- •2. Диэлектрические пленки на кремнии
- •2.1. Термическое окисление кремния
- •Окисление кремния при комнатной температуре
- •Физический механизм роста окисла при высокой температуре
- •Структура окисла кремния
- •Модель Дила - Гроува
- •Кинетика роста окисла кремния
- •Влияние температуры окисления
- •Влияние парциального давления окислителя
- •Влияние ориентации подложки
- •Влияние типа и концентрации примеси в подложке
- •Оборудование для окисления кремния
- •2.2. Методы контроля параметров диэлектрических слоев
- •Контроль толщины слоя диэлектрика
- •Контроль дефектности пленок
- •Метод электролиза воды
- •Электрографический метод
- •Метод электронной микроскопии
- •Метод короткого замыкания
- •2.3. Контроль заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик
- •2.4. Осаждение диэлектрических пленок
- •Осаждение пленок диоксида кремния
- •Осаждение нитрида кремния
- •Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок
Модель Дила - Гроува
П
Рис.2.2.
Диаграмма высокотемпературного
окисления кремния
Основной моделью роста окисла является модель Дила - Гроува (Д-Г), рассматривающая процесс окисления состоящим из двух этапов - массопе-реноса окислителя в растущем окис-ле и протекания химической реакции кремния с окислителем. Модель предполагает три потока (рис.2.2):
1) массоперенос окислителя через внешнюю границу растущего окисла SiO2 из газовой фазы (поток F1):
F1 = h(C* – C0),
где h - коэффициент переноса окисляющих частиц через внешнюю границу окисла; C* и С0 - концентрации окисляющих частиц вне окисла и вблизи поверхности внутри окисла в любой момент времени окисления t (C0 принимается обычно равной предельной растворимости окислителя в SiO2);
2) диффузию окисляющих частиц через окисел к границе раздела SiO2 - Si (поток F2):
где D - коэффициент диффузии окисляющих частиц; Ci - концентрация окислителя на границе SiO2 - Si;
3) химическую реакцию взаимодействия окислителя с кремнием (поток F3):
F3 = kCi,
где k - скорость реакции.
В условиях установившегося равновесия (поток F = F1 = F2 = F3) решается дифференциальное уравнение для скорости окисления:
(2.1)
где N - число частиц окислителя, необходимое для создания единицы объема окисла.
Если ввести обозначения
то уравнение (2.1) примет вид:
dx/dt = B/(A + 2x). (2.2)
Кремний легко
окисляется при комнатной температуре,
так что его поверхность всегда покрыта
слоем окисла толщиной от 2 до 8 нм. Кроме
того, термическое окисление может
проводиться многократно. Для исследуемого
процесса следует иметь в виду, что при
t = 0 на поверхности к
Рис.2.3. Зависимость
толщины окисла кремния от времени
окисления при высокой температуре
x2 + Ax = B(t + t0), (2.3)
где t0 - время, соответствующее начальной толщине окисла x0. Зави-симость толщины окисла от времени окисления при высокой (от 700 до 1200 °С) температуре изображена на рис.2.3. При малых временах окисления t << A2/4B рост окисла описывается линейным законом
x = klt, (2.4)
при больших временах окисления t >> A2/4B - параболическим
x2 = Bt kрt, (2.5)
где kl и kр - константы линейного и параболического роста соответственно. Имеется некоторое характерное время tхар, при превышении которого линейный закон роста окисла переходит в параболический (см. рис.2.3).
Уравнение (2.3) можно записать также в виде
x2/B + (A/B)x = t (2.6)
(если t0 << t, то t0 можно не учитывать).
Поделив все части уравнения (2.6) на x и проведя небольшие преобразования, получим:
x = B(t/x – A/B). (2.7)
Уравнение (2.7) есть уравнение прямой в координатах [x, t/x], которая отсекает на оси абсцисс отрезок, численно равный обратной величине линейной константы A/Bkl, и имеет угол наклона, тангенс которого равен параболической константе роста окисла B.
Модель Дила - Гроува описывает достаточно точно экспериментальные результаты в широком диапазоне температур и толщин окисла, за исключением начального участка роста окисного слоя (особенно в сухом кислороде) толщиной примерно до 30 нм.