Блок эпитаксии (подготовка исход)

1. Влияние структурного несовершенства исходного полупроводникового материала на параметры полупроводниковых структур.

Значительную роль при создании интегральных микросхем играет подготовка поверхности исходной подложки, на которой происходит наращивание, эпитаксиального слоя, поскольку именно она определяет совершенство кристаллообразования во время роста. В результате механической шлифовки и полировки на поверхности пластины образуется нарушенный слой (d=1-2 мкм), состоящий из сколов, трещин, абразивных частиц, дислокации, царапин, примеси адсорбированные поверхностью, Перечисленные дефекты носят локальный характер, причем, вокруг них существует поле деформаций, изменяющее как равновесную плотность точечных дефектов, так и высоту активационного барьера для их миграции.

При высокотемпературной обработке пластин, имеющей место при термическом окислении, отжиге ионнолегированных слоев, эпитаксии, может происходить образование дислокаций и повышение роста других дефектов за счет локализованной повышенной диффузионной способности атомов в области дефектов.

Образование структурных дефектов приводит к релаксации напряжений, вызванных локальными дефектами. В общем случае, процессы релаксации напряжений протекают по трем механизмам:

1) начальная релаксация напряжений за счет малых смещений атомов из-за ослабления химических связей при повышении температуры;

2) упрочнение структуры без пластического течения в результате диффузии точечных дефектов;

3) интенсивная релаксация из-за пластических деформаций.

Для Si:

1) стадия релаксации начинается при температуре 250-300°С;

2) при 700-800°С;

3) при 900-950°С.

Степень активации периферийной поверхности и гетерогенных внутренних источников дислокаций в пластине определяется температурой процесса термообработки, так как пластическая деформация проявляется лишь в том случае, когда локализованное напряжение превышает напряжение пластического течения при температуре термообработки.

При использовании пластин кремния диаметром 100 мм и выше в ней при термообработке возникает большой градиент температуры по поверхности за счет изгиба, а, следовательно, и неплотного прилегания пластины к нагревателю; наличие таких градиентов в свою очередь вызывает температурное напряжение, величина которого может быть достаточной для протекания процессов деформации пластины. Таким образом, напряжения, возникающие за счет температурных градиентов, столь велики, что даже минимальная концентрация напряжений является источником дислокаций, а активация поверхностных периферийных источников дислокаций вызывает появление линий скольжения.

Распределение дефектов в эпитаксиальном слое возможно следующим путем:

1) образование дислокаций и линий скольжения за счет возникновения градиента температур по поверхности пластины;

2) распределение дислокаций, имеющийся в подложке, в эпитаксиальный слой, в том числе и линии скольжения;

3) зарождение дислокаций в приповерхностном слое за счет локальных деформаций от механических повреждений и загрязнений;

4) образование дислокаций несоответствия из-за различия кристаллической подложки решетки и растущего эпитаксиального слоя.

При этом было установлено, что дислокационные сетки несоответствия, возникающие в пределах областей с высокий легированием, не распространяются в эпитаксиальный слой, в то же время внеконтурные дислокации, генерируемые у границ окон, скользят но наклонным плоскостям <111> и под действием скачка упругих напряжений выходят на поверхность эпитаксиального слоя.

Исследование влияния механических повреждений на дефектность эпитаксиальных слоев, проведенное методом микротвердости, показало, что чем выше температура предварительной термообработки перед эпитаксией, то есть, чем больше степень предварительной релаксации упругих напряжений, тем слабее развитие дислокаций после эпитаксии.

Процесс возникновения дислокаций несоответствия во многом определяется толщиной эпитаксиальной пленки. В начальный момент роста, когда толщина пленки меньше некоторого критического значения, то есть пленка когерентна с подложкой и находится в состоянии однородной деформации, дислокации несоответствия не образуются. Так, для эпитаксиального слоя, сильно легированного бором, эта критическая толщина составляет 2,4-2,9 мкм. При этом, чем сильнее различаются модули сдвига и параметры решетки, пленки и подложки, тем меньше критическая толщина эпитаксиального слоя.

