Реферат по предмету "Производство и технологии"

Узнать цену реферата по вашей теме


Термическое окисление кремния



13

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Институт электронных информационных систем

Кафедра «Проектирования и технологии радиоаппаратуры»

ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ КРЕМЛЕНИЯ

Реферат по дисциплине:

«Физико-химические основы технологии электронных средств»

Специальность 210201

Руководитель

__________ Л.В. Быстрова

“___” __________ 2009 г.

Студент группы 6023зу

__________ Д.А.Смирнов

“___” __________ 2009 г.

Содержание

1. Оборудование для термического окисления

2. Модель Дила-Гроува

3. Зависимость толщины окисла от времени окисления

4. Особенности роста тонких и толстых плёнок двуокиси кремния

5. Свойства плёнок SiO2

Список литературы

1. Оборудование для термического окисления

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 - 1200 єС. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично вид установки показан на рис. 1 (в современных установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально).

Рис. 1

Требования к оборудованию:

· контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя,

· обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе (двухстадийный нагрев),

· отсутствие посторонних частиц в реакторе (подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно),

· отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора (с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором),

· обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:

· окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): Siтверд.+ O2 = SiO2;

· окисление в парах воды (влажное окисление): Siтверд.+2H2O = SiO2 + 2H2;

· термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление);

· термическое окисление при взаимодействии молекул воды, синтезированных из атомарно чистых кислорода и водорода непосредственно у поверхности кремния, с атомами кремния (пирогенное окисление).

Время окисления в стандартных технологических процессах составляет 4 - 5 часов.

Значительным достижением в совершенствовании технологии окисления кремния явилось добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов. Это привело к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния (обычно с концентрацией хлора 1016- 1020 см-3) заключается в превращении случайно проникших в SiO2 примесных ионов натрия или калия в электрически неактивные.

2. Модель Дила-Гроува

Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями.

Для теоретического обоснования было предложено множество моделей, основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар, а также эффектах туннелирования электронов, кинетике адсорбции, образования пространственного заряда, изменении граничных концентраций диффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.

К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностью объяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных. Что касается получения пленок двуокиси кремния, то кинетику ее роста в широком диапазоне толщин SiO2 можно объяснить, исходя из достаточно простой модели Дила-Гроува.

Процесс окисления происходит на границе Si - SiO2, поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы прямо пропорциональна парциальному давлению газа P:

C* = HP, где

C*- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения давления P,

H - постоянный коэффициент Генри.

В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем C*.

Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностной концентраций окислителя:

F1 = h(C* - C0), где

C0 - поверхностная концентрация окислителя,

h - коэффициент переноса.

Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скорости газового потока и растворимости окислителя в SiO2.

Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки окислителя в объеме окисла F2 и на его границе с кремнием F3. Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентом концентрации окислителя:

F2 = - D(dC/dz) = D(C0 - Ci)/z0, (1)

где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр при z = z0,

D - коэффициент диффузии при данной температуре,

z0 - толщина окисла.

Величина потока F3 на границе окисла с полупроводником зависит от постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:

F3= kCi (2)

При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 = F2 = F1 = F. Следовательно, приравняв соотношения (1) и (2), можно выразить величины Ci и C0 через C*:

(3)

Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим поток F3 как изменение числа молекул в слое dz0 за время dt. Тогда уравнение потока на границе SiO2 - Si будет иметь следующий вид:

(4)

Скорость роста окисла определяется потоком F3 и количеством молекул окислителя Ni , входящих в единичный объем окисла. Поскольку концентрация молекул SiO2 в окисле равна 2.2*1022 см-3, то для получения двуокиси кремния требуется такая же концентрация молекул кислорода или в два раза большая концентрация молекул воды.

Соотношение между величинами z0 и t определяется интегралом вида

3. Зависимость толщины окисла от времени окисления

Следовательно, для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции K и прямо пропорциональна времени окисления (8). Для больших времен окисления скорость роста зависит от постоянной диффузии D (9), а толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени процесса.

На скорость окисления влияют также ориентация подложки, присутствие паров воды, наличие натрия, хлора и концентрация легирующей примеси в кремнии. На рис. 3 приведена зависимость толщины пленки SiO2 от времени окисления во влажном кислороде при парциальном давлении паров воды 85*103 Па.

Для широкого класса полупроводников и металлов кинетика процесса активного окисления характеризуется в равновесии линейным законом, то в случае пассивного окисления физическая картина процесса усложняется процессом переноса реагента к реакционной поверхности раздела сквозь растущую пленку. При этом кинетика окисления может быть аппроксимирована следующими законами:

· линейным Х(т) = К1*т; (1)

· параболическим Х2(т) = К2*т; (2)

· кубическим Х3(т) = К3*т; (3)

· логарифмическим Х(т) = К4*lg(В*т+ 1); (5)

· обратно логарифмическим K5/X(т) = А - lg(т) (6)

Существование каждого из этих законов определяется условиями проведения процесса окисления и свойствами исходного материала. Константы К1- К5 зависят от температуры, давления реагента и природы окисляемого материала.

Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностей от температуры процесса приведена в Таблице 1.

