Giáo trình oxy hóa nhiệt

Giáo trình oxy hóa nhiệt

Ô Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((đđốốiivvớớiiSi)Si)Đạihọc Bách khoa Hà NộiTS. Lê Tuấn 221/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((đđốốiivvớớiiSilicSilic))Ôxit SiO2là chất vô định hìnhKhốilượng riêng = 2,2 gm/cm3 , trong khi củaSiO2(thạch anh) = 2.65 gm/cm3Mật độ phân tử = 2,3E22 phân tử / cm3Là chất cách điện lý tưởngĐiệntrở suất> 1E20 Ohm-cmĐộ rộng vùng cấm ~ 9 eVCó giá trị điệntrường đánh thủng caoEbr> 10 MV/cmCó bề mặt phân cách Si/SiO2ổn định và dễ lặplạiCó lớp ôxit mọc bao quanh bề mặttiếpxúcvới bên ngoài của SiLà mặtnạ rấttốt đốivớikhuếch tán các tạpchất thông dụngCó tính ăn mòn phân biệt rấttốt với SiTính chất chung của ôxit Silic (SiO2) 331/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((titiếếpp))TTíínhnhtotoáánnchichiềềuuddààyyllớớppô ô xitxit::)/.(oxSiSioxNNXX=Tiêu hao chiềudàySi khitạoSiO2bằng ô xy hóa nhiệtBề mặt ban đầuoxSiSioxNNXX ×=Mật độ SiO2Mật độ SiCứ 1 µm Si bị ô xy hóa tạo nên 2,17 µm SiO2Luồng chấtô xyhóaKhô: O2Ẩm: H2O hoặcO2 + H2OLớp chuyểntiếpluồng khíLớpSiO2đượctạoraĐế SiKhuếch tán khíKhuếch tán rắnHình thành SiO2Động học quá trình ô xy hóa nhiệtSi 441/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((titiếếpp))GiGiảảthithiếếtt: : ThôngThônglưlượợngngkhkhíívvậậnnchuychuyểểnnhhGG––hhệệssốốvvậậnnchuychuyểểnnkhkhốốii, , đơnđơnvvịịcm/scm/sThôngThônglưlượợngngkhukhuếếchchttáánnĐĐịịnhnhluluậậttFix Fix khukhuếếchchttáánntrongtrongththểểrrắắnnDD––hhệệssốốkhukhuếếchchttáánn, , đơnđơnvvịịcmcm22/s/sThôngThônglưlượợngngthamthamgiagiaphphảảnnứứngngttạạooSiOSiO22ttạạiimmặặttphânphânccááchchkkss––hhệệssốốttốốccđđộộphphảảnnứứngngbbềềmmặặtt, , đơnđơnvvịịcm/scm/sMô hình ô xy hóa nhiệt Deal - GroveLiênLiênhhệệCCoovvààCCsstheotheođđịịnhnhluluậậttHenry:Henry:HH––hhệệssốốHenry; Henry; PPss––ááppsusuấấttriêngriêngphphầầnnccủủaachchấấttô ô xyxyhhóóaa((ởởddạạngngkhkhíí) ) ttạạiibbềềmmặặttphphảảnnứứngngTa Ta llấấyy, ,, ,suysuyrara::⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−≈∂∂−=oxioXCCDxCDF2isCkF ×=3( )ssoCkTHPHC ⋅⋅=⋅= 551/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiGGọọii, , tataxxááccđđịịnhnhỞỞđiđiềềuukikiệệnntrtrạạngngththááiiddừừngng, , ccááccgigiáátrtrịịthôngthônglưlượợngngphphảảiinhưnhưnhaunhau, , tataccóóhaihaiphươngphươngtrtrììnhnhFF11= F= F22vvààFF22= F= F33, , vvớớiihaihaiẩẩnnssốốCCoovvààCCii. . GiGiảảiihhệệphươngphươngtrtrììnhnh, , tataccóókkếếttququảả::NNếếuuggọọiiNN11llààmmậậttđđộộchchấấttô ô xyxyhhóóaaccầầnnthithiếếttđđểểttạạoorara1 1 đơnđơnvvịịththểểttííchchSiOSiO22, , tataccóótheotheođđịịnhnhnghnghĩĩaa(N(N11= 2,3E22 cm= 2,3E22 cm--33chochoô ô xyxyhhóóaakhôkhôvvớớiiOO22, , vvàà= 4,6E22 cm= 4,6E22 cm--3 3 chochoô ô xyxyhhóóaaẩẩmmvvớớiiHH22O)O)Ô Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((titiếếpp))()GACHkTC ⋅≡()()oAoAGCChCCHkThF −≡−=1 661/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((titiếếpp))VVớớiiđiđiềềuukikiệệnnban ban đđầầuut = 0, Xt = 0, X00= X= Xii, , vvớớii: : vvàà::sausaukhikhittííchchphânphân, , tataccóónghinghiệệmm::()⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛= 14122τtBABABBXoxVVớớiit t nhnhỏỏ(t << A/2), (t << A/2), XXoxoxtăngtăngtuytuyếếnnttíínhnhvvớớiit. t. VVớớiit t llớớnn(t >> A/2)(t >> A/2), , XXoxoxtăngtăngttỷỷllệệvvớớiitt1/21/2 771/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((titiếếpp))VVớớiigigiảảthithiếếttkhôngkhôngccóóllớớppô ô xitxitSiOSiO22ban ban đđầầuu(X(Xii= 0), = 0), tataccóóđđồồththịịxxááccđđịịnhnhchichiềềuuddààyyllớớppSiOSiO22nhinhiệệtttheotheoththờờiigiangianô ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt ĐĐểểxxááccđđịịnhnhchchếếđđộộô ô xyxyhhóóaa, , ngưngườờiitataddùùngngccááccphươngphươngphpháápp::TTíínhnhtotoáánnchichiềềuuddààyyvvààththờờiigiangiano o xyxyhhóóaa, , ddựựaatrêntrênccááccgigiáátrtrịịB/A B/A vvààB.B.DDùùngngđđồồththịịchuchuẩẩnnhhóóaatheotheoccááccchchếếđđộộđãđãxxááccđđịịnhnhttừừtrưtrướớccSauSaukhikhiô ô xyxyhhóóaa, , ccóóththểểddùùngngbbảảngngmmààuuđđểểso so vvààxxááccđđịịnhnhchichiềềuuddààyy VVííddụụ: Ô : Ô xyxyhhóóaa(100) Si (100) Si trongtronghaihaichchếếđđộộẩẩmmvvààkhôkhôvvớớiixxii=0.=0. 881/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiGiGiáátrtrịịccáácchhệệssốố(B/A) (B/A) vvààB B chochoccáácctrưtrườờngnghhợợppô ô xyxyhhóóaanhinhiệệttkhôkhôvvààẩẩmmđđốốiivvớớiiSiSi 991/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((titiếếpp))SSựựphphụụthuthuộộccvvààooccááccthôngthôngssốốcôngcôngnghnghệệKhiKhichichiềềuuddààyyllớớppSiOSiO22còncònnhnhỏỏ, , ttốốccđđộộô ô xyxyhhóóaaxxááccđđịịnhnhbbởởiigigiáátrtrịịnhnhỏỏhơnhơngigiữữaaccáácchhệệssốốchuychuyểểnnkhkhốốiihhGGvvààttốốccđđộộphphảảnnứứngngbbềềmmặặttkkss. . vvớớiiQQ’’––năngnănglưlượợngnghohoạạtthhóóaaccủủaaphphảảnnứứngngttạạiimmặặttphânphânccááchchSi Si ––SiOSiO22KhiKhichichiềềuuddààyyllớớppSiOSiO22đđủủllớớnn, , ttốốccđđộộô ô xyxyhhóóaattỷỷllệệvvớớiitt1/21/2, , vvààđưđượợccquyquyếếttđđịịnhnhhohoàànntotoàànnbbởởiicơcơchchếếkhukhuếếchchttáánnchchấấttô ô xyxyhhóóaaqua qua llớớppSiOSiO22thôngthôngqua qua hhệệssốốkhukhuếếchchttáánnD.D.vvớớiiQ Q ––năngnănglưlượợngnghohoạạtthhóóaakhukhuếếchchttáánn. B . B gigiảảmmddầầnnkhikhiNN11tăngtănglênlên. . Ô Ô xyxyhhóóaaởởááppsusuấấttcaocaoKhiKhiááppsusuấấttriêngriêngphphầầnnPPGGccủủaachchấấttô ô xyxyhhóóaatăngtănglênlên, , gigiáátrtrịịccủủaaCCAAccũũngngtăngtăng, , ddẫẫnnđđếếnnttốốccđđộộô ô xyxyhhóóaatăngtănglênlên. Ta . Ta ccóóththểểtitiếếnnhhàànhnhô ô xyxyhhóóaaởởááppsusuấấttcaocaovvớớiinhinhiệệttđđộộT T ththấấpphơnhơnđđểểccùùngngđđạạttchichiềềuuddààyyllớớppSiOSiO22––ý ý nghnghĩĩaacôngcôngnghnghệệđđáángngkkểể SuySuyluluậậnntươngtươngttựựchochohhệệssốốB B 10101/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ Ô xyxyhhóóaanhinhiệệtt((titiếếpp))Mặt phân cách Si – Si02Tính chấtcủamặtphâncáchSi –SiO2có ảnh hưởng quyết định tới các thông số vàsự hoạt động của các linh kiện trong IC. Phân biệtbốnloại điệntích: cácđiện tích Qitbị bẫytrênbề mặt phân cách, các điện tích cố định QfcủalớpSiOx(1 < x < 2), cácđiệntíchQotbị bẫy trong lớpSiO2, và nhấtlàcácđiện tích linh động Qm.