Возникновение дефектов упаковки в эпитаксиальных слоях вызывается главным образом структурными дефектами или механическими повреждениями поверхности подложки, наличием на ней посторонних примесей или локальными напряжениями, возникающими в процессе роста. Так, в случае, когда подложка перед эпитаксией проходила лишь механическую обработку, концентрация дефектов упаковки достигает 10⁷, в то же время проведение предварительного отжига в водороде (травления поверхности подложки в HCl) позволяет понизить их плотность до 10².

В настоящее время существует несколько предположений о причинах возникновения дефектов упаковок. Так, в некоторых исследованиях высказывается предположение, что основной причиной возникновения дефектов упаковок является расщепление дислокаций и наличие примесей (кислорода) на поверхности раздела. Однако, по-видимому, образованию дефектов упаковки в значительной степени способствует наличие на подложках локальных областей сегрегации примесей, линий скольжений и микроцарапин. На необходимость учета данных факторов указывают также исследования структурных дефектов в эпитаксиальных слоях германия и арсенида галлия.

Таким образом, одной из главных причин образования структурных дефектов в эпитаксиальных слоях является наличие на поверхности исходных подложек локальных механических повреждений, возникающих в процессе подготовки планарной поверхности полупроводниковых пластин.

Наличие структурных дефектов в эпитаксиальных слоях оказывает существенное влияние на электрические и физические параметры ИМС. Так, при сравнении расположения на пластике бракованных приборов или приборов с ухудшенными характеристиками, с рентгеновскими голограммами таких пластин было установлено, что такие приборы находятся, в основном, в области с линией скольжения. При этом приборы с наиболее высокими уровнями обратных токов и низкими значениями пробивных напряжений располагаются, как правило, в области с большим числом пересечений линий скольжения. Сравнение обратных токов для приборов, находящихся в деформированной области, с приборами, расположенными в области свободной от линий скольжения, показывает, что деформированной области приборы имеют токи утечки на 2-3 порядка выше. Было также установлено, что в таких приборах имеет место аномальная связь между эмиттером и коллектором (ток коллектор-эмиттер больше, чем коллектор-база). Причиной данных явлений является ускоренная диффузия легирующей или посторонней, примесей при проведении «эпитаксиальной» диффузии в условиях наличия и распространения линий скольжения. Подтверждением наличия ускоренной диффузии по дефектам является исследование коэффициента диффузии сурьмы и фосфора при 1000°С, которое показало, что в эпитаксиальных слоях он в 10-15 раз больше, чем в объемных образцах кремния.

Исследование диффузии сурьмы по дефектам упаковки эпитаксиального кремния в интервале температур 950-1200°С показало наличие ускоренной диффузии по дефектам упаковки, что обусловлено тем, что диффузия осуществляется по границе «дефект – объем эпитаксиального слоя».

Другой причиной ускоренной диффузии является генерация точечных дефектов за счет движения порогов, образующихся при пересечении дислокации. Хотя существует вывод о том, что число дислокаций, пересекающих активную область ИМС, определяет величины обратных токов, однако годные приборы и в области сильно развитого скольжения.

Это означает, что не все дефекты, а только их часть проявляют электрическую активность и влияют на электрические параметры приборов, Наличие аномально высокой диффузии в области со структурными дефектами нередко приводит к пониженной толщине базы из-за неравномерности фронта диффузии эмиттерной примеси, что приводит к увеличению выделяемой мощности в этих областях. Это, в свою очередь, вызывает появление «горячих точек» в области эмиттера, температура которых на 100-200°С выше температуры на остальной части эмиттера. Следовательно, появление вторичного пробоя, заключающегося в резком уменьшении напряжения между эмиттером и коллектором с одновременным ростом коллекторного тока.

Если транзистор находится достаточно долго (порядка 1 мс) в состоянии вторичного пробоя, то происходит расплавление эмиттерной и базовой металлизации, проплавление сквозь базу, что вызывает короткое замыкание в цепях эмиттер-база.

