Термическое окисление - Thermal oxidation

Печи, используемые для диффузии и термического окисления на LAAS технологический комплекс в Тулузе, Франция.

В микротехнология, термическое окисление способ получения тонкого слоя окись (обычно диоксид кремния ) на поверхности вафля. Этот метод заставляет окислитель диффундировать в пластину при высокой температуре и реагировать с ней. Скорость роста оксида часто предсказывается Модель Дил-Гроув.[1] Термическое окисление может применяться к различным материалам, но чаще всего включает окисление кремний субстраты для производства диоксид кремния.

Химическая реакция

Термическое окисление кремния обычно проводят при температуре от 800 до 1200 ° С. ° C, в результате чего так называемые Высокотемпературный оксид слой (HTO). Он может использовать либо водяной пар (обычно Пар сверхвысокого давления ) или молекулярный кислород как окислитель; поэтому он называется либо мокрый или сухой окисление. Реакция может быть одной из следующих:

Окисляющая среда может также содержать несколько процентов соляная кислота (HCl). Хлор удаляет ионы металлов, которые могут присутствовать в оксиде.

Термический оксид включает кремний, потребляемый из подложки, и кислород, поступающий из окружающей среды. Таким образом, он прорастает как вниз в пластину, так и вверх из нее. На каждую единицу толщины израсходованного кремния появится 2,17 единицы толщины оксида.[2] Если чистая поверхность кремния окислена, 46% толщины оксида будет лежать ниже исходной поверхности и 54% над ней.

Модель Дил-Гроув

Основная статья: Модель Дил-Гроув

Согласно широко используемой модели Дил-Гроув, время τ требуется для выращивания оксида толщиной Иксо, при постоянной температуре на голой поверхности кремния составляет:

где константы A и B относятся к свойствам реакции и оксидного слоя соответственно. Эта модель была дополнительно адаптирована для учета самоограничивающийся процессы окисления, используемые для изготовления и морфологического дизайна Si нанопроволоки и другие наноструктуры.[1]

Если вафля который уже содержит оксид, помещается в окисляющую среду, это уравнение необходимо изменить, добавив поправочный член τ, время, которое потребовалось бы для роста ранее существовавшего оксида в текущих условиях. Этот член можно найти, используя уравнение для т над.

Решение квадратного уравнения относительно Иксо дает:

Технология окисления

Большая часть термического окисления выполняется в печи, при температуре от 800 до 1200 ° C. Одна печь принимает одновременно несколько пластин в специально разработанной кварц стеллаж (так называемый «лодочка»). Исторически сложилось так, что лодка входила в камеру окисления сбоку (такая конструкция называется «горизонтальной») и удерживала пластины вертикально, рядом друг с другом. Однако многие современные конструкции удерживают пластины горизонтально, над и под друг друга и загружают их в камеру окисления снизу.

Вертикальные печи стоят выше горизонтальных, поэтому они могут не поместиться в некоторых производственных помещениях. Однако они помогают предотвратить пыль загрязнение. В отличие от горизонтальных печей, в которых падающая пыль может загрязнить любую пластину, в вертикальных печах используются закрытые шкафы с системами фильтрации воздуха для предотвращения попадания пыли на пластины.

Вертикальные печи также устраняют проблему, которая преследовала горизонтальные печи: неравномерность образовавшегося оксида по пластине.[нужна цитата ]. Горизонтальные печи обычно имеют конвекционные потоки внутри трубы, из-за чего нижняя часть трубы становится немного холоднее, чем верхняя часть трубы. Поскольку пластины лежат в трубке вертикально, конвекция и связанный с ней температурный градиент приводят к тому, что верхняя часть пластины имеет более толстый оксид, чем ее нижняя часть. Вертикальные печи решают эту проблему, располагая пластину горизонтально, а затем направляя поток газа в печь сверху вниз, что значительно снижает тепловую конвекцию.

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

Качество оксида

Влажное окисление предпочтительнее сухого окисления для выращивания толстых оксидов из-за более высокой скорости роста. Однако быстрое окисление оставляет больше болтающиеся облигации на кремниевом интерфейсе, которые производят квантовые состояния для электронов и позволить току течь по границе раздела. (Это называется "грязной" поверхностью.) Влажное окисление также дает более низкуюплотность оксид, с нижним диэлектрическая прочность.

Длительное время, необходимое для выращивания толстого оксида при сухом окислении, делает этот процесс непрактичным. Толстые оксиды обычно выращиваются с длинным влажным окислением, заключенным в скобки короткими сухими (a сухой-влажный-сухой цикл). В начале и в конце сухого окисления образуются пленки высококачественного оксида на внешней и внутренней поверхностях оксидного слоя соответственно.

