Термическое окисление

Процесс создания тонкого слоя (обычно) диоксида кремния.

Печи, используемые для диффузионного и термического окисления на технологическом предприятии LAAS в Тулузе, Франция.

В микропроизводстве термическое оксидирование — это способ создания тонкого слоя оксида (обычно диоксида кремния ) на поверхности пластины . Этот метод заставляет окислитель диффундировать в пластину при высокой температуре и вступать с ней в реакцию. Скорость роста оксидов часто прогнозируется с помощью модели Дила – Гроува . ^[1] Термическое оксидирование может применяться к различным материалам, но чаще всего оно включает окисление кремниевых подложек с получением диоксида кремния .

Химическая реакция

Термическое окисление кремния обычно проводится при температуре от 800 до 1200 °C , в результате чего образуется так называемый высокотемпературный оксидный слой (HTO). В качестве окислителя может использоваться либо водяной пар (обычно пар сверхвысокого давления ), либо молекулярный кислород ; поэтому его называют мокрым или сухим окислением. Реакция является одной из следующих:

${\displaystyle {\rm {Si+2H_{2}O\rightarrow SiO_{2}+2H_{2\ (g)}}}}$

${\displaystyle {\rm {Si+O_{2}\rightarrow SiO_{2}\,}}}$

Окислительная среда также может содержать несколько процентов соляной кислоты (HCl). Хлор удаляет ионы металлов, которые могут присутствовать в оксиде.

Термический оксид включает в себя кремний, потребляемый из подложки, и кислород, поступающий из окружающей среды. Таким образом, он растет как вниз в пластину, так и вверх из нее. На каждую единицу толщины потребленного кремния приходится 2,17 единицы толщины оксида. ^[2] Если голая поверхность кремния окисляется, 46% толщины оксида будет лежать ниже исходной поверхности, а 54% — над ней.

Модель Дила-Гроува

Согласно широко используемой модели Дила-Гроува, время τ, необходимое для выращивания оксида толщиной X _o при постоянной температуре на голой поверхности кремния, составляет:

${\displaystyle \tau ={\frac {X_{o}^{2}}{B}}+{\frac {X_{o}}{({\frac {B}{A}})}}}$

где константы A и B относятся к свойствам реакции и оксидного слоя соответственно. Эта модель была дополнительно адаптирована для учета процессов самоограничивающегося окисления, используемых для изготовления и морфологического проектирования кремниевых нанопроволок и других наноструктур. ^[1]

Если пластина , уже содержащая оксид, помещается в окислительную среду, это уравнение необходимо изменить, добавив поправочный член τ — время, которое потребовалось бы для выращивания ранее существовавшего оксида в текущих условиях. Этот член можно найти, используя уравнение для t , приведенное выше.

Решение квадратного уравнения для X _o дает:

${\displaystyle X_{o}(t)=A/2\cdot \left[{\sqrt {1+{\frac {4B}{A^{2}}}(t+\tau )}}-1\right]}$

Технология окисления

Большая часть термического окисления выполняется в печах при температуре от 800 до 1200 °C. Одна печь одновременно принимает множество пластин на специально сконструированной кварцевой стойке (называемой «лодочкой»). Исторически сложилось так, что лодочка входила в камеру окисления сбоку (такая конструкция называется «горизонтальной») и удерживала пластины вертикально, рядом друг с другом. Однако во многих современных конструкциях пластины держат горизонтально, сверху и снизу друг друга, а в камеру окисления загружают снизу.

Поскольку вертикальные печи стоят выше горизонтальных, они могут не поместиться на некоторых предприятиях микропроизводства. Они помогают предотвратить загрязнение пылью . В отличие от горизонтальных печей, в которых падающая пыль может загрязнить любую пластину, в вертикальных печах используются закрытые шкафы с системами фильтрации воздуха, предотвращающими попадание пыли на пластины.

Вертикальные печи также устраняют проблему, которая беспокоила горизонтальные печи: неравномерность выращенного оксида по пластине. ^[3] Горизонтальные печи обычно имеют конвекционные потоки внутри трубы, из-за чего нижняя часть трубы немного холоднее, чем верхняя. Поскольку пластины лежат в трубке вертикально, конвекция и связанный с ней температурный градиент приводят к тому, что верхняя часть пластины имеет более толстый оксид, чем нижняя часть пластины. Вертикальные печи решают эту проблему, располагая пластину горизонтально, а затем поток газа в печи течет сверху вниз, что значительно гасит любую тепловую конвекцию.

