Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

Основную роль в образовании «ростовых» микродефектов в выращиваемых монокристаллах играют СТД — вакансии и межузельные атомы. В реальных условиях выращивания монокристаллов, уже на достаточно малых расстояниях от фронта кристаллизации возникают значительные пересыщения по СТД, обусловленные резкой температурной зависимостью их равновесных концентраций в алмазоподобных полупроводниках. Образующиеся избыточные неравновесные СТД аннигилируют на стоках, в качестве которых выступают боковая поверхность слитка и присутствующие в его объеме более крупномасштабные дефекты, прежде всего, дислокации. По отношению к СТД дислокации являются практически ненасыщаемыми стоками. С учетом высокой подвижности СТД при высоких температурах сток на дислокации (при достаточно высокой плотности последних в кристалле) играет основную роль в снятии пересыщения. Однако бездислокационные монокристаллы лишены такого рода эффективных внутренних стоков, а боковая поверхность слитка в силу чисто диффузионных ограничений не может обеспечить снятия пересыщения. В результате, в объеме кристалла образуются пересыщенные твердые растворы СТД, которые в процессе посткристаллизационного охлаждения распадаются с образованием специфических агрегатов, получивших название «микродефекты». Следует отметить, что в литературе отсутствует единая точка зрения по поводу определения понятия «микродефект». Под этим термином мы будем понимать локальные нарушения периодичности кристаллической решетки, представляющие собой скопления точечных дефектов (собственных или примесных), не нарушающие фазового состояния основного вещества, а также дисперсные выделения второй фазы микронных и субмикронных размеров.
...
Другим источником ростовых микродефектов могут быть легирующие и сопутствующие фоновые примеси, когда их концентрация в выращиваемом монокристалле достаточна для образования в процессе посткристаллизационного охлаждения (или при последующей термообработке) пересыщенного примесного твердого раствора в данном полупроводниковом материале. Характерными примерами в этом отношении являются легирующие примеси в сильно легированных полупроводниках, а также кислород в выращиваемых по методу Чохральского монокристаллах кремния. Несмотря на то, что в данном случае концентрация при-
...
сутствуюшей в кристалле примеси намного выше концентрации СТД, именно последние играют ключевую роль в процессах дефектообразования. Связано это с тем, что движущей силой агрегации является не абсолютная концентрация точечных дефектов (примесных или собственных), а пересыщение соответствующего твердого раствора, которое существенно выше именно для СТД, ввиду резкого уменьшения их равновесных концентраций при понижении температуры.
...
Весьма важной характерной особенностью полупроводников с кристаллической решеткой типа алмаза является близость значений энтальпий образования межузельных атомов и вакансий. Следствием этого является то, что в достаточно широком интервале температур (в том числе и при температуре кристаллизации) равновесные концентрации этих дефектов соизмеримы, а в формировании структурных несовершенств типа микродефектов, как это показано в [5], существенную роль играют процессы рекомбинации межузельных атомов и вакансий.
...
Для большей конкретности дальнейшее рассмотрение проведем на примере кремния, руководствуясь прежде всего тем, что именно для него на сегодня достигнуты наибольшие успехи в получении бездислокационных монокристаллов больших диаметров, для которых проблема мик-родефектообразования наиболее актуальна.
...
Вблизи фронта кристаллизации для каждого из двух типов СТД поддерживается равновесие с расплавом, следствием чего, в частности, является равновесие относительно реакции рекомбинации—генерации пар дефектов. В условиях достаточно быстрого протекания этой реакции, при понижении температуры Т (т. е. при удалении от фронта кристаллизации) будет поддерживаться динамическое равновесие между рекомбинацией и генерацией, описываемое законом действующих масс для концентраций реагентов Cv(z)
...
центраций CiCv имеет быстро убывающее равновесное значение, так что одна из двух неравновесных концентраций С, или Cv столь же быстро убывает, а вторая — стремится к некоторому конечному предельному значению. Доминирующий тип точечных дефектов образует при этом пересыщенный раствор, в результате распада которого формируются ростовые микродефекты.
...
Очень важно оценить, какой же из двух типов СТД (межузельные атомы или вакансии) является доминирующим в тех или иных условиях выращивания. Согласно [5], для каждого из двух типов СТД выражение для потока дефектов от фронта кристаллизации в кристалл (в системе координат, связанной с фронтом) складывается из члена, обусловленного переносом дефектов движущимся кристаллом (со скоростью V)
...
Результат рекомбинационного отбора (вид и концентрация доминирующих дефектов) зависит от соотношения переносных потоков СТД (~V)
...
Многочисленные экспериментальные данные по выращиванию бездислокационных монокристаллов кремния свидетельствуют о том, что при малых V/G
...
Итак, в условиях, когда существенную роль играет процесс рекомбинации присутствующих СТД, ключевым параметром, определяющим тип «выживающих» СТД, а также природу, размеры и содержание ростовых микродефектов в выращиваемом кристалле, является величина отношения скорости выращивания V к величине осевого температурного градиента в слитке у фронта кристаллизации, G
...
процессе его посткристаллизационного охлаждения, приводящий к формированию обедненных СТД приповерхностных областей. Особенности радиального распределения присутствующих СТД оказывают весьма существенное влияние на особенности агломерации дефектов в процессе посткристаллизационного охлаждения выращиваемого кристалла.
