Nazariy ma'lumotlar

Ishning maqsadi: kremniy yuzasida oksid plyonkalarining o'sish mexanizmlarini o'rganish va termal oksidlanish jarayonining kinetik xususiyatlarini aniqlash.
NAZARIY MA'LUMOTLAR
Planar integral mikrosxemalar texnologiyasida SiO2 oksidli plyonkalar keng qo'llaniladi. Silikon sirtini SiO2 bilan himoya qilish Si3N4, SiO kabi boshqa dielektrik materiallardan tayyorlangan qoplamalarga nisbatan ma'lum afzalliklarga ega.
Silikon dioksid SiO2 universal dielektrikdir. U oksidlovchi muhitda yuqori kimyoviy qarshilikni, gözenekli bo'lmagan plyonkalarning shakllanishiga yordam beradigan shisha hosil bo'lish tendentsiyasini va qoniqarli elektr xususiyatlarini muvaffaqiyatli birlashtiradi. SiO2 ning gidroflorik kislota HFda oson eriydi va shu bilan planar tuzilmalarni fotografiya qilish qobiliyatini ta'minlash juda muhimdir. Shu bilan birga, SiO2 plyonkasi HF + NNO3 aralashmasiga nisbatan deyarli barqaror bo'lib, uni kremniyni tanlab olish uchun niqob sifatida ishlatishga imkon beradi.
Silikon dioksid plyonkasining eng muhim vazifalaridan biri silikon substrat yuzasini nopoklik atomlaridan niqoblashdir, bu faqat SiO2 qatlamidan xoli bo'lgan joylarga diffuziyani ta'minlaydi. SiO2 qatlamining iflosliklarning kirib kelishiga to'sqinlik qiluvchi himoya xususiyatlari, diffuziya haroratida SiO2 bilan o'zaro ta'sir qiluvchi bor yoki fosfor uning yuzasida bor va fosforsilikat oynalar hosil qilishi bilan bog'liq. Silikon substrat yuzasida SiO2 qatlamlari tomonidan bajariladigan yana bir muhim funktsiya p-n birikmalarini, integral mikrosxemaning faol va passiv elementlarini himoya qilishdir. Natijada, ularning parametrlari barqarorlashadi va silikon sirtining sxema elementlarining elektr xususiyatlariga ta'siri kamayadi. Yuqoridagi ilovalarga qo'shimcha ravishda, SiO2 qatlamlari kontakt yostiqchalari va o'tkazgichli kommutatsiya metall ulanishlari uchun izolyatsion asos bo'lib xizmat qiladi.
Ishning maqsadi: kremniy yuzasida oksid plyonkalarining o'sish mexanizmlarini o'rganish va termal oksidlanish jarayonining kinetik xususiyatlarini aniqlash.
NAZARIY MA'LUMOTLAR
Planar integral mikrosxemalar texnologiyasida SiO2 oksidli plyonkalar keng qo'llaniladi. Silikon sirtini SiO2 bilan himoya qilish Si3N4, SiO kabi boshqa dielektrik materiallardan tayyorlangan qoplamalarga nisbatan ma'lum afzalliklarga ega.
Silikon dioksid SiO2 universal dielektrikdir. U oksidlovchi muhitda yuqori kimyoviy qarshilikni, gözenekli bo'lmagan plyonkalarning shakllanishiga yordam beradigan shisha hosil bo'lish tendentsiyasini va qoniqarli elektr xususiyatlarini muvaffaqiyatli birlashtiradi. SiO2 ning gidroflorik kislota HFda oson eriydi va shu bilan planar tuzilmalarni fotografiya qilish qobiliyatini ta'minlash juda muhimdir. Shu bilan birga, SiO2 plyonkasi HF + NNO3 aralashmasiga nisbatan deyarli barqaror bo'lib, uni kremniyni tanlab olish uchun niqob sifatida ishlatishga imkon beradi.
