Термическое окисление кремния

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического окисления приповерхностной области полупроводника. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 - 1200 ºС. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично вид установки показан на рис. 7.5 (в современных установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально).

Рис. 7.5. Схема установки термического окисления кремния.

Требования к оборудованию:

контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя,

обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе (двухстадийный нагрев),

отсутствие посторонних частиц в реакторе (подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно),

отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора (с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором),

обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:

окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): Si_тверд.+ O₂ = SiO₂; окисление в парах воды (влажное окисление): Si_тверд.+2H₂O = SiO₂ + 2H₂; термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление); термическое окисление при взаимодействии молекул воды, синтезированных из атомарно чистых кислорода и водорода непосредственно у поверхности кремния, с атомами кремния (пирогенное окисление).

Время окисления в стандартных технологических процессах составляет 4 - 5 часов.

Добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов приводит к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния (обычно с концентрацией хлора 10¹⁶ - 10²⁰ см^-3) заключается в превращении случайно проникших в SiO₂ примесных ионов натрия или калия в электрически неактивные.

Плазмохимическое окисление кремния

Кремний является наиболее хорошо исследованным материалом электронной техники. Основным процессом пассивации поверхности кремниевых пластин служит термическое окисление. Однако по мере перехода к изготовлению сверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем возникает необходимость в снижении температуры окислительных обработок с 1400 до 900 -1100 ºК, при которых отсутствует неконтролируемая термодиффузия примесей и другие побочные эффекты, стимулируемые высокой температурой.

Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев в кислородной плазме. Образцы могут быть изолированными (плазменное оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы потенциалом (плазменное анодирование).

На рисунке 7.6 изображена принципиальная схема установки для осуществления процесса плазменного анодирования. Кислородная плазма возбуждается в объеме 1 генератора плазмы.

Тлеющий разряд на постоянном токе. При этом в объеме 1 создается пониженное давление кислорода (обычно 0.1--1 Торр) и между электродами 2 и 3 прикладывается постоянное напряжение разряда Ud величиной в несколько сотен вольт.

Д уговой разряд низкого давления.

Катод 3 нагревается за счет пропускания через него тока накаливания. Вследствие чего термоэмиссии электронов с поверхности катода облегчается ионизация газоразрядного промежутка, что приводит к снижению напряжения Ud до величины менее 100 В.

Рис. 7.6. Установка для плазмомохимического анодирования.

ВЧ разряд (высокочастотный разряд). Плазма возбуждается за счет поглощения ВЧ мощности генератора, связанного с объемом 1 либо индуктивно, либо емкостным способом (ВЧ напряжение подается на пластины 2 и 3).

Анодируемый образец 4 находится под положительным относительно плазмы потенциалом f_а (потенциалом формовки), который подается на образец через специальный контакт. При этом величина f_а может быть отрицательной относительно земли, поскольку равновесный потенциал плазмы отрицателен. Внешняя поверхность оксида в результате взаимодействия с плазмой приобретает "стеночный" потенциал f_b, как правило, отрицательный относительно потенциала невозмущенной плазмы f_п. Если образец изолирован от внешней электрической цепи (плазменное оксидирование), то его поверхность приобретает "плавающий" потенциал f_f.

Наличие анодного потенциала f_а на образце вызывает протекание через него анодного тока Ia (или тока формовки), который состоит из ионной составляющей Ii, вызывающей рост оксида, и электронной составляющей Ie. Чем больше доля ионного тока, тем эффективнее протекает рост плазменных оксидов.