Оценка влияния ИК-излучения на скорость роста двуокиси кремния Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.382

А. М. Светличный, Д. А. Шлиховой

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИК-ИЗЛ УЧЕНИЯ НА СКОРОСТЬ РОСТА ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

347928, г. Таганрог, ГСП-17А, Некрасовский. 44. ТРТУ, каф. МЭТ БИС, тел.: (86344) 65067, fax: (86344) 65019, e-mail: svetlichiafsure.ru

Введение

Для повышения быстродействия КМОП СБИС необходим ползатворный диэлектрик толщиной 5 - 10 нм. Экспериментально можно получать ультратон кие окислы хорошего качества. Однако повторяемость полученных результатов мала. Это связано с отсутствием обшей теоретической базы, объясняющей механизм образования тонкого окисла, и факторов, воздействующих на скорость роста диэлектрика. В настоящее время для создания тонких пленок применяется метод быстрой термической обработки (БТО), где в качестве источника нагрева используются ИК-галогенные лампы. Физика нагрева при обычном термическом окислении и при ламповом различна, что, по существу, должно сказаться на некоторых этапах окисления [1]. Влияние излучения на скорость окисления кремния было продемонстрировано в работе [2], где участок чисто термически окисляемого образца освещался лазером с перестраиваемой длиной волны 514 и 488 нм, при этом наблюдалось увеличение скорости роста оксида на 20% (514 нм) и на 25% (488 нм). Поэтому необходимо оценить скорость роста окисла при БТО, а значит, рассмотреть возможные процессы как в газовой фазе, так и на границе Si — SiOj - что

связано с разработкой модели окисления.

Модель окисления

Базовая модель обычного термического окисления, предложенная Дилом и Гроувом [3], достаточно успешно описывает рост оксида кремния толщиной 30 -2000 нм в диапазоне парциальных давлений 0.1-1.0-105 Па и области температур 973-1473 К в атмосфере, состоящей из сухого кислорода или паров воды. В соответствии с этой моделью реакция окисления на межфазной границе (МФГ) Si — Si О э следующая: Si + 02 ~ SiOo • Однако рост пленок толщиной менее 30

нм модель Дила - Гроува описывает некорректно. Основное отличие предлагаемой модели от модели Дила - Гроува заключаются в предположении диссоциации молекулярного кислорода в растущем окисле за счет электронов, идущих из кремния , а применение ламп в качестве источника нагрева позволило говорить как о тер-мо- так и о фотостимулированной реакции окисления. Спектр излучения галогенных ламп 0.3 (2.5 эВ)-5 (0.3 эВ) мкм. Максимум излучения приходится на длину волны 1.1 мкм с энергией фотона 1.2 эВ. Известно, что ширина запрещенной зоны кремния 1.12 эВ, таким образом, кремниевая подложка будет эффективно поглощать фотоны этих энергий на собственных носителях заряда. В приповерхностном слое кремния образуется электронное облако и возникает электрическое поле, связанное с эффектом фото-ЭДС. На начальном этапе окисления энергетический барьер между кремнием и растущим окислом составляет 1 - 2 эВ, что способствует эффективному переносу электронов из зоны проводимости кремния в зону проводимости диоксида кремния. В дальнейшем, с увеличением толщины окисла барьер растет до 3 эВ и поток электронов ослабевает [2,4].

Схематично реакция окисления кремния представлена на рис 1. В простейшем случае кинетика роста окисла описывается тремя потоками: поток из газовой фазы к поверхности подложки; поток окислителя к МФГ 57 — 57'(?2 > Г10Т0К> связанный с реакцией окисления. При БТО электроны, перешедшие в оксид и описываемые потоком , участвуют в диссоциации части потока окислителя. Как следует

из работы [4], даже при простом термическом окислении при температуре 1173 К существуют электроны, перешедшие в окисел. При фотостимулированном процессе их количество резко возрастает.

