Свойства пленки двуокиси кремния

Двуокись кремния широко используется в технологии ИМС: для создания масок, используемых при проведении локальных технологических процессов, формирования подзатворного диэлектрика в МДП-структурах, создания изолирующих слоев и др.

Применение пленки SiO₂ в качестве маски при диффузии примесей основано на том, что коэффициент диффузии ряда примесей (P, B, As, Sb и др.) в ней значительно меньше, чем в кремнии. При ионном легировании маскирующие свойства пленки SiO₂ основано на том, что длина пробега ионов в пленке меньше ее толщины.

Пленка SiO₂ прозрачна, имеет блестящую стеклянную поверхность и при толщине в десятые доли микрометра окрашена вследствие интерференции света, отраженного от ее поверхности и поверхности кремния.

Двуокись кремния и кремний имеют близкие значения температурного коэффициента расширения (ТКР), благодаря этому при изменениях температуры не происходит механических повреждений пленки.

Диэлектрическая проницаемость двуокиси кремния SiO₂ составляет 0,3 пФ/см, а электрическая прочность – 600 В/мкм.

Термическое окисление проводится в эпитаксиальных или диффузионных установках: над поверхностью пластин пропускают газ-окислитель: кислород, водяной пар или их смесь (влажный кислород) при температуре 1000 – 1300 ℃.

Скорость роста пленки в зависимости от температуры и содержания водяного пара в смеси может изменяться в пределах 0,05 – 1 мкм/час. Окисление в сухом кислороде характеризуется минимальной скоростью роста, однако такая пленка имеет высокое качество. На порядок более высокую скорость окисления можно получить в водяном паре: при температуре 1000 ℃ пленка толщиной в 1 мкм вырастает за 10 мин. Недо- статком такой пленки является пористость и дефектность. Компромиссное решение дает комбинированный процесс – окисление во влажном кислороде, изменяя соотношение между кислородом и водяным паром, можно в широких пределах регулировать скорость окисления.

Обычно окисление проводится по схеме «сухой - влажный – сухой» кислород.

Во многих схемах пленки SiO₂ выращивают локально. Для этого используется маска из нитрида кремния Si₃N₄ – рис. 4.9. Двуокись кремния растет вверх, вниз и в боковых направлениях (под маску) с одинаковой скоростью – рис. 4.9.б. Прорастание SiO₂ вглубь кристалла дает возможность использовать его для изоляции соседних слоев. Например, если после окисления p-Si удалить маску из нитрида кремния и провести неглубокое легирование донорами, то получатся изолированные друг от друга слои n-типа – рис. 4.9.в. Рост двуокиси в боковом направлении обуславливает характерную заостренную форму на краях , препятствующую получению малых расстояний между соседними изолированными областями, а рост вверх приводит к неровностям поверхности. Для получения ровной поверхности перед окислением вытравливают в кремнии канавки глубиной в половину толщины двуокиси кремния, используя ту же маску Si₃N₄.

Рис. 4.9. Локальное окисление кремния

Травление

Травление – это удаление поверхностного слоя не механическим, а чаще всего химическим путем. Травление используют для получения максимально ровной бездефектной поверхности пластин, не достижимой механической обработкой; удаления двуокиси кремния и других слоев с поверхности. Локальное травление применяют для получения необходимого рельефа поверхности, формирования рисунка тонкопленочных слоев, а также масок.

Жидкостное травление. В основе его лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение. Подбором химического состава, концентрации и температуры травителя можно обеспечить заданную скорость травления 0,1 – 10 мкм/мин и толщину удаляемого слоя.

Локальное травление осуществляется через маску.

Травление может быть изотропным и анизотропным.

Изотропное травление идет с одинаковой скоростью во всех направлениях – как вглубь, так и под маску. Пример такого травления – травление двуокиси кремния через маску фоторезиста 1 (рис.4.10).

Рис. 4.10. Изотропное травление двуокиси кремния через маску фоторезиста

Основным компонентом травителя является плавиковая кислота HF. Размер W вытравленной области больше размера отверстия W₀ в маске на величину, превышающую удвоенную толщину d слоя двуокиси кремния:

W > W₀ + 2d.

В связи с этим жидкостное изотропное травление не позволяет получать в двуокиси кремния отверстия малых размеров. Так как этот слой является маской при легировании, то использование такой маски не позволит получить элементы ИМС малых размеров.

Жидкостное травление обладает высокой избирательностью, которая оценивается отношением скоростей травления требуемого слоя (например, SiO₂) и других слоев (например, кремния, фоторезиста).

Скорость химической реакции травителей зависит от кристаллографического направления в монокристалле. В приложении рассмотрена система обозначений направлений и плоскостей в кристалле, называемых индексами Миллера.

В кремнии скорость травления минимальна в направлении [111], так как в перпендикулярной ему плоскости (111) максимальна плотность атомов (количество атомов на единице площади поверхности). Плоскость (100) имеет значительно меньшую плотность атомов, поэтому скорость травления в направлении [100] в 10 – 15 раз больше, чем [111]. На этом основано жидкостное анизотропное травление кремния.

Анизотропию травления количественно оценивают отношением скоростей травления в различных направлениях.

Если пластина имеет ориентацию (100) и используется маска двуокиси кремния с прямоугольными отверстиями, стороны которых ориентированы по направлениям [110], параллельным плоскостям (111), то после травления образуется канавка, боковые стенки которой имеют ориентацию (111), то есть перпендикулярны направлению, соответствующему наименьшей скорости травления. При малом времени травления канавка имеет плоское дно – рис. 4.11.а, со временем она углубляется и становится V-образной – рис. 4.11.б. После этого травление резко замедляется (практически останавливается), так как дальше оно идет в направлении [111], соответствующем минимальной скорости травления.

Угол α между стенками составляет около 70°. Глубина канавки d определяется размерами отверстия в маске W₀ :

d ≈ 0,7 W₀.

Если ориентация поверхности (110), то стенки канавок получаются вертикальными, так как они соответствуют ориентации (111) – рис. 4.11.в. Так можно сформировать канавки шириной менее 1 мкм и глубиной около 10 мкм.

Сухое анизотропное травление. Травление производится в вакуумной установке в плазме газового разряда. Различают ионное травление, плазмохимическое травление и реактивное ионное.

Ионное травление основано на физическом распылении материала при бомбардировке его ионами инертных газов.

Плазмохимическое травление основано на химическом взаимодействии активных частиц плазмы (ионов, атомов, молекул) с материалом, подвергающимся травлению.

Реактивное ионное травление представляет комбинацию первых двух методов.

Важнейшее достоинство сухого травления – его анизотропия: травление идет преимущественно в вертикальном направлении, в котором движутся частицы плазмы.

Рис. 4.11. Анизотропное травление кремния

Размер вытравленной области точно соответствует размеру отверстия в маске. На рис. 4.12 показано травление двуокиси кремния через маску фоторезиста 1. Такой процесс позволяет получать отверстия в SiO₂ меньших размеров, чем при жидкостном травлении. Количественно анизотропия оценивается отношением скоростей травления в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Ионное травление не обладает избирательностью. Поэтому несмотря на максимальную анизотропию использовать его для локального травления невозможно. Ионное травление применяют для очистки поверхности от загрязнений.

Плазмохимическое травление производится при давлении около 500 Па в плазме высокочастотного газового разряда. На поверхность пластины попадают ионы с малыми энергиями (100 эВ) и нейтральные химически активные атомы и молекулы. Анизотропия в этом случае мала – от 2 до 5, но обеспечивается высокая избирательность – до 50 при скорости травления 2 – 10 нм/с.

Рис. 4.12. Сухое анизотропное травление двуокиси кремния через маску фоторезиста

Максимальные преимущества сухого травления присущи реактивному ионному травлению. Оно производится при меньших давлениях (около 1 Па) и б льших энергиях ионов (до 500 эВ). Скорость химических реакций нейтральных атомов и молекул с материалом возрастает вследствие бомбардировки его ионами. При низких энергиях длина свободного пробега молекул намного больше глубины травления, а скорость взаимодействия газа с горизонтальной поверхностью пластины больше, чем с боковыми стенками углублений. С другой стороны химические реакции, ослабляя связи атомов на поверхности, способствуют физическому распылению материала ионами. Это обусловливает высокую анизотропию процесса (до 100) при хорошей избирательности (до 30) и достаточно высокой скорости 0,3 – 3 нм/с.

Для травления двуокиси кремния применяют газообразный четырехфтористый углерод CF₄ , который в плазме распадается на CF₂ и F. Последний взаимодействует SiO₂ c образованием SiF₄. Добавление Н₂ обеспечивает избирательность травления SiO₂ по сравнению с кремнием, равную 35, и 10 – по сравнению с фоторезистами. Для травления кремния применяют CF₄ с добавлением О₂.