...
Наибольшее отрицательное влияние на параметры УСБИС оказывают межузельные дислокационные петли и поры, образование которых происходит при выращивании монокристаллов в условиях значительных отклонений от %г При этом скопления межузельных атомов влияют непосредственно на характеристики транзисторов, увеличивая токи утечки через ^-«-переход, а вакансионные поры ухудшают, в первую очередь, качество тонкого слоя подзатворного диэлектрика.
...
Как мы уже отмечали выше, активную роль в образовании ростовых микродефектов в выращиваемых по методу Чохральского монокристаллах, наряду с СТД, играет кислород, попадающий в слиток в результате частичного растворения в расплаве кварцевого тигля. Особенности дефектообразования в кислородсодержащих кристаллах были рассмотрены в работах [6, 7].
...
При посткристаллизационном охлаждении кислородсодержащих кристаллов возможно образование пересыщенного твердого раствора, продуктом распада которого являются кислородсодержащие преципитаты. Ввиду значительной разницы удельных объемов кремния и оксидных преципитатов процесс образования последних является энергетически выгодным при условии либо эмиссии ими межузельных атомов Si(- в матрицу кристалла, либо поглощения вакансий.
...
При выращивании кристаллов «межузельного» типа кристаллическая матрица пересыщена межузельными атомами, что препятствует дополнительной эмиссии Si(- оксидными выделениями и делает термодинамически невыгодным образование последних. В результате растворимость кислорода в кристаллической решетке возрастает. В этом случае первичные ростовые микродефекты представляют собой агрегаты атомов Si,-, происходит формирование микродефектов А- и 5-типа. В связи с неравномерным распределением межузельных атомов в поперечном сечении кристалла в областях с максимальной концентрацией Si- образуются преимущественно микродефекты А-типа, а в областях с пониженной их концентрацией — микродефекты 5-типа. Объемная плотность распределения микродефектов Л-типа в кристаллах, выращиваемых методом бестигельной зонной плавки, достигает ~106см"3, а в кристаллах, выращиваемых методом Чохральского (из-за существенно меньшей ско-
...
рости охлаждения) ~3 • Ю4 смГ3. Размеры А-микродефектов могут достигать нескольких микрометров. Объемная плотность распределения образующихся ^-дефектов обычно существенно выше и они имеют меньшие размеры.
...
Образование микродефектов межузельного типа происходит в узком интервале температур (температура «конденсации» Si;- близка кГт
...
Существенно иная ситуация имеет место при выращивании монокристаллов «вакансионного» типа. В данном случае поглощение оксидными преципитатами вакансий из пересыщенного вакансионного твердого раствора может сделать процесс образования этих частиц термодинамически выгодным, даже если твердый раствор кислорода слегка недосыщен. При этом в кристалле будет происходить совместная вакан-сионно-кислородная агрегация, обусловленная, главным образом, вакан-сионным пересыщением, с образованием частиц SiO^.. Сценарий мик-родефектообразования в кристаллах «вакансионного» типа определяется концентрацией и характером распределения вакансий в выращиваемом слитке [7].
...
Если концентрация вакансий в кристалле достаточно велика, то образующимися при охлаждении первичными ростовыми микродефектами должны быть вакансионные агрегаты. Среди возможных типов ваканси-онных агрегатов в кремнии (поры, дислокационные петли и другие петлеобразные структуры) наименьшей энергией обладают поры, которые в данном случае и должны являться основным видом дефектов.
...
По мере снижения в кристалле концентрации вакансий возрастает вероятность совместной вакансионно-кислородной агрегации. Это связано с тем, что движущей силой образования пор является пересыщение по вакансиям, а движущая сила образования кислородсодержащих частиц включает в себя как пересыщение по вакансиям, так и пересыщение по кислороду. Поэтому при достаточно низкой концентрации вакансий образующиеся дефекты представляют собой в основном оксид-
...
ные преципитаты. Так как в реальном монокристалле вакансии распределены достаточно неоднородно, то возможно одновременное присутствие в различных его областях как пор, так и оксидных частиц. Образующиеся в областях кристалла с максимальной концентрацией вакансий поры могут иметь эффективный радиус десятки нанометров, а их объемная плотность составляет ~3 * 106 см-3. Плотность образующихся в областях с малой концентрацией вакансий оксидных частиц достигает ~Ю8см~3, а их радиус изменяется в пределах от нескольких до десятков нанометров (в зависимости от конкретной концентрации вакансий).
...
Как и в случае микродефектов межузельного типа, образование пор происходит в достаточно узком интервале температур вблизи 1100 °С и сопровождается резким снижением концентрации вакансий в соответствующих частях кристалла. Остаточные вакансии (наличие которых обусловлено их связыванием в комплексы 02V, при дальнейшем охлаждении слитка в интервале температур -1020 °С) принимают активное участие в образовании в этих областях кислородных кластеров, по мере дальнейшего охлаждения кристалла. Сравнительно крупные кислородные кластеры образуются в температурном интервале 650...700 °С, их плотность составляет 109...1010 см"3 и они являются основными центрами зарождения в кристалле преципитатов при последующих термообработках. При достижении выращиваемым кристаллом температур 400...500°С в его объеме формируются очень мелкие, содержащие всего несколько атомов кислорода кластеры, хорошо известные в литературе как термодоноры. Концентрация термодоноров в выращиваемых кристаллах достигает 1015см~3 и они легко отжигаются в процессе последующей термообработки кристаллов при температурах выше ~ 650 °С.