Глубина проникновения электронов в окисел определяется длиной свободного пробега д'0 (рис. 1). Распределение электронов по энергиям в окисле подобно

распределению фотонов в спектре источника излучения. Следовательно, можно оценить концентрацию электронов, обладающих энергией, достаточной для диссоциации молекулярного кислорода: Оо + е — О2 (0-4 эВ) [5]. Затем метаста-

бильная молекула О? распадается: + Ъ\’ —> О + 0~ (> I эВ) [5]. Часть моле-

кулярного кислорода, достигшая МФГ, реагирует с кремнием согласно Дилу -Гроуву [3].

Таким образом, реакция окисления кремния представлена потоками:

1. /и- поток окислигеля из газовой фазы к поверхности кремния:

^=Л(С*-С0), (I)

*

где п - коэффициент переноса из газовой фазы; С - концентрация окислителя на внешней поверхности окисла; С0 - равновесная концентрация окислителя в окисле.

02 8Ю2 £/

Рис. 1 .Схематическое представление реакции окисления

2. -поток молекулярного кислорода через окисел до границы диссоциации:

Рг - А)(0) ~С0)/(х-х0). (2)

где 0() - коэффициент диффузии молекулярного кислорода: Сд' концентрация окислителя у границы диссоциации.

3. Р31, /32 -потоки молекулярного кислорода и продуктов диссоциации:

Ъ = А (^1 ~С])// х0 ■ Р52 — £*2 (С 2 - С2) . (3)

і •

где С] = пС{), С2 — Со (! — /?)- концентрация молекулярного кислорода и продуктов диссоциации непосредственно после диссоциации окислителя, при уело-і » • вии, что С0 = Су + С-,; С], - концентрации молекул кислорода и продуктов

диссоциации на МФГ. Как следствие, должны соблюдаться граничные условия:

С, = С0 при п = 1 С2 = С0 при /7 = 0

где п - константа диссоциации (вероятность). При я = 1 окисление кремния сводится к обычной термической реакции, при п = 0 - к фотостимулированной. Если

0 < П < 1, то имеет место смешанный тип окисления:

Суммарный поток:

^3 ~ ^31 + ^32'

Следовательно, система потока /3 представляется в следующем виде:

А(ис;-с;).

/7 = 0... 1 , (4)

*3»

г _

і 32

(6)

Д2(С0(1-и)-С2)

*0

При описании потока диффузии продуктов диссоциации /^9 предполагается, что лимитирующим фактором является скорость диффузии атомарно нейтрального кислорода, которая характеризуется коэффициентом диффузии •

Ионы кислорода быстрее достигают МФГ 57 — 5702, дрейфуя по направлению электрического поля.

4. 1, /^42 - потоки, описывающие реакции окисления + 02 —> и

5/ + (9 + О- —> 5ї(?2 + ^ соответственно:

^4, = ; ^42 = к2С2, (7)

где к\,к2- константы скоростей химических реакций.

Суммарный поток:

/ч = ^41 ^42 •

Из условия стационарности | = и = ^42 ' Таким образом,

с; = пС^Пх и с2 =0—ц)со1>2. (9)

х0к} Ч- &2

Скорость роста окисла будет определяться дифференциальным уравнением

= И (10)

(11 лг, ’

где уУ1 - число молекул окислителя входящих в единичный объем окисла, и V-

поток, удовлетворяющий условию стационарности = /^ = /^ = .

Одной из сложностей, возникающих при решении модели, является нахож-

*

дение концентрации молекулярного кислорода С на поверхности окисла. В случае диссоциации, закон Генри можно записать в виде

(С*)т=КР, (11)

где К.Р- коэффициент пропорциональности и давление окислителя соответственно; П7 - отношение молекулярной массы вещества в газовой фазе к средней молекулярной массе продуктов диссоциации в окисле. Можно предположить, что т ~ П - При т = 1 выражение (13) вырождается в обычный закон Генри.

