27. Распределение примесей при термическом окислении

Термическое окисление кремния сопровождается перераспределением примесей в подложке и в образующемся оксидном слое. Это явление важно учитывать при проектировании микроэлектронных устройств, так как примеси влияют на электрические и структурные свойства как подложки, так и оксидного слоя.

1. Принципы распределения примесей

При термическом окислении примеси могут:

1. Оставаться в подложке (при низкой температуре окисления или малой растворимости примеси в оксиде).

2. Мигрировать в слой SiO2 (если примесь обладает высокой растворимостью в оксиде).

3. Накопиться на границе Si/SiO2, образуя область повышенной концентрации.

Распределение примесей определяется следующими факторами:

• Коэффициентом распределения (k): отношение концентрации примеси в оксиде к концентрации в подложке.

• Температурой окисления: при более высокой температуре диффузия примесей ускоряется.

• Типом примеси: химическая природа примеси определяет её взаимодействие с кремнием и оксидом.

• Скоростью роста оксида: быстрый рост оксида может «захватить» примеси из подложки в слой SiO2.

2. Поведение основных типов примесей

2.1. Донорные примеси (фосфор P, мышьяк As)

• Донорные примеси имеют низкую растворимость в SiO2 и в основном остаются в подложке.

• На границе Si/SiO2 может образовываться область повышенной концентрации примеси, что приводит к эффекту накопления.

• При высоких температурах фосфор может частично мигрировать в оксид.

2.2. Акцепторные примеси (бор B)

• Бор имеет высокую растворимость в SiO2, поэтому при окислении значительная часть атомов бора диффундирует в оксидный слой.

• Такое поведение может приводить к истощению бора в приповерхностной области подложки и снижению легирования.

2.3. Нейтральные примеси (кислород, углерод, металлы)

• Нейтральные примеси, такие как углерод, могут захватываться растущим слоем SiO2, формируя дефекты и загрязнения.

• Металлы (например, золото Au, железо Fe) могут диффундировать в оксид или образовывать локальные дефекты в подложке.

3. Модели распределения примесей

3.1. Закон диффузии Фика

Процесс перераспределения примесей описывается уравнением диффузии Фика:

Где:

• C — концентрация примеси,

• D — коэффициент диффузии (зависит от температуры),

• x — расстояние от поверхности подложки,

• t — время окисления.

3.2. Коэффициент распределения k

k=C_SiO2/C_Si

• k>1: примесь преимущественно концентрируется в оксиде (например, бор).

• k<1: примесь остаётся в подложке (например, мышьяк, фосфор).

• k=1: равномерное распределение примеси.

3.3. Граница раздела Si/SiO2

На границе подложки и оксида может формироваться область накопления примесей из-за резкого изменения химического потенциала. Это приводит к локальному изменению электрических свойств.

4. Особенности распределения примесей при разных методах окисления

4.1. Сухое окисление

• Примеси остаются преимущественно в подложке, так как скорость роста оксида низкая, а взаимодействие примесей с кислородом ограничено.

• Формируется более резкий профиль концентрации примесей.

4.2. Мокрое окисление

• Высокая скорость роста оксида способствует захвату примесей в слой SiO2.

• Примеси, такие как бор, могут значительно диффундировать в оксид.

4.3. Комбинированное окисление

• На первом этапе (мокрое окисление) примеси активно захватываются оксидом.

• На втором этапе (сухое окисление) формируется качественный слой с меньшим количеством дефектов.

5. Применение перераспределения примесей

1. Управление профилем легирования:

   • Контроль концентрации примесей в приповерхностной области подложки путём выбора метода и условий окисления.

2. Формирование защитных барьеров:

   • Заглубление примесей в подложку или их удаление в оксид позволяет минимизировать утечки тока.

3. Оптимизация электрических свойств:

   • Равномерное распределение примесей улучшает характеристики изоляции и снижает дефекты.