Термическое оксидирование: Оксидирование. Виды оксидирования

Термическое оксидирование | это… Что такое Термическое оксидирование?

Печи для диффузии и термического оксидирования (LAAS, Тулуза, Франция)

Оксидирование кремния (Si) — процесс создания оксидной плёнки (диоксида кремния SiO₂) на поверхности кремниевой подложки.

Задача оксидирования — вырастить высококачественный слой оксида на подложке из кремния. Оксид кремния получается в процессе химической реакции между кислородом и кремнием. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность подложки, нагретой в печи. В качестве окислительной среды обычно используется сухой или влажный (с паром) кислород.

Химическая реакция

Термическое оксидирование кремния обычно производян пр температурах между 800 и 1200°C. В результате получается слой высокотемпературного оксида(High Temperature Oxide layer). Это может производиться как в парах воды, так и когда в роли окислителя выступает молекулярный кислород, что, соответственно, называется мокрым(wet) или сухим(dry)окислением. при этом происходит одна из следующих реакций:

Окислительная среда может таже содержать несколько процентов соляной кислоты. Хлор удаляет ионы металла, что могут присутствовать в оксиде.

Применение слоёв SiO

₂

Слои диоксида кремния используются в электронике:

• как маска для диффузии легирующих примесей
• для пассивации поверхности полупроводников
• для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга
• в качестве подзатворного диэлектрика
• в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти
• в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией
• как составная часть шаблона для рентгеновской литографии

Достоинства SiO

₂

• SiO₂ — «родной» для кремния материал, поэтому легко из него получается
• SiO₂ можно легко стравить с подложки с помощью плавиковой кислоты (HF), не повредив кремний
• SiO₂ является барьером для диффузии бора, фосфора, мышьяка
• SiO₂ является хорошим изолятором (имеет высокую напряжённость пробоя)
• SiO₂ стабилен до 10⁻⁹ Тор (10⁻⁷ Па) и T > 900 °C
• SiO₂ не растворяется в воде

Режимы термического оксидирования

• T = 700 — 1300 °C
• p = 0,2 — 1,0 атм
• толщина слоя SiO₂ : 0,03 — 2 мкм
• длительность процесса: 3 — 6 часов

Виды термического оксидирования

• Сухое оксидирование
• Влажное оксидирование

Термическое оксидирование | это.

.. Что такое Термическое оксидирование?

Печи для диффузии и термического оксидирования (LAAS, Тулуза, Франция)

Оксидирование кремния (Si) — процесс создания оксидной плёнки (диоксида кремния SiO₂) на поверхности кремниевой подложки.

Задача оксидирования — вырастить высококачественный слой оксида на подложке из кремния. Оксид кремния получается в процессе химической реакции между кислородом и кремнием. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность подложки, нагретой в печи. В качестве окислительной среды обычно используется сухой или влажный (с паром) кислород.

Химическая реакция

Термическое оксидирование кремния обычно производян пр температурах между 800 и 1200°C. В результате получается слой высокотемпературного оксида(High Temperature Oxide layer). Это может производиться как в парах воды, так и когда в роли окислителя выступает молекулярный кислород, что, соответственно, называется мокрым(wet) или сухим(dry)окислением. при этом происходит одна из следующих реакций:

Окислительная среда может таже содержать несколько процентов соляной кислоты. Хлор удаляет ионы металла, что могут присутствовать в оксиде.

Применение слоёв SiO

₂

Слои диоксида кремния используются в электронике:

• как маска для диффузии легирующих примесей
• для пассивации поверхности полупроводников
• для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга
• в качестве подзатворного диэлектрика
• в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти
• в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией
• как составная часть шаблона для рентгеновской литографии

Достоинства SiO

₂

• SiO₂ — «родной» для кремния материал, поэтому легко из него получается
• SiO₂ можно легко стравить с подложки с помощью плавиковой кислоты (HF), не повредив кремний
• SiO₂ является барьером для диффузии бора, фосфора, мышьяка
• SiO₂ является хорошим изолятором (имеет высокую напряжённость пробоя)
• SiO₂ стабилен до 10⁻⁹ Тор (10⁻⁷ Па) и T > 900 °C
• SiO₂ не растворяется в воде

