Кинетика роста окисла кремния

Анализ многочисленных экспериментов позволил установить общие закономерности окисления кремния, определить зависимость параболической и линейной констант k_р и k_l, а также скорости роста окисла dx/dt от условий окисления, выделить основные факторы, оказывающие определяющее влияние на эти величины. К таким факторам относятся:

- температура окисления;

- давление окислителя в окружающей среде;

- состав окружающей среды (наличие примесей в окисляющей среде);

- ориентация окисляемой поверхности кремния;

- уровень легирования и тип примеси в подложке;

- образование внутренних напряжений в окисле и кремнии;

- возникновение зарядов в окисле.

Влияние парциального давления окислителя

Константа k_р в модели Д-Г линейно зависит от парциального давления окислителя, вследствие чего может быть использован закон Генри:

C = HP_s,

где C - концентрация окислителя; H - постоянная Генри; P_s - парциальное давление окислителя. Экспериментально показано, что в диапазоне температур 850 - 1000 °С при давлениях порядка 10⁴ - 10⁶ Па закон Генри соблюдается. Это свидетельствует о том, что диссоциация молекул окислителя на границе газ - SiO₂ отсутствует, следовательно, через окисел идет диффузия и сухого кислорода, и воды в молекулярной форме.

Для линейной константы зависимость от давления окислителя оказалась также линейной, только в узком диапазоне высоких температур (1000 - 1200 °С) и давлений (0,1 - 1,0)10⁵ Па окислителя. Более точная зависимость может быть описана соотношением k_l  Pⁿ. Для окисления в сухом O₂, по данным различных экспериментов, показатель n меняется от 0,59 до 0,70 при температурах до 900 °С и от 0,8 до 1,0 при более высоких температурах. Кроме того, n зависит от ориентации подложки, что может быть связано с промежуточным этапом реакции O₂ с Si, хемосорбцией кислорода, а также участием в реакции, помимо молекулярного, и атомарного кислорода.

При окислении в парах воды или влажном кислороде (H₂O + O₂) во всем диапазоне температур и давлений порядка 10⁵ Па n = 1/2.

Влияние типа и концентрации примеси в подложке

Во время роста окисла на легированном кремнии происходит сегрегация примеси на границе раздела Si - SiO₂. В зависимости от величины коэффициента сегрегации, определяемого как отношение равновесных концентраций примеси при данной температуре в кремнии и окисле

примесь будет либо оттесняться в кремний (m > 1), либо накапливаться в окисле (m < 1). Известно, что для бора m  0,3, а для доноров (фосфора и мышьяка) m  10. Если концентрация примеси в кремнии мала (C_Si  10^–19 см^–3), в растущем окисле она также невелика. При высокой концентрации примеси в кремнии (C_Si  10^–19 см^–3) в окисел встраивается значительное количество п

Рис.3.3. Зависимость параболической и линейной констант скорости окисления в сухом кислороде от концентрации примеси (фосфор) в подложке

(T = 1173 К)

римесных атомов, разрыхляя его структуру и облегчая диффузию окислителя. Вследствие этого может несколько увеличиваться параболическая константа роста окисла, практически заметным ее рост становится лишь при больших концентрациях бора в кремнии. Сегрегация бора окислом увеличивается при окислении во влажной атмосфере за счет быстрого роста окисла, особенно при невысоких температурах (меньше 1000 °С) из-за малого коэффициента диффузии примеси в кремнии, когда она не успевает уйти в объем полупроводника из сильнолегированного поверхностного слоя.

Влияние бора на величину линейной константы скорости роста окисла незначительно. Поэтому скорость окисления кремния, легированного бором, от концентрации примеси зависит слабо. Иначе проявляется влияние концентрации донорных примесей, особенно фосфора, на скорость окисления кремния. При низкой (<<10^–19см^-–3) концентрации фосфора в кремнии как параболическая, так и линейная константы скорости роста не зависят от концентрации примеси. Высокая концентрация фосфора на параболическую константу также влияет очень слабо, поскольку при окислении фосфор слабо перераспределяется в окисел, интенсивно оттесняясь в кремний.

Что же касается линейной константы роста, то она сильно зависит от концентрации фосфора, особенно при низких температурах, когда окисление лимитируется скоростью химической реакции на границе раздела Si - SiO₂ (рис.3.3).

Наблюдаемые явления объясняются моделью, которая предполагает, что при оттеснении фосфора в кремний во время окисления растет концентрация вакансий вблизи границы раздела Si - SiO_2, что облегчает протекание химической реакции окисления.

Однако для мышьяка, имеющего примерно такой же, как и фосфор, коэффициент сегрегации, приведенная модель оказалась несостоятельной. Эксперименты показали, что при окислении диффузия мышьяка замедляется. Предполагается, что в этом случае, помимо вакансий, могут генерироваться междоузельные атомы кремния, рекомбинирующие с вакансиями и тем самым уменьшающие концентрацию последних.

Осаждение диэлектрических пленок

Помимо термически выращенного окисла кремния в производстве современных СБИС широко используются диэлектрические пленки, главным образом окисел и нитрид кремния, получаемые методами осаждения. Очень важно при этом, чтобы пленки были однородны по толщине на всех обрабатываемых в одном процессе поверхностях, а их состав и структура были полностью идентичны и воспроизводимы. Эти пленки предназначаются для электрической изоляции между металлом и поверхностью кремния, проводящими слоями, для защиты поверхности микросхемы от воздействия окружающей среды.

Основными методами получения таких пленок являются осаждение из парогазовых смесей при атмосферном или пониженном давлении и плазмохимическое осаждение.