Термическое окисление.

Свойства пленки двуокиси кремния

Двуокись кремния широко используется в технологии ИМС: для создания масок, используемых при проведении локальных технологических процессов, формирования подзатворного диэлектрика в МДП-структурах, создания изолирующих слоев и др.

Применение пленки SiO₂ в качестве маски при диффузии примесей основано на том, что коэффициент диффузии ряда примесей (P, B, As, Sb и др.) в ней значительно меньше, чем в кремнии. При ионном легировании маскирующие свойства пленки SiO₂ основано на том, что длина пробега ионов в пленке меньше ее толщины.

Пленка SiO₂ прозрачна, имеет блестящую стеклянную поверхность и при толщине в десятые доли микрометра окрашена вследствие интерференции света, отраженного от ее поверхности и поверхности кремния.

Двуокись кремния и кремний имеют близкие значения температурного коэффициента расширения (ТКР), благодаря этому при изменениях температуры не происходит механических повреждений пленки.

Диэлектрическая проницаемость двуокиси кремния SiO₂ составляет 0,3 пФ/см, а электрическая прочность – 600 В/мкм.

Термическое окисление проводится в эпитаксиальных или диффузионных установках: над поверхностью пластин пропускают газ-окислитель: кислород, водяной пар или их смесь (влажный кислород) при температуре 1000 – 1300 ℃.

Скорость роста пленки в зависимости от температуры и содержания водяного пара в смеси может изменяться в пределах 0,05 – 1 мкм/час. Окисление в сухом кислороде характеризуется минимальной скоростью роста, однако такая пленка имеет высокое качество. На порядок более высокую скорость окисления можно получить в водяном паре: при температуре 1000 ℃ пленка толщиной в 1 мкм вырастает за 10 мин. Недо- статком такой пленки является пористость и дефектность. Компромиссное решение дает комбинированный процесс – окисление во влажном кислороде, изменяя соотношение между кислородом и водяным паром, можно в широких пределах регулировать скорость окисления.

Обычно окисление проводится по схеме «сухой - влажный – сухой» кислород.

Во многих схемах пленки SiO₂ выращивают локально. Для этого используется маска из нитрида кремния Si₃N₄ – рис. 4.9. Двуокись кремния растет вверх, вниз и в боковых направлениях (под маску) с одинаковой скоростью – рис. 4.9.б. Прорастание SiO₂ вглубь кристалла дает возможность использовать его для изоляции соседних слоев. Например, если после окисления p-Si удалить маску из нитрида кремния и провести неглубокое легирование донорами, то получатся изолированные друг от друга слои n-типа – рис. 4.9.в. Рост двуокиси в боковом направлении обуславливает характерную заостренную форму на краях, препятствующую получению малых расстояний между соседними изолированными областями, а рост вверх приводит к неровностям поверхности. Для получения ровной поверхности перед окислением вытравливают в кремнии канавки глубиной в половину толщины двуокиси кремния, используя ту же маску Si₃N₄.

Рис. 4.9. Локальное окисление кремния