7.11: Окислення кремнію

Примітка

Цей модуль був розроблений в рамках курсу Університету Райса CHEM-496: Хімія електронних матеріалів. Цей модуль був підготовлений за сприяння Andrea Keys.

Вступ

При виготовленні інтегральних схем (ІС) окислення кремнію є важливим, а виробництво чудових мікросхем вимагає розуміння процесу окислення та здатності утворювати оксиди високої якості. Діоксид кремнію має кілька застосувань:

1. Служить маскою проти імплантату або дифузії лепанта в кремній.
2. Забезпечує поверхневу пасивацію.
3. Ізолює один пристрій від іншого (діелектрична ізоляція).
4. Виступає в якості компонента в MOS-структурах.
5. Забезпечує електричну ізоляцію багаторівневих систем металізації.

Розроблено методи формування оксидних шарів на кремнії, що включають термічне окислення, вологе анодування, хімічне осадження пари (CVD) та плазмове анодування або окислення. Як правило, CVD використовується при нанесенні оксидного шару поверх металевої поверхні, а термічне окислення використовується, коли для розділу між оксидом та поверхнею кремнію потрібен низький рівень щільності заряду.

окислення кремнію

Поверхня кремнію має високу спорідненість до кисню і, таким чином, оксидний шар швидко утворюється при впливі атмосфери. Хімічні реакції, які описують це утворення:

\[ \text{Si}_{\text{(s)}} \text{ + O}_{\text{2(g)}} \rightarrow \text{SiO}_{\text{2(s)}} \]

\[ \text{Si}_{\text{(s)}} \text{ + 2 H}_2\text{O}_{\text{(g)}} \rightarrow \text{SiO}_{\text{2(s)}} \text{ + 2 H}_{\text{2(g)}}\]

У першій реакції використовується сухий процес із залученням газу кисню як джерела кисню, а друга реакція описує вологий процес, який використовує пару. Сухий процес забезпечує «хороший» діоксид кремнію, але є повільним і в основному використовується на початку обробки. Волога процедура є проблематичною в тому, що чистота використовуваної води не може бути гарантована в належному ступені. Цю проблему можна легко вирішити за допомогою пірогенної техніки, яка поєднує в собі водень і кисневі гази з утворенням водяної пари дуже високої чистоти. Підтримка реагентів високої якості має важливе значення для виготовлення інтегральних мікросхем і є проблемою, яка страждає на кожному кроці цього процесу.

Формування оксидного шару включає спільні валентні електрони між кремнієм і киснем, що дозволяє поверхні кремнію позбавити себе від «звисаючих» зв'язків, таких як одинокі пари та вакантні орбіталі. Ці вакансії створюють середні зазорні стани між валентною та провідною смугами, що запобігає бажаному зонному зазору напівпровідника. Міцність зв'язку Si-O є ковалентною (сильною), і тому може бути використана для досягнення втрати станів середнього розриву та пасивування поверхні кремнію.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Видалення звисаючих зв'язків шляхом окислення поверхні.

Окислення кремнію відбувається на межі розділу кремній-оксид і складається з чотирьох етапів:

1. Дифузійний транспорт кисню через дифузійний шар в паровій фазі, що прилягає до розділу розділу оксид-пар кремнію.
2. Включення кисню на зовнішній поверхні в плівку оксиду кремнію.
3. Дифузійний транспорт через плівку оксиду кремнію до її межі межі з кремнієвою решіткою.
4. Реакція кисню з кремнієм на цьому внутрішньому інтерфейсі.

У міру переміщення інтерфейсу Si-SiO ₂ в кремній його обсяг розширюється, і на основі щільності і молекулярних мас Si і SiO ₂, 0.44 Å Si використовується для отримання 1.0 Å SiO ₂.

Очищення попереднього окислення

Першим кроком окислення поверхні кремнію є видалення нативного оксиду, який утворюється внаслідок впливу відкритого повітря. Це може здатися зайвим, щоб видалити оксид лише для того, щоб покласти на інший, але це необхідно, оскільки існує невизначеність щодо чистоти оксиду, який присутній. Забруднення нативного оксиду як органічними, так і неорганічними матеріалами (що виникає в результаті попередніх етапів обробки та обробки) повинно бути видалено, щоб запобігти погіршенню основних електричних характеристик пристрою. Звичайна процедура використовує суміш H ₂ O-H ₂ O ₂ -NH ₄ OH, яка видаляє присутню органіку, а також деякі метали I та II групи. Видалення важких металів може бути досягнуто за допомогою суміші H ₂ O-H _{2 O 2} -HCl, яка комплексує з утвореними іонами. Після видалення нативного оксиду бажаний оксид можна вирощувати. Цей ріст корисний тим, що забезпечує: хімічний захист, умови, придатні для літографії, і пасивацію. Захист запобігає виникненню небажаних реакцій і пасивація заповнює вакансії зв'язків на поверхні, відсутні всередині кристала. Таким чином окислення поверхні кремнію виконує кілька функцій за один прийом.