Режимы термического оксидирования

• T = 700 — 1300 °C
• p = 0,2 — 1,0 атм
• толщина слоя SiO₂ : 0,03 — 2 мкм
• длительность процесса: 3 — 6 часов

Виды термического оксидирования

• Сухое оксидирование
• Влажное оксидирование

Термическое оксидирование

Термическое оксидирование (диоксид кремния) представляет собой пленку диоксида кремния, полученную путем окисления кремния подложки, обычно при температуре выше 1000°C. Термические оксиды можно выращивать с использованием «сухого» процесса окисления:

Si + O ₂ → SiO ₂

Или «мокрого» процесса окисления:

Si + 2H ₂ O → SiO

5 2 + 2H

₂

Сухое окисление обычно проводят при 900°C — 1200°C при высоком давлении кислорода. Сухое окисление демонстрирует самую низкую скорость роста оксида среди процессов термического окисления, используемых в производстве полупроводниковых устройств, обычно около 14-25 нм/час. Из-за этого процессы сухого окисления обычно используются только для процессов, требующих толщины пленки диоксида кремния менее 100 нм. Процессы сухого окисления позволяют получать пленки диоксида кремния с высочайшими электрическими и материальными характеристиками. «Мокрое» окисление можно проводить с использованием либо увлеченной воды, либо пара, образующегося на месте, полученного в результате реакции водорода и воды:

2Н ₂ + О ₂ . 2H ₂ O + Si → SiO ₂ + 2H ₂

Исторически мокрое окисление использовалось в процессе LOCOS (локальное окисление кремния) для производства электроизолирующего «полевого оксида» в старых конструкциях устройств. Использование оксидов TEOS и новых текучих пленок CVD в значительной степени вытеснило этот процесс в производстве передовых устройств.

Диоксид кремния был, пожалуй, наиболее важным материалом для различных тонких пленок, используемых для изготовления полупроводниковых устройств на протяжении более полувека. Действительно, причиной этого, вероятно, является тот факт, что кремний образует стабильный и прочный оксид с хорошими электрическими свойствами. Как следствие, в литературе имеется множество исследований, посвященных выращиванию и характеристике тонких термических пленок диоксида кремния, и заинтересованный читатель может обратиться к этим работам и ссылкам, содержащимся в них, для более глубокого понимания таких аспектов, как рост оксида. характеристики механизма и интерфейса. На практике термические оксиды кремния можно выращивать с использованием различных конфигураций оборудования, и наилучший подход зависит от конкретных требований к устройству. В этом разделе мы опишем те конфигурации оборудования, которые, скорее всего, будут встречаться на производстве полупроводников.

Термические оксиды используются главным образом для оксидов затвора в кремниевых полупроводниковых устройствах. В этом приложении очень важно, чтобы граница раздела диоксид кремния/кремний была как можно более идеальной с минимумом дефектов атомарного масштаба, таких как «оборванные» химические связи и нестехиометрические гидроксильные примеси, как обсуждалось в разделе «Очистка поверхности пластины». Чтобы гарантировать это, подложки обычно проходят стадию подготовки поверхности непосредственно перед окислением. Этот этап обычно включает удаление любого естественного оксида с последующей водородной пассивацией поверхности с использованием разбавленного HF-последнего процесса. В качестве альтернативы кремниевые поверхности могут быть пассивированы с помощью дистанционного плазменного процесса.

Как сухие, так и влажные термические оксидные пленки могут быть получены с использованием периодической обработки и трубчатых печей с резистивным нагревом. Эти печи могут быть сконфигурированы как «горизонтальные печи с горячими стенками» или «вертикальные печи с горячими стенками». Горизонтальные и вертикальные системы печей широко распространены на старых полупроводниковых заводах. Любой читатель, посетивший старую фабрику, знаком с этими инсталляциями. На рис. 1 показано изображение обычной «нагрузочной станции» горизонтальной системы с горячими стенками. К сожалению, чрезвычайно сложно автоматизировать работу с пластинами в горизонтальных системах, а обработка со сверхнизким содержанием твердых частиц требует такой автоматизации. Кроме того, было обнаружено, что обработка в вертикальной печи обеспечивает лучшую однородность оксидной пленки по поверхности подложки. По этим причинам любая периодическая обработка, встречающаяся в более современных производственных средах, обычно проводится в печах, сконфигурированных для вертикальной обработки. Такие конфигурации могут быть легко адаптированы к роботизированной обработке пластин от кассеты к кассете и интерфейсам FOUP. По этой причине горизонтальные системы далее в нашем обсуждении рассматриваться не будут.