Để giảmQfngườitasử dụng môitrường khí trơ Ar hoặcN2 để làmnguộimẫu sau khi ô xy hóa tạolớpSiO2.Bước ủ mẫucuối cùng ở 450 – 500 ºC trong môi trường 10% H2+ 90% N2(forming gaz) sau khi phủ lớpkim loạilàmđường dẫnsẽ giúpgiảmthiểuQit.Qmkhó bị loạitrừ hơncả. Biệnpháp là giữ sạch và sử dụng hiệuứng gettering (ô xy hóa vớikhícóchứa halogen). [...]... xy hóa nhiệt (tiếp) Hiệu ứng quá trình ô xy hóa theo hình thái 1/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 15 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ô xy hóa cục bộ Si (Local oxidation of Silicon – LOCOS) Mô phỏng ô xy hóa với phần mép Si3N4 ở chế độ ô xy hóa ẩm với H2O, nhiệt độ 1000 ºC, thời gian 90 phút 1/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 16 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Phân bố lại tạp chất trong quá trình ô xy hóa. .. ô xy hóa poly-Si có bề dày biến đổi nhiều, do đó, độ gồ ghề của bề mặt SiO2 rất rõ rệt Độ gồ ghề càng tăng, nếu chiều dày Xox càng tăng Mặt khác, lớp SiO2 trong trường hợp này xốp hơn so với lớp SiO2 được tạo thành do ô xy hóa nhiệt đơn tinh thể Si Nhìn chung, tốc độ ô xy hóa poly-Si cao hơn so với ô xy hóa đơn tinh thể Si 1/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 13 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ô xy hóa. .. phản ứng hóa học càng lớn Sự khác biệt càng lớn, nếu chiều dày các lớp SiO2 càng nhỏ 1/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà Mỏng hơn Dày hơn 12 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ô xy hóa Si đa tinh thể (poly-Si) Quá trình ô xy hóa xảy ra cả ở trên bề mặt poly-Si lẫn trên mặt phân cách ở biên các hạt đa tinh thể Do biên hạt tập trung nhiều sai hỏng hơn trong lòng các hạt đa tinh thể nên tốc độ ô xy hóa tại biên... lớp SiO2 sau cả quá trình ô xy hóa là: ⎡ X ox = 1/1/2007 μm 2 ⎢ 0,465 2 ⎤ 4(B / A) B ⎡ h ⎢ ⎢ 1+ (t + τ ) − 1⎥ = 2(B / A) ⎢ B ⎥ 2⎛ 4,77 μm ⎞ ⎢ ⎣ ⎦ ⎜ ⎟⎢ h ⎠⎢ ⎝ ⎣ 2 ⎤ μm ⎞ ⎛ ⎥ 4⎜ 4,77 ⎟ h ⎠ ⎝ (0,25h + 0,0425h ) − 1⎥ = 0.323μm 1+ 2 ⎥ μm 0,465 ⎥ h ⎥ ⎦ Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 23 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Bài tập 1 Tính chiều dày lớp SiO2 tạo thành trong quá trình ô xy hóa ẩm ở nhiệt độ 920 ºC trong... hợp ô xy hóa khô và ẩm 3 Mẫu Si được ô xy hóa 1 giờ trong O2 khô ở 1200 ºC Hỏi chiều dày lớp SiO2 được tạo thành Nếu muốn tạo thêm một lớp SiO2 dày 0,1 µm bằng ô xy hóa ẩm ở cùng nhiệt độ thì cần thêm bao nhiêu thời gian? ĐS: tox = 0,196 µm; t = 0,067 h = 4,53 min 4 Đế p-Si được đặt trong buồng ô xy hóa ẩm ở nhiệt độ 1050 ºC để tạo thành lớp SiO2 dày 0,45 µm Xác định thời gian ô xy hóa 5 Sau...Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Hiệu ứng nồng độ tạp chất cao Nồng độ tạp chất càng cao, tại bề mặt Si càng có nhiều nút khuyết, khiến ks tăng Ví dụ: Sự phụ thuộc của các hệ số B/A, B trong ô xy hóa nhiệt khô ở 900 ºC vào nồng độ bề mặt của tạp P 1/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 11 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Sự phụ thuộc vào định hướng tinh thể của đế... Các bài tập ví dụ (tiếp) Bài 2: Phiến Si định hướng (100) có sẵn lớp ô xit SiO2 dày 100 nm được đưa vào xử lý bằng quá trình ô xy hóa ẩm ở nhiệt độ 1100 °C trong thời gian 15 min Tính chiều dày tổng cộng của lớp SiO2? Giải : Giống như bài tập trước, các hệ số ô xy hóa cho quá trình ô xy hóa ẩm được tính như sau: (B )wet ⎛B⎞ ⎜ ⎟ ⎝ A ⎠ wet ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ 2 ⎛ 0,71eV μm ⎞ ⎛ 0,71eV ⎞ ⎛ μm ⎞ ⎜ ⎟ = 0,465 μm ⎟ exp⎜... bề mặt Si sạch ngay cả ở nhiệt độ không cao 1/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 18 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Lớp tunnel SiO2 So sánh thực nghiệm và kết quả mô hình Fowler – Nordheim trong các lớp tunnel SiO2 Với các lớp tunnel SiO2 không dày hơn 3 nm còn có phần đóng góp của dòng rò bổ sung do cơ chế tunnel trực tiếp 1/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà 19 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ảnh hiển vi... ô xy hóa ở bề mặt phân cách khi có mặt H2 nên nồng độ nghèo đi d) m > 1: Tạp chất khuếch tán nhanh trong SiO2 Tạp chất Ga (m = 20) vẫn giảm nồng độ gần biên phân cách Si – SiO2 c) Đại học Bách khoa Hà Nội họ Bá Hà d) 17 Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ô xy hóa tạo lớp SiO2 mỏng Mô hình Deal – Grove phù hợp rất tốt với kết quả thực nghiệm, trừ trường hợp các lớp SiO2 mỏng dưới 20 nm thu được trong ô xy hóa khô... dụ Bài 1: Xác định thời gian cần thiết để tạo lớp ô xit SiO2 chiều dày 0,35 μm trên phiến Si định hướng (100) không có lớp SiO2 ban đầu (τ = 0), ở nhiệt độ 1000 °C, trong cả hai trường hợp ô xy hóa khô và ẩm Giải: Xét trường hợp ô xy hóa ẩm Trước tiên, ở nhiệt độ 1000 °C tìm các hệ số: ⎛B⎞ ⎜ ⎟ ⎝ A ⎠ wet ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ 1,93eV ⎛ ⎛ 1,93eV ⎞ ⎛ 7 μm ⎞ 7 μm ⎞ ⎜− ⎟ = 1.32 μm = ⎜ 5,8 × 10 ⎟ exp⎜ − ⎟ = ⎜ 5,8 × 10 ⎟ . khitạoSiO2bằng ô xy hóa nhiệtBề mặt ban đầuoxSiSioxNNXX ×=Mật độ SiO2Mật độ SiCứ 1 µm Si bị ô xy hóa tạo nên 2,17 µm SiO2Luồng chấtô xyhóaKhô: O2Ẩm: H2O. khíLớpSiO2đượctạoraĐế SiKhuếch tán khíKhuếch tán rắnHình thành SiO2Động học quá trình ô xy hóa nhiệtSi 441/1/20071/1/2007ĐĐạại hi họọc Bc Báách khoa Hch khoa HààNNộộiiÔ