Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Структуры кремний на сапфире. технология, свойства и применение 10
1.1 Свойства структур КНД 10
1.2 Изготовление структур КНС 12
1.3 Физическо-химические структурные свойства границы раздела структур КНС 20
1.4 Изготовление структур КНС с улучшенным слоем кремния 25
1.5 Образование радиационных дефектов в кремнии 37
1.6 Отжиг радиационных дефектов в кремнии 43
1.7 Состояние исследований по тематике работы 49
ГЛАВА 2. Оборудование и методы исследования 51
2.1 Технологическая часть 51
2.2 Средства измерений 54
ГЛАВА 3. Физико-химические закономерности твердофазной рекристаллизации кремния 61
3.1 Моделирование твердофазной рекристаллизации 61
3.2 Рентгеноструктурный анализ кремния композиций КНС 63
3.3 Эллипсометрические исследования кремния структур КНС 66
3.4 Анализ примесного состава кремния структур КНС 70
ГЛАВА 4. Физико-химические закономерности финишного химико-механического полирования кремния 73
4.1 Определение параметров шероховатости поверхности кремния 75
4.2 Электронография поверхности кремния
4.3 Измерение поверхностного сопротивления кремния 80
ГЛАВА 5. Эксперментальное определение электрофизических параметров КНС-приборов 83
5.1 Определение электрофизических параметров по тестовым структурам 83
5.2 Проведение функционального контроля тестовых микросхем 88
Выводы 90
Список использованных источников
- Физическо-химические структурные свойства границы раздела структур КНС
- Средства измерений
- Эллипсометрические исследования кремния структур КНС
- Измерение поверхностного сопротивления кремния
Введение к работе
Актуальность работы
Структуры кремний на диэлектрике (КНД), основу которых составляют композиции кремний на изоляторе (КНИ) и кремний на сапфире (КНС), являются исходным материалом, используемым для производства электронной компонентной базы, применяемой во многих отраслях промышленности. Это связано с тем, что интегральные микросхемы (ИС) на основе структур КНД обладают высокими показателями по интеграции элементов, быстродействию, объему памяти и надежности по сравнению с ИС на объемном кремнии за счет значительного уменьшения паразитных емкостей и исключения токов утечки через подложку.
Использование структур КНС в производстве ИС сдерживается высокой дефектностью эпитаксиально выращенного кремния на сапфире, что связано с существенными различиями параметров кристаллических решеток и значений температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) этих материалов. При этом на границе раздела и в объеме полупроводника образуются механические напряжения, что приводит к появлению высокой плотности структурных нарушений (дислокации, двумерные дефекты) и вызывает ухудшение характеристик изготавливаемых композиций КНС и, как следствие, изделий электронной техники на их основе.
Поэтому актуальным является изготовление ИС на основе структур КНС с модифицированным примесно-дефектным составом кремния, которые превосходят ИС на основе структур КНИ за счет следующих преимуществ:
повышенной стойкости к воздействию внешних дестабилизирующих факторов (термо-, баро- и радиационного воздействия);
возможности изготовления цифро-аналоговых систем на кристалле, работающих в высокочастотном диапазоне.
Улучшение кристаллической структуры кремниевого слоя может быть достигнуто при использовании физико-химических процессов, таких как твердофазная рекристаллизация дефектной границы раздела кремний/сапфир и последующая финишная химико-механическая подготовка поверхности трансформированного кремния в композициях КНС.
Знание физико-химических закономерностей модифицирования примесно-дефектного состава эпитаксиально выращенного кремния на сапфире позволит разработать технологии изготовления композиций КНС с улучшенными характеристиками и решить проблему получения высоких эксплуатационных показателей изделий электронной техники, сформированных на их основе.
Целью работы является экспериментальное определение физико-химических закономерностей твердофазной рекристаллизации и финишного химико-механического полирования (ХМП) при модифицировании примесно-дефектного состава кремния в структурах КНС.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
- установление распределения по глубине кремниевого слоя, внедренных
ионов Si , для различных их энергий;
-определение дозы имплантации ионов Si , обеспечивающей аморфизацию дефектной области кремния в структурах КНС;
-установление температурно-временного диапазона термической обработки для трансформации кристаллической структуры кремния;
определение состава полирующих суспензий для финишного полирования поверхности кремниевого слоя на сапфире;
установление зависимости скорости и качества полирования поверхности кремния от параметров химико-механической подготовки;
определение физико-химических параметров и примесного состава трансформированного кремния в структурах КНС и электрофизических характеристик приборов, изготовленных на их основе.
