Giáo trình oxy hóa nhiệt.pdf

Giáo trình oxy hóa nhiệt.

Ô xy hóa nhi ệ t

TS Lê Tuấn

Ô xy hóa nhi ệ t (đ ố i v ớ i Silic)

Ôxit SiO2 là ch ất vô đ ịnh hình

Kh ối lượng riêng = 2,2 gm/cm 3 , trong khi c ủa SiO2(th ạch anh) = 2.65 gm/cm3

M ật độ phân tử = 2,3E22 phân tử / cm 3

Có b ề mặt phân cách Si/SiO2 ổn định và dễ lặp lại

Có l ớp ôxit m ọc bao quanh b ề mặt tiếp xúc với bên ngoài của Si

Có tính ăn mòn phân bi ệt r ất tốt với Si

Tính ch ất chung của ôxit Silic (SiO2)

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p) Tính toán chi ề u dày l ớ p ô xit:

) / ( Si ox Si

ox

N

N X

L ớp chuyển tiếp luồng khí

L ớp SiO 2 đư ợc tạo ra

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Gi ả thi ế t:

h G – h ệ s ố v ậ n chuy ể n kh ố i, đơn v ị cm/s

„ Thông lượng khuếch tán

Định luật Fix khuếch tán trong thể rắn

D– h ệ s ố khu ế ch tán , đơn v ị cm 2 /s

„ Thông lượng tham gia phản ứng

tạo SiO2 tại mặt phân cách

k s– h ệ s ố t ố c đ ộ ph ả n ứ ng b ề m ặ t, đơn v ị cm/s

Liên h ệ Co và Cs theo đ ị nh lu ậ t Henry:

H– hệ số Henry; P s– áp suất riêng phần của chất ô xy hóa ( ở d ạ ng khí) t ạ i b ề m ặ t ph ả n ứ ng

X

C C D x

C D

F2

i

s C k

G ọ i , ta xác đ ị nh

Ở đi ề u ki ệ n tr ạ ng thái d ừ ng, các giá tr ị thông lư ợ ng ph ả i như nhau, ta có hai phương trình F1 = F2 và F2 = F3, v ớ i hai ẩ n s ố Co và Ci Gi ả i h ệ phương trình, ta có k ế t qu ả :

N ế u g ọ i N1 là m ậ t đ ộ ch ấ t ô xy hóa c ầ n thi ế t đ ể t ạ o ra 1 đơn v ị th ể t ch SiO2, ta có theo đ ị nh ngh ĩ a (N1= 2,3E22 cm-3 cho ô xy hóa khô v ớ i O2, và

= 4,6E22 cm-3 cho ô xy hóa ẩ m v ớ i H2O)

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

h C

C HkT h

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)Với điều kiện ban đầu t = 0, X0 = Xi,

A B

B

X ox

Với t nhỏ (t << A/2), Xox tăng tuyến t nh với t Với t lớn (t >> A/2), Xox tăng tỷ lệ với t1/2

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

„ Tính toán chiều dày và thời gian o xy

hóa, dựa trên các giá trị B/A và B

„ Dùng đồ thị chuẩn hóa theo các chế

độ đã xác định từ trước

Ví d ụ : Ô xy hóa (100) Si trong hai

ch ế đ ộ ẩ m và khô v ớ i xi =0.

Giá tr ị các h ệ s ố (B/A) và B cho các trư ờ ng h ợ p ô

xy hóa nhi ệ t khô và ẩ m đ ố i v ớ i Si

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

„ Khi chiều dày lớp SiO2 còn nhỏ, tốc độ ô xy hóa xác định

bởi giá trị nhỏ hơn giữa các hệ số chuyển khối hG và tốc

độ phản ứng bề mặt ks

với Q’ – năng lượng hoạt hóa của phản ứng tại mặt phân cách Si – SiO2

„ Khi chiều dày lớp SiO2 đủ lớn, tốc độ ô xy hóa tỷ lệ với t1/2,

và được quyết định hoàn toàn bởi cơ chế khuếch tán chất

ô xy hóa qua lớp SiO2 thông qua hệ số khuếch tán D

với Q – năng lượng hoạt hóa khuếch tán B giảm dần khi N1 tăng lên

„ Khi áp suất riêng phần PG của chất ô xy hóa tăng lên, giá trị của CA cũng tăng, dẫn

đến tốc độ ô xy hóa tăng lên Ta có thể tiến hành ô xy hóa ở áp suất cao với nhiệt

