книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

может вызвать значительное расширение областей, с ко­ торых удаляется окисел.

мер, когда надо снять с отдельных участков слой фос- форно-силикатного стекла, оставив на остальной части поверхности достаточно толстый слой Si02 ). Если при этом окисел содержит примеси там, где их не должно быть, или если в окисле имеются дефекты, то это может привести к локальному увеличению скорости травления. В результате слой окисла может оказаться удаленным там, где этого не должно было быть (пусть даже в очень небольших по размерам областях). Это может стать впоследствии причиной возникновения брака.

В процессе создания слоев Si02 на поверхности крем­ ниевых пластин в этих слоях могут возникать различного рода дефекты, которые впоследствии становятся причи­ ной ухудшения или нестабильности параметров планар-

недостаток или избыток ионов кислорода, наличие в окисле атомов или ионов посторонних примесей и об­ разование ненасыщенных связей на границе между крем­ ниевой подложкой и слоем окисла. Более крупные де­ фекты— это поры или каналы в окисном слое, микротре­ щины или границы между кристаллическими-и аморфны­ ми участками слоя. Многие дефекты подобного рода могут возникать в окисном слое при термическом окис­ лении подложек, имеющих нарушения на поверхности. В местах расположения этих нарушений могут образо­

травления. В то же время поверхность кремния в этих местах может в результате окисления освобождаться от нарушений. Такие дефекты впоследствии приводят к ухуд­ шению параметров полупроводниковых приборов. На подложках достаточно высокого качества может быть выращен Si02 без подобных дефектов. В зависимости от условий термического окисления на поверхности кремния может вырастать не только аморфная, но и кристалличе-

101

екая двуокись кремния (в модификации а и р кристобалита). Образование кристаллической двуокиси кремния связано с болеб высокой температурой окисления и, ве­ роятно, с наличием при окислении каких-то примесей, возможно алюминия. Впоследствии при термообработке могут появляться трещины в кристаллических слоях ЭЮг и на границе между кристаллическими и аморфны­ ми участками. Обработка окисленных пластин в атмос­ фере, содержащей Р2О5, с последующим нагревом до температуры 1 200 °С способствует в этом случае появле­ нию трещин. (Обработка в атмосфере, содержащей Р2О5,

путем термического выращивания, путем термического разложения тетраэтилортосилана (в пиролитических слоях) и путем низкотемпературного окисления силана. Эти напряжения могут возникать в результате различия между термическими коэффициентами расширения под­ ложки и слоя, из-за изменений, происходящих в слоях при последующих термообработках, и из-за каких-то об­ стоятельств, связанных с характером зарождения и роста слоя, но не связанных с различием коэффициента рас­ ширения слоя и подложки (так называемые «собствен­ ные» напряжения). Напряжения в слое БЮг, выращен­ ном на кремниевой подложке при высокой температуре,

Очевидно, что величина напряжений и их роль тем больше, чем больше толщина слоя. Наличие напряжений в слоях может приводить к появлению в них трещин и к отслаи­ ванию их от подложки. Не слишком высокие напряжения в слое Si02 могут не вызывать появления трещин и от­ слаивания, но они могут приводить к концентрации ва­ кансий у границы раздела с подложкой. Это в свою очередь может быть причиной изменения плотности энер­ гетических состояний на границе между окислом и крем­ нием. Наличие напряжений в слое Si02 скажется при проведении его фотолитографической обработки: неодно­ родное распределение напряжений приведет к неоднород-

102

при попадании на поверхность частиц Р2О5 и последую­ щей термообработке).

Если сравнить слои SiO^ полученные различными методами, с точки зрения наличия в них дефектов, то можно считать, что наилучшими являются слои, полу­ ченные термическим окислением на свободных от дефек­ тов подложках. Наихудшими в отношении дефектов сле­ дует, по-видимому, считать слои, полученные анодным окислением в растворах электролитов и не подвергнутые после этого термической обработке.

Рассматривая вопрос о дефектах в слоях SiO^ мы вначале упомянули о дефектах с атомными размерами и среди них перечислили атомы или ноны посторонних примесей. Взаимодействие слоев Si02 с примесями опре­ деляет свойства, имеющие большое значение при их ис­ пользовании в планарной технологии,—способность ма­ скировать поверхность кремния во время диффузионных процессов и способность стабилизировать параметры пленарных структур.

