Effects of Back‐Side Oxidation of Si Substrates on Sb Diffusion at Front Side

Abstract

The effect of back-side oxidation of Si wafers on the diffusion of Sb in the front of wafers is investigated with back-side selective oxidation (BSO) at 1100~C in dry 02 ambients. It is found that the diffusion of Sb in the front of the wafers is retarded by BSO only for FZ Si substrates under directly formed Si3N4 films, and that Sb diffusion in CZ Si substrates and under double-layered SiO2-Si3N4 films in both FZ and CZ substrates is not affected by BSO. The effective range over which BSO affects Sb diffusion is found to increase with oxidation time. The range and extent of oxidation retarded diffusion (ORD) for Sb are shown to agree with those of oxidation enhanced diffusion (OED) for B and P. These results are explained with a proposed model: (i)there is a thermal equilibrium between vacancies and interstitials, and (ii)the Si-SiO2 interface provides sinks and generation centers for point defects in Si, though the Si-Si3N4 interface does not react with point defects.It is well known that diffusion of Group III and and V elements in Si is affected by thermal oxidation. Diffusion of B, P, and As has been found to be enhanced by thermal oxidation (1-3). This phenomenon has been discussed in relation to the mechanism of impurity diffusion and point defect structure in Si using several different models.The authors have found ORD of Sb in Si and proposed that there is a local equilibrium between interstitials and vacancies (4). Moreover, they have found that the range of B-and P-diffusion enhancement effect by thermal oxidation increases with oxidation time (5-6). If local equilibrium between interstitials and vacancies exists, the Sb ORD range due to oxidation should be equal to the OED range for B and P and should expand with oxidation time.In this paper, the ORD range for Sb is investigated by BSO to clarify the existence of local equilibrium. Point Defect and Impurity Diffusion ModelFormerly, impurity diffusion in Si was explained using a vacancy model (7). However, this model cannot explain the coexistence of OED for both B and P in Si, and extrinsic stacking fault growth during thermal oxidation (8).Gosele et al. claimed that B and P diffuse in Si only through interstitials in both inert and oxidizing ambients (9). They explained the OED for B andP in Si in terms of the increase in concentration of interstitials at the oxidizing Si-SiO2 interface.Hu and Antoniadis et al. have proposed a dual diffusion mechanism model. According to their model, an impurity atom diffuses in Si via both interstitials and vacancies (10, 11).Taniguchi et al. assumed from experimental results that B and P diffuse in Si via vacancies that have .developed from treatment with inert ambients and that they diffuse via both vacancies and interstirials with the use of oxidizing ambients. However, these two models encountered problems with the finding of ORD of Sb in Si (12).The authors have found that the ratio of impurity diffusion coefficient under oxidizing and nonoxidizing condition (Do/DN) for B and P is inversely proportional to Do/...

Détermination des paramètres de distribution des auto-interstitiels silicium en vue de la modélisation 2-D des processus technologiques. Discussion sur la validité physique

“…On a vu que les populations relatives de 1 et de V étaient gouvernées par la réaction de Frenkel. Etant donné que l'équation (7b) donne, avec les temps de l'expérience considérée, des variations lentes de Ci/Ci*, on va considérer dans l'équation (8c), contrairement à [10,11], que la réaction de Frenkel est pratiquement à l'équilibre : C * C*v # C; C, (5). Remarquons que ceci ne suppose pas le terme de recombinaison dans les équations (8a) et (8b) négligeable devant le terme de diffusion.…”

“…3 DIFFUSION DE L'IMPURETÉ Sb. -Nous supposons enfin l'effet des auto-interstitiels sur la diffusivité de l'impureté Sb comme connu [5,11 ] empiriquement : fi = 0,02 pour Sb à 1 100 OC est le rapport de la diffusivité de Sb en atmosphère oxydante à celle en atmosphère inerte. Cette quantité est déterminée expérimentalement dans l'expérience de Mizuo et Higuchi [5] par la mesure, d'une part de la profondeur de jonction (Xjbo) dans la zone faisant face à l'oxydation face arrière, d'autre part de la profondeur de jonction (xjbn) dans une zone que l'on suppose assez éloignée de l'oxydation pour que Sb diffuse comme en ambiance inerte.…”

“…Taniguchi et al [8], mais l'expérience d'où il tire sa valeur n'est pas cohérente avec l'expérience traitée ici, [5] (substrat CZ sans recombinaison, etc...). Nous reviendrons plus loin ( § 4.…”

“…Il est considéré que la répartition des auto-interstitiels est gouvernée par leur création sous l'oxyde en croissance et leur recombinaison dans le volume du silicium et sur la surface de Sio2 passivée. Nous déterminons ces différents taux de création et de recombinaison grâce à des simulations des expériences effectuées par Mizuo et Higuchi [5] : ceux-ci ont étudié l'influence d'une oxydation face arrière sur la redistribution d'une couche d'antimoine (entre autres impuretés) située sur la face avant ; ces expériences ayant l'avantage de ne pas porter sur des zones de transitions (expériences à une dimension). A la lumière de résultats indépendants relatifs à l'existence des auto-interstitiels, nous discutons de la pertinence des hypothèses physiques sous-jacentes à ces modèles.…”

“…Nous verrons plus loin pourquoi nous ne nous sommes pas appuyés sur les résultats de cette expérience. [Description of the experience of Mizuo and Higuchi [5]]. 3.…”