2.7. Равновесная и неравновесная сегрегация примесей

При больших скоростях окисления условие термодинамически равновесной сегрегации может нарушаться из-за кинетического захвата примеси растущей плёнкой диоксида кремния. В этом случае изменение количества примеси в прокисленном слое кремния связано с сегрегационным потоком j_s следующим образом:

dQ – dQ_ox = j_sdt,

j_s = h(C_ox – C/m_s),

где h – коэффициент переноса. В этом случае из условия

получаем выражение для эффективного коэффициента сегрегации

Значение эффективного коэффициента сегрегации m_ef, в отличие от термодинамически равновесного m_s, зависит от скорости окисления (рис. 2.6). Как видно из рисунка, при малых скоростях окисления U_ox << h с егрегация равновесна, m_ef  m_s, при больших скоростях окисления U_ox >> h имеет место кинетический захват, m_ef   . В области средних скоростей окисления U_ox  h сегрегация нерав-новесна. Неравновесная сегрегация р еализуется при невысоких (не более 900 ^oC) температурах термического окисления во влажном кислороде, а также при окислении под давлением.

2.8. Влияние термического окисления на скорость диффузии

При сравнении глубин диффузии под плёнкой нитрида кремния и под растущей в окислительной среде плёнкой диоксида кремния было обнаружено, что диффузия одних примесей ускорена (B, P, Al, In, Ga) – диффузия, ускоренная окислением (ДУО), а диффузия других примесей замедлена (Sb) – диффузия, замедленная окислением (ДЗО). Коэффициент диффузии в условиях термического окисления может быть представлен в виде

D_ox = D  D_ox,

где D – коэффициент диффузии при неокисляющих условиях; D_ox – изменение коэффициента диффузии под действием окисления. Было установлено, что величина D_ox зависит от скорости окисления по степенному закону D_ox ~ (U_ox)ⁿ, где показатель степени n = 0.4…0.6.

Относительная величина D_ox/D уменьшается с ростом температуры окисления и падает с увеличением уровня легирования.

Кроме влияния на скорость диффузии, термическое окисление оказывало влияние на рост окислительных дефектов упаковки (ОДУ). Причём скорость роста ОДУ зависела от скорости окисления по такому же степенному закону , где показатель степени m  0.4. Рост ОДУ, которые имеют тип внедрения, может происходить только за счёт поглощения собственных междоузельных атомов (СМА), т. е. в твёрдофаз-ной реакции термического окисления помимо диоксида кремния происходит образование (генерация) избыточных СМА (I):

Si + O₂  SiO₂ + I;

Si + 2H₂O  SiO₂ + 2H₂ + I,

где  и  – коэффициенты, показывающие сколько СМА образуется в одном акте окисления.

Причиной генерации СМА является разница объёмов формульных единиц Si и SiO₂. В результате окисления место одного атома кремния объёмом 20 А³ занимает молекула SiO₂ объёмом 45 А³. При этом под действием напряжений сжатия некоторые из соседних узельных атомов кремния вытесняются в междоузлия, становясь собственными междоузельными атомами. Последние и являются причиной либо ДУО, либо ДЗО.