Studierea procesului oxidării termice a siliciului

1. Scopul lucrarii:

- de a face cunostinta cu constructia instalatiei de oxidare termica a silixiului.

- cercetarea influentei diferitilor parametri ai procesului tehnologic asupra proprietatilor oxidului.

- cercetarea grosimii si calitatii stratului de oxid.

2. Scurte date teoretice:

Bioxidul de siliciu SiO2 se foloseste pe larg in microelectronica datorita proprietatilor sale de masca, izolator, la fel este un elemet cheie in tehnologia TEC-MOS.

Formarea oxidului de Si poate fi realizat prin mai multe metode: termica, anodizarea in electrolit sau plasma, cresterea din stadia de vapori. Cel mai bun oxid e cel obtinut prin metoda termica. Cu toate ca e amorf are componenta fixa si cea mai tare apropiata de formula SiO2, e durabil si adeziunea fata de stratul de Si pur e foarte buna.

Baza acestei metode o constituie interactiunea dintre Si si oxidant la temperaturi mari. In aclitate de oxidant poate fi oxigenul uscat, oxigenul umed sau vaporii de apa. Schematic reactiile pot fi scrise sub forma:

Si+ O2= SiO2

Si+ 2H2O= SiO2+2H2

Pe parcursul oxidarii stratul de oxid se deplaseaza in adancul plachetei, astfel pentru cresterea unui strat de SiO2 cu grosimea d0 trebuie sa se consume din placheta de Si 45% din d0.

Oxidarea (interactiunea atomilor de Si cu oxidantul) are loc la interfata dintre stratul de Si curat si stratul de oxid deja existent, adica atomii de oxidant razbat prin Si deja format. Pe baza cresterii grosimii stratului de SiO2, scade viteza de crestere.

Asupra vitezei influenteaza mai multi factori. La orientarea cristalografica (111) avem o viteza mai mare ca la (100) la aceeasi temperatura. La aceeasi orientare cristalografica, odata cu cresterea temperaturii creste si viteza de oxidare. La tratarea Si cu oxigen uscat viteza e mica, iar calitatea e mare, invers la vapori cu apa.

De obicei SiO2 se creste la temperaturi de 700-1300oC, presiune de 0,2-1 atm., iar grosimea SiO2 poate atinge pana la 300 Ǻ. Din analiza cineticii procesului oxidării termice a fost determinată ecuaţia care descrie acest proces:

(3)

unde A şi B – mărimi constante pentru procesul dat;

X0 – grosimea stratului crescut;

t – timpul procesului.

Soluţia ecuaţiei (3) faţă de X0 în dependenţă de timp se scrie:

(4)

Dacă timpul procesului de oxidare este mai mare, adică când , atunci

. (5)

Ecuaţia (5) reprezintă legea parabolică, unde B – constanta parabolică a vitezei de oxidare. Alt caz de limită are loc la timpuri mici de parcurgere a procesului, când , atunci:

(6)

Ecuaţia (6) reprezintă legea liniară a procesului de oxidare, unde B/A – constanta liniară a vitezei de oxidare.

Folosind ecuaţia (4) şi datele experimentale ale funcţiei X0=f(t) au fost determinate mărimea constantelor (tab. 1).

Constantele procesului oxidării termice Tabelul l

Temperatura oxidării °C O2 uscat O2 umed

H2O=95°C VaporiH2O

H2O=102°C

A,

B,

B/A

A,

B,

B/A

1200 0,040 0,045 1,12 0,05 0,720 14,40 0,96

1100 0,090 0,027 0,30 0,11 0,510 4,64

1000 0,165 0,0117 0,07 0,226 0,287 1,27 0,33

920 0,235 0,0049 0,02 0,50 0,203 0,406

Din tabel se vede că valoarea absolută a coeficientului A creşte la micşorarea temperaturii, iar coeficientul B are un caracter invers. Oxidarea în vapori de apă are cea mai mare viteză, însă calitatea oxidului obţinut nu este atât de bună (are o mare cantitate de pori) şi un astfel de oxid nu poate fi folosit în calitate de mască în procesele difuziei locale sau în calitate de oxid în tranzistorii M.O.S.

Pentru ca acest oxid să poată fi folosit ca mască, grosimea necesară de 0.6— 0.8 poate fi obţinută la oxidarea în O2 uscat la temperatura 1000°C într-un interval de timp 20 – 50 ore. Un asemenea proces de oxidare are o productivitate mică. De aceea în condiţii industriale oxidarea va avea foc într-o atmosferă de oxigen uscat aproximativ 10 min. şi se obţine o peliculă fără defecte, apoi are loc oxidarea în oxigen umed (astfel viteza oxidării se majorează, însă se majorează şi numărul defectelor). În ultima etapă oxidarea are loc din nou într-o atmosferă de oxigen uscat şi ca rezultat numărul defectelor se va micşoră.