Термическое окисление

В микропроизводстве термическое окисление — это способ получения тонкого слоя оксида (обычно диоксида кремния) на поверхности пластины. Этот метод заставляет окислитель диффундировать в пластину при высокой температуре и реагировать с ней. Скорость роста оксида часто предсказывается моделью Дила–Гроува. Термическое окисление может применяться к различным материалам, но чаще всего включает окисление кремниевых подложек для получения диоксида кремния.

Химическая реакция

Термическое окисление кремния обычно выполняется при температуре от 800 до 1200 °C, в результате чего образуется так называемый слой High Temperature Oxide (HTO). В качестве окислителя может использоваться либо водяной пар (обычно пар UHP), либо молекулярный кислород; следовательно, его называют либо мокрым, либо сухим окислением. Реакция является одной из следующих:

${\displaystyle {\rm {Si+2H_{2}O\rightarrow SiO_{2}+2H_{2\ (g)}}}}$

${\displaystyle {\rm {Si+O_{2}\rightarrow SiO_{2}\,}}}$

Окислительная среда может также содержать несколько процентов соляной кислоты (HCl). Хлор нейтрализует ионы металлов, которые могут находиться в оксиде.

Термический оксид включает кремний, потребляемый из подложки, и кислород, поставляемый из окружающей среды. Таким образом, он растет как вниз в пластину, так и вверх из нее. На каждую единицу толщины потребляемого кремния появится 2,17 единицы толщины оксида. Если окисляется голая поверхность кремния, 46% толщины оксида будет лежать ниже исходной поверхности и 54% выше нее.

Модель Дил-Гроув

Согласно общепринятой модели Дила-Гроува, время τ, необходимое для роста оксида толщиной X_o при постоянной температуре на чистой поверхности кремния, составляет:

${\displaystyle \tau ={\frac {X_{o}^{2}}{B}}+{\frac {X_{o}}{({\frac {B}{A}})}}}$

где константы A и B относятся к свойствам реакции и оксидного слоя соответственно. Эта модель была дополнительно адаптирована для учета самоограничивающихся процессов окисления, используемых для изготовления и морфологического проектирования Si-нанопроводов и других наноструктур.

Если пластина, которая уже содержит оксид, помещается в окислительную среду, это уравнение должно быть изменено путем добавления корректирующего члена τ, времени, которое потребовалось бы для роста уже существующего оксида в текущих условиях. Этот член может быть найден с помощью уравнения для t выше.

Решение квадратного уравнения относительно X_o дает:

${\displaystyle X_{o}(t)=A/2\cdot \left[{\sqrt {1+{\frac {4B}{A^{2}}}(t+\tau )}}-1\right]}$

Технология окисления

Большая часть термического окисления выполняется в печах при температурах от 800 до 1200 °C. Одна печь принимает много пластин одновременно в специально разработанной кварцевой стойке (называемой «лодочкой»). Исторически лодочка входила в камеру окисления сбоку (такая конструкция называется «горизонтальной») и удерживала пластины вертикально, рядом друг с другом. Однако многие современные конструкции удерживают пластины горизонтально, друг над другом и друг под другом, и загружают их в камеру окисления снизу.

Поскольку вертикальные печи стоят выше горизонтальных печей, они могут не поместиться в некоторых микропроизводственных цехах. Они помогают предотвратить загрязнение пылью. В отличие от горизонтальных печей, в которых падающая пыль может загрязнить любую пластину, вертикальные печи используют закрытые шкафы с системами фильтрации воздуха, чтобы предотвратить попадание пыли на пластины.

Вертикальные печи также устраняют проблему, которая мешала горизонтальным печам: неравномерность выращенного оксида по всей пластине. Горизонтальные печи обычно имеют конвекционные потоки внутри трубки, из-за чего нижняя часть трубки немного холоднее верхней. Поскольку пластины лежат вертикально в трубке, конвекция и температурный градиент с ней приводят к тому, что верхняя часть пластины имеет более толстый оксид, чем нижняя часть пластины. Вертикальные печи решают эту проблему, располагая пластину горизонтально, а затем направляя поток газа в печи сверху вниз, что значительно подавляет любые тепловые конвекции.

Вертикальные печи также позволяют использовать загрузочные шлюзы для продувки пластин азотом перед окислением, чтобы ограничить рост собственного оксида на поверхности Si.

Качество оксида

Мокрое окисление предпочтительнее сухого окисления для выращивания толстых оксидов из-за более высокой скорости роста. Однако быстрое окисление оставляет больше оборванных связей на кремниевом интерфейсе, которые создают квантовые состояния для электронов и позволяют току протекать вдоль интерфейса. (Это называется «грязным» интерфейсом.) Мокрое окисление также дает оксид с меньшей плотностью и меньшей диэлектрической прочностью.

Длительное время, необходимое для выращивания толстого оксида при сухом окислении, делает этот процесс непрактичным. Толстые оксиды обычно выращиваются с помощью длительного влажного окисления, сопровождаемого короткими сухими (цикл сухой-мокрый-сухой). В начале и в конце сухого окисления образуются пленки высококачественного оксида на внешней и внутренней поверхности оксидного слоя соответственно.

Подвижные ионы металлов могут ухудшить работу МОП-транзисторов (натрий вызывает особую озабоченность). Однако хлор может иммобилизовать натрий, образуя хлорид натрия. Хлор часто вводится путем добавления хлористого водорода или трихлорэтилена в окислительную среду. Его присутствие также увеличивает скорость окисления.

Другие заметки

Термическое оксидирование может выполняться на выбранных участках пластины и блокироваться на других. Этот процесс, впервые разработанный в Philips, обычно называют процессом локального окисления кремния (LOCOS). Области, не подлежащие окислению, покрываются пленкой нитрида кремния, которая блокирует диффузию кислорода и паров воды за счет их окисления с гораздо меньшей скоростью. Нитрид удаляется после завершения окисления. Этот процесс не может создать резкие детали, поскольку боковая (параллельная поверхности) диффузия молекул окислителя под нитридной маской приводит к выступанию оксида в замаскированную область.

Поскольку примеси растворяются по-разному в кремнии и оксиде, растущий оксид будет избирательно поглощать или отталкивать легирующие примеси. Это перераспределение регулируется коэффициентом сегрегации, который определяет, насколько сильно оксид поглощает или отталкивает легирующую примесь, и диффузионной способностью.

Ориентация кристалла кремния влияет на окисление. Пластина <100> (см. индексы Миллера) окисляется медленнее, чем пластина <111>, но создает электрически более чистый оксидный интерфейс.

Термическое окисление любого типа производит более качественный оксид с гораздо более чистым интерфейсом, чем химическое осаждение оксида из паровой фазы, приводящее к низкотемпературному оксидному слою (реакция TEOS при температуре около 600 °C). Однако высокие температуры, необходимые для получения высокотемпературного оксида (HTO), ограничивают его применимость. Например, в процессах MOSFET термическое окисление никогда не выполняется после выполнения легирования выводов истока и стока, поскольку это нарушит размещение легирующих примесей.

Notes

Sources