Вертикальные печи также позволяют использовать загрузочные шлюзы для очистки пластин азотом перед окислением, чтобы ограничить рост собственного оксида на поверхности Si.

Качество оксида

Мокрое окисление предпочтительнее сухого окисления для выращивания толстых оксидов из-за более высокой скорости роста. Однако быстрое окисление оставляет больше оборванных связей на границе раздела кремния, которые создают квантовые состояния для электронов и позволяют току течь вдоль границы раздела. (Это называется «грязной» границей раздела.) Влажное окисление также дает оксид с более низкой плотностью и более низкой диэлектрической прочностью .

Длительное время, необходимое для выращивания толстого оксида при сухом окислении, делает этот процесс непрактичным. Толстые оксиды обычно выращиваются путем длительного влажного окисления, сопровождаемого короткими сухими ( цикл «сухой-мокрый-сухой »). В начале и в конце сухого окисления образуются пленки высококачественного оксида на внешней и внутренней поверхности оксидного слоя соответственно.

Ионы мобильных металлов могут ухудшить характеристики МОП-транзисторов ( натрий вызывает особую озабоченность). Однако хлор может иммобилизовать натрий, образуя хлорид натрия . Хлор часто вводят добавлением в окислительную среду хлористого водорода или трихлорэтилена . Его присутствие также увеличивает скорость окисления.

Другие примечания

Термическое оксидирование может выполняться на выбранных участках пластины и блокироваться на других. Этот процесс, впервые разработанный в компании Philips ^[4] , обычно называют процессом локального окисления кремния ( LOCOS ). Области, не подлежащие окислению, покрываются пленкой нитрида кремния , которая блокирует диффузию кислорода и водяного пара из-за его окисления с гораздо более медленной скоростью. ^[5] Нитрид удаляется после завершения окисления. Этот процесс не может создать резкие детали, поскольку боковая (параллельная поверхности) диффузия молекул окислителя под нитридной маской приводит к выступанию оксида в замаскированную область.

Поскольку примеси растворяются в кремнии и оксиде по-разному, растущий оксид будет избирательно поглощать или отбрасывать примеси . Это перераспределение определяется коэффициентом сегрегации, который определяет, насколько сильно оксид поглощает или отталкивает легирующую примесь, а также коэффициентом диффузии .

Ориентация кристалла кремния влияет на окисление. Пластина <100> (см. индексы Миллера ) окисляется медленнее, чем пластина <111>, но обеспечивает электрически более чистый оксидный интерфейс.

Любое термическое окисление дает оксид более высокого качества с гораздо более чистой границей раздела, чем химическое осаждение оксида из паровой фазы, что приводит к образованию низкотемпературного оксидного слоя (реакция ТЭОС при температуре около 600 ° C). Однако высокие температуры, необходимые для производства высокотемпературного оксида (HTO), ограничивают его использование. Например, в процессах МОП-транзисторов термическое окисление никогда не выполняется после легирования выводов истока и стока, поскольку это может нарушить размещение легирующих примесей.

Рекомендации

Примечания

1. Лю, М.; и другие. (2016). «Двумерное моделирование самоограничивающегося окисления в кремниевых и вольфрамовых нанопроволоках». Письма по теоретической и прикладной механике . 6 (5): 195–199. arXiv : 1911.08908 . дои : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
2. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2015 г. Проверено 7 июля 2013 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
3. «Печи». Центр наномасштабной инженерии Университета Кентукки . Проверено 7 мая 2023 г.
4. Дж. Аппельс, Э. Коой, М. М. Паффен, Дж. Дж. Шаторье и WHCG Веркуйлен, «Локальное окисление кремния и его применение в технологии полупроводниковых устройств», PHILIPS RESEARCH Reports, vol. 25, нет. 2, стр. 118–132, апрель 1970 г.
5. А. Койпер, М. Виллемсен, Дж. М. Бакс и FHPH Хабракен, «Поведение при окислении пленок оксинитрида кремния LPCVD», Applied Surface Science, vol. 33, нет. 34, стр. 757–764, октябрь 1988 г.

Источники

• Джагер, Ричард К. (2001). «Термическое окисление кремния». Введение в микроэлектронное производство . Река Аппер-Седл: Прентис-Холл . ISBN 978-0-201-44494-0.

Внешние ссылки

• Онлайн-калькулятор, включающий модели окисления Дид Гроува и Массуда, а также эффекты давления и допинга, доступен по адресу: http://www.lelandstanfordjunior.com/thermaloxy.html.