...
Очевидно, что общая стратегия повышения структурного совершенства бездислокационных монокристаллов должна исходить из необходимости резкого снижения размеров и объемной плотности микродефектов различной природы. Это требует обеспечения оптимальных, близких к величине ^, отношений V/G
...
весия, либо — непосредственного взаимодействия с присутствующими СТД могут заметным образом повлиять на величину \t и тем самым расширить диапазон возможных вариаций условий выращивания. Однако дополнительное легирование не снимает полностью остроту проблемы, и прежде всего потому, что для достижения нужных результатов приходится существенно снижать допустимые скорости вытягивания, что удлиняет и удорожает технологический процесс.
...
Существенно большие возможности для повышения структурного совершенства монокристаллов, содержащих ростовые микродефекты, открываются при термообработке вырезаемых из таких слитков пластин. Поверхность пластины является потенциальным стоком для присутствующих в ее объеме СТД и загрязняющих примесей. При этом имеется гораздо более благоприятное соотношение между поверхностью и объемом, чем в исходном монокристалле. При термообработке в недостаточно стерильных условиях это преимущество может обернуться дополнительными осложнениями, обусловленными существенным увеличением вероятности загрязнения пластины быстродиффундирующими примесями, например железом, медью и золотом. В этом случае ростовые микродефекты обычно играют роль геттера для загрязняющих примесей. В условиях такого рода загрязнений удаление из пластин содержащихся в них микродефектов затруднено. Поэтому одним из важнейших условий успешной борьбы с микродефектами являются стерильные условия термообработки. Тщательная очистка поверхности пластин от поверхностных загрязнений, проведение термообработки в чистых помещениях и использование труб из достаточно чистого кремния (вместо кварцевых) облегчает решение этой задачи.
...
Режимы термообработки пластин (температура, окружающая атмосфера) должны выбираться, исходя из природы присутствующих в них микродефектов. Для пластин с микродефектами межузельного типа наиболее благоприятны термообработки в атмосферах, способствующих растворению агрегатов межузельных атомов и последующему стоку избыточных СТД на поверхность. В применении к пластинам кремния весьма эффективным, например, оказался окислительный отжиг в хлорсодержащей атмосфере, в процессе которого в объем пластины с ее поверхности инжектируются вакансии, рекомбинирующие с присутствующими избыточными межузельными атомами кремния, а также атомы хлора, являющиеся хорошим транспортирующим агентом для выхода избыточных СТД на поверхность. К существенному увеличению концентрации вакансий в пластинах кремния приводит и высокотемператур-
...
ный (в том числе быстрый) их отжиг в атмосфере аммиака или азота, в процессе которого на поверхности пластины формируется тонкий слой нитрида кремния. Для повышения эффективности действия поверхности пластины в качестве стока для избыточных атомов Si; используют специальную предварительную механическую обработку.
...
При наличии в исходных пластинах кремния микродефектов в виде вакансионных или вакансионно-кислородных скоплений обычно проводят традиционный высокотемпературный окислительный отжиг в сухом или влажном кислороде. В процессе такого отжига (особенно на его ранних стадиях) происходит интенсивная инжекция в приповерхностную область пластины межузельных атомов кремния, что способствует аннигиляции ростовых микродефектов, а атомы избыточного кислорода уходят из объема на поверхность пластин. Хорошие результаты дает высокотемпературная термообработка вакансионных кристаллов в атмосфере водорода, аргона или в смеси этих газов.
...
Недостатками традиционных достаточно длительных высокотемпературных термообработок являются: дополнительное увеличение стоимости пластин; ухудшение качества их поверхности; возможность их искривления и загрязнения металлическими примесями; возможность генерации в них дислокаций. С этой точки зрения неоспоримыми преимуществами обладает быстрый термический отжиг, который, обеспечивая, как минимум, не худшие результаты, лишен большинства из перечисленных недостатков.
...
Выше речь шла в основном о закономерностях образования микродефектов в элементарных полупроводниках. Исследования в этом направлении для полупроводниковых соединений находятся практически на начальном этапе. Сложившаяся здесь к настоящему времени ситуация подробно проанализирована в [8]. Необходимо отметить, что для алмазоподобных полупроводниковых соединений типа АШВУ и А1^^ рассмотренная общая картина микродефектообразования с участием СТД вряд ли претерпевает принципиальные изменения. Однако надо иметь в виду, что в таких материалах, из-за наличия двух кристаллических под-решеток, существенно расширяется «номенклатура» присутствующих в кристаллах СТД, что, несомненно, усложняет процессы взаимодействия индивидуальных дефектов. В частности, в этих материалах возможны процессы рекомбинации с участием СТД из разных подрешеток с образованием «антиструктурных» дефектов. Кроме того, абсолютные равновесные концентрации СТД при предплавильных температурах в таких соединениях существенно выше, чем в элементарных полупроводниках
...
со всеми вытекающими отсюда последствиями. Наконец, серьезным дополнительным источником СТД и микродефектов в кристаллах соединений являются образование и распад пересыщенных твердых растворов избыточных компонентов соединения, обусловленные отклонением от стехиометрического состава и ограниченной растворимостью избыточного компонента в кристаллической решетке матрицы и ее ретроградным характером. Последнее нуждается в дополнительных комментариях.
