Рост тонкого слоя оксида

Технология выращивания тонких пленок оксидов (5… 100 нм) многообразна. Помимо кинетики оксидирования необходимо знать такие характеристики оксида: коэффициент преломления, состав оксида, скорость травления, плотность, пористость, упругие напряжения, величину напряженности электрического пробоя.

Для достижения однородности свойств и воспроизводимости параметров рост тонких оксидных пленок должен проходить в оптимальных условиях. Для этих целей используются разнообразные методы оксидирования:

• — в сухом кислороде с добавлением и без добавления НС1;
• — комплексное, при различных температурах и составе окислительной атмосферы;
• — во влажном кислороде;
• — при пониженном давлении;
• — при повышенном давлении и низкой температуре.

С понижением температуры и давления в окислительной атмосфере будет, понижаться и скорость оксидирования. Сверхтонкие оксидные пленки (< 5 нм) формируют с помощью горячей азотной кислоты, путем кипячения в воде или за счет выдерживания на воздухе при комнатной температуре.

Необходимо подчеркнуть, что на рост тонких оксидных пленок оказывают влияние методы очистки поверхности и степень чистоты используемых газов (в частности, по отношению к содержанию влаги).

На Рис. 2.3 приведены зависимости толщины тонких окисных пленок от времени оксидирования в сухом кислороде. Эти данные показывают, что для проведения процесса выращивания оксида с рациональной производительностью следует подбирать температурно-временные условия.

Рис. 2.3. Зависимость толщины L оксида кремния от времени оксидирования при температуре 780, 893 и 980 °C в сухом кислороде Технологические условия выращивания оксидных пленок оказывают существенное влияние на их свойства. Например, плотность оксида возрастает с понижением температуры оксидирования. Добавление НС1 в окислительную атмосферу обычно применяется для повышения пробивных напряжений пленок и геттерирования примесей и дефектов в кремнии.

Для получения однородных и воспроизводимых по своим параметрам оксидных пленок с малой плотностью дефектов разработан двухстадийный процесс оксидирования, в котором формирование пленок происходит при средних температурах (< 1000 °С) с использованием сухого кислорода и добавлением НС1 в окислительную среду. Второй этап заключается в термообработке в атмосфере N₂, 0₂ и, НО при температуре 1150 °C для проведения пассивирования и доведения толщины оксида до необходимого уровня. Такая технологическая схема дает возможность воспользоваться положительными эффектами, происходящими как в низко-, так и в высокотемпературном диапазоне.

Для выращивания оксидных пленок с хорошо контролируемыми параметрами большой интерес представляет метод оксидирования при пониженном давлении. Оксидные пленки толщиной 3… 14 нм были выращены в реакторах для газофазного осаждения при температуре 900… 1000 °C в атмосфере кислорода при давлении 33…266 Па. Оксиды, полученные при пониженном давлении, стравливаются с той же скоростью, что и оксиды, полученные при температуре 250 °C в сухом кислороде при атмосферном давлении.

Равная скорость травления свидетельствует о схожести состава и структуры обеих пленок оксида. Значения напряженности внутреннего электрического поля пробоя в таких пленках достаточно высоки (10… 13 MB/см) и имеют небольшой разброс. Все экспериментальные данные указывают на то, что оксиды, формируемые при пониженном давлении, однородны, гомогенны и аналогичны по свойствам оксидам, полученным при атмосферном давлении.

Особенности оксидирования кремния при повышенном давлении и низкой температуре во влажном кислороде. При давлении 1 МПа и температуре 750 «С пленка оксида толщиной 30 нм может быть выращена за 30 мин. Очевидно, что для изменения толщины можно варьировать временем оксидирования, температурой и давлением. Оказалось, что свойства оксида в основном зависят от температуры оксидирования, а не от давления. Например, плотность оксида и коэффициент преломления уменьшались, а скорость химического травления и остаточные напряжения увеличивались по мере увеличения температуры в диапазоне 700… 1000 «С. Диапазон изменения давления при этом составил ~ (5… 10) 10⁵ Па.