độ T thấp hơn để cùng đạt chiều dày lớp SiO2 – ý nghĩa công nghệ đáng kể

„ Suy luận tương tự cho hệ số B

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Tính chất của mặt phân cách Si – SiO2 có ảnh hưởng quyết định tới các thông số và

sự hoạt động của các linh kiện trong IC Phân biệt bốn loại điện tích : các điện tích Qit

bị bẫy trên bề mặt phân cách, các điện tích cố định Qf của lớp SiOx (1 < x < 2), các

điện tích Qot bị bẫy trong lớp SiO2, và nhất là các điện tích linh động Qm

Để giảm Qf người ta sử dụng môi

trường khí trơ Ar hoặc N2 để làm

nguội mẫu sau khi ô xy hóa tạo lớp

SiO2

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

„ Là sự phụ thuộc của ks vào các mặt tinh thể: ks(111) > ks(100)

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

„ Quá trình ô xy hóa xảy ra cả ở trên bề mặt poly-Si lẫn trên mặt phân cách ở biêncác 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 hạt cao hơn

„ Bề dày lớp SiO2 được tạo nên do 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

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Ô xy hóa có ch ứ a khí halogen

„ Thêm 1 – 5 % khí HCl hay TCE (TriChloroethylene - ) vào luồng O2

gây ra sự mất ổn định t nh chất của lớp SiO2 Phản ứng (M – ion kim loại): ):

„ Làm tăng chất lượng của mặt phân cách Si – SiO2

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Ô xy hóa c ụ c b ộ Si (Local oxidation of Silicon – LOCOS)

Mô ph ỏ ng ô xy hóa v ớ i ph ầ n mép Si3N4 ở ch ế đ ộ ô xy hóa

ẩ m v ớ i H2O, nhi ệ t đ ộ 1000 ºC, th ờ i gian 90 phút

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Có th ể x ả y ra m ộ t trong các trư ờ ng h ợ p:

tạp chất khuếch tán chậm trong SiO2 Ví dụ: tạp chất

B (m = 0,3) nghèo đi gần biên phân cách Si – SiO2

SiO2

dụ: B bị ô xy hóa ở bề mặt phân cách khi có mặt H2 nên nồng độ nghèo đi

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

các lớp SiO2 mỏng dưới 20 nm thu được trong ô xy hóa khô với O2

„ Vì vậy, trong các lớp SiO2 dày, người ta thường lấy giá trị lớp SiO2 ban đầu Xi =

ULSI điện áp nguồn thấp

„ Ngoài ra, cũng cần kể đến lớp SiO2 tự nhiên với chiều dày ~ 10 – 100 Å thườngphát triển rất nhanh trên bề mặt Si sạch ngay cả ở nhiệt độ không cao

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

V ớ i các l ớ p tunnel SiO2 không dày hơn 3 nm còn có ph ầ n đóng góp c ủ a dòng

rò b ổ sung do cơ ch ế tunnel tr ự c c ti ế p.

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

Ả nh hi ể n vi đi ệ n t ử truy ề n qua c ủ a l ớ p SiO2.

Khi l ớ p SiO2m ỏ ng đi, hi ệ u ứ ng tunnel tăng lên Tuy nhiên, n ế u chi ề u dài kênh d ẫ n gi ả m xu ố ng, có

th ể b ỏ qua hi ệ u ứ ng tunnel – l ạ i có th ể ch ế t ạ o các transistor MOS kích thư ớ c nh ỏ v ớ i l ớ p ô xit c ự c

c ử a r ấ t m ỏ ng.

V ớ i các l ớ p tunnel SiO21,5 nm t ầ n s ố c ắ t c ủ a MOSFET lên t ớ i 150 GHz.

MOSFET với lớp SiO2 c ự c c ử a dày 1,3 nm có m ậ t đ ộ dòng đi ệ n trong kênh d ẫ n 1,8 mA/mm, đ ộ h ỗ

d ẫ n c ự c cao 1,2 S/mm t ạ i ngu ồ n nuôi 1,5 V Đã có các m ạ ch VLSI v ớ i ngu ồ n nuôi 0,5 V.

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

của lớp SiO2), t nh hệ số phản xạ: với:

Theo Principles of

Semiconductor Devices, B Van

Zeghbroeck, 2004

Các bài t ậ p ví d ụ

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.