...
Большинство полупроводниковых соединений, например из семейства AinBv, имеют относительно протяженную область гомогенности. При этом растворимость избыточных компонентов в кристаллической решетке матрицы носит ретроградный характер. Максимальная растворимость наблюдается при температурах на 60...100°С ниже температуры кристаллизации соединения стехиометрического состава и достигает (3...5) • 1019 ат/см3. Если кристалл выращивается в условиях существенного отклонения от стехиометрического состава, то в процессе посткристаллизационного охлаждения или при последующих термических обработках в определенном интервале температур возможно образование избыточным компонентом пересыщенных твердых растворов и их распад с формированием в кристаллической решетке тех или иных микродефектов. В большинстве соединений AinBv избыточные атомы А111 образуют твердые растворы вычитания, а избыточные атомы Bv — преимущественно твердые растворы внедрения. В первом случае распад идет по схеме А]11 —> А(ш + Уми, где А]11 — атом элемента III группы в узле соответствующей кристаллической подрешетки, А-111 — этот же атом в междоузлии, VMU — вакансия в подрешетке элемента III группы. Образующиеся межузельные атомы А-111 сначала формируют скопления, а на более поздних стадиях распада — дисперсные выделения второй фазы. Вакансии Укт, взаимодействуя с вакансиями FBV, могут образовывать микроскопические поры, а также дислокационные петли вакансионного типа. В процессе распада возможно формирование и антиструктурных дефектов: А,111 + Vm -» АЦ{.
...
Во втором случае схема микродефектообразования выглядит примерно следующим образом: избыточные ВУ -» скопление ВУ -> дисперсные выделения Ву. Так как при наличии в кристаллах избыточных атомов элемента V группы в кристаллической решетке соединения наряду с атомами ВУ
...
Таким образом, дефектообразование при распаде пересыщенных твердых растворов избыточных компонентов носит достаточно сложный характер и может сопровождаться появлением в кристаллической решетке соединения микродефектов различной природы. В связи с тем, что существенные пересыщения в твердых растворах избыточных компонентов достигаются при относительно невысоких температурах (в сравнении с пересыщением по «равновесным» собственным дефектам), образующиеся при их частичном распаде в процессе посткристаллизационного охлаждения монокристалла микродефекты должны иметь существенно меньшие размеры. Тепловые условия выращивания (в первую очередь темп охлаждения выращиваемого кристалла) должны оказывать существенное влияние на характер микродефектообразования. Последующие термообработки таких кристаллов могут приводить к укрупнению микродефектов и изменению их объемной концентрации.
...
Как и в случае пересыщения по равновесным («тепловым») СТД, введение в кристаллы легирующих примесей может оказать существенное влияние на особенности микродефектообразования. В данном случае происходящие изменения обусловлены влиянием легирования на растворимость избыточных компонентов в соответствующих соединениях (на тип образуемых твердых растворов, протяженность и конфигурацию области гомогенности).
...
Как и для кремния, эффективным способом повышения структурного совершенства монокристаллов соединений, содержащих ростовые микродефекты, является термообработка вырезаемых из таких слитков пластин. В данном случае для контролируемой инжекции в объеме пластины тех или иных вакансий или межузельных атомов может быть использован высокотемпературный отжиг в вакууме, атмосфере водорода или очищенных газов, а также в атмосфере паров летучего компонента соответствующего соединения.
...
Из всего многообразия нашедших достаточно широкое практическое применение полупроводниковых материалов задача получения бездислокационных монокристаллов больших диаметров решается относительно просто лишь для кремния. Связано это, в первую очередь, с тем, что критические напряжения образования дислокаций в монокристаллах кремния существенно выше, чем в других полупроводниках. Для полупроводников с более низкими значениями критических напряжений величины плотности дислокаций в выращиваемых монокристаллах ко-
...
леблются в пределах 102...105 см-2. Дислокации являются эффективными внутренними стоками для присутствующих в объеме кристалла неравновесных СТД. Сток СТД на дислокации сопровождается образованием вокруг них симметричных по отношению к линии дислокации областей с резко пониженной (в сравнении с основной матрицей кристалла) концентрацией дефектов. В этих областях практически полностью снимается пересыщение по СТД, что исключает образование в них микродефектов, обусловленных распадом соответствующих пересыщенных твердых растворов (в монокристаллах полупроводниковых соединений в определенных случаях возможно образование в непосредственной близости от дислокации или на самой дислокации выделений одного из компонентов соединения). Кроме того, так как СТД принимают активное участие в образовании электрически- и рекомбинационноактив-ных центров во всех важнейших полупроводниках, то процесс их стока на дислокации сопровождается появлением в объеме кристалла, вблизи дислокаций, характерных микронеоднородностей в распределении электрических свойств. Все эти явления достаточно подробно исследованы на примере монокристаллов GaAs в [9]. Здесь же мы кратко остановимся лишь на некоторых характерных особенностях происходящих процессов.
...
Наиболее эффективными стоками (чаще всего рекомбинационными) для избыточных СТД являются дислокации, образующиеся при близких к температуре кристаллизации температурах (так называемые «высокотемпературные» дислокации). Это вполне объяснимо, так как именно при высоких температурах СТД обладают максимальной подвижностью. Размеры областей с измененными свойствами, формирующихся вокруг дислокаций в процессе стока, определяются природой присутствующих в кристалле СТД и существенным образом зависят от величины плотности дислокаций N и от тепловых условий выращивания, прежде всего от скорости посткристаллизационного охлаждения слитка. В кристаллах GaAs, например, размеры этих областей обычно изменяются в пределах от нескольких десятков до сотен микрометров. Размеры областей, формирующихся вокруг скоплений дислокаций (стенки дислокационных ячеек, малоугловые границы и т. д.), существенно выше, чем вокруг отдельных дислокаций.
...
При прочих равных условиях, в кристаллах с дислокациями концентрация избыточных СТД в матрице кристалла существенным образом зависит от величины NR. При определенных плотностях достаточно равномерно распределенных в объеме выращиваемого монокристалла дис-
...
локаций, сферы их влияния перекрываются, и пересыщение по СТД в относительно широком высокотемпературном интервале практически полностью снимается. В выращиваемых методом Чохральского из-под слоя флюса монокристаллах GaAs это обычно наблюдается при плотностях дислокаций ЛГ > (0,8... 1) • 105 см"2. В таких кристаллах отсутствуют ростовые микродефекты, обусловленные высокотемпературным распадом пересыщенных по СТД твердых растворов, и они, как правило, обладают высокой однородностью распределения электрофизических свойств и повышенной термостабильностью.
...
Неоднородное распределение дислокаций в объеме выращиваемого монокристалла вызывает появление разницы концентраций присутствующих СТД между областями с различной плотностью стоков. Если при этом подвижность СТД достаточно высока, то непосредственно в процессе выращивания происходит перераспределение дефектов между областями с различной плотностью стоков (дислокаций). В монокристаллах полупроводниковых соединений такое перераспределение приводит к формированию макронеоднородности по составу в пределах области гомогенности соединения, а в монокристаллах элементарных полупроводников — макронеоднородности по плотности вещества. Величина возникающей неоднородности зависит не только от величины разницы Лд в различных участках кристалла, но и от абсолютных значений N. Перераспределение СТД между областями кристалла с разной N является основной причиной возникновения в нем характерной макронеоднородности в распределении электрофизических свойств, хорошо коррелирующей с характером распределения дислокаций. Особенно четко это проявляется в нелегированных полуизолирующих монокристаллах GaAs.
...
Как и в случае бездислокационных монокристаллов, эффективным способом устранения микродефектов и повышения однородности монокристаллов с дислокациями является термообработка выращенных слитков или вырезаемых из них пластин.
...
Как отмечалось выше, основной тенденцией в развитии технологии производства пластин большинства полупроводниковых материалов является увеличение их диаметра при одновременном непрерывном ужесточении требований к качеству пластин (общая и локальная неплос-
...
костность, уровень загрязнения поверхности, структурное совершенство и однородность распределения электрофизических свойств) и их стоимости. Особенно показателен в этом отношении кремний, требования к качеству пластин которого, в связи со стремительным прогрессом в создании кремниевых УСБИС, не имеют аналогов. В развитие производства пластин Si вкладываются огромные средства, поэтому уровень технологии и достигнутое качество кремниевых пластин намного опережают аналогичные показатели для пластин других полупроводниковых материалов. Сегодня производство пластин Si — это своего рода эталон высокого уровня технологических достижений.
...
Необходимость увеличения диаметра пластин продиктована, прежде всего, экономическими соображениями. Чтобы сделать процесс производства УСБИС рентабельным, необходимо, чтобы в пределах площади одной пластины умещалось по крайней мере сто чипов, размер которых возрастает по мере перехода к УСБИС все большей сложности. Разумные оценки показывают, что, если на смену пластинам диаметром 150 мм пришли пластины диаметром 200 мм, то на смену последним должны прийти уже пластины диаметром 300 мм. Следующим за этим экономически оправданным диаметром пластин должен стать диаметр 450 мм. Ужесточение других качественных показателей пластин связано, с одной стороны, с необходимостью удовлетворения требованиям современных процессов литографии, а с другой — с необходимостью резкого снижения уровня шумов в условиях существенного ограничения допустимых рабочих токов и напряжений в УСБИС повышенной сложности с постоянно уменьшающимися размерами и увеличивающейся плотностью «упаковки» рабочих элементов.
...
В табл. 2.1 представлен фрагмент последнего прогноза изменения качественных показателей пластин кремния, опубликованного в 1999 г.
...
Непрерывное ужесточение требований к качеству пластин заставляет постоянно совершенствовать технологии их резки и последующей обработки. На рис. 2.1 представлена схема последовательных операций, используемых в производстве пластин диаметром 200 мм (на рисунке не показаны операции изготовления фаски и полировки краев пластин) [10]. Для резки пластин диаметром 150...200 мм обычно используют дисковые станки с внутренней режущей кромкой. После последующих операций многократной шлифовки пластины подвергаются химическому травлению, а затем трехступенчатой односторонней полировке с креплением в носителях с помощью воска. Конечными являются операции групповой жидкостной очистки поверхности пластин в различных растворах.
...
Рис. 2.1. Схемы последовательных операций, используемых в производстве пластин кремния диаметром 200 мм (а)
...
зива используется обычно карбид кремния с размером зерна 2000 мещ. Колебания температуры суспензии на протяжении всего процесса резки не превышают 0,8 °С, что позволяет резко уменьшить изгиб пластин. В результате даже на пластинах диаметром 400 мм после резки удается получать следующие показатели качества: общая неплоскостность (GBJR) — 17,4 мкм, изгиб — 21,0 мкм, шероховатость — 10,7 мкм. При этом толщина реза составляет 184 мкм.
...
С целью дальнейшего повышения плоскостности, пластины после проволочной резки проходят цикл многократной шлифовки или подвергаются операции двухсторонней прецизионной обточки на специальных шпиндельных обточных станках. Последняя операция обеспечивает получение пластин диаметром до 400 мм с общей неплоскостностью (GBJR) на уровне ниже 1 мкм. Последующая односторонняя поверхностная обточка позволяет довести этот показатель до 0,5...0,6 мкм, при этом уровень локальной неплоскостности составляет 0,10...0,17 мкм.
...
Далее следует операция двухсторонней полировки, которая ставит своей задачей дальнейшее повышение общей и локальной плоскостности обрабатываемых пластин. Для этих целей созданы прецизионные шлифовальные машины с нижними плитами, рассчитанными на пять однопластиночных носителей. Диаметр носителя для пластин диаметром 400 мм составляет 600 мм. Оптимизация температуры плит, величины зазора между верхней и нижней плитами, а также исключение крепления пластин с помощью воска, позволяют снизить общую неплоскостность пластин диаметром 400 мм до величины менее 0,6 мкм и достигнуть локальной неплоскостности (SFQR) менее 100 нм.
...
Окончательная доводка пластин до необходимой кондиции осуществляется на заключительных стадиях технологического процесса — финишной односторонней полировки и «вращательной» очистки рабочей поверхности (рис. 2.2). Для того, чтобы на заключительных стадиях процесса добиться максимального эффекта очистки, финишная односторонняя полировка выделена в отдельную операцию и технологически отделена от операции двухсторонней полировки. Полировальный станок для финишной обработки пластин размещается в специальном чистом помещении и сообщается с установкой влажной очистки поверхности посредством специальной жидкостной транспортирующей системы, предохраняющей поверхность пластины от высыхания и, соответственно, от формирования на ней статического заряда, затрудняющего очистку от мельчайших частиц. Основная задача финишной полировки — это дальнейшее снижение уровня микрошероховатостей. При этом одновременно решается
...
и задача уменьшения поверхностного рассеяния света, что позволяет повысить чувствительность оптических систем, используемых для контроля количества субмикронных частиц, присутствующих на рабочей поверхности пластин.
...
Присутствующие на поверхности пластин микрошероховатости делятся на две категории: так называемые «собственно микрошероховатости» с длиной волны меньше 100 мкм и «туман», к которому относят шероховатости с длиной волны от 10 нм до 1 мкм. Условия уменьшения уровня тех и других различны. Поэтому в полировальной машине для финишной полировки смонтированы соответственно две полировальные плиты. Первая — для «полуфинишной» полировки и снижения уровня микрошероховатостей, вторая — для уменьшения уровня «тумана». Кроме того, в машине предусмотрена третья полировальная плита, отделяемая от первых двух специальной атмосферой и сообщающаяся с ними через специальную жидкостную транспортную систему (см. рис. 2.2). Эта плита предназначена для механической очистки рабочей поверхности пластины с помощью распыляемой на нее озонированной воды. Этот процесс называют химико-механической полировкой САМС (Chemical Assisted Mechanical Cleaning). Для уменьшения уровня «тумана» в процессе соответствующей обработки используют специальные мягкие полирующие прокладки с пониженным модулем упругости и полироваль-
...
Рис. 2.2. Схема последовательных операций, используемых при финишной полировке и очистке рабочей поверхности пластин кремния большого диаметра [10]:
...
ный раствор с очень малым размером зерна применяемого абразива. Каждая пластина на всех трех стадиях финишной полировки обрабатывается индивидуально.
...
При получении высококачественных пластин широко используются процессы жидкостной очистки. При этом большое внимание уделяется рациональному выбору очищающих сред. Для решения различных задач (удаление частиц, снижение уровня загрязнений металлическими примесями, удаление следов фоторезиста и т. д.) используются различные очищающие растворы (табл. 2.2). Практически все они дают те или иные нежелательные побочные эффекты, и ни один из них не обеспечивает очистку от всех возможных типов загрязнений. Поэтому на практике используются различные сочетания очищающих растворов. Наиболее распространен так называемый RCA-очищающий процесс, который состоит из двух этапов. На первом из них используется раствор SC-1, который обеспечивает эффективную очистку поверхности пластины от посторонних частиц и органических загрязнений, а на втором - раствор SC-2,
...
который удаляет с поверхности примеси металлов. Для достижения необходимого эффекта очистки, используемые реактивы (особенно для раствора SC-1) должны обладать очень высокой чистотой, что сильно удорожает процесс очистки. Кроме того, не исключена возможность случайных, перекрестных загрязнений очищающих растворов. В связи с этим ведутся интенсивные исследования по оптимизации процессов жидкостной очистки, в том числе с учетом необходимости повышения их технико-экономических показателей. В литературе описаны, по крайней мере, три возможности решения этой задачи: разбавление очищающих растворов SC-1 и SC-2 с переходом от смесей 1:1:5, например, к 1:4:20 или еще более разбавленным смесям, в том числе с полным удалением перекиси водорода из раствора SC-2; применение в качестве очищающих сред разбавленных кислотных растворов на основе разбавленной HF и озона, а также добавок разбавленной НС1; оптимизация состава щелочного раствора SC-1 путем добавки в него комплексообра-зующих агентов, исключающих осаждение металлических примесей на поверхности кремниевой пластины и позволяющих тем самым полностью исключить этап, связанный с использованием раствора SC-2. В качестве таких комплексообразующих агентов хорошо зарекомендовали себя хелаты [11].
...
В разработанных недавно весьма прогрессивных схемах очистки (см. рис. 2.2) предусмотрена индивидуальная обработка каждой пластины, сначала в жидкостном очистителе с вращающимися щетками, а затем в жидкостном очистителе с вращающимся и вибрирующим диском, на котором размещается очищаемая пластина, отмываемая с помощью специальных сопел активной водой. В качестве очищающих активных сред используют озонированную воду, электрически ионизированную (катодную) воду, а также разбавленную (0,5 %) плавиковую кислоту. Все операции осуществляются в особо чистых боксах, исключающих возможность загрязнений из окружающей среды. В результате удается получать пластины диаметром до 400 мм, характеризующиеся следующими показателями качества: уровень загрязнения поверхности металлическими примесями менее 5-108 ат/см2, число частиц размером > 80 нм менее 60 на пластину диаметром 400 мм [10].
...
Работы по дальнейшему совершенствованию технологии получения высококачественных пластин кремния большого диаметра интенсивно продолжаются. При этом основное внимание уделяется созданию станков для прецизионной механической и химической обработки; программному обеспечению процессов, обеспечивающих осуществление
...
соответствующих технологических операций в автоматическом цикле; разработке экологически безопасных и эффективно очищающих сред, а также высокочувствительных методов контроля качества поверхности, в первую очередь, уровня загрязнений металлическими примесями и посторонними частицами субмикронных размеров; повышению технико-экономических показателей. При решении этих задач широко используются принципы международной кооперации с использованием возможностей передовых специализированных в соответствующих направлениях фирм и предприятий.
...
К сожалению, наличие высококачественных и очень чистых пластин не является еще полной гарантией создания высококачественных интегральных схем и дискретных приборов. Дело заключается в том, что в процессе формирования приборной композиции пластина подвергается достаточно длительным высокотемпературным воздействиям (операции окисления, диффузии легирующих примесей, термический отжиг и т. д.), и, несмотря на принимаемые беспрецедентные меры по обеспечению стерильности проводимых процессов (особо чистые рабочие помещения, микроклимат, спецодежда для рабочего персонала и т. д.), вероятность случайных дополнительных загрязнений нежелательными быстродиффун-дирующими примесями при выполнении соответствующих операций остается достаточно высокой. Для исключения попадания загрязняющих примесей в активную область приборной структуры широко используют процессы их геттерирования [12].
...
Смысл процесса геттерирования заключается в удалении загрязняющей примеси из активной области приборной композиции путем ее локализации в определенной фиксированной области пластины, где она не может повлиять на характеристики создаваемых приборов. В основе процессов геттерирования лежат фундаментальные физические процессы, связанные либо с контролируемым формированием центров гетерогенного зарождения преципитатов при распаде пересыщенного твердого раствора загрязняющей примеси, либо с формированием среды, обладающей повышенной (по сравнению с рабочей областью приборной структуры) растворимостью загрязняющей примеси.
...
В первом случае уровень загрязнений пластины должен быть достаточным для того, чтобы примесь при той или иной разумной температуре образовывала пересыщенный твердый раствор. Тогда в процессе охлаждения загрязненной пластины этот пересыщенный раствор быстро распадается с образованием преципитатов в области, где сформированы центры для их гетерогенного зарождения. В результате между рабочей
...
областью приборной структуры и геттерирующей областью возникает градиент концентрации растворенной загрязняющей примеси, которая диффундирует в геттерирующую среду, благодаря чему и достигается эффект очистки. Эффективность геттерирования в данном случае напрямую зависит от объемной концентрации создаваемых в геттерирующей среде центров гетерогенного зарождения преципитатов и диффузионной подвижности атомов загрязняющей примеси.
...
Во втором случае наблюдается сегрегационное перераспределение примеси между областями с разной ее эффективной растворимостью. Область с более высокой растворимостью выступает в роли стока для примесных атомов, располагающихся в области пониженной их растворимости. Движущей силой этого процесса является различие в величине электрохимического потенциала растворенной примеси между этими областями — при одной и той же концентрации растворенной примеси электрохимический потенциал ниже в области с большей растворимостью. Эффект сегрегации может быть обусловлен: различием в фазовом состоянии данного вещества, например, между кристаллом и расплавом в процессе выращивания кристалла; различием в природе контактирующих между собой материалов, например, на границе кремний — двуокись кремния; различием в уровне легирования различных областей пластины из-за влияния положения уровня Ферми на растворимость загрязняющих примесей или образования комплексов между атомами легирующей и загрязняющей примеси; различием в уровне механических напряжений между различными областями пластины, вызывающим увеличение или уменьшение локальной растворимости примеси. Преимуществом сегрегационной очистки является то, что в данном случае отсутствует необходимость в пересыщении соответствующего примесного твердого раствора.
