Исследование влияния технологических факторов на скорость получения и качество пленок оксида кремния

  Изучение  термического окисления чистого кремния и кремния, легированного донорными и акцепторными примесями, показало, что наличие примесей влияет на скорость окисления. Это влияние обусловлен либо изменением коэффициента диффузии окислителя в слое, либо изменением скорости реакции окислителя на границе раздела Si - SiO₂. Так, при окислении бор стремится прейти из кремния в оксид, поэтому растущий слой обогащен бором, кремний, сильно легированный бором, окисляется быстрее высокоомного (чистого) кремния как при высоких температурах, где справедлив параболический закон роста диоксида, так и при более низких температурах, где выполняется линейный закон. Фосфор, которым может быть легирован кремний n-типа, имеет тенденции переходить в слой диоксида. Поэтому диффузия окислителя в таком слое не отличается от диффузии в диоксиде, растущем на чистом кремнии. Однако присутствие фосфора в кремнии увеличивает скорость химической реакции на поверхности кремния, вследствие чего кремний, сильно легированный фосфором, при температурах ниже 1100 ^оС окисляется быстрее, чем чистый кремний (так как при низких температурах скорость окисления определяется реакцией на поверхности Si). Особенно резко это различие проявляется при 700…800 ^оС. При температурах выше 1100 ^оС увеличение скорости роста диоксида на кремнии, легированном фосфором, практически незаметно.

  На скорость термического окисления влияют не только примеси, содержащиеся в в кремниевой подложке, но и примеси ионов гидроокисла и натрия. Ионы гидроокисла, образующиеся в многоступенчатой реакции кремния с парами воды, увеличивают скорость окисления. Что касается натрия, то наличие его на границе раздела между диоксидом и кремнием приводит к каталитическому действию на реакцию окисления кремния, которое сильнее сказывается в присутствии ионов гидроксила, т.е. при окислении в парах воды или влажном кислороде.

  Окисление кремния в интервале температур 1100…1300 ^оС при малом давлении газа (1,198…13,33 Па) характеризуется рядом особенностей. В таких условиях кремний может образовывать летучие оксиды, испаряющиеся с его поверхности, сто приводит к увеличению скорости окисления. При давлении 1,2…5,3 Па на поверхности кремния вообще не образуется слоя SiO₂, а единственным продуктом окисления является летучий монооксид SiO. При давлении кислорода в 13,33 Па образование слоя SiO₂ на поверхности кремния происходит с высокой скоростью. 

5. Основные  недостатки метода термического окисления.

     Термическое окисление кремния, позволяет получить высококачественный диэлектрик на поверхности кремния, обладает в то же время рядом ограничений и недостатков. К ним относится, прежде всего, высокая температура процесса, что создает большие затруднения в технологии, особенно при окислении пластин, на которых уже сформированы структуры элементов ИМС. Эти структуры при длительной высокотемпературной обработке значительно изменяют свои характеристики. Поэтому приходится вводить существенные поправки в расчеты, учитывающие влияние диффузионных процессов в структурах ИМС при высоких температурах. Кроме того, термическим окислением можно получать только SiO₂, а технология ИМС использует и другие диэлектрики, особенно для устройств, выполняемых не из кремния, а из различных полупроводниковых соединений (GaAs, GaP и т.п.).

     При изготовлении СВЧ ИМС на основе кремния  термическое окисление затрудняет формирование прецизионных структур, так как не позволяет формировать  точные конфигурации областей изгибов.

     Для преодоления этих недостатков в технологии ИМС были разработаны методы формирования диэлектрических пленок осаждением их из газовой или паровой фаз при помощи химических реакций или термовакуумного испарения. 

6. Литература.

1. Парфенов О.Д. «Технология микросхем: Учеб. пособие для вузов». – М.: Высш. шк., 1986. – 320 с., ил.
2. Черняев В.Н. «Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: учебник для вузов». – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1987. – 464 с.: ил.
3. Курносов А.И., Юдин В.В. «Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учеб. пособие для студентов вузов». 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1979. – 367 с., ил.
4. Иваново-Есипович Н.К. «Физико-химические основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1979. – 205 с., ил.