Основным недостатком такого процесса является необходимость использовать герметичные и высокопрочные реакторы вместо технологичных проточных систем, так как при высоких температурах и давлениях происходит ускоренная химическая эрозия стенок реактора. Общим недостатком процессов окисления в атмосфере водяного пара является низкое качество получаемых пленок и связанное с этим ухудшение их защитных свойств. Низкая плотность пленок (около 2 г/см3) связана с их пористостью из-за наличия водорода и гидроксильных групп ОН.
Комбинированный процесс – процесс окисления во влажном кислороде, когда, меняя соотношение компонентов в смеси, можно получать энергию активации окисления в пределах от 1,4 эВ (для сухого кислорода) до 0,8 эВ (для водяного пара) и соответственно изменять скорость роста пленок в широких пределах. При достаточно больших скоростях роста плотность пленки обычно достигает 2,18 – 2,2 г/см3.
При термическом окислении в установку кислород подают в зону окисления либо непосредственно с помощью крана 1 (рисунок 3), либо с помощью кранов 2 и 3 через увлажнитель – емкость со сверхчистой (деионизированой) водой, снабженную нагревателем и термометром. В зависимости от расхода кислорода и температуры воды в увлажнителе можно получать различное соотношение компонентов в смеси. При окислении во влажном кислороде температуру в увлажнителе устанавливают обычно в пределах 80-110 оС, расход кислорода составляет ~ 0,5 л/мин. Для окисления кремния в парах воды через увлажнитель, может быть пропущен транспортирующий инертный газ (азот, аргон и т.д.).
В отлаженном процессе термического окисления толщина выращенной пленки контролируется временем окисления. При отладке процесса толщину пленки можно измерить интерференционным методом с помощью микроскопа МИИ-4 (точность измерения +/- 30 нм), для чего предварительно создают «ступеньку» путем полного стравливания окисла с участка поверхности пластины. При достаточном навыке толщину пленки можно определять методом цветовых оттенков, в котором используется свойство окиси кремния менять цвет в зависимости от толщины. Этот метод (относительная погрешность +/- 5%) применяют при толщинах не более 1 мкм.
4. Факторы, влияющие на скорость получения и качество пленок SiO2.
При окислении отполированного монокристаллического кремния формируется слой аморфного диоксида кремния. При температурах, близких к комнатной, пленка оказывается весьма не устойчивой. При более высоких температурах (до 1200 оС), применяемых в процессах окисления кремния, аморфный диоксид кремния термодинамически не устойчив и переходит в устойчивую кристаллическую фазу. Такому переходу способствуют центры кристаллизации, создаваемые примесями или несовершенствами структуры. Однако скорость этого перехода при температурах ниже 1000 оС чрезвычайно мала. Механизм перехода подобен тому, который действует в переохлажденной жидкости, быстро превращается в твердое тело при введении маленькой твердой частицы (затравки), например частицы пыли, образующей центр кристаллизации. Подобный процесс кристаллизации в SiO2 может привести к возникновению множества локальных кристаллических областей или других несовершенств структуры, которые нежелательны во всех случаях применения SiO2 в технологии ИМС.
Изучение термического окисления чистого кремния и кремния, легированного донорными и акцепторными примесями, показало, что наличие примесей влияет на скорость окисления. Это влияние обусловлен либо изменением коэффициента диффузии окислителя в слое, либо изменением скорости реакции окислителя на границе раздела Si - SiO2. Так, при окислении бор стремится прейти из кремния в оксид, поэтому растущий слой обогащен бором, кремний, сильно легированный бором, окисляется быстрее высокоомного (чистого) кремния как при высоких температурах, где справедлив параболический закон роста диоксида, так и при более низких температурах, где выполняется линейный закон. Фосфор, которым может быть легирован кремний n-типа, имеет тенденции переходить в слой диоксида. Поэтому диффузия окислителя в таком слое не отличается от диффузии в диоксиде, растущем на чистом кремнии. Однако присутствие фосфора в кремнии увеличивает скорость химической реакции на поверхности кремния, вследствие чего кремний, сильно легированный фосфором, при температурах ниже 1100 оС окисляется быстрее, чем чистый кремний (так как при низких температурах скорость окисления определяется реакцией на поверхности Si). Особенно резко это различие проявляется при 700…800 оС. При температурах выше 1100 оС увеличение скорости роста диоксида на кремнии, легированном фосфором, практически незаметно.
На скорость термического окисления влияют не только примеси, содержащиеся в в кремниевой подложке, но и примеси ионов гидроокисла и натрия. Ионы гидроокисла, образующиеся в многоступенчатой реакции кремния с парами воды, увеличивают скорость окисления. Что касается натрия, то наличие его на границе раздела между диоксидом и кремнием приводит к каталитическому действию на реакцию окисления кремния, которое сильнее сказывается в присутствии ионов гидроксила, т.е. при окислении в парах воды или влажном кислороде.
Окисление кремния в интервале температур 1100…1300 оС при малом давлении газа (1,198…13,33 Па) характеризуется рядом особенностей. В таких условиях кремний может образовывать летучие оксиды, испаряющиеся с его поверхности, сто приводит к увеличению скорости окисления. При давлении 1,2…5,3 Па на поверхности кремния вообще не образуется слоя SiO2, а единственным продуктом окисления является летучий монооксид SiO. При давлении кислорода в 13,33 Па образование слоя SiO2 на поверхности кремния происходит с высокой скоростью.
5. Основные недостатки метода термического окисления.
Термическое окисление кремния, позволяет получить высококачественный диэлектрик на поверхности кремния, обладает в то же время рядом ограничений и недостатков. К ним относится, прежде всего, высокая температура процесса, что создает большие затруднения в технологии, особенно при окислении пластин, на которых уже сформированы структуры элементов ИМС. Эти структуры при длительной высокотемпературной обработке значительно изменяют свои характеристики. Поэтому приходится вводить существенные поправки в расчеты, учитывающие влияние диффузионных процессов в структурах ИМС при высоких температурах. Кроме того, термическим окислением можно получать только SiO2, а технология ИМС использует и другие диэлектрики, особенно для устройств, выполняемых не из кремния, а из различных полупроводниковых соединений (GaAs, GaPи т.п.).
При изготовлении СВЧ ИМС на основе кремния термическое окисление затрудняет формирование прецизионных структур, так как не позволяет формировать точные конфигурации областей изгибов.
Для преодоления этих недостатков в технологии ИМС были разработаны методы формирования диэлектрических пленок осаждением их из газовой или паровой фаз при помощи химических реакций или термовакуумного испарения.
6. Литература.
1. Парфенов О.Д. «Технология микросхем: Учеб. пособие для вузов». – М.: Высш. шк., 1986. – 320 с., ил.
2. Черняев В.Н. «Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: учебник для вузов». – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1987. – 464 с.: ил.
3. Курносов А.И., Юдин В.В. «Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учеб. пособие для студентов вузов». 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1979. – 367 с., ил.
4. Иваново-Есипович Н.К. «Физико-химические основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1979. – 205 с., ил.