На рис. 2 схематично показаны внутренние компоненты вертикальной печи. Пластины диаметром до 300 мм можно обрабатывать в вертикальных печах. В типичном процессе «сухого» окисления пластины автоматически переносятся из контейнера FOUP в держатель кварцевых пластин внутри печи. Этот держатель пластин, обычно называемый «лодочкой» или «кассетой», используется для удержания пластин во время обработки. Эти лодочки максимизируют количество обрабатываемых пластин для заданного расстояния между пластинами, поскольку минимальное расстояние между пластинами требуется для поддержания приемлемой однородности оксидной пленки по всей поверхности пластины. Типичная партия будет содержать от 50 до 100 пластин с несколькими перегородками (необработанными) пластинами, расположенными вверху и внизу загрузки. Кварцевая лодка установлена ​​на механическом подъемнике. Как только лодка полностью загружена, лифт поднимает груз в горячую среду внутри кварцевой технологической трубы, герметизируя трубу от атмосферы. Трубка обычно горячая во время этапа загрузки, но при более низкой температуре, чем во время процесса окисления. Окружающая среда в отсеке для обработки пластин и в технологической трубе представляет собой инертный газ, чтобы исключить любую возможность неконтролируемого роста оксида при попадании пластин в горячую зону печи. После того, как загрузка находится в горячей зоне и труба запечатана, температура повышается до температуры процесса, опять же под слоем инертного газа, который предотвращает образование оксидов. Температуры процесса могут варьироваться от 1000 до 1250°C. Температуры и температурные профили внутри печи должны точно контролироваться, обычно в пределах допусков отклонения ±0,5°C от заданного значения или меньше. Как только вся система уравновешивается при желаемой температуре процесса, вводят газообразный окислитель и позволяют окислению продолжаться в течение фиксированного времени, образуя оксидную пленку на кремниевых подложках. Газ-окислитель может быть (чаще всего) кислородом высокой чистоты или смесью предварительно сожженного водорода и кислорода (пар + кислород), в зависимости от требований устройства. По истечении заданного времени окисления перекрывают подачу газа-окислителя, трубку продувают инертным газом и снижают температуру системы до уставки разгрузки. Затем лифт разгружает систему, опуская лодочку с пластинами в заполненный инертным газом отсек для обработки пластин в положение, доступное для робототехники по обработке пластин. Загрузке дают остыть до температуры окружающей среды, и робототехника переносит обработанные пластины из лодочки для пластин в ожидающие контейнеры FOUP.

Окисление паром в вертикальной печи периодического действия происходит аналогично сухому окислению, но в качестве окисляющего газа используется пирогенный пар. Пирогенный пар образуется вне печи в кварцевой камере, где сжигаются водород и кислород, а пар продукта подается в технологическую трубу.

Традиционные процессы термического окисления в печах могут быть проблематичными для изготовления передовых устройств. В дополнение к проблемам контроля частиц в инструментах для крупносерийного процесса, многие усовершенствованные конструкции устройств не могут выдерживать температурную нагрузку, испытываемую подложкой во время циклов загрузки, уравновешивания, обработки и разгрузки. Причина в температурах и длительности процесса, необходимых для термического окисления, атомы примеси мигрируют из конструктивных параметров устройства, изменяя профили концентрации и, следовательно, электрические свойства изготавливаемых транзисторов. Есть только два способа избежать этой проблемы: либо снизить температуру, либо уменьшить время, которое подложка проводит при высоких температурах. Поскольку время при температуре, необходимой для данного процесса окисления кремния и толщины пленки, более или менее фиксировано, инженеры-технологи искали способы уменьшить вспомогательное время при температурном балансе в процессе термического окисления. Это было достигнуто за счет использования инструментов быстрого термического окисления (RTO). Это инструменты с одной пластиной, в которых пластина быстро нагревается до температуры окисления с помощью набора ламп в оптической системе. При использовании инструментов RTO время повышения и снижения температуры может быть значительно сокращено (рис. 3). Кроме того, поскольку подложка находится при температурах окисления относительно короткое время, можно проводить окисление при несколько более высоких температурах, что еще больше снижает тепловой баланс. На рис. 4 сравнивается тепловой баланс обычного вертикального реактора периодического действия с горячей стенкой и прибора для быстрого термического окисления.

