Влияние типа и концентрации примеси в подложке

Во время роста окисла на легированном кремнии происходит сегрегация примеси на границе раздела Si - SiO₂. В зависимости от величины коэффициента сегрегации, определяемого как отношение равновесных концентраций примеси при данной температуре в кремнии и окисле

примесь будет либо оттесняться в кремний (m > 1), либо накапливаться в окисле (m < 1). Известно, что для бора m» 0,3, а для доноров (фосфора и мышьяка) m» 10. Если концентрация примеси в кремнии мала
(C_Si £ 10^–19 см^–3), в растущем окисле она также невелика. При высокой концентрации примеси в кремнии (C_Si ³ 10^–19 см^–3) в окисел встраивается значительное количество примесных атомов, разрыхляя его структуру и облегчая диффузию окислителя. Вследствие этого может несколько увеличиваться параболическая константа роста окисла, практически заметным ее рост становится лишь при больших концентрациях бора в кремнии. Сегрегация бора окислом увеличивается при окислении во влажной атмосфере за счет быстрого роста окисла, особенно при невысоких температурах (меньше 1000 °С) из-за малого коэффициента диффузии примеси в кремнии, когда она не успевает уйти в объем полупроводника из сильнолегированного поверхностного слоя.

Влияние бора на величину линейной константы скорости роста окисла незначительно. Поэтому скорость окисления кремния, легированного бором, от концентрации примеси зависит слабо. Иначе проявляется влияние концентрации донорных примесей, особенно фосфора, на скорость окисления кремния. При низкой (<<10^–19см^-–3) концентрации фосфора в кремнии как параболическая, так и линейная константы скорости роста не зависят от концентрации примеси. Высокая концентрация фосфора на параболическую константу также влияет очень слабо, поскольку при окислении фосфор слабо перераспределяется в окисел, интенсивно оттесняясь в кремний.

Что же касается линейной константы роста, то она сильно зависит от концентрации фосфора, особенно при низких температурах, когда окисление лимитируется скоростью химической реакции на границе раздела Si - SiO₂ (рис.3.3).

Наблюдаемые явления объясняются моделью, которая предполагает, что при оттеснении фосфора в кремний во время окисления растет концентрация вакансий вблизи границы раздела Si - SiO_2, что облегчает протекание химической реакции окисления.

Однако для мышьяка, имеющего примерно такой же, как и фосфор, коэффициент сегрегации, приведенная модель оказалась несостоятельной. Эксперименты показали, что при окислении диффузия мышьяка замедляется. Предполагается, что в этом случае, помимо
вакансий, могут генерироваться междоузельные атомы кремния,
рекомбинирующие с вакансиями и тем самым уменьшающие концентрацию последних.

Осаждение диэлектрических пленок

Помимо термически выращенного окисла кремния в производстве современных СБИС широко используются диэлектрические пленки, главным образом окисел и нитрид кремния, получаемые методами осаждения. Очень важно при этом, чтобы пленки были однородны по толщине на всех обрабатываемых в одном процессе поверхностях, а их состав и структура были полностью идентичны и воспроизводимы. Эти пленки предназначаются для электрической изоляции между металлом и поверхностью кремния, проводящими слоями, для защиты поверхности микросхемы от воздействия окружающей среды.

Основными методами получения таких пленок являются осаждение из парогазовых смесей при атмосферном или пониженном давлении и плазмохимическое осаждение.

Осаждение нитрида кремния

Нитрид кремния широко используется в качестве маски, например для создания диэлектрической изоляции между элементами схем при локальном окислении, так как сам окисляется медленно. Нитрид кремния является барьером для проникновения в окисел кремния щелочных металлов и влаги и может служить защитой от воздействия внешней среды.

Как и окисел кремния, нитрид кремния может быть получен осаждением из парогазовых смесей за счет реакции либо силана с аммиаком (2.11), либо дихлорсилана с аммиаком (2.12):

; (2.11)

. (2.12)

Реакция (2.11) протекает при атмосферном давлении и температуре 700 - 900 °С. Реакция (2.12) идет при пониженном давлении и температуре 700 - 800 °С. В этом случае пленки получаются очень однородными, а производительность метода очень высока. Пленки нитрида кремния, полученные при химическом осаждении, представляют собой аморфный диэлектрик, содержащий около 8 % водорода. Характеристики пленок сильно зависят от температуры осаждения и соотношения концентраций реагентов. В частности, понижение концентрации аммиака по отношению к силану или дихлорсилану приводит к увеличению концентрации кремния в пленках и ухудшает их диэлектрические свойства.

