Оборудование для термического окисления кремния

Протекание термических процессов окисления в полупроводниковом производстве обеспечивается специальным оборудованием: диффузионными печами, газовыми блоками, камерами загрузки или же в комплексе, т. е. диффузионными системами. Температурно-временной цикл процесса обеспечивается главной, наиболее сложной и дорогой частью системы – печью. Подавляющее большинство современных диффузионных печей является однозонными печами периодического действия. Они представляют собой трубчатые электрические печи сопротивления с несколькими самостоятельно управляемыми секциями нагревателя и сложной прецизионной системой автоматического управления температурным полем.

В данной работе процессы окисления будут проводиться с исполь-зованием установки лучистого нагрева «Изоприн» (рис. 1.5, а), которая состоит из реактора, блока питания и управления и цифрового прибора для контроля температуры. Реактор представляет собой трубу из кварца, нагреваемую галогенными ИК-лампами (рис. 1.5, б).

 

 

                            а                                                          б

Рис.1.5. Внешний вид установки «Изоприн» (а) и схема реактора (б)

 

Упрощенная схема устройства для окисления приведена на рис. 1.6.

 

Рис. 1.6. Упрощенная схема устройства для окисления:

1 – кварцевая труба; 2 – нагреватель; 3 – кварцевая лодочка; 4 – кремниевые подложки;

5 – барботер; 6 – электрическая плитка; 7 – термопара; 8 – блок контроля температуры

 

 Кварцевая труба 1 помещена в нагреватель 2. Кремниевые подложки 4, размещенные на кварцевой лодочке 3, располагаются в середине рабочей зоны реактора. В реактор подается водяной пар, генерируемый с помощью барботера 5, заполненного дистиллированной водой. Вода нагревается электрической плиткой 6 до температуры кипения. Измерение температуры в реакторе осуществляется платино-родиевой термопарой 7 и цифровым прибором 8.

Методика определения толщины оксидного слоя на кремнии

 

Защитные свойства слоя SiO₂ во многом определяются его толщиной. Поэтому естественно, что определение толщины оксидного слоя является важной технологической операцией при изготовлении интегральных схем. Наиболее прост в исполнении метод цветовых оттенков Ньютона, основанный на наблюдении интерференционных цветов в отраженном свете. Интерференционные цвета обусловлены двойным отражением и преломлением белого света, проходящего через прозрачную пленку оксида кремния и отражающегося от непрозрачной кремниевой подложки. При этом за счет разности хода лучей возникает интерференция и поэтому тонкая прозрачная пленка кажется в отраженном свете окрашенной. Цветность ее зависит только от толщины и показателя преломления:

 

                                     ,                                      (1.13)

 

где Δ – разность хода лучей;

п – показатель преломления пленки;

α –угол отражения;

d – толщина пленки.

        Если наблюдение отраженного света производить под прямым углом к поверхности пленки, то

                .                                            (1.14)

 

Отсюда, зная показатель преломления материала, легко определить толщину на основании цвета пленки. Для SiO₂ d = Δ /2,92, т. к. п = 1,46.

Зависимость толщины пленки от наблюдаемого цвета (при перпенди-кулярном освещении образца) приведена в табл. 1.1. Цветовые оттенки повторяются примерно через каждые 0,22 мкм, проходя весь спектр от фиолетового до красного. Поэтому для однозначного определения толщины необходимо знать порядок интерференции, т. е. какое по счету повторение цветов наблюдается. Для определения порядка интерференции на окисленную пластину наносят каплю плавиковой кислоты, и в оксиде вытравливается лунка до поверхности кремния. По периферии этой лунки наблюдается ряд колец. Количество темных красно-фиолетовых колец определяет порядок интерференции. Например, зеленый цвет оксида на втором кольце (полностью выявлено одно кольцо) соответствует толщине 0,33 мкм, а на четвертом (полностью выявлены три кольца) – 0,72 мкм. Этот простой, не требующий оборудования, метод позволяет определить толщину оксида с погрешностью    5–10 %. С увеличением толщины пленки погрешность возрастает. Методом цветовых оттенков нельзя определять толщину свыше 1,0 мкм, когда цветность практически пропадает.

