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 примесиР, 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 D_SiO2/D_Si =2,5×10^-4; для фосфора D_SiO2/D_Si =1,2×10^-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 Ме_xO_у диффундирует к поверхности раздела стекло—оксид и реагирует на этой поверхности с исходным SiO₂:

m Ме_xO_у + SiO₂ ↔ m Ме_x O_у 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 x_c — 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.