Влияние ориентации на скорость

оксидирования кремния Эксперименты показали, что на кинетику оксидирования оказывает влияние кристаллографическая ориентация поверхности кремния. Такая взаимосвязь определяется ориентационной зависимостью k_s уравнения (2.5) и (2.10, а) и проявляется в ориентационной зависимости линейной константы скорости роста. Линейная константа скорости роста связана с кинетикой протекания реакции на границе раздела фаз и зависит от скорости, с которой атомы кремния переходят в оксидную фазу. Процесс определяется поверхностной концентрацией атомов кремния, которая зависит от ориентации. На параболическую константу скорости В не влияет ориентация, поскольку В определяется диффузионной стадией реакции.

Для объяснения того, каким образом линейная скорость оксидирования кремния зависит от ориентации его поверхности, была предложена модель, согласно которой имеет место прямая реакция между молекулами воды в оксиде и химической связью кремний-кремний на границе раздела фаз Si-SiChНа этой границе раздела все атомы кремния связаны и с атомами кремния, расположенными ниже границы, и с атомами кислорода выше её. Ориентационная характеристика скорости оксидирования обусловлена влиянием ориентации поверхности на энергию активации реакции оксидирования и концентрации реакционных мест. Эта концентрация зависит от концентрации связей кремний — кремний, доступных для протекания реакции в данный момент времени. Доступность связи определяется углом, который она составляет по отношению к плоскости поверхности, и её положением по отношению к соседним атомам. Следует принять во внимание, что размер молекул воды такой, что при их реакции с кремний — кремниевыми связями, расположенными под некоторым углом, они могут экранировать соседние связи от других молекул воды. Эти геометрические эффекты, называемые пространственными препятствиями, приводят к зависимости линейной скорости оксидирования от ориентации поверхности кремния.

2.1.3. Влияние примесей и повреждений поверхности на скорость оксидирования В связи с тем, что оксидирование во влажном кислороде происходит с более высокой скоростью, чем в сухом кислороде, присутствие любых незначительных следов влаги в атмосфере сухого кислорода ускоряет процесс оксидирования. Фактически, как линейная, так и параболическая скорость оксидирования чувствительны к присутствию воды и других примесей.

Вода. Для изучения влияния воды на скорость оксидирования кремния были проведены эксперименты, в ходе которых в атмосферу окислительного процесса вводились пары воды до концентрации 1,5? 10'³ %, тогда как в обычном процессе оксидирования в сухом кислороде их содержание не превышает 10'⁴%. При этом было обнаружено существенное увеличение скорости оксидирования. Например, при оксидировании кремния с ориентацией поверхности при температуре 800 °C в течение 700 мин толщина слоя выращенного оксида кремния составляла ~ 30 нм при содержании влаги менее 1? 10 ⁴ % и ~ 37 нм при содержании влаги 2,5• 10″ ³ %. Для того, чтобы достигнуть уровня содержания влаги менее 1? 10"* %, использовались система предварительной очистки и вымораживающие ловушки.

Иа грий. Высокая концентрация натрия оказывает влияние на скорость оксидирования за счет изменения структуры связей в оксиде, гем самым ускоряя диффузию и увеличивая концентрацию молекул кислорода в оксиде.

Галогены. Некоторые соединения галогенов улучшают свойства как самого оксида, так и расположенного под ним кремния. Улучшение свойств оксида заключается в уменьшении степени загрязнения его ионами натрия, увеличения диэлектрической прочности и уменьшении плотности поверхностных состояний. На границе раздела Si-SiCb и вблизи неё хлор способствует переводу определенных примесей в кремнии в летучие хлориды, обеспечивая тем самым эффект геттерирования. Кроме того, при наличии хлора наблюдается уменьшение плотности окислительных дефектов упаковки. В атмосферу сухого кислорода хлор обычно вводят в виде газообразного СЬ, ангидрида НС1 или трихлорэтилена.

Экспериментальные данные по оксидированию кремния в смесях сухого кислорода с НС1 указывают на то, что добавление НС1 приводит к возрастанию скорости оксидирования. Типичные добавки лежат в диапазоне 1 …5%. При добавках НС1 выше 1% параболическая константа скорости оксидирования В возрастает по линейному закону. Линейная константа скорости оксидирования В/A вначале увеличивается при добавлении 1 % НС1, однако дальнейшее увеличение содержания НС1 не оказывает на нее влияния.

Термическое оксидирование кремния при температуре 1100 °C с добавлением до 1% трихлорэтилена (ТХЭ) происходит со скоростью процесса при добавлении аналогичной концентрации хлора. При более низких температурах значения скорости оксидирования для системы СЬ/ТХЭ выше.

Влияние повреждения поверхности на скорость оксидирования процесс сложный и мало изученный. Было изучено ускорение термического оксидирования ионно-имплантированного кремния в зависимости от вида ионов и их концентрации. Ионы мышьяка As с энергией 80 юВ, бора В с энергией 60 юВ. сурьмы Sb с энергией 106 кэВ, аргона Аг с энергией 48 кэВ имплантировались в подложки кремния с ориентацией, их доза находилась в пределах 410^и…Т10¹⁶ см². При оксидировании во влажном кислороде при температуре 900 °C максимальное увеличение скорости оксидирования происходило для бора в 1,1; аргона в 1,3; сурьмы в 3,5; мышьяка в 7,5 раза. Чем выше доза, тем быстрее происходит оксидирование. При имплантации ионов германия Ge, кремния Si, галлия Ga обнаружено замедление процесса оксидирования.