Термическое окисление полупроводниковых пластин

Окончательная обработка кремния

Основные способы определения качества кремния

Визуальный осмотр. Отбраковывают части слитка, имеющие неправильную форму, меньший диаметр, плоскости двойникования.

Селективное травление п роводят в хвостовой части кристаллического слитка для выявления дислокаций. Используют травитель Сиртла, состоящий из 49% HF и 5 М хромовой кислоты, смешанной в пропорции 1:1.

Ультразвуковой метод применяется для выявления микротрещин.

Четырехзондовый метод применяется для определения удельного сопротивления кремния (концентрации примесей). При этом контролируются постоянство прижима электродов-зондов и температура монокристалла.

Из установки извлекают кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров. Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщиной в несколько десятых миллиметра производят следующие технологические операции:

1. Механическая обработка слитка:

отделение затравочной и хвостовой части слитка;

обдирка боковой поверхности до нужной толщины;

шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);

резка алмазными пилами слитка на пластины: (100) - точно по плоскости (111) - с разориентацией на несколько градусов.

1. Травление. На абразивном материале SiC или Al2O3 удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si.
2. Полирование - получение зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO2 размером 10 нм) с водой.

В окончательном виде кремний представляет собой пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.

Получаемая при окислении пленка SiO2 выполняет следующие функции:

защита поверхностей вертикальных участков p-n переходов, выходящих на поверхность;

маски, через окна которой вводится необходимые примеси при легировании;

тонкого диэлектрика под затвором МОП транзистора;

для межслойной изоляции разводки;

Рис. 4. Схема МОП-транзистора

Методы получения слоев SiO₂:

Получаемые слои SiO₂ совершенны по равномерности толщины и структуре, а также обладают высокими диэлектрическими свойствами.

Существует две основные разновидности метода термического окисления кремния:

1) высокотемпературное окисление в атмосфере сухого кислорода или водяного пара при атмосферном давлении;

2) окисление в парах воды при высоком давлении и температуре 500¸800°С;

Процесс окисления кремния происходит в три этапа:

1) адсорбция окислителя поверхностью пластины, покрытой оксидом;

2) перенос окислителя через оксидный слой SiO₂;

3) реакция окислителя с кремнием на границе Si - SiO₂;

Толщина оксидной пленки определяется по формуле:

, где

k – коэффициент, зависящий от температуры и влажности кислорода;

t – время;

Особенности:

окисление при сухом кислороде в десятки раз медленнее влажного;

с уменьшением температуры на каждые 100° время окисления повышается в 2¸3 раза;

Различают толстые (0,7¸0,8 мкм) и тонкие (0,1¸0,2 мкм) слои.

Рис. 5. Однозонная высокотемпературная печь

В промышленности выполняется комбинированное окисление: сначала выращивается тонкий слой SiO₂ в сухом кислороде, толстый слой SiO₂ во влажном, а затем снова в сухом.

Недостатки метода термического окисления – трудноуправляемые физические явления:

возникновение зарядов в слое оксида;

невысокая стойкость к проникновению водяных паров и ионов щелочных металлов;

малый коэффициент теплопроводности;

Дальнейшим совершенствованием метода является освоение новых материалов. Одним из перспективных материалов является Si₃N₄.

Преимущества:

материал обладает лучшими маскирующими и защитными свойствами в меньших толщинах из-за более высокой плотности и термостойкости;

высокая скорость нанесения (до 10нм/мин);

электрическая прочность выше чем у SiO₂ (10⁷ В/см);

Для получения слоев используются методы:

1) осаждение продуктов при протекании реакции взаимодействия силана кремния (Si₃N₄) c аммиаком или гидразином (N₂H₄);

2) нанесение реактивным катодным распылением; высокочастотным реактивным распылением в плазме азота; плазмохимическим осаждением Si в присутствии азота.