...
Для каждого из рассмотренных вариантов геттерирования существует своя производственная ниша, определяющая целесообразность его применения. Для геттерирования с использованием сегрегационных эффектов это интервал температур, в котором загрязняющая примесь имеет достаточно высокую диффузионную подвижность, а эффект сегрегации максимален. Для «распадного» геттерирования — это интервал темпера-тур, в котором загрязняющая примесь может образовать пересыщенный твердый раствор и в то же время оставаться достаточно подвижной для того, чтобы продиффундировать к геттерирующим стокам и там преци-питировать. В реальных процессах геттерирования возможно одновременное проявление как «распадных», так и сегрегационных эффектов.
...
Процессы геттерирования начали широко использоваться в технологии создания интегральных схем уже при работе с пластинами диаметром 75 мм. Пока толщина пластины оставалась сравнительно небольшой, наиболее удачной областью для формирования геттерирующей среды являлась обратная сторона пластины. В качестве геттерирующих сред использовались: нарушенные слои, создаваемые путем прецизионной механической обработки; имплантированные слои; слои, создаваемые диффузионным введением до высоких концентраций тех или иных легирующих примесей; пленки поликристаллического кремния и различных силикатов, осаждаемые на нерабочей поверхности пластины.
...
Одним из наиболее эффективных оказался метод создания нарушенных слоев путем механической обработки с последующим отжигом пластин при сравнительно невысоких температурах. В этом методе в результате шлифовки свободным абразивом в приповерхностной области пластины формируются регулярные микротрещины. Устья этих трещин являются областями концентрации упругих напряжений. В процессе последующего отжига пластин в атмосфере аргона при 750 °С в устьях трещин формируются дислокационные скопления, являющиеся результатом релаксации упругих напряжений и состоящие в основном из скользящих 60-градусных дислокаций. Одновременно в процессе отжига в местах генерации дислокаций происходит достаточно интенсивный локальный распад пересыщенного твердого раствора кислорода (содержание кислорода в образцах составляло (7...9) • 1017 см"3) с образованием преципитатов двуокиси кремния и эмиссией ими межузельных атомов кремния в кристаллическую матрицу. Сток инжектируемых растущими преципитатами межузельных атомов на дислокации приводит к переползанию последних и формированию в приповерхностной области пластины характерных малоподвижных дислокационных сеток, являющихся эффективным геттером для загрязняющих быстро диффундирующих металлических примесей.
...
По мере увеличения диаметра пластин возрастает и их толщина, тем самым увеличивается диффузионный путь, который должны преодолеть атомы загрязняющих примесей, перемещаясь из активной области приборной структуры к геттеру. Соответственно, процесс геттерирования с размещением геттера на обратной стороне пластины становится все менее эффективным и требует все возрастающих энергетических и временных затрат. Необходимо найти возможность формирования геттера внутри пластины в непосредственной близости от области, где расположена сама приборная композиция. И такая возможность была найдена.
...
В качестве внутреннего геттера стали использовать дефектную среду, формируемую в объеме пластины в процессе распада пересыщенного твердого раствора кислорода при ее многоступенчатой термообработке. Процесс внутреннего геттерирования был успешно опробован на пластинах диаметром 100 мм и в настоящее время широко используется при работе с пластинами еще больших диаметров.
...
В основе процесса формирования внутреннего геттера в пластинах кремния, вырезанных из выращиваемых по методу Чохральского монокристаллов, лежит хорошо контролируемый процесс распада пересыщенного твердого раствора кислорода. Исследованию закономерностей распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии посвящено большое количество работ [7, 13]. Как отмечалось, при распаде в пластине образуются кислородсодержащие преципитаты, инжектирующие в кристаллическую матрицу избыточные межузельные атомы кремния. В результате в пластине формируется достаточно сложная дефектная среда, характерные особенности которой определяются содержанием и характером распределения в исходном кристалле кислорода, условиями выращивания кристалла (скорости охлаждения в определенных интервалах температур, тип и концентрация собственных точечных дефектов), а также режимами термообработки самих пластин.
...
По нашим данным, процесс дефектообразования, сопровождающий распад, протекает по следующей схеме. На начальном этапе в кристаллической решетке формируются дисперсные преципитаты оксида кремния со сферическим полем деформации, затем образуются «мелкие» пластинчатые преципитаты с четкой кристаллографической огранкой. В дальнейшем в непосредственной близости от преципитатов начинается образование различного рода преципитатно-дислокационных скоплений и дефектов упаковки внедренного типа, в формировании которых активную роль играют инжектируемые преципитатами в матрицу кристалла межузельные атомы кремния. Конечными продуктами распада являются достаточно крупные оксидные преципитаты, полные дислокационные петли и дефекты упаковки внедренного типа. Все перечисленные типы дефектов были обнаружены при электронно-микроскопических (на просвет) исследованиях термообработанных пластин.
...
Как показали наши исследования, а также исследования, выполненные в [14], наибольшей эффективностью геттерирования быстродиффун-дирующих металлических примесей обладает дефектная среда, в кото-рои превалируют преципитатно-дислокационные скопления и дефекты упаковки. Для обеспечения необходимого уровня геттерирования объем-
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы