Особенности роста окислов и влияние различных факторов

Отметим, что в микроэлектронике наиболее часто используются окислы кремния толщиной в несколько десятых долей микрона а верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1 - 2 мкм. В технологии СБИС используются также как более тонкие, так и более толстые пленки SiO₂.

Одним из приборов, в которых используются сверхтонкие слои двуокиси кремния толщиной 2 - 5 нм являются энергонезависимые элементы памяти. Обычно для этих целей в применяется многослойная структура металл - нитрид кремния - двуокись кремния - кремний (МНОП транзистор). SiO₂ в данной системе позволяет произвести контролируемую инжекцию заряда в нитрид кремния при подаче высокого потенциала на затвор транзистора (цикл записи или стирания информации) и препятствует растеканию этого заряда в отсутствии потенциала на затворе (хранение информации).

По мере повышения степени интеграции ИС становится необходимым получение пленок подзатворного диэлектрика с хорошо контролируемыми параметрами толщиной 20-50 нм. В ряде случаев необходимо иметь качественные пленки SiO₂ толщиной 5 - 100 нм под маскирующими слоями нитрида кремния для предотвращения появления дефектов в кремниевой подложке, обусловленных наличием механических напряжений.

Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления подбирают соответствующие температурно-временные условия (см. рис). Однако необходимо учитывать, что для пассивирования ионов натрия хлором, вводимым в пленку в процессе окисления, требуются достаточно высокие температуры окисления. Плотность окисла и концентрация дефектов в кремнии также определяются температурой. Часто применяется двухстадийный процесс сухого окисления кремния, состоящий из окисления с добавлением HCl при средних температурах (около 1000 °С), с последующей термообработкой в атмосфере O₂, N₂ и HCl при температуре 1150 °С.

Для получения высокооднородных пленок SiO₂ с воспроизводимыми свойствами используют также реакторы пониженного давления (РПД реакторы). Окисление, проводимое в РПД, позволяет синтезировать тонкие слои SiO₂ с точностью до нескольких ангстрем. Температура окисления T = 900 - 1000 °С, давление P = 30 - 300 Па. Окислы гомогенны, аналогичны окислам, полученным в реакторах атмосферного давления, напряженность электрического пробоя пленок E = 10 - 13 МВ/см. Толщина синтезируемых в РПД пленок составляет 2 - 14 нм.

Еще одним способом, используемым для производства тонких пленок SiO2, является их получение во влажной атмосфере, но при пониженной температуре (T = 750 °С) и атмосферном давлении (P = 1 МПа).

Толстые окисные пленки получают, как правило, во влажной атмосфере при повышенном давлении. По своим свойствам они более пористые, имеют меньшие значения напряженности пробоя. Такие пленки используются в биполярной технологии для создания окисной изоляции и в МОП технологии - для выращивания толстых изолирующих слоев. Верхний предел по толщине для термического окисления составляет 1-2 мкм. Пленку такой толщины получают при давлении 2·10⁶ Па при окислении в парах воды и температуре 900 °С в течение 1 - 2 часов.

Влияние ориентации на скорость окисления

1. Кристаллографическая ориентация кремния определяется ориентационной зависимостью и проявляется в зависимости линейной константы скорости роста.

2. Параболическая константа B не зависит от ориентации, так как определяется диффузионной стадией реакции.

Из эксперимента константы скорости роста для Si с ориентацией поверхности по плоскости (111) в 1,68 раз выше, чем по плоскости (100).

Влияние примесей

Так как окисление во влажном O₂ идет быстрее, чем в сухом, присутствие влаги в любом незначительном количестве ускоряет реакцию окисления в сухом O₂.

Проанализируем влияние некоторых из этих примесей:

1. Вода. Возрастание концентрации воды с 10^-4 до 1,5^.10^-3, увеличивая толщину с 30 нм до 37 нм при фиксированном времени.
2. Натрий. За счет изменения структуры связей в окисле ускоряет диффузию и увеличивает концентрацию O₂ в окисле.
3. Основные легирующие элементы - групп 3 и 4. На границе раздела растущего Si и SiO₂ происходит перераспределение примеси, она сегрегируется либо в кремнии, либо в окисле:

1) В окисле и остается там Þ химические связи в окисле ослабляются Þ повышается поток Þ увеличивается D (коэффициент диффузии).
В результате скорость окисления реакции повышается.
Если примеси диффундируют, то они не влияют на скорость окисления.
2) При высокой концентрации в кремнии увеличивается скорость окисления. (зависит линейная константа скорости и не зависит B).
Высокий уровень легирования приводит к изменению положения уровня Ферми Þ увеличивается концентрация вакансий Þ дополнительные реакционные места для протекания химической реакции.

Свойства термических пленок SiO₂

Основными контролируемыми параметрами пленок являются: коэффициент преломления, химический состав пленки, пористость, плотность, скорость травления, напряженность поля пробоя. Значения некоторых типичных характеристик термических пленок SiO₂ приведены в таблице: