Покрытия из нитрида кремния

Применение защитных слоев из диоксида кремния в ряде случаев невозможно. Это может быть связано с отсутствием маскирующей способности при диффузии примесей Аl, Ga, In; трудностями маскирования при длительной диффузии бора и фосфора, если толщина оксида менее 0,1—0,15 мкм; с относительно невысокой их электрической прочностью и, наконец, с высокими значениями коэффициента диффузии натрия (в результате чего параметры приборов и микросхем с защитными покрытиями из диоксида кремния могут проявлять нестабильность).

В ряде случаев для маскирования применяют покрытия из нитрида кремния Si₃N₄ или нитрида кремния в комбинации с диоксидом кремния. Нитрид кремния обладает более высокой химико-термической стабильностью, электрической прочностью, диэлектрической проницаемостью, маскирующей способностью. Коэффициент диффузии ионов натрия в Si₃N₄ почти на порядок ниже, чем в SiO₂. В системе Si₃N₄ — SiO₂ возможно формирование широкого ряда химических соединений — оксинитридов кремния, что позволяет в необходимых пределах модифицировать свойства бинарных компонентов как с той, так и с другой стороны. Наиболее распространенным оксинитридом является Si₂ON₂.

К недостаткам покрытий из нитрида кремния следует отнести более высокую плотность заряда на поверхности раздела Si — Si₃N₄, чем в системе Si — SiO₂, и трудности, возникающие при травлении рельефа. Оба эти недостатка могут быть устранены за счет применения комбинированных покрытий SiO₂ — Si₃N₄ или SiO₂ - Si₃N₄ - SiO₂.

Нитрид кремния — полиморфное кристаллическое соединение, существующее в виде двух стабильных модификаций - и - Si₃N₄; -фаза стабильна при температуре ниже 1150 °С. -фаза — выше 1550 °С.

7.3. Диффузионное легирование в планарной технологии

Диффузия в полупроводниках это процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением. Используется для изготовления р-n переходов и др. целей. Перемещение примеси в решетке происходит посредством последовательных скачков, осуществляемых в трех направлениях.

Назначение диффузии:

-формирование базовых и эммитерных областей и резисторов в биполярной технологии,

-создание областей истока и стока в МОП технологии,

-для легирования поликристаллического кремния.

Способы диффузии:

-диффузия из химического истока в парообразной форме при высоких температурах,

-диффузия из легированных окислов,

-диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов).

К основным механизмам диффузии относят:

-вакансионный,

-прямое перемещение по междоузлиям,

-эстафетный (непрямое перемещение по междоузлиям),

Бор, фосфор в кремнии диффундируют по вакансионному механизму, элементы 1 и 7 группы - по междоузельному.

Процессы изотропной диффузии описываются посредством коэффициента диффузии D, который является скалярной величиной и определяется из первого закона Фика при одномерной диффузии.

, (7.1)

где J - плотность потока атомов или дефектов вещества, D - коэффициент диффузии, N - концентрация атомов или дефектов вещества.

Температурная зависимость коэффициента диффузии выражается следующим соотношением:

, (7.2)

где E_a - энергия активации для скачка атома, T - температура диффузии.

Для разных механизмов диффузии энергия активации различна. Например, для вакансионного механизма значение E_a равняется E_a= 3-4 эВ, а для диффузии по междоузлиям - E_a= 0.6-1.2 эВ.

Изменение концентрации растворенного вещества во времени при одномерной диффузии определяется вторым законом Фика

(7.3)

При диффузии на небольшую глубину примеси с относительно низкой концентрацией (концентрация примеси ниже концентрации собственных носителей при температуре диффузии) коэффициент диффузии D не зависит от концентрации диффузанта. Для низкой концентрации примеси уравнение (*) можно записать в виде:

(7.4)

Однако при высоких уровнях легирования наблюдается значительное увеличение коэффициента диффузии, что имеет место за счет влияния на движение примеси электрического поля, возникающего при химической диффузии, а также при взаимодействии примеси и точечных дефектов с дефектами, находящимися в различном заряженном состоянии.

1. Диффузия из бесконечного источника описывается уравнением

, (7.5)

где N(x, t) - концентрация примеси на расстоянии x от поверхности, N₀ - постоянная поверхностная концентрация примеси, D - коэффициент диффузии примеси при температуре диффузии, t - продолжительность диффузии, erfс(z) - дополнительная функция ошибок.

Начальные условия: N(x, 0)=0.

Граничные условия: N(0, t)=N₀, N(x>>0, t)=0 .

Металлургическим переходом называется глубина, где концентрация диффузионной примеси N(x_j) равняется концентрации исходной примеси в подложке N(x_j)= N_b.

Если тип легирующей примеси противоположен типу примеси подложки, то концентрацию легирующих элементов N(x)= |N_D(x)-Nb| в области p-n перехода можно определить с помощью дополнительной функции ошибок.

Диффузия из источника ограниченной мощности

Профиль распределения примеси описывается уравнением Гаусса:

(7.6)

Начальные условия: N(x, 0)=0.

Граничные условия: Q₀ - число атомов легирующего вещества, осажденного на единицу площади полупроводника, равно интегралу от N(x, t) по всей глубине полупроводника и N(x, t>>0)=0.

При x=0 концентрация легирующей примеси на поверхности будет равна:

(7.7)

Количество диффузанта, необходимого для осуществления диффузии на определенную глубину полупроводника заданного количества примеси, изменяющейся пропорционально exp(-z²), где z = 0.5x , очень мало. Такое количество примеси можно ввести ионным легированием или предварительным проведением диффузии (преддиффузии) при низкой температуре в течение короткого времени. При этом на поверхности сформируется источник с необходимым малым содержанием примеси Q₀:

, (7.8)

где Q₀ - количество примеси, поступающее в течение преддиффузии, N₀₁ - поверхностная концентрация при температуре преддиффузии, D₁ - коэффициент диффузии при температуре преддиффузии, t₁ - продолжительность преддиффузии.

Общее уравнение, позволяющее определить концентрацию примеси в полупроводнике, записывается в следующем виде:

, (7.9)

где индексы 1 относятся к разгонке примеси из источника сформированного на преддиффузии, а индексы 2 - к самому процессу диффузии.

Уравнение (7.9) справедливо для случая, когда выполняется следующее условие:

На рис. 7.7 изображен профиль легирования из ограниченного источника.

Рис. 7.7. Рис. 7.8

Профили легирования при диффузии из бесконечного (кривая 1) и ограниченного (кривая 2) источников в сравнении изображены на рис. 7.8.

Рис. 7.9. Формирование областей базы и эммитера биполярного транзистора

На рис. 7.9 показано формирование областей базы и эммитера биполярного транзистора и указаны возможные значения глубин слоев с разным типом проводимости.