Легирование при эпитаксии
Для легирования используются гидриды примесных элементов (арсин AsH3, диборан B2H6, фосфин PH3). Процессы, происходящие на поверхности кремния при осаждении:
адсорбция мышьяка на поверхности;
диссоциация молекулы;
встраивание мышьяка в растущий слой.
2AsH3---2Asгаз+3H2газ---2Asтв---2(As+)тв+2(e-)
Скорость роста пленки влияет на количество встраиваемой в электронный слой примеси, т. к. с увеличением скорости не достигается равновесие между твердой и газообразной фазами реагирующих веществ. Если поток легирующей примеси в реактор резко прервать, это не приведет к быстрому изменению уровня легирования, что указывает на большую инертность процесса легирования.
Процесс внедрения в эпитаксиальный слой примесных атомов из пластины называется автолегированием. Различают макроавтолегирование, когда нежелательные легирующие атомы перемещаются внутри реактора от одной пластины к другой, и микроавтолегирование, когда посторонние примесные атомы внедряются в локальные области эпитаксиального слоя той же самой пластины.
7.2. Формирование диэлектрических слоев
Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам диэлектрические слои на основе двуокиси кремния, нитрида кремния, оксида алюминия и др. находит широкое применение при изготовлении ИС. Они используются как:
маска для диффузии легирующих примесей;
для пассивации поверхности полупроводников;
для изоляции отдельных элементов ИС друг от друга;
в качестве подзатворного диэлектрика;
в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти;
в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией;
как составная часть шаблона для рентгеновской литографии.
Наиболее широко используются слои SiO2 Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO2 является "родным" материалом для кремния, легко из него получается и удаляется, не растворяется в воде, легко контролируется.
Пленки SiO2 в микроэлектронной промышленности получают путем окисления кремния различными способами:
термическое окисление (сухое, влажное, хлорное, пирогенное);
анодное окисление;
пиролитическое окисление;
плазмохимическое окисление.
Маскирующие свойства слоев диоксида кремния
Под маскирующей способностью защитного слоя понимается его способность предотвращать диффузионное проникновение примесей при проведении процесса высокотемпературной локальной диффузии. Толщина .маскирующего слоя SiO2 определяется коэффициентом диффузии в нем примеси и разницей между этой величиной и коэффициентом диффузии примеси в полупроводнике. Для многих примесей, диффундируемых в кремний и германий, это различие достаточно велико и для маскирования поверхности полупроводника достаточно тонкого слоя SiO2. Кроме того, эффект маскирования зависит от природы и парциального давления диффузанта, от температуры и времени диффузии, от структуры и исходной толщины маскирующего оксида.
Как правило, акцепторы III группы, за исключением бора, имеют высокие значения коэффициентов диффузии в оксиде. Такие примеси, как галлий и алюминий, диффундируют в оксиде в 400-500 раз быстрее, чем в кремнии.
Донорные примеси Р, As, Sb характеризуются низкими скоростями диффузии в оксиде, что определяет высокую маскирующую способность диоксида кремния по отношению к этим примесям. В планарной технологии чаще используют фосфор, так как в кремнии он диффундирует быстрее, чем другие примеси, и это сокращает длительность процесса диффузии.
Примерные соотношения коэффициентов диффузии основных примесей в кремнии при 1100°С составляют для бора DSiO2/DSi =2,510-4; для фосфора DSiO2/DSi =1,210-1. Такое различие поведения бора и фосфора обусловлено реактивным характером диффузии этих примесей в системе SiO2 - Si
Модель процесса реактивной диффузии состоит в следующем: диффузант осаждают из газовой фазы на поверхность слоя оксида. Он реагирует с SiO2, с образованием соответствующего стекла (в данном случае боро- или фосфоросиликатного). Состав стекла зависит от содержания примеси в газовой фазе, природы диффузанта и параметров процесса диффузии. После образования слоя стекла диффузант в форме молекул типа МеxOу диффундирует к поверхности раздела стекло—оксид и реагирует на этой поверхности с исходным SiO2:
m МеxOу + SiO2 ↔ m Меx Oу SiO2
Рост стеклообразной фазы определяется как скоростью диффузии Ме,0у к поверхности раздела стекло - оксид, так и скоростью поверхностной реакции. При диффузии фосфора скорость поверхностной реакции значительно выше скорости диффузии, т. е. имеет место диффузионное ограничение процесса в целом.
Процесс диффузии примесей через оксид можно рассматривать как образование на поверхности SiO2 слоя примесно селикатного стекла,
Рис. 7.4. Зависимость маскирующей толщины слоя диоксида кремния при диффузии фосфора при температуре 1100°С (о) и бора (б)
граница которого сдвигается в сторону поверхности раздела Si — SiO2. В момент, когда граница стекла достигает поверхности кремния, маскирующая способность оксида становится равной нулю.
Для конкретных условий можно рассчитать скорость движения границы стекла и его толщину. Например, при диффузии фосфора из Р0О5 при парциальном давлении диффузанта 660 Па в диапазоне толщин слоя стекла 0,1 —1,0 мкм рост стекла подчиняется параболическому закону
где xc — толщина стекла, мкм; t — время диффузии, мин; k. — константа Больцмана, эВ/К.
Все уравнения для расчета маскирующей способности оксидных покрытий применимы лишь для бездефектных оксидов. При наличии дефектов рассчитанную толщину маски необходимо удвоить. Основной вид дефектов в оксиде — проколы и кристаллические включения, чаще всего в виде фракций кристобалита. Некоторые примеси, например натрий, способны стимулировать кристаллизацию стекловидных слоев диоксида кремния. Качественно оценить маскирующую способность SiO2 можно, пользуясь рис. 7.4, а,б.