Известно также нежелательное влияние дислокаций на пробой p-n перехода, заключающееся в образовании неравномерностей поля и снижении пробивных напряжений вследствие аномальных выбросов напряженностей поля в районе скопления дислокационных дефектов. Это приводит к тому, что пробивное напряжение p-n перехода на практике, как правило, ниже теоретического, но наиболее сложные по своей структуре дефекты образуются при взаимодействии их друг с другом и примесями. Так дислокации могут действовать как центры осаждения инородных атомов и примесей, которые присутствуют в решетке кремния. Это связано с тем, что движение примеси в дислокациях происходит за счет действия поля напряжения, имеющегося вокруг дислокации. В результате чего наблюдается уменьшение деформации решетки вокруг дислокации.

С помощью методов сканирующей электронной микроскопии и электронного зондового микроанализа было показано, что электрически активные дислокации связаны с наличием на них примесей в форме сульфидов меди и железа, так и самих ионов меди и железа.

Количество примеси на дислокациях зависит от поля деформации дислокаций, а также от типов дислокаций, размерного и модульного эффектов взаимодействия атомов примеси и дислокаций. В любом случае, концентрация точечных дефектов, в частности примесей, в области дислокаций будет выше, чем вдали от нее.

Если концентрация примесей на дислокациях при термообработке превышает равновесную, то происходит образование преципитатов (выделение из твердого тела примесей превышающих предел растворимости для заданной температуры). Так исследование обратного напряжения между коллектором и базой при токе через p-n переход 1 мкм показало, что если до отжига напряжение коллектор-база больше 45 В, то после отжига напряжение коллектор-база составляет 5-20 В. И установлено, что уменьшение напряжения после отжига вызвано образованием проводящих шунтов за счет осаждения ионов железа и меди на дефектах кристаллической решетки, замыкающих базовый слой p-типа с коллекторным слоем n-типа. В некоторых случаях такие шунты могут соединять даже эмиттер с коллектором и переходить в проводящее состояние при напряжениях коллектор-база и коллектор-эмиттер не более 3-5 В.

Количество же выделенных примесей растет с температурой термообработки, что приводит к увеличению размеров шунта и уменьшению напряжения коллектор-база.

Электрическая же активность дефектов упаковки обусловлена в основном наличием вершинных дислокаций, связанных с присутствием дефектов упаковки. Причем их активность зависит от количества преципитатов, образующихся па этих дислокациях.

Электрическая активность того или иного дефекта зависит от его расположения по отношению к активный областям ИМС или от того, пересекает или нет этот дефект область обеднения (область, обедненная основными электрическими носителями). В закрытом состоянии область обеднения широкая, а в открытом - узкая (в транзисторе).

При этом различие в технологических особенностях изготовления ИМС и их функционального назначения будет приводить к тому, что наличие однотипных дефектов в разных приборах будет неодинаковым. Таким образом, электрическая активность дефектов определяется:

1) типом дефекта

2) размером поля деформации

3) взаимодействием дефектов друг с другом и примесью

4) расположение дефекта по отношению к активной области ИМС

5) типом ИМС и технологическими особенностями их изготовления.

Следует отметить, что одним из основных путей улучшения параметров ИМС является уменьшение плотности дефектов в исходной подложке и подавление их генерации в процессе изготовления ИМ. Возможности этого не исчерпаны. В настоящее время он представляется достаточно перспективным, особенно в связи с использованием для этих целей лазерного излучения. Так, исследование возможности использования для очистки поверхности кремниевых пластин излучения рубинового лазера показало их высокую эффективность. Такая обработка позволяет сильно снизить концентрацию О₂ и С на поверхности пластины. Так, после лазерной обработки пятью лазерными импульсами интенсивность сигналов О₂ и Св спектре также оже-электронов оказывается на уровне фона. При этом происходит также совершенствование структуры поверхностного слоя.

Таким образом, необходимы дальнейшие исследования для изучения возможности использования лазерной обработки поверхности исходных кремниевых пластин с целью уменьшения структурных дефектов, образование которых связано с совершенством структуры поверхностного слоя. Решение данной проблемы позволит значительно улучшить параметры создаваемых ИМС, а также даст возможность создавать тонкие эпитаксиальные слои с низкой плотностью структурных дефектов, что весьма важно для создания сверхбольших и сверхскоростных ИМС.

Дата добавления: 2014-08-09; просмотров: 548; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!