Термічне окислення

Зростання оксидів на поверхні кремнію може бути особливо стомлюючим процесом, оскільки ріст повинен бути рівномірним і чистим. Товщина хотіла зазвичай падає в діапазоні 50 - 500 Å, що може зайняти багато часу і повинно бути зроблено у великих масштабах. Це робиться шляхом укладання кремнієвих пластин в горизонтальну кварцову трубку, тоді як джерело кисню протікає над пластинами, які розташовані вертикально в щілинному веслі (човні). Ця процедура проводиться при тиску 1 атм, а температура коливається від 700 до 1200° C, витримуючись до ± 1° C для забезпечення однорідності. Вибір методики окислення залежить від необхідної товщини і властивостей оксиду. Оксиди, які є відносно тонкими і ті, які вимагають низького заряду на межі розділу, зазвичай вирощуються в сухому кисні. Коли потрібні товсті оксиди (> 0,5 мм) бажані, пара є джерелом вибору. Пар може використовуватися при широкому діапазоні тиску (від 1 атм до 25 атм), а більш високі тиску дозволяють досягти зростання густого оксиду при помірних температурах за розумні проміжки часу.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Горизонтальна дифузійна трубка, що показує окислення кремнієвих пластин при тиску 1 атм.

Товщина шарів SiO ₂ на підкладці Si легко визначається кольором плівки. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено орієнтир для термічно вирощених оксидів.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Колірна схема термічно вирощених плівок SiO ₂, що спостерігаються при денному люмінесцентному освітленні.

Товщина плівки (мкм)	Колір	Товщина плівки (мкм)	Колір
0,05	засмага	0,63	фіолетово-червоний
0,07	коричневий	0,68	«синюватий»
0,10	від темно-фіолетового до червоно-фіолетового	0,72	синьо-зелений до зеленого
0,12	королівський синій	0,77	«жовтуватий»
0,15	світло-блакитний до металевого синього	0,80	помаранчевий
0,17	від металевого до світло-жовто-зеленого	0.82	лосось
0,20	світле золото	0,85	світло-червоно-фіолетовий
0,22	золото	0,86	фіолетовий
0,25	апельсин щоб диня	0,87	синій фіолетовий
0,27	червоно-фіолетовий	0,89	блакитний
0,30	від синього до фіолетово-синього	0,92	синьо-зелений
0,31	блакитний	0,95	жовто-зелений
0,32	синій до синьо-зеленого	0,97	жовтий
0,34	світло-зелений	0,99	помаранчевий
0,35	від зеленого до жовто-зеленого	1.00	гвоздика рожева
0,36	жовто-зелений	1.02	фіолетово-червоний
0,37	зелено-жовтий	1.05	червоно-фіолетовий
0,39	жовтий	1.06	фіолетовий
0,41	світло-помаранчевий	1.07	синьо-фіолетовий
0,42	гвоздика рожева	1.10	зелений
0,44	фіолетово-червоний	1.11	жовто-зелений
0,46	червоно-фіолетовий	1.12	зелений
0,47	фіолетовий	1.18	фіолетовий
0,48	синьо-фіолетовий	1.19	червоно-фіолетовий
0,49	блакитний	1.21	фіолетово-червоний
0,50	синій зелений	1.24	гвоздика рожева до лосося
0,52	зелений	1,25	помаранчевий
0,54	жовто-зелений	1.28	«жовтуватий»
0,56	зелено-жовтий	1.32	небесно-блакитний до зелено-блакитного
0,57	«жовтуватий»	1.40	помаранчевий
0,58	світло-помаранчевий до рожевого	1.46	синьо-фіолетовий
0,60	гвоздика рожева	1,50	синій

Окислення під високим тиском

Окислення під високим тиском - ще один метод окислення поверхні кремнію, який контролює швидкість окислення. Це можливо тому, що швидкість пропорційна концентрації оксиду, яка, в свою чергу, пропорційна парціальному тиску окислювальних видів, згідно із законом Генрі (7.11.3), де C - рівноважна концентрація оксиду, H - константа закону Генрі, а p _O - парціальний тиск окислювального виду.

\[\text{C = H}_{\text{(pO)}}\]

Такий підхід швидкий, зі швидкістю окислення в межах від 100 до 1000 мм/год, а також відбувається при відносно низькій температурі. Це корисний процес, що запобігає зміщенню легуючих речовин, а також утворює низьку кількість дефектів, що є найбільш корисним в кінці обробки.

Окислення плазми

Плазмове окислення та анодування кремнію легко досягається за допомогою використання активованого кисню в якості окислювальних видів. Високоактивний кисень утворюється всередині електричного розряду або плазми. Окислення здійснюється в камері низького тиску (0,05 - 0,5 Торр), а плазма виробляється або джерелом електронів постійного струму, або високочастотним розрядом. При простому окисленні плазми зразок (тобто кремнієвої пластини) утримується при потенціалі заземлення. На відміну від цього, системи аніодування зазвичай мають зміщення постійного струму між зразком та електродом із позитивним зміщенням зразка щодо катода. В якості катодів зазвичай використовуються платинові електроди.

Повідомлялося, щонайменше 34 різних реакцій, що відбуваються в плазмі кисню, однак переважна більшість з них є несуттєвими щодо утворення активних видів. Крім того, багато потенційно активних видів досить недовговічні, що навряд чи вони вносять значний внесок. Первинними активними видами в плазмі кисню, безсумнівно, є O ^- і O ²⁺. Обидва виробляються в майже рівних кількостях, хоча лише перше має відношення до анодизації плазми. Хоча ці види можуть бути активними щодо поверхневого окислення, більш імовірно, що перенесення електронів відбувається з поверхні напівпровідника, дає активовані види кисню, які є фактичними реагентами при окисленні кремнію.

Істотною перевагою плазмових процесів є те, що, хоча електронна температура іонізованого газу кисню перевищує 10 000 К, необхідні теплові температури значно нижчі, ніж необхідні для методу високого тиску, тобто < 600° С. : мінімізація дифузії легуючих речовин і перешкода генерації дефектів. Незважаючи на ці переваги, є два основних недоліки будь-якого процесу на основі плазми. По-перше, високі електричні поля, присутні під час процесів, спричиняють пошкодження результуючого оксиду, зокрема, часто призводить до високої щільності інтерфейсних пасток. Однак після відпалу може покращити якість плівки. По-друге, темпи росту окислення плазми низькі, як правило, 1000 Å/год. ця швидкість росту збільшується приблизно в 10 разів для анодирования плазми, і подальші поліпшення спостерігаються, якщо до джерела кисню додається 1 - 3% хлору.

Маскування

Селективну маску проти дифузії легуючих атомів при високих температурах можна знайти в шарі діоксиду кремнію, що може виявитися дуже корисним при обробці інтегральних схем. Попереднє осадження легуючої речовини шляхом іонної імплантації, хімічної дифузії або накручування методів зазвичай призводить до джерела легуючої речовини на поверхні оксиду або поблизу неї. Під час початкової високотемпературної стадії дифузія в оксиді повинна бути досить повільною щодо дифузії в кремнію, щоб легуючі речовини не дифузували через оксид у маскованій області і досягали поверхні кремнію. Необхідна товщина може бути визначена шляхом експериментального вимірювання, при певній температурі та часі, товщини оксиду, необхідної для запобігання інверсії злегка легованої кремнієвої підкладки протилежної провідності. До цього потім додається коефіцієнт запасу міцності, з типовими сумарними значеннями в межах від 0,5 до 0,7 мм. Маскуючі властивості домішок виникають, коли оксид частково перетворюється в «скляну» фазу оксиду кремнезему та запобігає потраплянню домішок до інтерфейсу SiO ₂ -Si.

Бібліографія

• Аталла М.М., у властивостях елементарних і складових напівпровідників, за ред. Г.Гатос, Міжнаукові: Нью-Йорк (1960).
• С. К. Ганді, Принципи виготовлення СБСІ, Кремній і арсенід галію, Вілі, Чичестер, 2-е видання (1994).
• С.М., Фізика напівпровідникових приладів, 2-е видання, Джон Уайлі та сини, Нью-Йорк (1981).
• Д. л. Ліле, Твердотільний електрон. , 1978, 21, 1199.
• Спайсер, П. В. Че, П.Р. Skeath, і К.Ю. Су, І. Ліндау, J.Vac. Науковий. Технол. , 1979, 16, 1422.
• В.К. хо та Т. Сугано, IEEE Trans. Електронні прилади, 1980, ЕД-27, 1436.
• J.R. Hollanhan і A.T. Bells, Методи та застосування плазмової хімії, Уайлі, Нью-Йорк (1974).
• Чанг Р.П. і А.К. Сінха, апл. Фіз. Літт., 1976, 29, 56.