Свойства и применения пленок оксида кремния

Кислород в кремнии

Кислород относится к числу примесей, быстро диффундирующих в кремнии. Его предельная растворимость несколько превышает 10¹⁷ см^-3 при температуре, близкой к температуре плавления кремния и быстро уменьшается при понижении температуры. Например, при 900^оС (температуре “загонки”) растворимость кислорода падает приблизительно до 10¹⁵ см^-3. В растворенном состоянии кислород электрически не активен.

Связь O₂–Si представляет собой ковалентную связь.

В оксиде кремния кислород занимает положение мостика между двумя атомами кремния, которые приблизительно сохраняют свою тетраэдрическую координацию по отношению друг к другу. Эти тетраэдры относительно легко деформируются, благодаря чему у SiO₂ при разных температурах стабильными являются несколько кристаллографических форм. Фазовые переходы между этими формами идут достаточно медленно, так что вполне устойчивой является и аморфная модификация – плавленый кварц, структуре которого и соответствуют получаемые на кремнии пленки термически выращенного оксида.

При температуре 500…600^оС кислород химически связывается с кремнием, причем вначале образуется комплекс, обладающий донорными свойствами. При дальнейшем повышении температуры каждый атом кислорода как бы встраивается между двумя атомами кремния, образуется Si–O–Si связь. В таком состоянии О₂ также электрически не активен.

Оксид кремния относится к числу наиболее высококачественных диэлектриков. Он имеет диэлектрическую проницаемость 3.9, 1.46, 2 ^.10⁷ В/см (в слоях 200 нм). У более толстых слоев уменьшается пропрорционально .

Роль, которую выполняет пленка SiO₂ определяет возможность использования того или иного метода ее получения.

Для использования в качестве межуровневой изоляции или защитного слоя, наносимого поверх металлизации можно использовать химическое осаждение из газовой фазы. Защитные слои часто наносятся также пиролизом ТЭОС.

Слои, используемые в качестве масок при локальном легировании, обычно получают термическим окислением. На практике нередко используется комбинированный режим окисления, когда начальный этап окисления ведется в атмосфере сухого O₂, затем в атмосфере паров воды, после чего опять следует окисление в сухом O₂. Длительности этих трех процессов выбираются приблизительно равными. Первый этап окисления задает структуру границы раздела Si–SiO₂. Во время второго этапа формируется основная толща пленки. Третий этап является термообработкой, в процессе которой понижается концентрация растворенной в пленке воды, толщина пленки при этом увеличивается незначительно. Такая методика позволяет сравнительно быстро получать слои SiO₂, по свойствам приближающиеся к получаемым в атмосфере сухого O₂. Для получения маскирующих слоев используют также методы химического осаждения из газовой фазы.

Наиболее высококачественные слои SiO₂ для МДП структур получают только термическим окислением в атмосфере сухого O₂. Для МДП структур на основе иных полупроводниковых соединений используют методы химического осаждения из газовой фазы или анодирования.