ЭКТ - 5 / скорость терм ок

    Факторы, влияющие на скорость термического окисления

      Влияние температуры процесса. На закономерность роста пленки оксида при термическом окислении оказывает влияние не только время, но и температура окисления. При высоких температурах (Т > 1000 °С), когда скорость химической реакции взаимодействия кремния с кислородом велика и легко достигается предельная растворимость С* окисляющих частиц в оксиде, величина t_хар мала и лимитирующей стадией процесса является диффузия, поэтому соотношение между толщиной оксида и временем достаточно точно определяется выражением x₀²=Bt.

      На рис. 3 показана зависимость параболической константы В для окисления в сухом кислороде и парах вода, которая определяется в основном температурной зависимостью коэффициента диффузии окислителя в оксиде.

      При температурах ниже 1000 °С скорость химической реакции начинает уменьшаться и соотношение между x₀ и t примет вид: 

x₀² + Ax₀ = Bt  

      С понижением температуры зависимость все более приближается к линейной, определяющим фактором является скорость химической реакции, и при температурах ниже 800 °С рост оксида идет по линейному закону:

x₀ = (B/A) t

На рис. 4 показано, что постоянная линейного роста B/A зависит от температуры экспоненциально. 

        Рис.3. Влияние температуры на параболическую константу скорости роста при окислении в сухом и влажном кислороде при нормальном давлении. 

    Рис.4. Влияние температуры на линейную константу скорости окисления в сухом и влажном кислороде при нормальном давлении. 

      Влияние давления окислителя. При высоких температурах (Т>1100 °С) и малом давлении кислорода (от I до 13 Па) окисление кремния характеризуется рядом особенностей. Так, при давлении кислорода 1 - 5 Па на поверхности кремния слой SiO₂ не образуется вообще и единственным продуктом окисления является летучая моноокись SiО, при давлении 13 Па наблюдается начало образования слоя SiO₂.

      Экспериментальные исследования кинетики окисления кремния в кислороде при давлении выше атмосферного показали, что скорость химической реакции на поверхности раздела оксид - кремний пропорциональна , а скорость диффузии ионов кислорода пропорциональна давлению.

      При высоком давлении пара скорость роста оксидных пленок на кремнии пропорциональна давлению реагента и не зависит от толщины оксида в пределах 1-7 мкм. В то же время при давлении выше некоторой критической величины (приблизительно 10⁷ Па) кинетика окиcления отклоняется от линейной зависимости, что связывают с растворением оксида в парах воды. При давлениях, значительно превышающих критическое, возможна ситуация, когда оксидная пленка вообще не образуется, а поверхность образцов протравливается на значительную глубину. При 1123 К травление начинается с давления 1,5 10⁷ Па; а при 923 К - с 5 10⁷ Па.

      Влияние кристаллографической ориентации подложки. Подтверждением того, что скорость реакции является определяющим фактором на линейном участке, может служить экспериментально наблюдаемая зависимость скорости роста оксида от кристаллографической ориентации поверхности пластины.

      На рис. 5 показаны экспериментальные зависимости скорости окисления кремния в сухом кислороде при T = 1000 °С для различных ориентации исходного материала. Зависимости представлены в координатах [х_0, t/ х₀], что позволяет разделить линейную и параболическую составлявшую скорости роста оксида, действительно, уравнение (11) можно записать в следующем виде: 

      Поделив обе части данного уравнения на х₀ и проведя соответствующие преобразования, получим выражение

                                    (12) 

      Рис.5.Зависимость скорости окисления кремния от кристаллографической ориентации кремниевой подложки. 

