Влияние технологических факторов на скорость термического окисления кремния

1. Влияние температуры и среды окисления на скорость термического окисления осуществляется через константы линейного и параболического окисления, которые являются функцией температуры окисления аррениусовского вида (рис. 2.2):

.

Параметры k_{0 l, p} и E_{l, p} зависят от среды окисления (табл. 2.2). В среде водяного пара обе константы окисления и, соответственно, скорость окисления выше, чем в среде сухого кислорода. Зависимости толщины
диоксида от времени окисления в среде водяного пара и сухого кислорода показаны на рис. 2.3, а, б.

Таблица 2.2. Параметры температурной зависимости констант

скорости окисления Si (111) при давлении окислителя p = p_a = 1 атм.

2. Влияние давления окислителя. Как показано в 2.3, обе константы скорости окисления зависят от концентрации окислителя на внешней границе диоксида C₀:

,

которая согласно закону Генри пропорциональна давлению окислителя. Поэтому при окислении под давлением обе константы окисления возрастают в первом приближении пропорционально давлению окислителя p:

.

При окислении в смеси газов необходимо учитывать соответствующие парциальные давления каждого газа, например, для влажного окисления

3. Влияние ориентации поверхности кремния. Константы скорости линейного окисления зависят от ориентации поверхности окисляемых пластин кремния следующим образом:

k_l (111) : k_l (110) : k_l (100) = 1 : 0.83 : 0.60.

Влияние ориентации на скорость окисления связывается с ретикулярной плотностью окисляющихся атомов кремния на соответствующих поверхностях монокристалла: N(111) = 11.8×10¹⁴ см^–2, N(110) = 9.6×10¹⁴ см^–2, N(100) = 6.8×10¹⁴ см^–2. Константы скорости параболического окисления не зависят от ориентации поверхности.

4. Влияние легирования. При увеличении уровня легирования кремния выше собственной концентрации носителей заряда (С > n_i) наблюдается рост константы скорости линейного окисления для всех основных легирующих примесей (B, P, As, Sb), а также рост константы скорости параболического окисления для примеси бора. Увеличение констант скорости линейного окисления связывается с увеличением суммарной концентрации вакансий в сильно легированном кремнии:

,

где – концентрации нейтральных, однократно и двукратно положительно и отрицательно заряженных вакансий. Вакансии способствуют окислению кремния, так как являются носителями свободного объёма. Последний необходим для твёрдофазной реакции окисления кремния, поскольку молекулярный объём диоксида кремния

больше атомного объёма кремния

,

где N_A – постоянная Авагадро, N_A = 6.03×10²³ ат/моль; M – молярная масса (M(Si) = 28 г/моль, M(SiO₂) = 28 + 2 · 16 = 60 г/моль); r – плотность (r(Si) =
= 2.3 г/см³, r(SiO₂) = 2.2 г/см³).

Увеличение константы скорости параболического окисления для кремния, сильно легированного примесью бора, связано с захватом этой примеси растущим окислом, коэффициент сегрегации бора m_s =
= C_B(Si) / C_B(SiO₂) < 1. При этом происходит изменение структуры диоксида кремния, приводящее к увеличению скорости диффузии окислителя. Другие основные легирующие примеси (P, As, Sb) имеют коэффициент сегрегации m_s >> 1 и поэтому практически не захватываются диоксидом.