5. Ф - поток электронов в окисел. Концентрация электронов в 810? определяется

соотношением Пох ~ \yij- Л- Щ [4], где Сг - функция, учитывающая условия окисления и состояние МФГ — 1$702; Пу ^П(- концентрации фото- и термостимулированных электронов в зоне проводимости кремния.

В процессе окисления должны наблюдаться три стадии роста диэлектрика:

I .Чрезвычайно тонкий слой окисла, когда диссоциация молекулярного кислорода идет на поверхности растущего диокевда кремния: х = ; 2,Окисел средней

толщины: х > Хо ; 3.Очень толстый слой окисла, когда х » Хд и величиной можно пренебречь, допустив, что диссоциация окислителя идет на МФГ

5/-6702.

Рассмотрим первый случай. Упрощенно модель можно оценить, полагая, что на начальном этапе окисления лимитирующей стадией является скорость химической реакции на МФГ, тогда

сЬс _ Р4 пк\С0 + (1 - п)к2С0

следовательно, (12)

сН Ы{ Лг,

х^пК}1 + (1 - п)К^, (13)

I п

где - линейные скорости роста для фото- и термостимулированной реак-

ций. Из экспериментальных кривых роста окисла с использованием БТО, полученных в работах [2,4], и термического окисления [3] находим К/ =2.4 мкм/ч

при Т=\ 173 К и К^ =0.021 мкм/ч. Предполагая, что каждый электрон, инжектированный в оксид на начальном этапе роста (х ** 0), будет участвовать в ионизации кислорода пох ~ Со2 «1016[2,4], тогда вероятность п~ 1. При росте окисла, согласно работе [6], потенциальный барьер Ер на МФГ увеличивается и концен-

трация электронов в оксиде падает. Используя эти предположения, можно представить график роста диоксида кремния при температуре 1173 К (рис. 2)

На рис.2 кривая ] рассчитана по теории Дила - Гроува ( п — 0): кривые 2. 2' - по выражению (13); 3- экспериментальная кривая [4]: 4 --кривая, согласно (15), при П~ \. Перелом на кривой 2 связан с резким увеличением потенциального барьера Е, при толщине окисла -4 нм в соответствии с работой [б]. В др\ гих Р

работах перелом предсказывается в пределах 15-20 нм и выше (рис.2. кривая 2') [2,4].

При использовании более коротковолновых источников излучения модель может быть усложнена, если учесть диссоциацию молекулярного кислорода в объеме газовой фазы. Присутствие атомарного кислорода в окислительной атмосфере в объеме 3-4% увеличивает скорость окисления примерно на 10% [5].

1, с

Рис 2. Зависимость толщины окисла от времени окисления при ! ¡73 К Заключение

В настоящей работе показано, что при использовании БТО обычная термическая реакция окисления кремния осложнена фотостиму лированной, что существенно усложняет расчет модели, особенно концентрации окислителя на различных этапах роста пленки. Вероятность протекания той или иной реакции определяется величиной П, которая сильно зависит от условий окисления, типа используемых ламп и подложки, поэтому скорость роста окисла может варьироваться в значительных пределах. Однако, при прочих равных условиях, тонкий диэлектрик растет быстрее при БТО, чем в случае обычного термического окисления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Смит Р. Полупроводники. М.: Мир, 1982. 560 с.

2. Macheli F., Boyd Ian W. Photon-controlled oxidation of silicon. // Appl. Phys. Lett. 51(15). 1987. P. 1149-1151.

3. Deal B. £., Grove A. S. I/ i. Appl. Phis., 1965. Voi.36. №12. P.3770.

4. Young E. M., Tiller William A. Electron population factor in light enhanced oxidation of silicon. // Appl. Phys. Lett. 50(1) . 1987. P. 46-48.

5. Kazor A., Gwilliam Ä, Boyd lan W. 11 Appl. Phys. Lett. 3994. Vol. 65. №4. P. 412.

6. Румак В H., Хатъко В.В. Диэлектрические плёнки в твердотельпой микроэлектронике. Минск: Наука и Техника, 1990. 188 с.