Моделирование процесса термического окисления кремния

Изучение процесса окисления кремния к настоящему времени достигло значительных успехов, позволивших создать достаточно адекватные математические модели. Все они рассматривают процесс окисления состоящим из двух этапов: диффузии окисля ющих частиц через растущий окисел и их химического взаимодействия с кремнием на границе раздела двух фаз Si-Si02. Однако до настоящего времени остается ряд спорных вопросов.

Во-первых, вид диффундирующих частиц: в случае окисления в сухом кислороде этими частицами признаются либо нейтральные молекулы кислорода 02, либо заряженные молекулы и атомы кислорода. Модели, основанные на первом допущении, дают хорошее совпадение с экспериментом по определению скорости роста для толщин не менее 0,1 мкм. Модели, основанные на использовании заряженных атомов, позволяют более точно описать кинетику процесса, особенно на начальных его стадиях, и могут использоваться для толщин от 2 до 500 нм.

При окислении в парах воды окисляющими частицами могут быть молекулы в оды Н20, а также ионные пары Н30 и ОН . Однако на кинетике окисления эти различия практически не сказываются.

Во-вторых, структура термического окисла, дефекты и внутренние упругие напряжения, возникающие в нем. Растущий окисел принято считать состоящим из двух областей — объемной и переходной вблизи границы раздела

Si-Si02. Объемная область имеет аморфную структуру в виде правильных тетраэдров, в центре которых находится атом кремния, а в вершинах кислород, посредством которого соединяются тетраэдры (мостиковый кислород). Это предполагает соблюдение в окисле ближнего порядка. В объеме могут встречаться включения кристаллитов размером до 2 мкм. Переходная область имеет нестехиометрический состав, ее толщина (до 10 нм) зависит от ориентации и типа проводимости подложки.

Сохранение в объемной области ближнего порядка позволяет использовать для окисла некоторые понятия, относящиеся обычно к кристаллическому состоянию, например, точечные дефекты: кислородные вакансии, междоузельные ионы кислорода и кремния. В окисле имеются микроканалы и микропоры диаметром 0,5-1,0 нм и плотностью около 1012 см 3, не вызывающие разрыва связей Si-O. Из-за различий в коэффициентах термического расширения (КТР) кремния и окисла возникают упругие напряжения. При повышенной температуре они связаны с увеличением молекулярного объема окисла при его росте и могут достигать ве- личин порядка 10 Н/м .

Одной из первых была модель Вагнера, в которой предполагалась возможность пренебречь внутренним полем в окисле при сохранении в каждом элементе объема окисла электронейтральности. Модель Мотта-Кабрера предполагала равенство токов ионов и электронов, в результате чего окисление описывалось параболическим законом. В этих и ряде других моделей в той или иной форме предполагались участие заряженных частиц в процессе окисления и параболический рост окисла. Однако экспериментальные результаты противоречили этим предположениям. В частности, ни одна из моделей не могла объяснить появления линейной зависимости скорости окисления на первоначальном этапе роста окисла, когда скорость процесса может определяться скоростью реакции. Это противоречие было объяснено в модели Лигензы, которая тем не менее также не дала адекватного эксперименту описания, особенно для низких температур при повышенном давлении окислителя.

Развитием идей Лигензы и основой практически всех моделей роста окисла является модель Дила-Гроува, рассматривающая процесс окисления состоящим из двух этапов — массопереноса окислителя в растущем окисле и протекания химической реакции кремния с окислителем. Данная модель рассмотрена в главе 2 разд. 1.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >