Термическое окисление

Процесс окисления, стимулируемый нагревом до высоких температур, принято называть термическим окислением.

Метод термического окисления применяют для получения:

1. маскирующих пленок на кремнии;

2. изоляции элементов ИМС;

3. пленок подзатворного окисла для МОП - транзисторов.

Кремний обладает большим сродством к кислороду, поэтому уже при комнатной температуре поверхность кремния покрыта пленкой SiO₂ толщиной 10 – 50 Å. Для увеличения толщины этой пленки необходима термическая стимуляция окисления.

Процесс получения термического окисла можно разбить на четыре этапа:

1. доставка окислителя к подложкам и адсорбция частиц окислителя поверхностью;

2. диффузия окислителя сквозь пленку SiO₂ к поверхности кремния;

3. химическое взаимодействие окислителя с кремнием с образованием SiO₂;

4. удаление продуктов реакций.

В качестве окислителя применяют сухой или влажный кислород.

При использовании сухого кислорода на поверхности кремния идет реакция:

При использовании влажного кислорода идет еще дополнительная реакция:

В сухом кислороде пленка растет медленно (0,01 - 0,09 мкм/час), но имеет качественную структуру.

Во влажном кислороде пленка растет быстрее (0,2 - 1,2 мкм/час), но имеет пористую структуру, плохие свойства границы раздела между Si и SiO₂.

Чем выше температура процесса, тем выше скорость роста пленки SiO₂.

На образование пленки SiO₂ расходуются атомы кремния, поэтому исходнаяповерхность подложки в процессе окисления движется вглубь пластины. Внешняя поверхность окисладвижется вверх за счет больших размеров молекул SiO₂ (по сравнению с атомами Si).

Схема процесса термического окисления кремния.

Этапы процесса:

1. продувка камеры азотом для вытеснения воздуха;

2. нагрев рабочей зоны до предварительной температуры;

3. медленная загрузка лодочки с пластинами в рабочую зону;

4. нагрев печи с заданной скоростью до рабочей температуры;

5. подача сухого или влажного кислорода (кислород проходит сквозь воду, захватывая пары воды);

6. выдержка пластин в течение заданного времени;

7. охлаждение печи и медленная выгрузка пластин.

Температура в рабочей зоне поддерживается с точностью 0,5°С.

Процесс проводят способом открытой трубы (при атмосферном давлении).

Время процесса определяется толщиной слоя SiO₂

Предварительный нагрев печи и медленная загрузка и выгрузка пластин уменьшают градиент температуры по радиусу пластин, т.е. уменьшают термические напряжения, приводящие к изгибу пластин.

Основные недостатки термического окисления:

1. высокая температура процесса, которая может привести к изгибу пластин; к
появлению дефектов; к перераспределению примесей, введенных в пластину на
предыдущих операциях;

2. невысокие скорости роста пленок.

Значительно уменьшить температуру или время процесса позволяет термическое окисление при повышенном давлении. Это объясняется увеличением концентрации окислителя и соответственным возрастанием скорости окисления кремния. Основной недостаток этого метода - сложность создания герметичных и прочных камер.

Урок

Осаждение пленок SiO₂.

Осаждение пленок SiO₂ отличается от термического окисления меньшими температурами подложек в процессе роста пленок и возможностью получать пленки не только на кремнии, но и на любых других подложках.

Пиролитическое осаждение SiO₂ используют на заключительных стадиях изготовления ИМС, когда применение термического окисления может привести к изменениям параметров уже созданных областей ИМС.

При пиролитическом осаждении SiO₂ происходит термическое разложение сложных соединений кремния с выделением SiO₂. Наиболее часто используют тетраэтоксисилан Si(OC₂H₅)₄.

В зоне подложек идет реакция:

Окисел кремния осаждается на пластинах, остальные продукты реакции уносятся газовым потоком из трубы.

Этим методом можно получать однородные, хорошо воспроизводящие рельеф пленки, но нельзя получать пленки на структурах с металлизацией из-за высоких температур процесса.

Окисление моносилана идет при более низких температурах 300° - 400°С:

Низкие температуры позволяют применять процесс для получения пленок SiО₂ на алюминиевой металлизации. Чтобы получить более плоскую, сглаженную поверхность пленки на слое алюминия, имеющем ступеньки, SiО₂ в процессе осаждения легируют 8 - 9 % - ми оксида фосфора. Для этого в газовую смесь добавляют газ фосфин, который, взаимодействуя с кислородом, образует легирующий окисел:

В результате получают пленку фосфорно-силикатного стекла (ФСС): n SiO₂ x m P₂O₅.

Наличие фосфора в пленке SiO₂ повышает ее термомеханическую прочность, пластичность и снижает пористость.

Фосфорно-силикатные стекла:

1. могут служить источниками легирующих примесей;

2. имеют хорошие пассивирующие свойства, предохраняя поверхность пластин от
проникновения щелочных металлов (Na, К);

3. отличаясь пластичностью, могут сглаживать углы ступенек металлизации.

После получения пленок SiO₂ контролируют толщину и пористость пленок, состояние границы раздела Si - SiO₂.

Тема Осаждение пленок Si₃N₄ и поликремния.