      Уравнение (12) есть уравнение прямой в координатах [x₀,  t/x₀ ], которая пересекает ось абсцисс на расстоянии, численно равном обратной величине постоянной линейного закона окисления (А/В), имеет угол наклона, тангенс которого равен В - константе скорости при параболическом законе роста. Приведенные на рис. 5 зависимости имеют одинаковый угол наклона, но отсекают на оси абсцисс отрезки разной длины. Таким образом, эксперименты показывают, что  ориентация подложки не влияет на параболическую составляющую скорости и в то же время оказывает влияние на линейную составляющую, причем

      B/A(111)>B/A(110)>B/A(100) .

      Этот факт можно объяснить том, что скорость химической реакции на поверхности раздела оксид - кремний зависит от плотности активированных комплексов Si — Si, которая в первом приближении пропорциональна плотности кремниевых связей на поверхности раздела оксид - кремний и уменьшается в той же последовательности дли основных кристаллографических ориентации, как и скорость окисления: для (111) – 1,17∙I0¹⁵ см^-2, для (11О) – 0,95∙I0¹⁵ см^-2, для (100) – 0,67∙I0¹⁵см^-2.

      Заметим, что плотность активированных комплексов несколько ниже числа выходящих на поверхность раздела кремниевых связей, так как ионы кислорода имеют достаточно большие размеры и в течение времени, необходимого для реакции одного иона с кремниевой связью, будут экранировать некоторое число расположенных поблизости кремниевых связей от реакции с другими ионами.

      Влияние степени легирования подложки. В процессе изготовления интегральной схемы отдельные участки поверхности полупроводниковой пластины легируются донорными или акцепторными примесями (бором, фосфором, мышьяком и т.д.), причем концентрация примесей вблизи поверхности может изменяться в чрезвычайно широких пределах - от I0¹⁵ до 5*I0²⁰ см^-3 . Физические процессы, происходящие в ходе окисления на границе раздела оксид - кремний и в объеме оксидной пленки, будут зависеть от содержания примеси в исходном материале. Экспериментально установлено, что скорость окисления сильнолегированных областей (N>>10¹⁹ см^-3) выше, чем низколегированных. Это может быть обусловлено либо изменением скорости реакции окисления на границе раздела Si – SiO₂, либо изменением коэффициента диффузии окислителя в слое оксида. Действительно, высокая концентрация примеси в кремнии у поверхности раздела Si – SiO₂  может модифицировать его решетку и тем самым ослабить прочность связей  Si - Si. В результате скорость окисления на реакционной поверхности увеличивается и характеризуется большей константой линейного роста.

      С другой стороны, если концентрация примеси в оксиде достаточно велика, то структура пленки оксида может измениться таким образом, что коэффициент диффузии кислорода сквозь нее увеличится и константа параболического роста возрастет.

      По мере окисления легированного кремния на реакционной поверхности Si – SiO₂ будет устанавливаться некоторое динамическое равновесие, характеризуемое величиной коэффициента сегрегации примеси m на поверхности раздела оксид – кремний: 

      Если коэффициент сегрегации примеси m « 1, например, при легировании подложки бором m = 0,3, то при окислении бор стремится перейти из кремния в оксид, в результате растущий слой обогащается бором. Коэффициент диффузии окислителя через такой слой увеличивается. Поэтому закон роста оксида будет оставаться линейно параболическим, но скорость окисления на обоих участках будет несколько выше, чем для слаболегированных образцов.

      Если коэффициент сегрегации примеси m »1, например, при легировании подложки фосфором т = 10, то при окислении поверхность кремния будет обогащаться фосфором в результате оттеснения его растущим оксидом, при этом скорость химической реакции окислителя с кремнием возрастет. Данный эффект усиливается при сравнительно низких температурах (700 - 900 °С), когда скорость процесса определяется химической реакцией.

      На скорость термического окисления влияют не только примеси, содержащиеся в кремниевой подложке, но и примеси в растущем слое оксида, главным образом ионы натрия, свинца. Присутствие их на границе раздела Si – SiO₂ может привести либо к каталитическому действию в процессе реакции окисления (Na), либо к ускорению диффузии окислителя из-за модификации структуры (Pb).