Мобильный металл ионы может снизить производительность МОП-транзисторы (натрий вызывает особую озабоченность). Однако, хлор может иммобилизовать натрий, образуя хлорид натрия. Хлор часто вводят путем добавления хлористый водород или трихлорэтилен в окислительную среду. Его присутствие также увеличивает скорость окисления.

Прочие примечания

Термическое окисление можно проводить на отдельных участках пластины и блокировать на других. Этот процесс, впервые разработанный в Philips,[3] обычно называют локальным окислением кремния (LOCOS ) обработать. Не подвергающиеся окислению участки покрывают пленкой из нитрид кремния, который блокирует диффузию кислорода и водяного пара из-за его гораздо более медленного окисления.[4] После завершения окисления нитрид удаляют. Этот процесс не может привести к резким деталям, поскольку боковая (параллельно поверхности) диффузия молекул окислителя под нитридной маской заставляет оксид выступать в маскируемую область.

Потому что примеси растворяться по-разному в кремнии и оксиде, растущий оксид будет выборочно принимать или отклонять присадки. Это перераспределение определяется коэффициентом сегрегации, который определяет, насколько сильно оксид поглощает или отклоняет допант, и диффузионность.

Ориентация кремния кристалл влияет на окисление. Пластина <100> (см. Индексы Миллера ) окисляется медленнее, чем пластина <111>, но обеспечивает электрически более чистую поверхность раздела оксидов.

Термическое окисление любого вида дает оксид более высокого качества с гораздо более чистой границей раздела, чем химическое осаждение из паровой фазы оксида с образованием низкотемпературного оксидного слоя (реакция TEOS примерно при 600 ° C). Однако высокие температуры, необходимые для получения высокотемпературного оксида (HTO), ограничивают его использование. Например, в МОП-транзистор В процессах термическое окисление никогда не выполняется после того, как выполнено легирование выводов истока и стока, поскольку это нарушит размещение легирующих добавок.

История

В 1955 г. Карл Фрош и Линкольн Дерик в Bell Telephone Laboratories (BTL) случайно обнаружил, что диоксид кремния может быть выращен на кремний.[5] Процесс термического окисления был разработан в конце 1950-х годов египетским инженером. Мохамед Аталла, который изначально использовал его для пассивация поверхности кремния полупроводники,[6] прежде, чем он позже использовал процесс, чтобы изготовить первый МОП-транзисторы (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник) с Давон Канг в Bell Labs.[7] Процесс был принят Fairchild Semiconductor для технологий, позволяющих производить кремний интегральные схемы (такой как планарный процесс и CMOS ).[8] К середине 1960-х процесс Аталлы для окисленных кремниевых поверхностей использовался для изготовления практически всех интегральных схем и кремниевых устройств.[9]

использованная литература

Заметки
  1. ^ а б Лю, М .; и другие. (2016). «Двумерное моделирование самоограничивающегося окисления в кремниевых и вольфрамовых нанопроводах». Письма по теоретической и прикладной механике. 6 (5): 195–199. Дои:10.1016 / j.taml.2016.08.002.
  2. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-01-21. Получено 2013-07-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  3. ^ J. Appels, E. Kooi, M. M. Paffen, J. J. H. Schatorje и W. H. C. G. Verkuylen, «Локальное окисление кремния и его применение в технологии полупроводников», PHILIPS RESEARCH Reports, vol. 25, нет. 2. С. 118–132, апрель 1970 г.
  4. ^ А. Койпер, М. Виллемсен, Дж. М. Г. Бакс и Ф. Х. П. Х. Хабракен, «Окислительное поведение пленок оксинитрида кремния LPCVD», Applied Surface Science, vol. 33, нет. 34, стр. 757–764, октябрь 1988 г.
  5. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. С. 22–23. ISBN  9780801886393.
  6. ^ Хафф, Ховард (2005). Материалы с высокой диэлектрической постоянной: приложения VLSI MOSFET. Springer Science & Business Media. п. 34. ISBN  9783540210818.
  7. ^ Дело, Брюс Э. (1998). «Основные моменты технологии термического окисления кремния». Кремниевое материаловедение и технология. Электрохимическое общество. п. 183. ISBN  9781566771931.
  8. ^ Взгляд ученых на первые дни технологии МОП Брюс Дил
  9. ^ Донован, Р. П. (ноябрь 1966 г.). «Интерфейс оксид-кремний». Пятый ежегодный симпозиум по физике отказов в электронике: 199–231. Дои:10.1109 / IRPS.1966.362364.
Источники
  • Джегер, Ричард С. (2001). «Термическое окисление кремния». Введение в производство микроэлектроники. Река Верхний Сэдл: Prentice Hall. ISBN  978-0-201-44494-0.

внешние ссылки