ФОРМИРОВАНИЕ СЛОЕВ ОКСИДА КРЕМНИЯ В АТМОСФЕРЕ СУХОГО КИСЛОРОДА НА КРЕМНИИ. Формирование слоев оксида кремния в атмосфере сухого кислорода на кремнии
![]()
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра ФЭТ отчет по лабораторной работе №3 по дисциплине «Компьютерные технологии» Тема: Формирование слоев оксида кремния в атмосфере сухого кислорода на кремнии
Санкт-Петербург 2022 Цели работы: приобретение навыков моделирования процесса выращивания оксида кремния в сухом кислороде на подложке из кремния. Моделирование осуществляется в специализированном пакете Synopsys Sentaurus TCAD модулем Sentaurus Process. Общие теоретические положения Пленка оксида кремния служит в качестве маски при ионной имплантации или диффузии легирующей примеси в кремний, для пассивирования поверхности структур, для изоляции приборов друг от друга, выступает в роли одного из основных компонентов в структурах металл–оксид–полупроводник (МОП-структурах), и обеспечивает электрическую изоляцию в системах многослойной металлизации. Для создания надежных высококачественных полупроводниковых приборов ИС требуется не только понимать основной механизм окисления, но и обладать возможностью формировать высококачественный окисел контролируемым и воспроизводимым образом. Кроме того, нужно знать зависимость электрических свойств окисла от технологических параметров процесса окисления, для того чтобы гарантировать надежность полупроводниковых приборов ИС. Под окислением полупроводников понимают процесс их взаимодействия с окисляющими агентами: кислородом, водой, озоном и т. д. При определенных условиях скорость процесса окисления по мере роста концентрации окислителя уменьшается. Это явление часто называют пассивностью и связывают с образованием тонкой диэлектрической пленки, препятствующей переносу окислителя к реакционной поверхности раздела. В 1958 г. К. Вагнер ввел понятие об активном и пассивном окислении, имея в виду в первом случае процессы, не связанные с образованием оксидных пленок на поверхности исходного материала. Пассивное окисление отсутствует, когда выделяющиеся продукты реакции удаляются со скоростями, большими скорости их образования. В настоящее время процессы активного и пассивного окисления полупроводников широко используются в технологии производства современных полупроводниковых приборов при проведении операций химического или газового травления, эпитаксии, термического окисления и диффузии. При этом основное внимание технологов и разработчиков сосредоточено на процессах пассивного окисления, что объясняется первостепенной ролью пленок термически выращенной двуокиси кремния. Растворимость кислорода в кремнии довольно высока, поэтому процессы диффузии частиц окислителя в поверхностный слой подложки следует отнести к числу основных факторов, влияющих на кинетику окисления кремниевых пластин и структуру окисных пленок. Окисление материалов можно свести к трем основным стадиям: Адсорбция окислителя на поверхности материала. Диффузия частиц окислителя или окисляемого материала через пленку окисла. 3.Химическая реакция между окислителем и материалом. При окислении либо атомы окислителя (кислорода) должны проникать внутрь материала через пленку окисла, либо частицы материала должны пере мещаться к наружному слою пленки, либо эти два процесса будут происходить одновременно. Исходя из этого, видно, что в металлах данный процесс будет протекать только в том случае, когда ![]() ![]() ![]() По величине ![]() ![]() ![]() В тех случаях, когда на границе раздела фаз необходимо получить низкую плотность поверхностных состояний, предпочте отдается методу термического окисления. Однако в связи с тем, что маскирующий окисел впоследствии чаще всего удаляют, условие получения минимальной плотности поверхностных состояний не играет роли при выборе метода формирования маскирующего слоя для процессов диффузии легирующей примеси в кремний. Очевидно, что при необходимости формирования окисной пленки на поверхности металлического слоя (а это характерно для процессов формирования многослойной металлизации) пригодными оказываются только методы газофазного осаждения. Опишем химическую реакцию окисления кремния: ![]() Процесс проводят при температуре 900…1200 °С либо в сухом кислороде по реакции (3.1), либо в увлажненном кислороде с использованием реакций (3.1), (3.2). На практике нередко применяют комбинированное окисление: сначала в сухом кислороде формируют совершенную границу раздела при толщине оксида до 0,1 мкм, а затем в увлажненном кислороде увеличивают толщину слоя до 0,4…0,8 мкм. Согласно данным радиоизотопного анализа окисляющий агент (O2 или ![]() Процесс сухого окисления. Кремниевые пластины, подвергаемые окислению, сначала очищаются с помощью детергента и водного раствора, растворителей с ксилолом, изопропиловым спиртом или других веществ. Очищенные пластины высушиваются и