4. Особенности роста тонких и толстых пленок двуокиси кремния

Отметим, что в микроэлектронике наиболее часто используются окислы кремния толщиной в несколько десятых долей микрона а верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1-2 мкм. В технологии СБИС используются также как более тонкие, так и более толстые пленки SiO2.

Одним из приборов, в которых используются сверхтонкие слои двуокиси кремния толщиной 2 - 5 нм являются энергонезависимые элементы памяти. Обычно для этих целей применяется многослойная структура - металл - нитрид кремния - двуокись кремния - кремний (МНОП транзистор). SiO2 в данной системе позволяет произвести контролируемую инжекцию заряда в нитрид кремния при подаче высокого потенциала на затвор транзистора (цикл записи или стирания информации) и препятствует растеканию этого заряда в отсутствии потенциала на затворе (хранение информации).

По мере повышения степени интеграции ИС становится необходимым получение пленок подзатворного диэлектрика с хорошо контролируемыми параметрами толщиной 20-50 нм. В ряде случаев необходимо иметь качественные пленки SiO2 толщиной 5 - 100 нм под маскирующими слоями нитрида кремния для предотвращения появления дефектов в кремниевой подложке, обусловленных наличием механических напряжений.

Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления подбирают соответствующие температурно-временные условия (см. рис. 4). Однако необходимо учитывать, что для пассивирования ионов натрия хлором, вводимым в пленку в процессе окисления, требуются достаточно высокие температуры окисления. Плотность окисла и концентрация дефектов в кремнии также определяются температурой. Часто применяется двухстадийный процесс сухого окисления кремния, состоящий из окисления с добавлением HCl при средних температурах (около 1000 єС), с последующей термообработкой в атмосфере O2, N2 и HCl при температуре 1150 єС.

Для получения высокооднородных пленок SiO2 с воспроизводимыми свойствами используют также реакторы пониженного давления (РПД реакторы). Окисление, проводимое в РПД, позволяет синтезировать тонкие слои SiO2 с точностью до нескольких ангстрем. Температура окисления T = 900 - 1000 єС, давление P = 30 - 300 Па. Окислы гомогенны, аналогичны окислам, полученным в реакторах атмосферного давления, напряженность электрического пробоя пленок E = 10 - 13 МВ/см. Толщина синтезируемых в РПД пленок составляет 2 - 14 нм.

Еще одним способом, используемым для производства тонких пленок SiO2, является их получение во влажной атмосфере, но при пониженной температуре (T = 750 єС) и атмосферном давлении (P = 1 МПа).

Толстые окисные пленки получают, как правило, во влажной атмосфере при повышенном давлении. По своим свойствам они более пористые, имеют меньшие значения напряженности пробоя. Такие пленки используются в биполярной технологии для создания окисной изоляции и в МОП технологии - для выращивания толстых изолирующих слоев. Верхний предел по толщине для термического окисления составляет 1-2 мкм. Пленку такой толщины получают при давлении 2*106 Па при окислении в парах воды и температуре 900 єС в течение 1 - 2 часов.

5. Свойства пленок SiO2

Основными контролируемыми параметрами пленок являются: коэффициент преломления, химический состав пленки, пористость, плотность, скорость травления, напряженность поля пробоя. Значения некоторых типичных характеристик термических пленок SiO2 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр

Значение параметра

Плотность, г/см3

2.2

Показатель преломления

1.46

Диэлектрическая постоянная

3.82

Ширина запрещенной зоны, эВ

8.9

Удельное сопротивление постоянному току при T = 25 єС, Ом*см

1014-1016

Скорость травления в буферном растворе HF, нм/мин

100

Линия ИК поглощения, мкм

9.3

Коэффициент теплового расширения, С-1

5*10-7

Механические напряжения в окисле, дин/см2

3*109

Список литературы

1. Маслов А.А., Технология и конструкции полупроводниковых приборов, М.: Энергия, 1970. - 296 с.: ил.

2. Курносов А.И., Юдин В.В., Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - 5-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, - 1986.

3. Технология СБИС: в 2-х книгах, пер с англ., под ред. Зи С. - М.: Мир, 1986. - 404 с.: ил.

4. Болтакс Б.И. Диффузия и точечные деффекты в полупроводниках. - Л.: Наука, 1972. - 384 с.: ил.

5. Готра З.Ю Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.: ил.




Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Доработать Узнать цену написания по вашей теме
Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Компенсация морального вреда 7
Реферат Краткие лекции по истории политических и правовых учений к зачету-тестированию
Реферат Кража и её квалификация в уголовном праве России
Реферат Кримінально-правовий аспект тероризму
Реферат Криминализация российской экономики и экономическая безопасность России
Реферат Криминалистика. Ответы
Реферат Кримінальна відповідальність за ненадання допомоги вимагання та звалтування
Реферат Конституционное право 3
Реферат Контрольная работа по Гражданскому праву 2
Реферат Криптография новое оружие в руках преступника
Реферат Комплектность и комплект товара Договор контрактации Рентные договора
Реферат Кримінально правова характеристика ухилення від сплати податків зб
Реферат Кредитный договор 6
Реферат Криминологический анализ событий в Чечне 1991 2004 гг
Реферат Криминалистическая характеристика дорожно-транспортных преступлений 2