Маскирующие свойства слоев Si02 . Очевидно, что спо­ собность слоя Si0 2 маскировать покрытые им участки поверхности при проведении диффузионного легирования кремния зависит от диффузии вводимых в кремний при­ месей сквозь слой Si02 . Если примеси сравнительно сво­ бодно диффундируют через SiO^ то по отношению к этим примесям окисел кремния будет обладать плохой маски­ рующей способностью.

Обзор диффузии различных примесей через аморф­ ную двуокись кремния приведен в работе [Л. 3-3]. Основ­ ной интерес, конечно, представляют данные о диффузии через Si02 акцепторных и донорных примесей. Из акцеп­ торов— элементов третьей группы периодической систе­ мы — только бор обладает относительно малым коэффи­ циентом диффузии в окисле. С этим связано практически

103

исключительное использование бора при создании обла­ стей р-типа в кремниевых пленарных приборах. Галлий диффундирует в окисле примерно в 400 раз быстрее, чем в кремнии. Еще быстрее проникает сквозь Si02 алюми­ ний. Индий, по-видимому, диффундирует в слое окисла кремния также достаточно быстро. Донорные примеси (фосфор, мышьяк, сурьма) диффундируют через Si02 медленно, и окисел может эффективно маскировать крем­ ний от проникновения этих примесей. Наиболее широко в пленарной технологии используется фосфор, что связа­ но с тем, что он имеет в кремнии более высокий коэффи­ циент диффузии, чем мышьяк и сурьма, и более высокую, чем у сурьмы, предельную растворимость. Применение сурьмы в планарной технологии весьма ограничено и связано с созданием слаболегированных областей я-типа (например, в р-п-р структурах). Мышьяк в последнее время используется в планарной технологии более ши­ роко, что связано с необходимостью создания очень тон­ ких сильнолегированных эмиттерных областей в планарных п-р-п с. в. ч. структурах. Кроме того, недавно появи­ лось сообщение о комбинированной диффузии фосфора (или бора) с небольшими добавками мышьяка, позво­ ляющей резко уменьшить в процессе диффузии образо­ вание в кремнии структурных дефектов [Л. 3-24].

в вопросах пассивации пленарных структур, а не в во­ просах селективного легирования кремния. Укажем здесь порядок коэффициентов диффузии в Si02 некоторых из этих примесей. Коэффициент диффузии водорода в Si02

неон, аргон и кислород диффундируют сквозь SiO^ по-

104

величины коэффициентов диффузии имеют большой

зует соответствующее стекло. Если источником диффузии с самого начала является окисел, то стекло образуется сразу при взаимодействии окисла с Si02 . При высоких температурах, характерных для проводимых процессов* образующиеся стекла обычно бывают в жидком состоя­ нии. (Когда идет речь об аморфных Si0 2 и, скажем, фос-

105

форно-силикатном стекле, не вполне правильно говорить, что первое вещество находится в твердом, а второе — в жидком состоянии. Правильнее сказать, что в пленке образуются две четко различающиеся фазы, одна из ко­ торых обладает очень большой, а другая — (P 2 0 5 - Si0 2 ) — очень малой вязкостью.) В дальнейшем проникновение примесей через жидкий слон стекла идет гораздо бы­ стрее, чем их диффузия в твердом Si02 . Временем про­ никновения примесей через слой стекла можно практи­ чески пренебречь. Поэтому проникновение сурьмы, фос­ фора или бора через Si02 можно качественно рассматри­ вать как образование на Si02 слоя соответствующего стекла, граница которого постепенно движется к границе раздела Si—Si02 . Как только граница стекла достигнет

рассматривать только как качественную оценку. Во-пер­ вых, необходимая толщина окисла зависит не только от температуры, но и от способа проведения диффузии, а вовторых, наличие маскирующих свойств определено отиоси-

106

Это подтверждается исследованием особо чистых поверх­ ностей полупроводников в условиях глубокого вакуума. В зависимости от положения уровня Ферми у поверхно­ сти полупроводника относительно краев валентной зоны

Рис. 3-17. Толщина окисла, необходимого для маскировки от диффузии фосфора (при Г100°С).

Рис. 3-18. Толщина окисла, необходимого для мас­ кировки от диффузии бора (при 1 000—1 200°С).

и зоны проводимости доля заряженных уровней Тамма может изменяться, причем это изменение происходит практически сразу вслед за изменением положения уров­ ня Ферми (или, иначе говоря, поверхностного потен-

109