Silikon dioksid plyonkasining eng muhim vazifalaridan biri silikon substrat yuzasini nopoklik atomlaridan niqoblashdir, bu faqat SiO2 qatlamidan xoli bo'lgan joylarga diffuziyani ta'minlaydi. SiO2 qatlamining iflosliklarning kirib kelishiga to'sqinlik qiluvchi himoya xususiyatlari, diffuziya haroratida SiO2 bilan o'zaro ta'sir qiluvchi bor yoki fosfor uning yuzasida bor va fosforsilikat oynalar hosil qilishi bilan bog'liq. Silikon substrat yuzasida SiO2 qatlamlari tomonidan bajariladigan yana bir muhim funktsiya p-n birikmalarini, integral mikrosxemaning faol va passiv elementlarini himoya qilishdir. Natijada, ularning parametrlari barqarorlashadi va silikon sirtining sxema elementlarining elektr xususiyatlariga ta'siri kamayadi. Yuqoridagi ilovalarga qo'shimcha ravishda, SiO2 qatlamlari kontakt yostiqchalari va o'tkazgichli kommutatsiya metall ulanishlari uchun izolyatsion asos bo'lib xizmat qiladi.
1.1. Monokristalli kremniy-amorf silikon dioksid interfeysining ko'rinishi
Ushbu reaktsiyaning tabiati ancha murakkab va uni ko'p bosqichli deb hisoblash kerak. Birinchi bosqichda suv bug'i allaqachon hosil bo'lgan SiO2 dagi kislorod-kremniy tetraedralarini bog'laydigan kislorod ionlari bilan reaksiyaga kirishadi:
Н2О + (Si–О–Si) → (Si–ОН) + (ОН–Si).
SiO2-Si interfeysiga tushgan gidroksil guruhlari kremniy bilan reaksiyaga kirishadilar. Natijada oksid va vodorod hosil bo'ladi:
Vodorod keyinchalik o'sib borayotgan oksiddagi kislorod ionlari bilan reaksiyaga kirishishi mumkin. Natijada gidroksil guruhlari yana paydo bo'ladi
Bu ko'p bosqichli reaktsiya oksidlanish tezligini oshirishga yordam beradi.
Termal oksidlanish odatda 800-1250 ° S haroratda amalga oshiriladi. Oksidlanish jarayoni SiO2 ning o'sgan amorf qatlami orqali kislorodni diffuziya orqali o'tkazishdan iborat (kremniy yuzasida, hatto xona haroratida ham, har doim 3-6 nm qalinlikdagi tabiiy oksid qatlami mavjud) va Si da Si bilan keyingi reaksiya. -SiO2 interfeysi. Asosan, Si yuzasida oksid qatlamining o'sishining ikkita mexanizmi mumkin. Bir holatda oksidlovchi modda qatlam orqali Si yuzasiga tarqaladi va u erda u bilan reaksiyaga kirishadi, ikkinchisida Si oksid yuzasiga tashqariga tarqaladi va kislorod bilan reaksiyaga kirishadi. Ushbu mexanizmlarning ikkinchisi ahamiyatsiz rol o'ynashi aniqlandi. Sifat jihatdan buni oksiddagi kislorodning harakatlanishi uchun faqat ikkita bog'ni (≡Si–O–Si≡) uzish kerakligi va tetraedr markazida joylashgan Si ning harakatlanishi bilan izohlash mumkin. to'rtta kislorod ionidan to'rttasi talab qilinadi (1.2-rasm).
Termik oksidlanish jarayonida Si-SiO2 interfeysida kislorodning qayta taqsimlanishi natijasida yuzaga keladigan o'tish qatlami hosil bo'ladi. Kremniy yuzasida boshlang'ich strukturada oksidning kimyosorbsion qatlami mavjud bo'lib, uning tarkibi shartli ravishda SiO2-x sifatida ifodalanishi mumkin.
. 1.2. Kremniy-kremniy dioksid interfeysining tuzilishi
Bu qatlamdagi kislorod konsentratsiyasi Si sirtidagi SiO2-x dan chuqurlikda nolga tushadi. Oksidlanish jarayonida o'tish qatlami emas, balki hosil bo'ladi
substratning asl yuzasi va uning ostida diffuziya-kimyoviy jarayonlar tufayli. Bunday holda, Si-SiO2 interfeysi kristallning asosiy qismiga o'tadi. Natijada, termal oksidlanish jarayonida chegara o'tish qatlamining shakllanishi ko'proq "steril" sharoitlarda - kristallning ichki hududlarida sodir bo'ladi.
Kremniy oksidlanish kinetikasining tavsifi asosiy Deal-Grov munosabatlariga asoslanadi:
d 2 Ad B(t τ)
bu erda d - oksidning qalinligi;
t – oksidlanish vaqti;
A, B, t - oksidlanish sharoitiga qarab konstantalar.
Yuqoridagi konstantalarni quyidagi formulalar yordamida aniqlash mumkin:
A 2D(1 / Ks 1 / h); B 2DC* / N1 ; τ (d 2 Ad ) / B ,
bu erda D - oksidlovchining SiO2 dagi diffuziya koeffitsienti;
C* - muvozanatga erishish momentida, ya'ni t → ∞ da sirtdagi SiO2 dagi oksidlovchi moddaning konsentratsiyasi;
N1 - oksidning birlik hajmidagi oksidlovchi molekulalar soni. Quruq O2 da oksidlanish uchun – N1 = 2,2·1022 sm–3, suv bug‘ida oksidlanish uchun – N1 = 4,4·1022 sm–3;
Ks – Si sirtidagi kimyoviy oksidlanish reaksiyasining konstantasi;
h – massa uzatish koeffitsienti.
(1.6) tenglamaning yechimi shaklni oladi
Kremniy oksidlanish jarayonining umumiy tabiati T = const da d = f (t) kinetik egri chizig'i bilan ifodalanishi mumkin (1.3-rasm). Shartli ravishda egri chiziqni to'rt qismga bo'lish mumkin, ular uchun d = f(t) funktsiyaning shakli boshqacha. Oksidlanishning dastlabki davriga mos keladigan I bo'lim d = Kt chiziqli funktsiya bilan tavsiflanadi. Ushbu bosqichdagi plyonka o'sish tezligi doimiy bo'lib, sirt reaktsiyasining bosqichi bilan belgilanadi
Kremniyning doimiy haroratda termal oksidlanish kinetik egri chizig'ining umumiy ko'rinishi
Odatda bu bosqich kuzatilmaydi, chunki Si yuzasi allaqachon yupqa oksid qatlami bilan qoplangan. Film o'sishi bilan oksidlovchining Si-SiO2 interfeysiga tarqalishi tobora muhim rol o'ynay boshlaydi. Shuning uchun II bo'limda d2 + cd = Kd chiziqli parabolik bog'liqlik mavjud (bu erda c, K doimiylar), bu sirt reaktsiyasi va diffuziya o'rtasidagi bog'liqlik bilan belgilanadi. Bu jarayonlarning nisbiy hissasi c koeffitsienti bilan aniqlanadi. Oksidlanish jarayonining asosan diffuziya turi III bo'limda sodir bo'ladi, buning uchun kinetik egri chiziqli parabolik qonundan c = 0 da, ya'ni sirt reaktsiyasining hissasi bo'lmasa, parabolik qonun bilan aks ettiriladi. Filmning keyingi o'sishi bilan kislorodning oksid qatlami orqali tarqalishi qiyinlashadi va o'sish tezligi oldingi bo'limlarga qaraganda sezilarli darajada pasayishni boshlaydi. IV bo'limda kinetik egri chiziq berilgan haroratga xos bo'lgan ma'lum chegaraviy qiymat dmax ga yaqinlashadi va parabolik qonun d = K log(1 + c1t) + c2t1/2 parabolik-logarifmik qonun bilan, keyin esa logarifmik qonun d = K log(1 + c1t ) da c2 = 0. Shunday qilib, Si ning harorat va o'sish vaqtining texnologik jihatdan maqbul diapazonlarida termal oksidlanishi haddan tashqari qalinlikdagi plyonkalarning shakllanishiga olib keladi. Shunday qilib, T ~ 1200 ° S da qalinligi 1,5 mikrondan ortiq bo'lgan termal SiO2 ni olish mumkin emas.
Amaliy maqsadlar uchun (1.8) munosabatdan kelib chiqadigan ikkita cheklovchi holat qiziq. Agar vaqt uzoq bo'lsa (t >> A2/4B), u holda parabolik oksidlanish qonuni sodir bo'ladi. Bu erda B doimiy deyiladi
|