Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Бурное развитие микроэлектроники и силовой электрогапси, четкая гндеіщия к миниатюризации рабочих элементов, создаїше новейших перс-ектітньїх, конструктивно сложных приборов, а также необходимость аличия высокоэффекттгоного промьпплешюго производства современных олупроводшпсовых приборов продолжают оставлять актуальными опросы влияния структурных дефектов материала на параметры и роцент выхода годных приборов. С ростом интеграции активных эле-ентов н переходом на работу с пластинами большого диаметра значи-ость такого рода работ усиливается. В частности, при работе с пла-пшами диаметром 200-300 мм промьгшлеішая реализация кристаллов птов) современных блоков памяти с размером кристалла свьппе 100 мм2 и ополопіческігмн размерами в субмикронной области практически евозможна без сфьезпых проработок вопросов управлеіпія процессашг ефектообразовагаїя в активных областях приборов. Пфед реализацией овремешіого высокоэффекттгоного производства полупроводниковых рнборов становится необходимой предварительная оценка возможного роцента выхода годных кристаллов конкретного типа приборов с учетом сех технологических особенностей производства, особенностей спользуемых. исходных матфиалов и с учетом предполагаемого груктурного совфшенства рабочих областей прибора.
Исследоваїше процессов дефектообразовашія при формировании
рнборных структур прежде всего необходимо для конкретизации требо-
ашгії к исходным монокристаллам полупроводниковых матфиалов и
[штакснальных структур на их основе. Кроме того, изучение проблемы
груктурных несовфшенств в активных областях приборов может
ривесш к ошимизашш самих технологических приемов
зготовлешія приборных структур, а в отдельных случаях - подсказать естандартные решешгї при разработке новых пфспективных рнборов. Необходимы также дальнейшие исследоваши нфавновесных роцессов, протекающих при таких технологических опфаціїях, как
-4-окисление, диффузия, ионное легироваїше, когда имеет место резко< прсвьішсшіс концентраций собственных точечных дефектов на; равновесными значениями их концентраций, поскольку эти процессь могут оказывать сильное влияние на процессы дефектообразования і рабочих областях приборов.
Поскольку кремний продолжает оставаться основным материалой
при производстве полупроводниковых приборов и микросхем, задачі:
кремниевой технологии являются наиболее актуальными. Несмотря ш
большое количество работ по структурным нарушениям в кремнии
вопросы контролируемого управления дефектообразованием прі:
производстве многих кремниевых приборов требуют дальнейшегс
рассмотрения. В частности, не проработаны в достаточной степеш:
проблемы контролируемого управления дефектообразованием прг
производстве таких важнейших современных твердотельных кремнневы?
приборов, как фоточувствительные схемы с зарядовой связью (ФСЗС)
мощные биполярные и МДП-транзисторы, ИС на основ<
комплементарных транзисторов. В отечественной электронной промыш
ленности не отработана методология подхода к оптимизацш:
технологических приемов с целью обеспечения требуемой степени
структурного совершенства акпшных областей. Как правило, оценка
возможного влияния дефектов на качественное функционирование
приборов и предполагаемый процент выхода годных кристаллої
производится при использовании статистического подхода, подменяющегс
рассмотрение всей совокупности возможных дефектов в акпшных областям
приборов учетом возможного влияния среднестатистического дефек
та. В результате отсутствия методологии выбора технологичес
ких решений для оптимизации технологического цикла изготовле
ния приборных структур в отечественной полупроводникой промыш
ленности практически не отработаны процессы стабильного форми
рования эффективных геттерирующих областей с учетом особен
ностей отечественного слиточного кремния, не отработаны для широ
кого использования новые перспективные методы формированш
исходных многослойных кремниевых структур, разработке
которых могла бы исключить из производства такие тра
o-щиошпле технолоппі, как эпитакшальное наращивание толстых слоев, акая традиционная технология не только не обеспечивает по термоста-яльности и прочим свойствам требования к структурным особенностям абочих слоев приборов, но и связана с рядом экологических проблем.
Таким образом с учетом широкомасштабности производства ремниевых полупроводниковых твердотельных приборов разработка изико-технологаческих аспектов управления процессами дефекто-оразования в кремниевых структурах с целью стабильного обеспечения ребуемых структурных особенностей рабочих областей этих приборов гзусловно является крупной научной проблемой, имеющей большое ромышленное значение.
Цель работы
Целью данной работы является исследование и разработка физико-гхнологических основ управления структурными особенностями актовых областей кремниевых приборных структур для обеспечения высокого роцента выхода годных кристаллов и стабильной реализации требуемых араметров кремшіевьіх твердотельных приборов.
В соответствіш с поставленной целью в диссертациошюй работе ешались следующие конкретные задачи:
1. Анализ возможностей статистического подхода к оценке влияния груктурных дефектов в рабочих областях приборов на их качественное іункционировашіе. Разработка общей методологии оценки возможного пияння различных видов структурных дефектов на выход годных крис-аллов и определение для различных типов приборов допустимых лотностей дефектов разного вида в активных областях приборов, позво-яющне получать приборы с требуемыми параметрами. Выбор техноло-нческих решенші для управления процессами дефектообразования с целью беспечения найденных допустимых значений плотностей дефектов в ктивных областях приборов.
2. Разработка моделей процессов геттерирования, позволяющих сде-ать некоторые оценки для количественной конкретизации понятия эффективности геттерирования" и определить плотности и особенности етгерирующих центров, которые надо сформировать в объеме пластин
для обеспечешія эффективной работы внутреннего геттера при форми ровашпі приборов типа ФСЗС.
-
Исследование влияния различных факторов на процессы преци питании кислорода в кремнии с целью выбора режимов термообработо: для формирования внутреннего геттера в пластинах кремния, стабильн обеспечітающего структурное совершенство активных приповерхностны областей кремния в приборах типа ФСЗС при использовашш отечес твенного слиточного кремния.
-
Изучение характера диффузионных процессов и процессов д< фектообразования при термообработках в областях кремния, имплантт рованных углеродом и кислородом, с целью экспериментальной оценк геттерирующих свойств таких слоев. Выбор схемы и разработк эффективного технологического приема геттерирования с использование процессов ионной имплантации кислорода и углерода под эпитаксиальны структуры с толщиной рабочего слоя 3-20 мкм для биполярных мощны транзисторов.
-
Разработка принципиально нового технологического процесс формирования многослойных кремниевых структур п-п+-, р-р+-, п-п+--р типа, используемых в качестве подложек при изготовлении высок< вольтных силовых МДП-транзисторов.
Научная новизна полученных автором результатов.
1. На основании теоретического анализа выявлена ограниченное! принятой статистической модели оценки влияния дефектов на параметр и качественное функционирование полупроводниковых приборо основанной на рассмотрении среднестатистического дефекта, а не і дифференщфованной оценке влияния каждого вида дефектов. I-основании рассмотрешія физики работы и технологии изготовлешія таю важнейших твердотельных полупроводниковых приборов, как структур ФСЗС, ИС на основе комплементарных биполярных транзисторов, мої ные биполярные и МДП-транзисторы выявлены наиболее характерные в ды дефектов для активных областей этих приборов. В работе впервые д всех типов рассматриваемых приборов приведена сводная таблица, в кот рой даны допустимые плотности и размеры дефектов всех типов, обеспеч вавшне нормальное функционирование приборов. В частности, установл»
-7-
іо, что для получеїшя требуемых времен жігзїпі неосновных носителей
іаряда в активных областях структур ФСЗС, наиболее чувствительных к
:труктурному совершенству рабочих областей, концентрация
>екомбинащюшю-активных примесей (Си, Fe, Аи, Сг) в этих областях не (олжна превышать 5.1010 - 5.10й см-3, что примерно на два порядка ниже начешш концентраций, определенных в работе при исследовании рабочих ібластей структур, сформированных без использовагаїя геттеріфующих грием ов.
2. Рассмотрена модель описывающая структуру с геттерирующими
іентрами (ГЦ) как двухслойную систему, в которой один, рабочий слой
[олжен быть очищен от загрязняющих примесей, а второй слой должен
держивать эти примеси за счет наличия в нем источников упругих полей
аи центров зарождения новой фазы. Найдены теоретические
оотношення, позволяющие впервые дать количественное определение
[онятшо "эффективности процессов геттерирования". Приведены
еоретические оценки концентращш и размеров источников упругих
апряжегагіі и зародышей новой фазы, обеспечивающих возможность
чистки рабочего слоя до технологически требуемого уровня, в частности
ля структур ФСЗС уменьшение концентраций загрязняющих примесей на
казанные два порядка. Получено экспериментальное подтверждение
редложеішой модели и найденных теоретических соотношений при
спользовашш в качестве источников упругих полей частичных
ислокаций дефектов упаковки и петель дислокащіонно-прещтитатіаїх
омплексов и в качестве зародышей второй фазы кислородных
рещшитатов.
3. Установлено, что эффективность процессов преципитации
ислорода в кремнии зависит не только от состояния системы точечных
ефектов (ансамбля точечных дефектов) в исходном материале, но и от
зменешія этого состояния на различных стадиях формирования
вухслоиных геттеріфующих систем. Экспериментально установлено, что
|>фективным способом изменения состояния системы точечных дефектов
вляются термохимические обработки на первой стадии формирования
вухслойной геттерируюшей системы, влияющие на соотношение
акансігіі и междоузельных атомов кремния в объеме пластин на двух
-8-других последующих стадиях формирования двухслошюй системы, ил механические обработки, изменяющие на одной из стадий распределен! упругих полей в двухслойных системах. Экспериментально показано, чг путем изменешія концентращгіі собственных точечных дефектов на перво стадии можно менять не только концентрацию, но и геттерируюиц способности дефектов, образующихся в конечном итоге в пластинах.
4. Исследованы процессы 'Чаиффузии и дефектообразования подложках кремния, подвергнутых ионной имплантации углеродом кислородом, для реализации эффективного геттера в двухслойных зшітаї спальных структурах. Впервые показано отсутствие диффузионного ра: мытия пика углерода в имплантированных слоях кремния при отжигах, также впервые показано наличие восходящей диффузии этой примес (увеличение концентрации в 1,5-1,8 раз в максимуме пика на глубине R при двойной имплантации и соотношешш доз углерода и кислород: Dc : Do = 1 : 4. Экспериментально показано, что в случае наблюдаемо восходящей диффузии принципиально меняется картина дефектов ионнолепгрованных слоях при отжиге: образуются плотные дисл< кационные петли междоузельного типа, упругие поля которых способи обеспечить сильный геттерирующш! эффект.
5. Разработана модель формирования путем прямого термоко*
прессионного соединения двух кремниевых пластин с гидрофильным
поверхностями двухслойных структур, в которых каждый слой по свои
электрофизическим свойствам, концентрации дефектов и термі
стабильности удовлетворяет требованиям к исходным двухслойны
структурам для мощных высоковольтных МДП-транзпсторо
Экспериментально определены необходимая степень гидрофильное]
поверхностей кремния и допустимые отклонешга формы исходных пласта
от идеальной плоской формы, обеспечивающие возможность получеш
сплошного соединения поверхностей с максимально большой пло-щады
Разработанная модель экспериментально подтверждена, возможность
получения двухслойных монолитных структур типа п-п+-, р-р
диаметром 76 и 100 мм с коэффициентом заполнения К (отношеш площадей поверхности, по которой произошло образование
-9-шолита, ко всей поверхности пластин ), равным 98-99%, что является жазательством высокого качества формируемых структур.
Научная новизна подтверждена 24-мя авторскими свидетельствами на (обретение и патентами РФ.
Практическая значимость диссертационной работы.
1. Разработана новая комплексная контрольная методика анализа
іаіісформащш и влияния дефектов на работу приборов, позволяющая
юаналнзировать всю совокупность дефектов, как присутствующих в
:ходном материале, так и появляющихся в активных областях на любой
адии изготовления прибора. Методика широко опробована в заводских
ловиях для анализа причин брака при контроле более 1000 матриц ФСЗС
та 1200ЦМ7 и 1200ЦМ12, а также линеек типа 1200ЦЛ и более 3000
ипов" (кристаллов) мощных п-р-п биполярных транзисторов СВЧ-диа-
ізона 2Т986. Методика была внедрена на ряде предприятий отрасли
авод "Элскс", г. Александров, завод "Пульсар")
2. Разработана технологическая схема создания внутреннего,
)фективно работающего геттера, а также контрольная методика, ис-
>льзованне которой позволяет в процессе формироваїшя области с
ттерирующими центрами корректировать технологический процесс. Раз-
іботанная схема использовалась при отработке технологии матричного
эточувствительного прибора с зарядовой связью типа А-И 57.
-
Разработаны технолопш формироваїшя геттера с использованием юцессов ионной имплантации легких элементов для эпитаксиальных руктур под мощные биполярные СВЧ-транзисторы. Разработанный юцесс формирования геттера с использованием процессов имплантации гл внедрен в технологию изготовления микросхем К-537РУ1, Б-537РУ1, 7РУ1 и КМ-537РУ1, что дало положительный эффект, заключающийся в нжении токов утечек и увеличении процента выхода годных на 5-7%.
-
Разработан процесс формирования внешнего механического геттера сочетании со специальной термообработкой и контролем напряженного стояния плаепш для эпитаксиальных структур, внедренный в хнолоппо изготовления приборов КТ640, КТ642, КТ64. По новой техно-ІГИИ было изготовлено более миллиона кристаллов приборов, что дало
-10-положительный эффект, заключающийся в увеличении среднего кої чества годных, приборов на пластине в 1,3 раза.
5. Разработанная специальная технология импульсного отиш
кремниевых структур внедрена на изделии 2Т3132 (завод "Пульсар"), ч
привело к повышению выхода годных приборов с 32% до 38%
6. Разработана новая технология получения многослойных струкл
путем термокомпрессионного соединения плаепш кремния. Технолог
является экологически чистой и успешно заменяет традациошгую эг
таксиальную технологию формирования таких структур под мощные сш
вые приборы. Технология широко опробованиа на большом количесі
структур (300-400 структур диаметром 76 мм) при формировании мощи
высоковольтных МДП-транзисторов с пробивными напряжениями 80
1000В и рабочими токами 4-5А. Анализ готовых приборов показал, ч
среднее количество годных транзисторов, сформированных на эка
риментальных структурах, по пробивному напряжению и величшіе ос:
точных- токов возросло в 1,35 раза по сравнению с базовой технологи
Собранные приборы успешно прошли технологические отбраковочные і
пытания. "~-
7. Разработаны Отраслевые Руководящие Материалы по метод
контроля качества материала и поверхности кремниевых пласт
(РМ. 11.050.024-77- РМ.11.050.029-77), которые приказом МЭП N і
от 7.12.84 были введены с 1.01.86 в качестве методик контроля на бо:
шинстве предприятий отрасли.
Сумма экономического эффекта от использования разработ проведенных автором работы, составила более двух миллионов шестш тысяч (2690000 руб.) деноминированных рубля. Ожидаемая экономш перспективе при возможном использовании всех результатов рабо составит более шести миллионов деноминированных рублей.
Комплекс выполненных работ вносит значительный вклад в решег важнейшей научно-технической и хозяйственной задачи отечествени электронной промышленности - создание высокопроизводительных эффективных, экологически чистых технологий получения материалов ; перспективных современных полупроводниковых кремниевых приборов.
На защиту автором выносятся:
1. Пршщипы определеши допустимых плотностей структурных
;фектов разного вида в объеме активных областей полупроводниковых
руктур, обеспечивающих получение кремниевых твердотельных
эиборов ттша ФСЗС, мощных бішолярньїх и МДП-транзнсторов, ИС на
:нове комплементарных биполярных транзисторов с требуемыми
[астрофизическими параметрами. Анализ процессов дефектообразования
кремішсвьіх структурах при изготовлении рассматриваемых приборов, а
ікже сопоставлешіе допустимых плотностей и реальных значешш
ютностей дефектов в активных областях кремниевых структур, отде
ленных в процессе исследований, позволили определить направление
:хнологического поиска для обеспечения структурного совершенства
ставных областей для каждого рассматриваемого типа приборов
-
Методика расчета коэффициента сегрегации, который отражает люшение растворимостей быстродиффундирующих примесей в прнповер-юстных активных областях и в объеме плаепш с геттерирующими япрами. Расчет, проведенный с использоваїшем дашюй методики, поз-)ляет утвфждать, что при значениях коэффициента сегрегации Каг.> 11 >ормировашвый геттф работает эффективно. Ряд теоретических соотно-ешш, позволяющих рассчитать концентрацию геттерирующих центров, >торые надо создать в объеме плаепш, чтобы концентращш дефектов в гшвных областях не превьппали найденные допустимые значения.
-
Зависимости эффективности процессов прещтитащш кислорода в >емшш при отжигах от концентрации фонового углерода, степени пере-оцения материала собственными точечными дефектами, температуры гжига. Методология технологического выбора последовательности и мпературы отжигов для активной преципитации кислорода, а также хнология формирования эффективного, пролонгированного во времени [утреннего геттера в объеме пластин для приборов типа ФСЗС, >зволяюшая учитывать особенности исходного слиточного материала.
-
Закономерности процессов дефектообразования и диффузионных юцессов при отжигах в слоях кремния, имплантированных такими гкимн элементами, как углерод и кислород. Экспериментально обнару-ашое явление "восходящей" диффузии углерода при отжигах слоев, имитированных кислородом и углеродом при соотношении доз этих при-
-12-Meceii:Dc : Do=l : 4. Разработанный на основании исследований техі логический процесс формирования геттера с помощью процессов иош; имплантации для эпитаксиальных кремниевых структур, используем при изготовлении мощных биполярных транзисторов .
5. Физико-технологические аспекты процессов прямого соединеї пластин кремния и разработанная на этой основе новая технолої формирования многослойных кремниевых структур типа п-п+-, р-р44", п-; р+-, используемых при изготовлении мощных высоковольтных МД транзисторов. Разработанная технология включает полный компл< конструкторско-технологических решений и обеспечивает получеі структур с минимальным разбросом по удельному сопротивлению толщине высокоомного рабочего слоя, (±7% от номинала), а так обеспечивает, получение требуемого технологического уровня стр; турного совершенства и термостабильности этого слоя. Эта технолог позволяет успешно заменять традиционные, экологически вредные мето, эгаггаксиального наращивания толстых слоев кремния.
Апробация диссертационной работы. Результаты исследований, составляющие содержание работы, докі дьюались и обсуждались на ряде Всесоюзных и Международи
конференций, в частности на:
1. Симпозиуме: "Применение новых электронно-шгкроскопическ
методов в технологии кристаллографии и минералогии", Научный Сое
АН СССР по электронной микроскопии (Звенигород, Москва,'1980).
2. Всесоюзной научно-технической конференции: "Совершенствован
технологии получения и исследования монокристаллов особо чисто
полупроводникового кремния", МЦМ СССР (Москва, 1985).
3. 1Y Республиканской конференции: "Физические проблемы МД
интегральной электроники" (Севастополь, 1990)
4. Всесоюзной конференции "Кремний 90" ( Москва, 1990).
5. International Conference "Silicon'90" ( Roznov pod Radhoste
November 1990).
-
4-th Scientific and Business Conference on Silicon Technology, Photon taies and IR-Optics, (Czech Republic, Roznov, 1994).
-
Spring Meeting Materials Research Society (MRS), San Francisco, 199
-
Первой Всеросийской конферицші по материаловедению и физик химическим основам технологии получения легированных кристалл кремния "Кремний-96", Москва, 1996.
-
5-th Scientific and Business Conference "Silicon'96",(Roznov, Czech F public, 1996)
-
1995 Spring Meeting E-MRS (Strasbourg, France, 1995).
-
E-MRS 1996 Spring Meeting (Strasburg, France, 1996).
-
NATO Advanced Research Worksbip on Early Stages of Oxygen Pre pitaion in Silicon ( Natheriands, 1996).
13. On "SCANNING 96" (Monterey, California, USA, 1996).
14. Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology
5ADEST* 97" (Spa, Belgium, 1997).
15. Minerals, Silicon and the 21st Century (Oman, 1998).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 37 работ, в том числе 10 в дущих мировых изданиях, и получено 24 авторских свидетельств на обретения и патенты РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, прило-яшя и перечня цитируемой литературы. Первая глава посвящена тросам влияния структурных нарушений в активных областях кремния і основные параметры ряда кремниевых твердотельных приборов; тальные три главы посвяшены рассмотрешпо научно-технологических пектов управления процессами дефсктообразовашія в активных областях осматриваемых приборов. В частности, вторая глава посвящена іссмотрешпо процессов прещптнтацип кислорода в кремнии, пользуемых для формирования внутреннего геттера в матрицах и мейках ФСЗС. Третья глава посвящена вопросам анализа процессов фектообразовашія в слоях кремния, импланитрованиых углеродом и іслородом, и формирования с помощью таких процессов геттера в итаксиальных структурах, используемых при изготовлешш мощных лолярных транзисторов. Четвертая глава посвящена проблемам нового хнологического процесса формирования двухслойных кремниевых руктур для мощных МДП-транзисторов путем прямого соединения [астин кремния. Диссертация содержит 380 страниц машинописного кета, 87 рисунков, 17 таблиц и 224 библиографических ссылки, включая бликащш автора. В процессе работы в экспериментах использовалось лее 20 исследовательских методик.
