Oxy hóa nhiệt Phần 3

181/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội 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 với O2. „ Vì vậy, trong các lớp SiO2 dày, người ta thường lấy giá trị lớp SiO2 ban đầu Xi = 25 nm khi áp dụng mô hình Deal – Grove. „ Các lớp SiO2 mỏng được dùng trong các linh kiện tunnel, cũng như trong VLSI – ULSI điện áp nguồn thấp. „ Ngoài ra, cũng cần kể đến lớp SiO2 tự nhiên với chiều dày ~ 10 – 100 Å thường phát triển rất nhanh trên bề mặt Si sạch ngay cả ở nhiệt độ không cao. 191/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội 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. 201/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của lớp SiO2. Khi lớp SiO2 mỏng đi, hiệu ứng tunnel tăng lên. Tuy nhiên, nếu chiều dài kênh dẫn giảm xuống, có thể bỏ qua hiệu ứng tunnel – lại có thể chế tạo các transistor MOS kích thước nhỏ với lớp ô xit cực cửa rất mỏng. Với các lớp tunnel SiO2 1,5 nm tần số cắt của MOSFET lên tới 150 GHz. MOSFET với lớp SiO2 cực cửa dày 1,3 nm có mật độ dòng điện trong kênh dẫn 1,8 mA/mm, độ hỗ dẫn cực cao 1,2 S/mm tại nguồn nuôi 1,5 V. Đã có các mạch VLSI với nguồn nuôi 0,5 V. 211/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Bảng so màu để đánh giá chiều dày lớp SiO2 trên đế Si Dựa trên mẫu hệ gương Fabry – Perot (hai mặt giới hạn song song trên và dưới của lớp SiO2), tính hệ số phản xạ: với: Theo Principles of Semiconductor Devices, B. Van Zeghbroeck, 2004 221/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Các bài tập ví dụ Bài 1: Xác định thời gian cần thiết để tạo lớp ô xit SiO2 chiều dày 0,35 μm trên phiến Si địnhhướng (100) không có lớp SiO2 ban đầu (τ = 0), ở nhiệt độ 1000 °C, trong cả hai trường hợp ô xyhóa khô và ẩm. Giải: Xét trường hợp ô xy hóa ẩm. Trước tiên, ở nhiệt độ 1000 °C tìm các hệ số: 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 μm2/h và thờigian cần thiết để ô xy hóa khô là t = 15,4 h hay 15 h 27 min. ( ) h m K eV eV h m kT eV h m A B wet μμμ 32.1 273100010617,8 93,1exp108,593,1exp108,5 5 77 = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ × −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ×=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ×=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − ( ) ( ) h m K eV eV h m kT eV h mB wet 2 5 22 291,0 273100010617,8 71,0exp18871,0exp188 μμμ = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ × −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= − ( ) shayh h m m h m m B X AB Xt oxox 10min4169,0 291,0 35,0 32,1 35,0 / 2 22 =+=+= μ μ μ μ 231/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội 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 quátrình 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: Vì có lớp SiO2 ban đầu nên ta tính 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: ( ) h m K eV eV h m kT eV h m A B wet μμμ 77.4 273110010617,8 93,1exp108,593,1exp108,5 5 77 = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ × −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ×=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ×=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − ( ) ( ) h m K eV eV h m kT eV h mB wet 2 5 22 465,0 273110010617,8 71,0exp18871,0exp188 μμμ = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ × −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= − ( ) ( ) h h m m h m m AB X B X ii 0425,0 77,4 1,0 465,0 1,0 / 2 22 =+=+= μ μ μ μτ ( ) ( ) ( ) ( ) mhh h m h m h m h m t B AB AB BX ox μμ μ μ μ τ 323.010425,025,0 465,0 77,44 1 77,42 465,0 1/41 /2 2 22 2 = ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −+ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −++= 241/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội 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 120 phút. Cho rằng, lớp SiO2 ban đầu có chiều dày 1000 Å. ĐS: tox ≈ 0,48 µm. 2. Trên đế Si sạch cần tạo lớp SiO2 cực cửa của MOS FET với chiều dày 1000 Å. Cho biết thời gian và quy luật tạo thành lớp SiO2 đó trong hai trường 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 khi ô xy hóa ẩm như ở bài 4, người ta mở cửa sổ (tẩy lớp SiO2 một diện tích nhất định) rồi thực hiện ô xy hóa khô trong 20 phút ở 1000 ºC để tạo lớp ô xit cực cửa. Xác định chiều dày lớp SiO2 cực cửa và lớp ô xit ở vùng còn lại. 6. Đối với các MOSFET có kích thước (chiều dài kênh dẫn) dưới 1 µm, người ta đôi khi cần những lớp SiO2 cực cửa chiều dày ~ 100 Å. Mặc dù ô xy hóa ở nhiệt độ cao rất khó khống chế những chiều dày lớp SiO2 như vậy, nhưng đó vẫn là biện pháp công nghệ được ưa chuộng. Hãy giải thích tại sao. 251/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Cám ơn đã theo dõi !!! Mọi góp ý, bổ sung xin gửi đến: Dr. Le Tuan Hanoi University of Technology Institute of Engineering Physics Dept. of Electronic Materials 2nd Floor, C9 Building 1 Dai Co Viet Str., Hanoi, Vietnam Mobile: 0912 560 536 E-mail: le.tuan@vnn.vn