Оксидирование поликристаллического кремния

Поликристаллический кремний используется в технологии ИС для создания проводящих шин между приборами и для формирования затворов МОП-структур.

Термическое оксидирование, поликристаллического кремния обеспечивает создание электрической изоляции, которая может быть использована в качестве межслойного диэлектрика для структур с многослойной металлизацией.

Различные параметры процесса получения поликристаллического кремния, включая способ выращивания, температуру роста, уровень легирования, размер зерен и морфологию, влияют на скорость оксидирования и свойства формируемого оксида (электропроводность, пробивные напряжения).

Дефекты, возникающие при оксидировании кремния

Термическое оксидирование кремния может приводить к возникновению дефектов упаковки, располагающихся в плоскостях (111). Эти плоские дефекты представляют собой структурные несовершенства решетки кремния, которые, но своей природе являются дефектами типа внедрения и ограничены частичными дислокациями.

Общепринятый механизм роста этих дефектов заключается в соединении (коалесценции) избыточных атомов кремния в кремниевой решетке на зародышевых местах, в роли которых выступают дефекты, образовавшиеся в ходе выращивания кристалла, механические повреждения поверхности пластин, введенные перед оксидированием, химические загрязнения или дефекты, обычно называемые плоскодонными ямками или бугорками. В результате процесса оксидирования кремния на границе раздела фаз Si-SiCh присутствуют избыточные межузельные атомы кремния. Малая часть этих атомов диффундирует вглубь кремния. Пересыщение объема кремния собственными межузельными атомами определяет скорость роста дефектов упаковки.

Альтернативный механизм возникновения дефектов упаковки предполагает уменьшение концентрации вакансий вблизи границы раздела фаз Si-SiCK.

Отрицательное влияние дефектов упаковки общеизвестно. Они являются причиной ухудшения характеристик р-п- переходов (увеличивается обратный ток утечки) и уменьшения времени хранения заряда в МОП-структурах. Такие явления возникают тогда, когда дефекты упаковки становятся электрически активными в результате их декорирования примесями (обычно примесями тяжелых металлов).

Рост дефектов упаковки существенным образом зависит от ориентации подложки, типа проводимости, наличия зародышей дефектов. Эксперименты показали, что скорость роста для подложек кремния с ориентацией поверхности (100) выше, чем с ориентацией (111). Плотность дефектов упаковки выше в подложках с проводимостью /.(-типа, чем для проводимости п-типа.

На Рис. 2.7. показана зависимость длины дефекта упаковки от температуры процесса оксидирования.

Энергия активации в области роста составляет 2,3 jB и не зависит от ориентации поверхности и окисляющей среды (сухой или влажный кислород). Кривые на Рис. 2.7 демонстрируют наличие двух областей: область роста дефектов и область уменьшения их размеров.

Рис. 2.7. Рост дефектов упаковки в зависимости от температуры для 3-х часового оксидирования кремния в сухом кислороде.

В последней области образование дефектов упаковки подавляется, а ранее существовавшие дефекты упаковки сокращаются. Добавление НС1 в окислительную атмосферу может также способствовать подавлению образовался дефектов упаковки. Устранение уже образованных дефектов упаковки может быть также осуществлено высокотемпературной термообработкой в инертной среде азота N2 с энергией активации ~ 5 )В, которая почти равняется энергии активации самодиффузии атомов кремния. Это указывает на то, что уменьшение и исчезновение дефектов упаковки, по всей вероятности, связано с диффузией атомов кремния.

Экспериментальные данные показывают, что длина окислительных дефектов упаковки больше для оксидирования во влажном кислороде, чем в сухом кислороде. Это дает возможность предположить, что скорость оксидирования сильно влияет на механизм, ответственный за рост дефектов упаковки и связанный с точечными дефектами.