Giáo trình oxy hóa nhiệt.pdf

Giáo trình oxy hóa nhiệt.

Ô xy hóa nhiệt (đối với Si) TS Lê Tuấn Đại học Bách khoa Hà Nội Ơ xy hóa nhiệt (đối với Silic) Tính chất chung ơxit Silic (SiO2) Ơxit SiO2 chất vơ định hình Khối lượng riêng = 2,2 gm/cm3 , SiO2 (thạch anh) = 2.65 gm/cm3 Mật độ phân tử = 2,3E22 phân tử / cm3 Là chất cách điện lý tưởng Điện trở suất > 1E20 Ohm-cm Độ rộng vùng cấm ~ eV Có giá trị điện trường đánh thủng cao Ebr > 10 MV/cm Có bề mặt phân cách Si/SiO2 ổn định dễ lặp lại Có lớp ơxit mọc bao quanh bề mặt tiếp xúc với bên Si Là mặt nạ tốt khuếch tán tạp chất thơng dụng Có tính ăn mịn phân biệt tốt với Si 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Tiêu hao chiều dày Si tạo SiO2 xy hóa nhiệt Tính tốn chiều dày lớp xit: X ox = X Si × N Si N ox Bề mặt ban đầu Mật độ Si Mật độ SiO2 Xox = XSi.( NSi / Nox ) Cứ µm Si bị xy hóa tạo nên 2,17 µm SiO2 Động học q trình xy hóa nhiệt Si Luồng chất xy hóa Khơ: O2 Ẩm: H2O O2 + H2O Khuếch tán khí Lớp chuyển tiếp luồng khí Khuếch tán rắn Lớp SiO2 tạo Hình thành SiO2 Đế Si 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Mơ hình xy hóa nhiệt Deal - Grove Giả thiết: „ Thơng lượng khí vận chuyển hG – hệ số vận chuyể chuyển khố khối, đơn vị cm/s „ Thông lượng khuếch tán Định luậ luật Fix khuế khuếch tán thể thể rắn F2 = − D ⎛ C − Ci ∂C ≈ − D⎜⎜ o ∂x ⎝ X ox ⎞ ⎟⎟ ⎠ D – hệ số khuế khuếch tán , đơn vị cm2/s „ Thông lượng tham gia phản ứng tạo SiO2 mặt phân cách F3 = k s × Ci ks – hệ số tốc độ phả phản ứng bề mặt, đơn vị cm/s Liên hệ Co Cs theo định luật Henry: C o = H ⋅ Ps = H ⋅ (kT ⋅ C s ) H – hệ số Henry; Ps – áp suấ suất riêng phầ phần chấ chất ô xy hóa (ở dạng khí khí) bề mặt phả phản ứng Ta lấy 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội , ,suy ra: Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Gọi C A ≡ (HkT ⋅ CG ) , ta xác định F1 = hG (C A − Co ) ≡ h(C A − Co ) HkT Ở điều kiện trạng thái dừng, giá trị thông lượng phải nhau, ta có hai phương trình F1 = F2 F2 = F3, với hai ẩn số Co Ci Giải hệ phương trình, ta có kết quả: Nếu gọi N1 mật độ chất xy hóa cần thiết để tạo đơn vị thể tích SiO2, ta có theo định nghĩa (N1= 2,3E22 cm-3 cho ô xy hóa khô với O2, = 4,6E22 cm-3 cho xy hóa ẩm với H2O) 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Với điều kiện ban đầu t = 0, X0 = Xi, với: và: sau tích phân, ta có nghiệm: X ox ⎡ B ⎞ ⎛ ⎢ ⎜ ⎟ B ⎢ ⎝ A ⎠ = 1+ B ⎛ B ⎞ ⎢⎢ 2⎜ ⎟ ⎝ A ⎠ ⎢⎣ ⎤ ⎥ (t + τ ) − ⎥⎥ ⎥ ⎥ ⎦ Với t nhỏ (t > A/2), Xox tăng tỷ lệ với t1/2 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Với giả thiết khơng có lớp ô xit SiO2 ban đầu (Xi = 0), ta có đồ thị xác định chiều dày lớp SiO2 nhiệt theo thời gian xy hóa nhiệt Để xác định chế độ xy hóa, người ta dùng phương pháp: „ „ „ Tính tốn chiều dày thời gian o xy hóa, dựa giá trị B/A B Dùng đồ thị chuẩn hóa theo chế độ xác định từ trước Sau xy hóa, dùng bảng màu để so xác định chiều dày Ví dụ: Ơ xy hóa (100) Si hai chế độ ẩm khô với xi =0 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Giá trị hệ số (B/A) B cho trường hợp xy hóa nhiệt khơ ẩm Si 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Sự phụ thuộc vào thông số công nghệ Khi chiều dày lớp SiO2 cịn nhỏ, tốc độ xy hóa xác định giá trị nhỏ hệ số chuyển khối hG tốc độ phản ứng bề mặt ks với Q’ – lượng hoạt hóa phản ứng mặt phân cách Si – SiO2 1/2, „ Khi chiều dày lớp SiO đủ lớn, tốc độ ô xy hóa tỷ lệ với t định hồn tồn chế khuếch tán chất xy hóa qua lớp SiO2 thơng qua hệ số khuếch tán D với Q – lượng hoạt hóa khuếch tán B giảm dần N1 tăng lên „ Ô xy hóa áp suất cao „ „ Khi áp suất riêng phần PG chất xy hóa tăng lên, giá trị CA tăng, dẫn đến tốc độ xy hóa tăng lên Ta tiến hành xy hóa áp suất cao với nhiệt độ T thấp để đạt chiều dày lớp SiO2 – ý nghĩa công nghệ đáng kể Suy luận tương tự cho hệ số B 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Mặt phân cách Si – Si02 Tính chất mặt phân cách Si – SiO2 có ảnh hưởng định tới thông số hoạt động linh kiện IC Phân biệt bốn loại điện tích : điện tích Qit bị bẫy bề mặt phân cách, điện tích cố định Qf lớp SiOx (1 < x < 2), điện tích Qot bị bẫy lớp SiO2, điện tích linh động Qm Qm khó bị loại trừ Biện pháp giữ sử dụng hiệu ứng gettering (ơ xy hóa với khí có chứa halogen) Để giảm Qf người ta sử dụng môi trường khí trơ Ar N2 để làm nguội mẫu sau xy hóa tạo lớp SiO2 Bước ủ mẫu cuối 450 – 500 ºC môi trường 10% H2 + 90% N2 (forming gaz) sau phủ lớp kim loại làm đường dẫn giúp giảm thiểu Qit 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 10 Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Hiệu ứng nồng độ tạp chất cao „ „ 1/1/2007 Nồng độ tạp chất cao, bề mặt Si có nhiều nút khuyết, khiến ks tăng Ví dụ: Sự phụ thuộc hệ số B/A, B ô xy hóa nhiệt khơ 900 ºC vào nồng độ bề mặt tạp P Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 11 Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Sự phụ thuộc vào định hướng tinh thể đế Si „ „ „ Là phụ thuộc ks vào mặt tinh thể: ks(111) > ks(100) Do mật độ bề mặt nguyên từ Si khác nhau: mặt (100) 7.1014 cm-2, (111) – 7.1014 cm-2 Mật độ nguyên tử cao, số liên kết có sẵn để tham gia phản ứng hóa học lớn Sự khác biệt lớn, chiều dày lớp SiO2 nhỏ 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội Mỏng Dày 12 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ơ xy hóa Si đa tinh thể (poly-Si) „ „ „ „ 1/1/2007 Q trình xy hóa xảy bề mặt poly-Si lẫn mặt phân cách biên hạt đa tinh thể Do biên hạt tập trung nhiều sai hỏng lòng hạt đa tinh thể nên tốc độ xy hóa biên hạt cao Bề dày lớp SiO2 tạo nên xy hóa poly-Si có bề dày biến đổi nhiều, đó, độ gồ ghề bề mặt SiO2 rõ rệt Độ gồ ghề tăng, chiều dày Xox tăng Mặt khác, lớp SiO2 trường hợp xốp so với lớp SiO2 tạo thành ô xy hóa nhiệt đơn tinh thể Si Nhìn chung, tốc độ ô xy hóa poly-Si cao so với ô xy hóa đơn tinh thể Si Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 13 Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Ơ xy hóa có chứa khí halogen „ „ „ 1/1/2007 Thêm – % khí HCl hay TCE (TriChloroethylene - ) vào luồng O2 Làm giảm nhiễm bẩn ion kiềm – ion nhẹ, linh động nguyên nhân gây ổn định tính chất lớp SiO2 Phản ứng (M – ion kim loại): M + Cl → MCl Làm tăng chất lượng mặt phân cách Si – SiO2 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 14 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Hiệu ứng q trình xy hóa theo hình thái 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 15 Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Ơ xy hóa cục Si (Local oxidation of Silicon – LOCOS) Mơ xy hóa với phần mép Si3N4 chế độ xy hóa ẩm với H2O, nhiệt độ 1000 ºC, thời gian 90 phút 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 16 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Phân bố lại tạp chất trình xy hóa nhiệt Hệ số phân tách tạp chất m: C1và C2 – nồng độ cân tạp chất Si SiO2, tương ứng a) 1/1/2007 b) Có thể xảy trường hợp: a) m < 1: Lưu lượng dịng khí coi không đổi tạp chất khuếch tán chậm SiO2 Ví dụ: tạp chất B (m = 0,3) nghèo gần biên phân cách Si – SiO2 b) m > 1: Tạp chất khuếch tán chậm SiO2 Tạp chất P, As, Sb tăng nồng độ gần biên phân cách Si – SiO2 c) m < 1: Tạp chất khuếch tán nhanh SiO2 Ví dụ: B bị xy hóa bề mặt phân cách có mặt H2 nên nồng độ nghèo d) m > 1: Tạp chất khuếch tán nhanh SiO2 Tạp chất Ga (m = 20) giảm nồng độ gần biên phân cách Si – SiO2 c) Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội d) 17 Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Ô xy hóa tạo lớp SiO2 mỏng „ „ „ „ 1/1/2007 Mơ hình Deal – Grove phù hợp tốt với kết thực nghiệm, trừ trường hợp lớp SiO2 mỏng 20 nm thu ô xy hóa khơ với O2 Vì vậy, lớp SiO2 dày, người ta thường lấy giá trị lớp SiO2 ban đầu Xi = 25 nm áp dụng mô hình Deal – Grove Các lớp SiO2 mỏng dùng linh kiện tunnel, VLSI – ULSI điện áp nguồn thấp Ngoài ra, cần kể đến lớp SiO2 tự nhiên với chiều dày ~ 10 – 100 Å thường phát triển nhanh bề mặt Si nhiệt độ không cao Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 18 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Lớp tunnel SiO2 So sánh thực nghiệm kết mơ hình Fowler – Nordheim lớp tunnel SiO2 Với lớp tunnel SiO2 khơng dày nm cịn có phần đóng góp dòng rò bổ sung chế tunnel trực tiếp 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 19 Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Ảnh hiển vi điện tử truyền qua lớp SiO2 Khi lớp SiO2 mỏng đi, hiệu ứng tunnel tăng lên Tuy nhiên, chiều dài kênh dẫn giảm xuống, bỏ qua hiệu ứng tunnel – lại chế tạo transistor MOS kích thước nhỏ với lớp xit cực cửa mỏng Với lớp tunnel SiO 1,5 nm tần số cắt MOSFET lên tới 150 GHz MOSFET với lớp SiO2 cực cửa dày 1,3 nm có mật độ dòng điện kênh dẫn 1,8 mA/mm, độ hỗ dẫn cực cao 1,2 S/mm nguồn nuôi 1,5 V Đã có mạch VLSI với nguồn ni 0,5 V 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 20 ... Ơ xy hóa nhiệt (tiếp) Hiệu ứng q trình xy hóa theo hình thái 1/1/2007 Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 15 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ơ xy hóa cục Si (Local oxidation of Silicon – LOCOS) Mơ xy hóa. .. SiO2 tạo thành xy hóa nhiệt đơn tinh thể Si Nhìn chung, tốc độ xy hóa poly-Si cao so với xy hóa đơn tinh thể Si Đại họ học Bá Bách khoa Hà Hà Nội 13 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ơ xy hóa có chứa khí halogen... lượng hoạt hóa khuếch tán B giảm dần N1 tăng lên „ Ơ xy hóa áp suất cao „ „ Khi áp suất riêng phần PG chất ô xy hóa tăng lên, giá trị CA tăng, dẫn đến tốc độ xy hóa tăng lên Ta tiến hành xy hóa áp