного окисления, что объясняется первостепенной ролью пленок термически выращенной двуокиси кремния в планарной технологии.

Механизм роста и кинетика окисления

Для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции K и прямо пропорциональна времени окисления. Для больших времен окисления скорость роста зависит от постоянной диффузии D , а толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени процесса.

На скорость окисления влияют также ориентация подложки, присутствие паров воды, наличие натрия, хлора и концентрация легирующей примеси в кремнии. На рис. приведена зависимость толщины пленки SiO2 от времени окисления во влажном кислороде при парциальном давлении паров воды 85·10 3 Па.

Для широкого класса полупроводников и металлов кинетика процесса активного окисления характеризуется в равновесии линейным законом, то в случае пассивного окисления физическая картина процесса усложняется процессом переноса реагента к реакционной поверхности раздела сквозь растущую пленку. При этом кинетика окисления может быть аппроксимирована следующими законами:

обратно логарифмическим K5/X(т) = А — lg(т) (6)

Существование каждого из этих законов определяется условиями проведения процесса окисления и свойствами исходного материала. Константы К 1 — К5 зависят от температуры, давления реагента и природы окисляемого материала.

Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностей от температуры процесса приведена в следующей таблице:

Модель окисления кремния Дила-Гроува

Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями.

Для теоретического обоснования было предложено множество моделей, основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар, а также эффектах туннелирования электронов, кинетике адсорбции, образования пространственного заряда, изменении граничных концентраций диффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.

К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностью объяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных. Что касается получения пленок двуокиси кремния, то кинетику ее роста в широком диапазоне толщин SiO2 можно объяснить, исходя из достаточно простой модели Дила-Гроува (см. рис).

Процесс окисления происходит на границе Si — SiO2, поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы прямо пропорциональна парциальному давлению газа P :

C* — максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения давления P,
H — постоянный коэффициент Генри.

В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем C*.

Поток F 1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностной концентраций окислителя:

C — поверхностная концентрация окислителя,
h — коэффициент переноса.

Значение концентрации окислителя C 0 зависит от температуры, скорости газового потока и растворимости окислителя в SiO2.

Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки окислителя в объеме окисла F 2 и на его границе с кремнием F 3 . Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентом концентрации окислителя:

F2 = — D( dC/dz) = D(C0 — Ci)/z , (1)

где Ci — концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр при z = z,
D — коэффициент диффузии при данной температуре,
z — толщина окисла.

Читайте также:  Установка и настройка apache22

Величина потока F 3 на границе окисла с полупроводником зависит от постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:

При стационарных условиях эти потоки равны, так что F 3 = F 2 = F 1 = F. Следовательно, приравняв соотношения (1) и (2), можно выразить величины C i и C 0 через C*:

(3)

Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим поток F 3 как изменение числа молекул в слое dz за время dt . Тогда уравнение потока на границе SiO2 — Si будет иметь следующий вид:

(4)

Скорость роста окисла определяется потоком F 3 и количеством молекул окислителя N i , входящих в единичный объем окисла. Поскольку концентрация молекул SiO2 в окисле равна 2.2·10 22 см -3 , то для получения двуокиси кремния требуется такая же концентрация молекул кислорода или в два раза большая концентрация молекул воды.

Соотношение между величинами z и t определяется интегралом вида

(5)

В результате интегрирования получаем

(6)

где (т.к. обычно h >> D), ,

, zi=20 нм для сухого O2, zi=0 нм для влажного O2,

zi — начальное значение толщины окисла при t=0.

Решая уравнение (6) для значения толщины окисла z, получаем

(7)

Уравнение (7) упрощается и приводится к виду

Сопоставление теоретических и экспериментальных данных

1. Окисление во влажном кислороде.
Обнаружено, что di = 0 в момент времени t = 0
при графическом изображении зависимости толщины окисла от t.
Используя уравнение F2 = — D(dC/dz) = D(C0 — Ci)/z и графические данные процесса роста окисла были определены константы скорости окисления:
A увеличивается с уменьшением T
B уменьшается с уменьшением T

2. Окисление в сухом кислороде.
Графически di — 25 нм при t = 0 и T =700- 1200 °C . Определяется из экстраполяции кривой окисления до оси времени.
Из анализа уравнения B пропорционально pG — парциальному давлению окислителя.
A не зависит от парциального давления .
т о есть B/A обладает той же линейной зависимостью, как и B.
Зависимость B от T аналогична зависимости D, экспоненциально растет с ростом T. Энергии активации для константы B сравнимы с энергией активации диффузии кислорода. Так как B пропорциональна равновесной концентрации окислителя, а для

то есть скорость роста во влажной среде выше, чем в сухой.

Простая модель Дила и Гроува отлично описывает экспериментальные данные, за исключением пленок двуокиси кремния толщиной менее 30 нм. Здесь наблюдаются аномально высокие скорости роста.

