Диэлектрические пленки в технологии изготовления имс

 

Физико-химические процессы формирования диэлектрических пленок являются неотъемлемой частью любого технологического процесса функционирования ИМС. Для обеспечения надёжного функционирования необходимо управлять параметрами полученных диэлектрических пленок.

Основные функции диэлектрических пленок в ИМС следующие:

1) Диэлектрические пленки используются в качестве маски для осуществления локального легирования кремния методом термической диффузии либо ионного легирования.

2) Для электрической изоляции элементов ИМС относительно друг друга.

3) Для посевации (защиты от внешнего воздействия) поверхности кристалла.

4) Для изготовления подзатворного диэлектрика в приборах МДП. В этом случае подзатворный диэлектрик является основным активным элементом прибора и определяет его электрофизическую характеристику.

5) Для формирования межслойной изоляции.

 

Назначение диэлектрической пленки определяет технологию ее получения. Маскирующие пленки и изолирующие чаще получают окислением. Пленки используют для посевации или межслойной изоляции и обычно получают пироллитическим осаждением (из газовой фазы). При выдержке пластины Si на воздухе на ее поверхности образуются тонкие фоновые окисления толщиной 50-70А (10-10м). Основные химические реакции, определяющие окисление Si, следующие:

При росте окислительных пленок происходит замещение атомов Si атомами с образованием ковалентной связи, таким образом после окисления верхняя граница окисления оказывается выше исходной поверхности кремниевой подложки.

 

 

При термическом окислении зависимость толщины окисла при длительном окислении при постоянном давлении и температуре имеет следующий вид

 

 

 

Можно разбить на 4 характерных участка. Процесс окисления кремния происходит за счет протекания химической реакции окислителя на границе раздела окислитель - п/п, причем доставка окислителя к области, где протекает химическая реакция происходит за счет его диффузии через растущую пленку окисла. На I этапе окисление определяется скоростью химической реакции на поверхности . На этом участке толщина окисла линейно возрастает от времени окисления

, где

- коэффициент, определяющий скорость протекания химической реакции. Первый участок имеет небольшой диапазон толщин пленок до 100-200А. Окислы с такими толщинами в основном используются для получения подзатворного диэлектрика в структурахх МДП. По мере роста окисла все большую по ограничению скорости его роста начинает играть диффузия через окислитель. В результате на втором участке наблюдается линейно-параболическая зависимость скорости роста окисной пленки.

, где

- коэффициент, определяющий скорость диффузии окислителя через окисел. На третьем участке скорость роста окисла определяется возможностью диффузии окислителя через окислитель. На 3-м участке наблюдается параболическая зависимость толщины окисла от времени окисления.

На четвертом участке окисление достигает толщины при которой диффузия окислителя через него практически не происходит, в результате скорости роста окисла замедляется и зависимость толщины окисла от времени на 4-м участке имеет логарифмический характер. В технологии изготовления ИМС, как правило ограничиваются первыми тремя участками. Коэффициенты могут быть найдены из уравнения Аррениуса:

, где

энергия активации

коэффициент, зависящий от температуры и кристаллографической ориентации подложки

Поскольку зависят от температуры, то для каждой температуры имеют свое максимальное значение толщины окисла.

 

В зависимости от вида окислителя различают:

1) сухое термическое окисление в атмосфере

2) Влажное термическое окисление в атмосфере паров воды.

3) Смешанное окисления

Основным технологическим оборудованием для проведения окисления является диффузионные печи. Аналогичные тем, которые были рассмотрены по термическим диффузиям примеси.

 

1. кварцевая труба

2. лодочка с п/п пластинами

3. Лодочка с п/п пластинами

4. барбатер с деионизированным и нагретой до заданного значения

5. нагреватель для обеспечения термостатирования барбатера (4) при заданной температуре.

6. нагреватель, обеспечивающий разогрев кварцевой труды до температуры, при которой происходит окисление.

 

Приводимая установка позволяет проводить как сухое так и влажное окисление. В режиме сухого окисления в кварцевую трубу подается только , а в режиме влажного окисления обеспечивается подача паров воды из барбатера (4)

Сухое окисление, когда окислителем является О₂ позволяет получать плотные () и качественные диэлектрические пленки . Недостатки сухого окисления можно считать низкую скорость роста окисла и небольшие значения max толщины окисла. Низкая скорость роста окисла обусловлена большой энергии активации процесса окисления эВ. Сухие окислы в основном используются для формирования подзатворного диэлектрика в структурах МДП, а так же при формировании диэлектрической пленки, используемой для электрической изоляции элементов ИМС.

Влажное окисление (когда окислитель пара ) позволяет значительно повысить скорость окисления по сравнению с сухим окислителем (в 2-3 раза). Такое повышение скорости связано с ↓ энергии активизации процесса окисления, а так же с уменьшением Ø молекул окислителя. Главным недостатком влажных окислов является низкая плотность (), а так же повышенная дефектность и сильная неоднородность в структурах окисла. В результате влажные окислы обладают более плохим маскирующими свойствами и имеют худшие электрофизические характеристики. С ↑ давления возрастает коэффициенты , в результате значительно увеличивается скорость роста окисла и max возможная толщина окисла.

Окисление под давлением часто используют для окисления локальных участков кремния, предназначенных для изоляции элементов ИМС в нескольких видах современных технологий.

Смешанное окисление, когда окислителем является смесь паров воды с в зависимости от состояния окислителя позволяет изменять энергии активации процесса окисления: эВ следовательно появляется возможность, изменяя соотношения окислителя, управлять параметрами и качеством получаемых диэлектрических пленок. Смешанное окисление является более предпочтительным по сравнению с влажным окислением и в основном используется для получения маскирующих диэлектрических пленок.