1.1. Кинетика процесса и способы окисления

Термическое окисление широко используется в планарной технологии из-за возможности получения высококачественных слоев SiO₂, простоты и технологичности метода. В процессе термического окисления нагретые до температуры 900–1200 С кремниевые подложки выдерживают в окислительной атмосфере — кислороде, водяном паре или их смеси ("влажном" кислороде). Частицы окислителя диффундируют через уже образовавшийся окисел, реагируя с кремнием на границе Si—SiO₂. По мере окисления граница раздела "вдвигается" в кремний, образуя таким образом новую чистую поверхность кремния. Вследствие различия плотностей и молекулярных весов Si и SiO₂ при формировании слоя окисла толщиной d поглощается слой кремния толщиной 0,44d.

При расчете толщины окисла как функции времени окисления обычно исходят из равенства потоков окислителя через внешнюю поверхность уже образованного окисла, окисел и границу Si—SiO₂, что дает зависимость вида

(1.1)

где K_P, K_L – соответственно параболическая, мкм²/ч, и линейная, мкм/ч, константы скорости окисления; τ – поправка на исходную толщину d₀ окисла, τ=d₀²/K_P+d₀/K_L. Линейная константа скорости определяет ход окисления в начальные моменты времени, когда (t+τ)<K_P/4K_L² и слой окисла еще тонкий, в то время как параболическая константа определяет ход процесса в целом при высоких температурах и толстых слоях окисла. Константа K_P принципиально связана с диффузией окислителя и, следовательно, зависит от любого параметра процесса, изменяющего скорость диффузии. На константу K_L прежде всего влияют параметры, определяющие скорость химической реакции на границе раздела Si—SiO₂. Важнейшими из них являются ориентация поверхности и уровень легирования подложки.

Значения констант скорости окисления кремния с ориентацией поверхности по плоскости (111) в сухом и влажном кислороде, причем для второго при давлении паров воды 85 кПа (H₂O при 95 С), и экстраполяция к атмосферному давлению 10⁵ Па по H₂O могут быть рассчитаны соответственно из выражений:

Константы скорости окисления для кремния с ориентацией поверхности по плоскости (100) в 1,68 раза ниже.

Коэффициент K_P растет при окислении сильнолегированного кремния из-за увеличения коэффициента диффузии окислителя в сильнолегированном SiO₂. Коэффициент K_L также увеличивается, что связано с повышением концентрации заряженных вакансий в сильнолегированном кремнии. Предполагается, что вакансии на границе раздела Si—SiO₂ являются местами, в которых происходит реакция окисления.

Величина начальной толщины окисного слоя при сухом окислении принимается равной 25 нм (естественный окисный слой), а при влажном — нулю.

Для практических целей планарной технологии толщина окисного слоя должна составлять 0,2–0,8 мкм. Это связано с тем, что при использовании более толстых слоев клин травления при проведении процесса фотолитографии возрастает и ограничивает возможность получения микроизображения требуемого размера. При использовании слоев толщиной менее 0,2 мкм увеличивается вероятность появления в них сквозных отверстий и пор, которые при диффузии приводят к локальному проникновению диффузанта в подложку.

Р

O₂

Ar

ис. 1.1. Схема установки термического окисления: 1 – вентиль; 2 – ротаметр; 3 – осушитель; 4 – барботер с нагревателем, заполненный водой; 5 – кварцевая труба; 6 – печь; 7 – пластины в лодочке; 8 – ограничитель встречного течения газа

Выбор способа окисления определяется необходимой толщиной и свойствами формируемого окисла. Скорость окисления в парах воды и во влажном кислороде значительно выше, чем в сухом кислороде, что обусловлено видом диффундирующих через окисел частиц. Поэтому время, необходимое для получения окисного слоя требуемой толщины, в случае использования первых двух способов гораздо меньше. Однако слои SiO₂, выращенные в парах воды и во влажном кислороде, обладают худшими электрическими и защитными свойствами, чем слои, выращенные в сухом кислороде. Поэтому относительно тонкие окисные слои и те окислы, для которых поставлено условие получения минимального заряда на границе разделе Si—SiO₂, обычно выращиваются в сухом кислороде. При формировании толстых окисных слоев (>0,5 мкм) используют окисление во влажном кислороде (как правило, при ~1 атм либо при повышенном давлении до 25 атм). Более высокое давление позволяет выращивать толстые окисные слои при средних температурах и приемлемых затратах времени. Используется также формирование SiO₂ в комбинированных режимах. После окисления во влажном кислороде проводится окисление в сухом кислороде. При этом скорость роста и толщина слоя определяются первым этапом, а во время второго этапа удаляется влага из слоя SiO₂, происходит дополнительный незначительный рост слоя окисла, а главное, уплотняется выращенный на первом этапе слой.

Наиболее распространенный способ термического окисления при атмосферном давлении реализуется в кварцевых диффузионных трубах (5 на рис. 1.1), где кремниевые подложки 7 располагаются в вертикальном положении. В зависимости от способа окисления через трубу пропускается только сухой кислород (вентиль барботера 4 закрыт) — окисление в сухом кислороде; либо смесь кислорода и паров воды, парциальное давление которых можно изменять в широких пределах изменением температуры барботера, — окисление во влажном кислороде; либо только водяной пар, получаемый кипячением деионизованной воды в барботере, — окисление в потоке водяного пара.

Получение паров воды высокой чистоты за счет реакции H₂ и O₂ гарантирует пирогенный метод.