Совпадение теоретической модели с экспериментом подтверждает правильность использования закона Генри, то есть диффундирующие через окисел частицы представляют собой молекулы — на границе раздела фаз газ-окисел отсутствует диссоциация (совпадают зависимости скорости окисления по отношению к давлению и температуре).

Однако есть данные о присутствии заряженных частиц в газе. В частности есть зависимость скорости реакции окисления в зависимости от потенциала, приложенного к кремнию. Существует такая усовершенствованная модель Дила-Гроува, где объясняются процессы окисления тонких пленок. Физической основой является то, что несмотря на диффундирование в молекулярном виде реагентов, процесс окисления происходит за счет реакции с атомарным кислородом, присутствующем в небольшом количестве.

В настоящее время вопрос о природе частиц, диффундирующих к границе раздела фаз Si — является открытым.

Рост тонких окислов

1. Интегральные схемы большой плотности — переход к пленкам 30 нм.
2. Промежуточные пленки от 5 до 100 нм — для предотвращения возникновения дефектов в кремниевой подложке структур с нитридом кремния.

1. Медленный рост — необходимость воспроизведения параметров и однородность свойств. Уменьшение T и давления, но может быть уменьшение T и увеличение давления.
2. Степень чистоты используемых газов и очистка поверхности.

Сверхтонкие пленки ( ие ио нов натрия при добавлении соляной кислоты в окислительную атмосферу происходит только в высокотемпературном диапазоне.

Разработан двухстадийный процесс окисления, в котором формирование пленок происходит при средних температурах ( 1000 °C ) с использованием сухого кислорода и добавлением соляной кислоты в окислительную среду.

Второй этап заключается в термообработке в атмосфере при температуре 1150 °C для проведения пассивирования и доведения толщины окисла до необходимого уровня.

Перспективный метод окисления при пониженном давлении при T=900- 1000 °C .

Оборудование для термического окисления

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 — 1200 °С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично вид установки показан на рис. 1(в современных установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально).

Требования к оборудованию:

контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя, обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе (двухстадийный нагрев) ,о тсутствие посторонних частиц в реакторе (подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно), отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора (с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором),обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.

Читайте также:  Установка utm меток директ

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

окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): Si тв. + O2 = SiO2 ;

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

термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление);

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

Время окисления в стандартных технологических процессах составляет 4 — 5 часов.

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 10 16 — 10 20 см -3 ) заключается в превращении случайно проникших в SiO2 примесных ионов натрия или калия в электрически неактивные.

Особенности роста окислов и влияние различных факторов

Отметим, что в микроэлектронике наиболее часто используются окислы кремния толщиной в несколько десятых долей микрона а верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1 — 2 мкм. В технологии СБИС используются также как более тонкие, так и более толстые пленки SiO2.

Одним из приборов, в которых используются сверхтонкие слои двуокиси кремния толщиной 2 — 5 нм являются энергонезависимые элементы памяти . Обычно для этих целей в применяется многослойная структура металл — нитрид кремния — двуокись кремния — кремний (МНОП транзистор). SiO 2 в данной системе позволяет произвести контролируемую инжекцию заряда в нитрид кремния при подаче высокого потенциала на затвор транзистора (цикл записи или стирания информации) и препятствует растеканию этого заряда в отсутствии потенциала на затворе (хранение информации).

По мере повышения степени интеграции ИС становится необходимым получение пленок подзатворного диэлектрика с хорошо контролируемыми параметрами толщиной 20-50 нм. В ряде случаев необходимо иметь качественные пленки SiO 2 толщиной 5 — 100 нм под маскирующими слоями нитрида кремния для предотвращения появления дефектов в кремниевой подложке, обусловленных наличием механических напряжений.

Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления подбирают соответствующие температурно-временные условия (см. рис). Однако необходимо учитывать, что для пассивирован ия ио нов 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 1000 °С), с последующей термообработкой в атмосфере O2, N2 и HCl при температуре 1150 °С.

Для получения высокооднородных пленок SiO2 с воспроизводимыми свойствами используют также реакторы пониженного давления (РПД реакторы). Окисление, проводимое в РПД, позволяет синтезировать тонкие слои SiO2 с точностью до нескольких ангстрем. Температура окисления T = 900 — 1000 °С , давление P = 30 — 300 Па. Окислы гомогенны, аналогичны окислам, полученным в реакторах атмосферного давления, напряженность электрического пробоя пленок E = 10 — 13 МВ/см. Толщина синтезируемых в РПД пленок составляет 2 — 14 нм.

Еще одним способом, используемым для производства тонких пленок SiO 2 , является их получение во влажной атмосфере, но при пониженной температуре ( T = 750 °С) 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 2·10 6 Па при окислении в парах воды и температуре 900 °С в течение 1 — 2 часов.