Thời gian cần thiết để ô xy hóa ẩm không có lớp ô xit ban đầu là:

Tương tự, trường hợp ô xy hóa khô cho (B/A)dry = 0,0859 μm/h; Bdry = 0,01077 μm 2 /h và thời gian cần thiết để ô xy hóa khô là t = 15,4 h hay 15 h 27 min.

m

K eV

eV h

m kT

eV h

m A

B

wet

μ μ

μ

32 1 273 1000 10

617 , 8

93 , 1 exp

10 8 , 5 93

, 1 exp 10

8 , 5

eV h

m kT

eV h

291 , 0 273 1000 10

617 , 8

71 , 0 exp

188 71

, 0 exp

h h

m m h

m

m B

X A B

X

10 min 41 69

, 0 291

, 0

35 , 0 32

, 1

35 , 0

2 2

= +

= +

=

μ

μ μ

μ

Các bài t ậ p ví d ụ (ti ế p)

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 t nh như sau:

Vì có lớp SiO2 ban đầu nên ta t nh thời gian “tương đương” để tạo ra lớp đó:

Vậy, chiều dày tổng cộng của lớp SiO2 sau cả quá trình ô xy hóa là:

m

K eV

eV h

m kT

eV h

m A

B

wet

μ μ

μ

77 4 273 1100 10

617 , 8

93 , 1 exp

10 8 , 5 93

, 1 exp 10

8 , 5

eV h

m kT

eV h

465 , 0 273 1100 10

617 , 8

71 , 0 exp

188 71

, 0 exp

m

m A

B

X B

0425 , 0 77

, 4

1 , 0 465

, 0

1 , 0

2 2

= +

= +

τ

h m h m

h m h

m t

B

A B A

μ

465 , 0

77 , 4 4 1 77

, 4 2

465 , 0 1 /

4 1 /

2 2

=

Ô xy hóa nhi ệ t (ti ế p)

1 Tính chi ề u dày l ớ p SiO2 t ạ o thành trong quá trình ô xy hóa ẩ m ở nhi ệ t đ ộ 920 ºC trong 120 phút Cho r ằ ng, l ớ p SiO2 ban đ ầ u có chi ề u dày 1000 Å.

ĐS: tox ≈ 0,48 µm.

2 Trên đ ế Si s ạ ch c ầ n t ạ o l ớ p SiO2 c ự c c ử a c ủ a MOS FET v ớ i chi ề u dày 1000 Å Cho bi ế t th ờ i gian

và quy lu ậ t t ạ o thành l ớ p SiO2 đó trong hai trư ờ ng h ợ p ô xy hóa khô và ẩ m.

3 M ẫ u Si đư ợ c ô xy hóa 1 gi ờ trong O2 khô ở 1200 ºC H ỏ i chi ề u dày l ớ p SiO2 đư ợ c t ạ o thành N ế u

mu ố n t ạ o thêm m ộ t l ớ p SiO2 dày 0,1 µm b ằ ng ô xy hóa ẩ m ở cùng nhi ệ t đ ộ thì c ầ n thêm bao nhiêu th ờ i gian?

ĐS: tox = 0,196 µm; t = 0,067 h = 4,53 min.

4 Đ ế p-Si <100> đư ợ c đ ặ t trong bu ồ ng ô xy hóa ẩ m ở nhi ệ t đ ộ 1050 ºC đ ể t ạ o thành l ớ p SiO2 dày 0,45 µm Xác đ ị nh th ờ i gian ô xy hóa.

5 Sau khi ô xy hóa ẩ m như ở bài 4, ngư ờ i ta m ở c ử a s ổ (t ẩ y l ớ p SiO2 m ộ t di ệ n t ch nh ấ t đ ị nh) r ồ i

th ự c hi ệ n ô xy hóa khô trong 20 phút ở 1000 ºC đ ể t ạ o l ớ p ô xit c ự c c ử a Xác đ ị nh chi ề u dày l ớ p SiO2 c ự c c ử a và l ớ p ô xit ở vùng còn l ạ i.

6 Đ ố i v ớ i các MOSFET có kích thư ớ c (chi ề u dài kênh d ẫ n) dư ớ i 1 µm, ngư ờ i ta đôi khi c ầ n nh ữ ng

l ớ p SiO2 c ự c c ử a chi ề u dày ~ 100 Å M ặ c dù ô xy hóa ở nhi ệ t đ ộ cao r ấ t khó kh ố ng ch ế nh ữ ng chi ề u dày l ớ p SiO2 như v ậ y, nhưng đó v ẫ n là bi ệ n pháp công ngh ệ đư ợ c ưa chu ộ ng Hãy gi ả i thích t ạ i sao

Cám ơn đã theo dõi !!!

Dr Le Tuan Hanoi University of Technology Institute of Engineering Physics Dept of Electronic Materials

2 nd Floor, C9 Building

1 Dai Co Viet Str., Hanoi, Vietnam

Mobile: 0912 560 536 E-mail: le.tuan@vnn.vn