Как и в случае вертикальных систем периодического действия, системы RTO с одной пластиной сконфигурированы таким образом, чтобы роботизированная обработка пластин от кассеты к кассете выполнялась на протяжении всего процесса. Как правило, инструмент RTO включается в состав многокамерного кластерного инструмента с 4 или более технологическими станциями. Различные станции в инструменте будут выполнять разные функции. Например, кластерный инструмент, предназначенный для формирования пакета вентилей, может иметь отдельные станции для окисления, азотирования, отжига и охлаждения. На рис. 5 показан типичный кластерный инструмент, сконфигурированный для создания стеков вентилей. Пластины доставляются к инструменту в контейнере FOUP и взаимодействуют с роботизированным манипулятором (две нижние станции в кластерном инструменте). Робот переносит пластины из модуля FOUP на станцию ​​оксидирования стартовых ворот, где подложка подвергается быстрому термическому окислению. Затем он последовательно подвергается азотированию, отжигу и осаждению поликремния на специальных кластерных станциях, формируя на подложке стопку затворов устройства. После фазы охлаждения робототехника переносит готовую пластину на выходную станцию ​​FOUP.

2. Физика термического окисления

2. Физика термического окисления

Далее: 2.1 Материал кремний
Up: Диссертация Кристиан Холлауэр
Предыдущий: 1. 4 Описание

ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ — это химический процесс, при котором диоксид кремния (SiO) выращивают в среде с повышенными температурами.
Простая форма термического окисления происходит даже при комнатной температуре, если кремний подвергается воздействию кислорода или воздуха. Там на поверхности быстро образуется тонкий слой естественного оксида толщиной 0,5-1 нм. После этого рост замедляется и фактически прекращается через несколько часов с конечной толщиной порядка 1-2 нм, поскольку атомы кислорода имеют слишком малую энергию при комнатной температуре, чтобы диффундировать через уже сформированный оксидный слой.

SiO используется для изоляции одного устройства от другого, в качестве затворного оксида в структурах MOS и в качестве структурированной маски против имплантации атомов легирующей примеси. В начале этой главы описано, почему термически выращенный SiO является наиболее подходящим материалом для таких требований.

В этой главе основное внимание будет уделено термическому окислению, но следует упомянуть, что слои SiO также могут быть получены методами осаждения, такими как химическое осаждение из паровой фазы. Осаждение обычно требует гораздо меньшего теплового бюджета, чем термическое окисление, и поэтому это единственный вариант, когда на пластинах уже есть металл. Обычно осажденные оксиды не используются для тонких слоев толщиной менее 10 нм, поскольку контроль процесса осаждения не так хорош, как процесс термического окисления. Другим недостатком является граница раздела между осажденным оксидом и нижележащим кремнием, который электрически не так хорош, как термический оксид. Кроме того, осажденный оксид не имеет такой высокой плотности, как термически выращенный оксид.

Термическое окисление представляет собой сложный процесс, в котором одновременно происходят диффузия окислителей, химическая реакция и увеличение объема для превращения кремниевой подложки в SiO. На этот процесс сильно влияют используемые виды окислителей, среда окисления с температурой и давлением, а также ориентация кристаллов подложки. С помощью этих параметров можно контролировать качество и рост оксида в процессе производства.

Небольшие габариты и высокая производительность современных Устройства MOS требуют сверхтонких слоев SiO для диэлектриков затвора.
Помимо точного контроля толщины, чистый SiO имеет некоторые трудности с выполнением всех требований при такой малой толщине. В частности, проникновение легирующей примеси и прямое туннелирование для сверхтонких оксидов не может быть обработано. Было обнаружено, что оксинитриды кремния являются более подходящими материалами для таких применений. Оксинитриды могут быть получены различными способами, которые зависят от желаемого профиля азота и, следовательно, от области применения.

Подразделы

• 2.1 Материал Диоксид кремния
  • 2.1.1 Свойства SiO
  • 2.1.2 Структура SiO

• 2.2 Принципы процесса окисления
• 2.3 Быстрое термическое окисление
• 2.4 Параметры окисления
  • 2.4.1 Виды окислителей
    • 2.4.1.1 Сухое окисление
    • 2.