Влияние ориентации на скорость окисления

1. Кристаллографическая ориентация кремния определяется ориентационной зависимостью и проявляется в зависимости линейной константы скорости роста.

2. Параболическая константа B не зависит от ориентации, так как определяется диффузионной стадией реакции.

Из эксперимента константы скорости роста для Si с ориентацией поверхности по плоскости (111) в 1,68 раз выше, чем по плоскости (100).

Так как окисление во влажном O2 идет быстрее, чем в сухом, присутствие влаги в любом незначительном количестве ускоряет реакцию окисления в сухом O2.

Проанализируем влияние некоторых из этих примесей:

1. Вода . Возрастание концентрации воды с 10 -4 до 1,5 . 10 -3 , увеличивая толщину с 30 нм до 37 нм при фиксированном времени.
2. Натрий. За счет изменения структуры связей в окисле ускоряет диффузию и увеличивает концентрацию O2 в окисле.
3. Основные легирующие элементы — групп 3 и 4. На границе раздела растущего Si и SiO2 происходит перераспределение примеси, она сегрегируется либо в кремнии, либо в окисле:

Читайте также:  Установка плагинов для фотошоп cs5

1) В окисле и остается там Þ химические связи в окисле ослабляются Þ повышается поток Þ увеличивается D (коэффициент диффузии).
В результате скорость окисления реакции повышается.
Если примеси диффундируют, то они не влияют на скорость окисления.
2) При высокой концентрации в кремнии увеличивается скорость окисления . ( з ависит линейная константа скорости и не зависит B).
Высокий уровень легирования приводит к изменению положения уровня Ферми Þ увеличивается концентрация вакансий Þ дополнительные реакционные места для протекания химической реакции.

Свойства термических пленок SiO2

Основными контролируемыми параметрами пленок являются: коэффициент преломления, химический состав пленки, пористость, плотность, скорость травления, напряженность поля пробоя. Значения некоторых типичных характеристик термических пленок SiO2 приведены в таблице:

Диэлектрическая постоянная

Ширина запрещенной зоны, эВ

Удельное сопротивление постоянному току при T = 25 °С , Ом·см

10 14 -10 16

Скорость травления в буферном растворе HF, нм/мин

Коэффициент теплового расширения, С -1

Механические напряжения в окисле, дин/см 2

Плазмохимическое окисление кремния

Кремний является наиболее хорошо исследованным материалом электронной техники. Основным процессом пассивации поверхности кремниевых пластин служит термическое окисление. Однако по мере перехода к изготовлению сверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем (ССБИС) 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. В связи с этим внимание исследователей начинают привлекать процессы плазменного анодирования и окисления кремния. В работах японских, американских, французских и других исследователей получены пленки плазменного диоксида кремния, по своим параметрам не уступающие лучшим термическим образцам, а по электрической прочности и превосходящие их.

Технология получения плазмохимических пленок.

Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении подложек-образцов в кислородную плазму. Образцы могут быть изолированными (плазменное оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы потенциалом (плазменное анодирование).

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

Тлеющий разряд на постоянном токе.

При этом в объеме 1 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 чего 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 с объемом 1 либо индуктивно, либо емкостным способом (ВЧ напряжение подается на пластины 2 и 3).

СВЧ разряд (микроволновый разряд).

Плазма возбуждается при поглощении СВЧ мощности генератора, согласованного с объемом 1 с помощью волновода.

Анодируемый образец 4 находится под положительным относительно плазмы потенциалом f а (потенциалом формовки), который подается на образец через специальный контакт. При этом величина f а может быть отрицательной относительно земли, поскольку равновесный потенциал плазмы отрицателен. Внешняя поверхность оксида в результате взаимодействия с плазмой приобретает «стеночный» потенциал f b , как правило, отрицательный относительно потенциала невозмущенной плазмы f п . Если образец изолирован от внешней электрической цепи (плазменное оксидирование), то его поверхность приобретает «плавающий» потенциал ff.

Наличие анодного потенциала f а на образце вызывает протекание через него анодного тока I a (или тока формовки), который состоит из ионной составляющей I i , вызывающей рост оксида, и электронной составляющей I e . 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 SiO 2 . Их структура является аморфной, а свойства приближаются к параметрам пленок SiO 2 , 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.

Вольтамперные характеристики оксидов туннельных толщин характеризуются механизмом проводимости, соответствующим эмиссии Фаулера-Нордгейма при напряженности электрического поля в оксиде свыше 6.5 МВ/см. Измерения электрофизических свойств оксида, полученного плазменным оксидированием кремния при одновременной подсветке поверхности лазером с длиной волны, соответствующей возбуждению связи Si-Si показали, что оксид обладает на два порядка меньшей плотностью поверхностных состояний, чем традиционные анодные оксиды, и соответствует лучшим термическим пленкам диоксида кремния.

источник