Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ
1.1. Кинетика термического окисления кремния в кислороде и в водяном паре V
1.2. Классические модели процесса термического окисления кремния 16
1.3. Новые модели термического окисления кремния. Природа диффундирующих частиц при окислении в различных окислительных средах 23
1.4. Влияние внешнего электрического поля на окисление металлов и полупроводников 35
ГЛАВА II. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТАНОВОК
2.1. Исходные материалы и установки 40
2.2. Конструкция ячейки и методика исследования влияния электрического поля на кинетику и механизм термического окисления кремния 46
ГЛАВА III. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ
3.1. Влияние постоянного электрического ПОЛЯ на термическое окисление кремния в атмосфере водяного пара 49
3.2. Влияние постоянного электрического ПОЛЯ на процесс термического окисления кремния в сухом кислороде
3.3. Природа частиц, определяющих процесс термического окисления кремния в водяном
паре и сухом кислороде 76
3.4. Влияние переменного электрического поля на термическое окисление кремния 82
3.5. Взаимное каталитическое влияние поверхностей кремния при дистанционном окислении в структуре & -${ в атмосфере влажного кислорода 95
3.6. Свойства оксидных пленок, полученных при термическом окислении кремния в постоянном и переменном электрических полях НО
3.7. Механизм термического окисления кремния 115
3.8. Перспективы исследования топохимических реакций в электрическом поле для расшифровіш механизма процессов окисления полупроводников и металлов 119
ВЫВОДЫ 121
- Кинетика термического окисления кремния в кислороде и в водяном паре
- Исходные материалы и установки
- Влияние постоянного электрического ПОЛЯ на термическое окисление кремния в атмосфере водяного пара
Введение к работе
Кремний - один из немногих неорганических материалов, производство которых доведено до совершенства. Это было обусловлено острой необходимостью получения его монокристаллов высокой чистоты или с заданной степенью легирования примесями для использования в качестве базового материала в производстве .дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем. Монокристаллический кремний как объект совершенной структуры с ковале нтной связью привлек к себе внимание исследователей в разных областях химии и физики твердого тела и прикладных наук возможностью исследования процессов в объеме твердого тела и на его поверхности в контролируемых условиях, исключающих проявления случайных факторов, обусловленных наличием неконтролируемых примесей и эффектом границ раздела между кристаллитами в поликристаллических материалах.
Термическое окисление кремния в различных кислородсодержащих газовых средах при высоких температурах лежит в основе многочисленных технологических процессов в производстве интегральных схем. Гетероструктура Si -StOa выступает в разных функциях. Собственный оксид на кремнии может выполнять пассивную роль : маскирующего оксидного слоя при локальной .диффузии примесей в определенную область кремния или пассивирующей пленки, обеспечивающей защиту схемы от внешних агрессивных факторов. Но в ряде случаев к оксидному слою на кремнии предъявляются более жесткие требования в отношении пористости и электрофизических свойств, если он выполняет роль подзатворного оксида в МОП-устройствах, где пленка оксида является электрически активным элементом. И в этом случае вопрос о механизме формирования границы раздела Si -St0г приобретает особую остроту, поскольку он определяет зарядовое состояние этой границы.
Высокое структурное совершенство поверхности монокристаллического кремния при надлежащем качестве подготовки в механическом и химическом отношении открывает возможность изучения тонких физико-химических эффектов в ходе топохимического взаимодействия кремния с ОІШСЛЯВДИМИ газовыми средами в контролируемых условиях. К числу вопросов, остающихся нерешенными к настоящему времени, относится влияние внешнего постоянного и переменного электрических полей на реакцію поверхности кремния с кислородом и водяным паром (основные окисляющие среда в технологии ИС) на разных этапах развития этого процесса. Разработке этой темы и посвящена данная работа. Основная ее цель состояла в выяснении природа частиц окислителя в разных окисляющих средах (сухой кислород, увлажненный кислород, водяной пар), участвующих во взаимодействии с кремнием на различных этапах роста оксидной пленки, в которых происходит трансформация контролирующих потоков частиц.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые проведено систематическое исследование влияния постоянного электрического поля разной напряженности в плоском конденсаторе, неконтакти-рующем с окисляемой системой, и переменного электрического поля разной частоты на развитие процесса термического окисления кремния.
Взаимодействия полупроводниковых неорганических кристаллов с активными пассивирующими газовыми средами являются распространенным классом своеобразных автокаталитических гетерогенных реакций и выяснение их механизма, в частности, влияния собственных (за счет разделения зарядов) и внешних электрических полей открывает возможность углубления представлений о взаимодействии неор- галичесішх веществ разной физико-химической природа.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основании ее результатов становится возможной формулировка некоторых рекомендаций в отношении технологии получения гетеро-структур $>i-SiOR с определенным зарядовым состоянием межфазной границы. Это представляет определенный интерес для развития пленарной технологии интегральных схем.
Кинетика термического окисления кремния в кислороде и в водяном паре
Термическое окисление кремния в водяном паре, сухом и влажном кислороде относится к процессам типа: твердое тело I + газ - - твердое тело П, общим закономерностям которых посвящено достаточно много исследований [І-І7]. Термическое окисление кремния в кислорода и в водяном паре можно подразделить на низкотемпературное и высокотемпературное и выделить в каждом случае .два этапа. На первом скорость окисления контролируется химической реакцией; на втором, наиболее протяженном, лимитируется диффузией реагентов через растущую пленку оксида.
Закономерности термического окисления кремния в различных окислительных средах исследовали многие авторы в широком .диапазоне температур и давлений с использованием различных методов. Основное уравнение окисления кремния было выведено Ділом и Гровом [18]. Авторы вывели уравнение окисления на основе простой модели, которая принимает во внішашіе реакцию на .двух границах оксида и .диффузионные процессы
Исходные материалы и установки
Затем Йоргенсен использовал эту же методику создания электрического поля при оішслении цинка [140]. Электрода, так же как и в предыдущем случае, формировались путем напыления платины на предварительно окисленную поверхность цинка. Платиновый провод, погруженный в цинк, позволял подавать заряд одного и того же знака на обе стороны цинкового кристалла. Исследования проводились при 375С в окислительной атмосфере в ускоряющем электрическом поле, замедляющем и в отсутствии поля. Поле считалось ускоряющим, если граница металл-оксид металла заряжена положительно по отношению к границе оксид металла - газ, и замедляющим, если граница металл - оксид металла заряжена отрицательно по отношению к границе оксид металла - газ. И в этом случае Йоргенсен обнаружил влияние электрического поля на скорость окисления цинка.
Комментируя результаты экспериментов Йоргенсена, Релей [141] указал на необходимость учитывать роль, которую играет экспериментальное оборудование в изменении природа окисления. Действительно, Йоргенсен прикладывал электрическое поле к оксиду через омические контакты, обеспечивающие свободное .движение потока электронов и ионов, что позволяет говорить о процессе электролиза в ячейке с твердым электролитом, а не о прямом влиянии ПОЛЯ. В связи с тем, что статья Релея прозвучала очень убедательно, в дальнейшем большинство исследователей ссылались на результаты исследования Йоргенсена с некоторой осторожностью. Тем не менее, Йоргенсен продолжал отстаивать свою точку зрения [1421.
Следовательно, результаты работы йоргенсена спорны и не дают надежного ответа на вопрос о форме и заряде частиц, транспортируемых к границе &-SiOa в процессе окисления. Кроме того, в работе [137] обсуждался только случай, когда окислителем является кислород, а изучение окисления кремния в водяном паре в задачу этого исследования не входило.
Влияние постоянного электрического ПОЛЯ на термическое окисление кремния в атмосфере водяного пара
При изучении кинетики окисления кремния в электрических ПОЛЯХ во всех случаях окислению подаергали пластины кремния марки КЭФ из одной партии с удельным сопротивлением 4,5 Ом.см, ориентированные в плоскости (100), полированные с обеих сторон.
Подготовка поверхности (технология механической и химико-механической обработки, отмывка) была строго стандартизирована, чтобы исключить случайные эффекты. Перед экспериментом из кремниевых пластин вырезали образцы размером 2 х 2 см и отмывали по перекисно-аммиачному способу:
1) кипячение в смеси: 25 мл сА/Н40Н (5 %) + 25 мл
онц;+ 125 мл На0 - 10-15 мин;
2) промывка в холодной дистиллированной воде;
3) кипячение в .дистиллированной воде - 3-5 мин;
4) кипячение в смеси: 25 мл НС1к,0Нц1+ 25 мл На0ЙКОні . + 100 мл раствора оксиэтилендифосфоновой кислоты (I %) -- 10-15 мин;
5) промывка в холодной .дистиллированной воде ;
6) кипячение в .дистиллированной воде - 2-3 мин.
После отмывки пластины хранили под слоем изопропилового спирта. Непосредственно перед окислением образцы освежали в концентрированной плавиковой кислоте (49 %), промывали в .дистиллированной воде и высушивали.