 

                          Таблица 1.1

 

Определение толщины пленок методом цветовых оттенков Ньютона

 

d, мкм	Порядок интерференции	Цвет последней полосы
0,050 0,0700 0,0960 0,1020 0,1433 0,1500 0,1688 0,1700 0,1786 0,1836 0,1883 0,1916 0,1963 0,2000 0,2200 0,2216 0,2490 0,2500 0,2700	I	Бежевый Коричневый Темно-коричнево-красный Индиго Голубовато-серый Светло-голубой Зелено-голубой Металлический Бледно-зеленый Желто-зеленый Светло-зеленый Зелено-желтый Золотисто-желтый Светло-золотистый Золотистый Оранжевый Светло-красный Красный Красно-фиолетовый

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Внимательно ознакомиться с описанием лабораторной работы и инструкцией по эксплуатации установки «Изоприн».

2. Получить шесть кусочков разрезанной кремниевой подложки.

3. Для удаления естественного оксида полученные образцы освежить в растворе плавиковой кислоты.

4. Промыть пластины дистиллированной водой и просушить.

5. Подготовить печь к работе и вывести ее на нужный температурный режим (950–1000 °С).

6. Разогреть барботер до 90–95 °С.

7. Шесть кусочков кремния с помощью пинцета разместить на кварцевой лодочке.

8. С помощью кварцевого толкателя задвинуть лодочку с образцами в рабочую зону реактора.

9. Через каждые 10, 20, 30, 40, 50 и 60 мин (по секундомеру) с помощью кварцевого толкателя извлечь лодочку из реактора, снять пинцетом по одному образцу и определить толщину полученного оксида.

10. На основании полученных данных построить кинетическую кривую (изотерму) в следующих координатах:

– толщина d _SiО2, мкм – время t, мин;

– lg d _SiО2 – lg t.

11. По углу наклона α в логарифмических координатах определить показатель степени n в уравнении по формуле n = tgα и сделать вывод о характере окисления (линейный, параболический и т. д.).

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Основные теоретические сведения.

3. Схема экспериментальной установки.

4. Таблица экспериментальных данных.

5. Графические зависимости: d _SiО2, мкм – время t, мин и lg d _SiО2 – lg t.

6. Анализ полученных результатов и выводы.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы назначение и свойства пленок диоксида кремния?

2. Какие существуют методы формирования пленок SiO₂?

3. В чем состоят физико-химические основы процесса термического окисления кремния?

4. Каковы механизмы роста оксидных пленок на кремнии?

5. В чем заключается кинетики термического окисления по соотношению Дила – Гроува?

6. Каковы законы роста оксидных пленок при термическом окислении кремния?

7. В чем суть окисления в парах воды, сухом и влажном кислороде?

8. Как влияют легирующие примеси на скорость термического окисления кремния?

9. Как влияет ориентация кремния на скорость окисления?

10. Как влияет давление окислителя на скорость роста термического окисла?

11. В чем заключается роль хлора в процессе термического окисления кремния?

12. Какие технологическое оборудование и оснастка применяются для проведения процессов термического окисления?

 

Литература

1. Технология изделий интегральной электроники: учеб. пособие                 / Л. П. Ануфриев [и др.]; под общ. ред. А. П. Достанко и Л. И. Гурского. – Минск: Алмафея, 2010. – 536 с.: ил.

2. Готра, З. Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник / З. Ю. Готра. – М.: Радио и связь. – 1991. – 528 с.

3. Коледов, Л. А. Технология и конструкции микросхем, микро-процессоров и микросборок: учебник для вузов/ Л. А.Коледов. – М.: Радио и связь, 1989. –  400 с.

4. Крапухин, В. В. Технология материалов электронной техники. Теория процессов полупроводниковой технологии /В. В. Крапухин, И. А. Соколов, Г. Д. Кузнецов. – М.: МИСИС, 1995. – 496 с.