загружаются в кварцевый держатель для пластин, который называется лодочкой. Затем они помещаются в кварцевую трубу или ячейку диффузионной печи с операторского конца (загрузочный конец). Через входной конец трубы (источник) подается высокочистый кислород или смесь кислорода и азота. Поток «сухого» кислорода контролируется в кварцевой трубе, он обеспечивает избыток кислорода для выращивания оксида кремния на поверхности кремниевой пластины. Обработка результатов эксперимента Моделирование в Synopsys Sentaurus TCAD. ![]() Рисунок 1 – Код программы Synopsys Sentaurus TCAD ![]() Рисунок 2 – Пример полученной структуры SiO2 на Si, для ориентации 100, времени выращивания 50 минут и температуры 900 ℃ При получении результатов, приведенных на рисунках 1 и 2, были выбраны фиксированные параметры: температура ![]() ![]() ![]() Формулы и постоянные для теоретического расчета ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Сравнение теоретических и моделированных результатов ![]() Рисунок 3 – Зависимость толщины выращенного оксида от времени при температуре 900 ℃ и кристаллографическом направлении 100 ![]() Рисунок 4 – Зависимость толщины выращенного оксида от температуры при кристаллографическом направлении 100 и времени 50 мин. Представлены графики зависимостей толщины диоксида кремния ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 5 – Зависимость толщины выращенного оксида от времени проведения эпитаксии для различных кристаллографических направлений Выводы: В ходе выполнения лабораторной работы №3 был сформирован слой оксида кремния в атмосфере сухого кислорода в программном пакете Synopsys Sentaurus TCAD. Получили зависимости толщины оксидного слоя от времени, температуры и различных кристаллографических направлений. На рисунке 3 указана зависимость толщины оксидного слоя от времени его роста. Её вид обуславливается тем, что на начальном этапе графика у нас толщина оксидного слоя пропорциональная константа соответствует формуле h(t)≈Cл*t, где Сл – константа линейного роста. Сама константа линейного роста пропорциональная парциальному давлению окислителя в газовой фазе и коэффициенту растворимости молекул окислителя. Процесс окисления на начальном этапе протекает в кинетической области. Скорость роста линейно возрастёт при увеличении парциального давления окислителя в газовой фазе. На начальном этапе при слое с малой толщиной диффузия молекул через тонкий слой протекает достаточно быстро. На втором этапе у нас начинается параболический рост. Константа параболического роста также зависит от парциального давления. Теперь процесс у нас протекает в диффузионной области. Он управляется только диффузионным массопереносом. Через толстый слой окисла будет переносится гораздо меньше молекул, чем при обычной химической реакции. Но всё также константа параболического роста имеет вид p01/2. На рисунке 4 указана зависимость толщины оксидного слоя от температуры. Вид зависимости обуславливается тем, что на первом этапе у нас виден линей рост в кинетической области. Он обуславливается тем, что у нас идёт конкуренция двух температурных зависимостей для константы роста и коэффициента растворимости. Величина коэффициента растворимости при увеличении температуры уменьшается, но при всём этом произведение этих зависимостей растёт из-за доминирующего вклада закона Аррениуса. Поэтому при увеличении температуры у нас будет увеличиваться и константа линейного роста, которая прямопропроциональна этим двум температурным зависимостям. В диффузионной области же у нас параболический рост определяет коэффициент газопроницаемости. Энергия активации процесса диффузии теперь превосходит теплоту молекулярного растворения из-за чего вклад коэффициента газопроницаемости для коэффициента диффузии преобладает над температурной зависимостью коэффициента растворимости. Поэтому при увеличении температуры будет увеличиваться и константа параболического роста, которая прямопропорциональна коэффициенту газопроницаемости. На рисунке 5 приведена зависимость толщины пленки оксида от времени проведения эпитаксии для различных кристаллографических направлений при температуре 900 ℃. Как видно из рисунка, кристаллографическому направлению [111] соответствует наибольшая скорость роста. Кристалл при ориентации 111 имеет большую поверхностную энергию, что способствует большему выращиванию окислов. Соответственно кристаллы при 101 и 100 ориентациях имеют меньшую поверхностную энергию. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Александров, О. В. Модель термического окисления кремния на фронте объемной реакции / О. В. Александров, А. И. Дусь // Физика и техника полупроводников. – 2008. – Т. 42. – №. 11. – С. 1400. 2. Irene, E. A. Silicon Oxidation Studies: Some Aspects of the Initial Oxidation Regime / E. A. Irene // Journal of The Electrochemical Society. – 1978. – V. 125. – № 10. – P. 1708. |