Для получения пленок нитрида кремния преимущественным является не химическое, а плазменное осаждение вследствие низкой температуры процесса. Для этого используется то же оборудование, что и для получения окисных пленок. В аргоновой плазме идет реакция силана с аммиаком

(2.13)

или силан вводится в азотный разряд

. (2.14)

Как видно из реакций (2.13) и (2.14), плазмохимический нитрид кремния содержит большое коли-чество водорода (до 25 %), а также 0,5 - 2 атомных % кислорода. Состав пленки нитрида кремния опре-деляет такие их свойства, как удель-ное сопротивление, которое может меняться от 10⁵ до 10¹² Ом×см (рис.3.4), и пробивное напряжение (1 - 6) ×10⁶ В/см.

Для нитридных пленок важна величина упругих напряжений, возникающих при осаждении, так как использование этих пленок для защиты поверхности микросхемы предъявляет высокие требования к механической прочности покрытия. Величины упругих напряжений в нитриде кремния cущественно зависят от условий получения пленок - состава газовой плазмы, конструкции реактора, температуры подложки. Вследствие этого рекомендации для выбора режима в конкретном процессе могут быть даны только на основании предварительных экспериментов.

Перспективы развития методов осаждения
диэлектрических пленок

Создание СБИС с субмикронными размерами активных элементов предъявляет особенно высокие требования как к качеству диэлектрических слоев, так и к методам их осаждения. К таким требованиям относится прежде всего необходимость снижения температуры осаждения для предотвращения размывания мелких р - n-переходов и точное воспроизведение рельефа на поверхности схемы. Эти требования могут быть удовлетворены при использовании реакторов с пониженным
давлением для осаждения из парогазовых смесей и особенно при плазмохимическом осаждении. Для понижения температуры возможно использование при плазмохимическом осаждении некоторых кремнийорганических соединений, а также метода фотохимического осаждения как двуокиси кремния, так и нитрида кремния. Последний метод не требует нагрева до высоких температур, в этом случае возможно выдерживать температуры не выше 100 °С. Кроме того, при фотохимическом осаждении не возникает радиационных повреждений кремния, что является важным условием, предотвращающим деградацию характеристик полупроводниковых приборов. Вместе с тем возможно применение новых диэлектрических материалов, таких как оксинитрид кремния, силикатные стекла сложного состава (боро-фосфорно-силикатные, свинцово-силикатные), окиси алюминия или нитрида алюминия. Последние хороши прежде всего тем, что имеют большое удельное сопротивление и диэлектрическую постоянную и могут при малой толщине обеспечивать высокие уровни напряженности поля пробоя. Особенно большой интерес представляет осаждение окиси титана, которая все шире применяется в технологии СБИС, в частности для создания контактных областей.

Диффузия.

Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p - n-переходов в настоящее время используются два метода введения примеси: термическая диффузия и ионная имплантация (ионное легирование). С уменьшением размеров элементов ИМС и толщин легируемых слоев второй метод стал преимущественным. Однако и диффузионный процесс не теряет своего значения, тем более, что при отжиге полупроводника после ионного легирования распределение примеси подчиняется общим законам диффузии.

Диффузия - это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла - междоузельные атомы и вакансии.

Основные характеристики диффузионных слоев:

- поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;

- глубина залегания p - n-перехода или легированного слоя;

- распределение примеси в легированном слое.

До настоящего времени нет достаточно полной общей теории, позволяющей сделать точный расчет этих характеристик. Существующие теории описывают реальные процессы либо для частных случаев и определенных условий проведения процесса, либо для создания диффузионных слоев при относительно низких концентрациях и достаточно больших глубинах введения примеси. Причиной этого является многообразие процессов, протекающих в твердом теле при диффузии, таких как взаимодействие атомов различных примесей друг с другом и с атомами полупроводника, механические напряжения и деформации в решетке кристалла, влияние окружающей среды и других условий проведения процесса.

Дата добавления: 2015-12-08