 

Лабораторная работа №2

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩЕГО КОНТАКТА                 МЕТАЛЛ – ПОЛУПРОВОДНИК

      Цель работы: изучение физических процессов, протекающих в контактах металл–полупроводник, основных механизмов токопереноса, методов определения основных электрофизических параметров контакта, применения контактов металл–полупроводник.

 

 теоретические сведения

Знакомство с контактами металл–полупроводник началось более ста лет тому назад. В 1874 г. Карл Ф. Браун обнаружил зависимость общего сопротивления сульфидов металлов от полярности приложенного напряжения. В его опытах сопротивление контакта медь–сульфид железа отличалось в пределах 30 % в зависимости от направления протекания тока, т. е. наблюдалось выпрямление тока. И хотя механизм выпрямления еще не был понятен, в ранних экспериментах по радиосвязи в качестве детектора широко использовались именно точечные контакты металлических иголок с сульфидами металлов.

В 1931 г. немецкий ученый В. Шоттки разработал первую приемлемую теорию выпрямления для контактов. Поэтому такой контакт чаще называется контакт Шоттки или контакт с барьером Шоттки. Было доказано, что при прохождении тока падение потенциала, приложенного к контакту, сосредотачивается почти целиком на самом контакте, что указывает на существование некоторого потенциального барьера.

Рассмотрим энергетическую диаграмму контакта полупроводника n -типа с металлом. Пусть термодинамическая работа выхода из металла А _Мбудет больше, чем из полупроводника А _П, т. е. А _М > А _П (рис. 2.1). В этом случае поток электронов из полупроводника в металл J _ПМ в начальный момент времени будет больше, чем из металла в полупроводник J _МП. Поэтому металл заряжается отрицательно, а полупроводник n -типа положительно, и возникает контактная разность потенциалов, которая будет препятствовать дальнейшему переходу электронов из полупроводника в металл. В то же время поток электронов из металла в полупроводник будет возрастать. Через некоторое время потоки J _МП и J _ПМ и уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. Контактная разность потенциалов, определяемая как              φ K = А_М – А_П, создает изгиб зон в приповерхностной области полупроводника. Вследствие этого концентрация электронов в приповерхностной области уменьшается, и ее сопротивление увеличивается. Эту область называют по разному: барьерной областью, областью пространственного заряда (ОПЗ) или обедненной областью. Ее ширина d определяется так же как и в случае р - n -перехода. В результате вышеуказанных процессов на границе металл-полупроводник возникает потенциальный барьер величиной q φ_B. На практике барьер чаще характеризуется высотой барьера φ_B, которая измеряется в электрон-вольтах. Если же А _М < А _П или для образования контакта будет исполь-зоваться полупроводник р -типа, зоны будут изгибаться в обратную сторону. 

                         Рис. 2.1. Энергетические зоны металла и полупроводника

 

Термин невыпрямляющий (омический) говорит о том, что на границе раздела отсутствует потенциальный барьер для потока основных носителей. Для лучшего понимания процесса переноса носителей через границу раздела можно отметить, что дырки ведут себя подобно пузырькам, а электроны – наоборот, как тяжелые шарики. Исходя из приведенных выше энергетических диаграмм, можно простым выбором металла с нужной работой выхода получить или омический или выпрямляющий контакты. Однако экспери-ментально было найдено, что высота потенциального барьера практически не зависит от А _М. Американский ученый Дж. Бардин объяснил это влиянием поверхностных зарядов на полупроводнике, которые эффективно экранируют объем полупроводника от металла и нивелируют высоту барьера. В модели Бардина предполагается также существование тонкого диэлектрического слоя между металлом и полупроводником. Это предположение хорошо соответствует реальной ситуации для контактов, изготовленных осаждением тонкой металлической пленки на травленную поверхность полупроводника, на котором всегда присутствует оксидный слой толщиной 1,0–2,0 нм. Поэтому для большинства металлов высота потенциального барьера составляет 0,6–0,8 эВ.