Научная новизна работы
Показано влияние твердофазной рекристаллизации на примесно-дефект-ный состав структур КНС:
-при полной аморфизации несовершенной границы раздела кремний/сапфир отсутствуют разупорядоченные области, являющиеся центрами конденсации точечных дефектов, т.е. очагами образования остаточных дислокационных нарушений в кремнии;
плотность двумерных дефектов при термодеструкции границы раздела кремний/сапфир зависит от кристаллической структуры поверхностно-затравочной области формируемого кремния;
фронт направленной рекристаллизации вытесняет из объема к границе раздела кремний/сапфир примесь алюминия и кислорода.
Применение твердофазной рекристаллизации и последующей финишной подготовки поверхности кремния в технологии изготовления композиций КНС при оптимально подобранных параметрах имплантации, термического отжига и химико-механического полирования позволило увеличить выход изделий микроэлектроники, отвечающих высоким функциональным требованиям.
Практическая значимость работы
Предложена технология получения композиций КНС с улучшенной кристаллической структурой кремния. Разработана методика оценки дозы аморфизации ионами Si кремниевого слоя толщиной ~ 0,3 мкм. На модифицированных композициях КНС 0100мм изготовлены тестовые элементы, выполненные на основе структур «металл-оксид-полупроводник» (МОП), и отладочные интегральные микросхемы.
Полученные в работе результаты могут использоваться в производстве специальных электронных изделий, изготовленных по технологии МОП/комплементарная структура МОП с субмикронными проектными нормами на композициях КНС.
Основные положения, выносимые на защиту:
- экспериментальное определение влияния твердофазной рекристаллиза
ции на трансформацию дефектной границы раздела кремний/сапфир в монокри
сталлический материал методами рентгеноструктурного, эллипсометрического и
вторично-ионного масс-спектрометрического анализов;
определение влияния финишного ХМП кремния в структурах КНС, диагностированного по данным профилограмм и рефлектометрических карт;
результаты анализа электрофизических параметров МОП КНС-приборов и функционирования ИС, изготовленных на модифицированных композициях кремний на сапфире с улучшенной кристаллической структурой рабочего слоя.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы излагались и обсуждались на VI Международной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2007г), II, III и VI Научно-технических конференциях «Высокие технологии атомной отрасли» (Нижегородская область, 2007г., 2008г. и 2009г.), XIII Нижегородской сессии ученых «Технические науки» (Нижегородская область, 2008г.), XI Научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» (Московская область, 2010г.), VI Международной конференции «Nanoscaled Semiconductor on Insulator Materials, Sensors and Devices» (Киев, 2010r.),V Международном семинаре «Radiation Hardening Electronics» (Китай, 2013г.), XV международном семинаре «Проблемы создания специализированных СБИС на основе гетероструктур» (Нижегородская область, 2015г.) и XV Всероссийской конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение» (Нижний Новгород, 2015г.)
Диссертационная работа выполнена в рамках государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России № 2897.
Публикации по результатам работы
По материалам диссертационного исследования опубликовано 13 печатных трудов, в том числе 3 статьи в научных рецензируемых журналах ВАК и 10 работ в сборниках тезисов научно-технических конференций и семинаров.
Личный вклад автора в получение научных результатов
Автор принимал непосредственное участие в формировании цели и задач диссертационной работы, обсуждении полученных результатов и подготовке статей, самостоятельно осуществил компьютерное моделирование по энергии имплантации, разработал методику оценки дозы аморфизации композиций КНС, определил структурно-физические свойства рекристаллизованного кремния и провел исследования электрофизических параметров МОП-приборов.
Благодарности
Автор выражает благодарность за ценные научно-технические консультации Скупову В.Д. и Шоболову Е.Л., а также за помощь в изготовлении и исследовании структур КНС сотрудникам РНЦ «КИ», НИФТИ «ННГУ им. Н.И. Лобачевского», ИФМ «РАН» и ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова».
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников из 98 наименований. Работа изложена на 100 страницах, включая 41 рисунок и 19 таблиц.
Физическо-химические структурные свойства границы раздела структур КНС
Изготовление структур КНС можно условно разделить на четыре основных технологических этапа: - выращивание монокристаллического сапфира; - предъэпитаксиальная подготовка сапфировой подложки; - эпитаксиальное осаждение кремния на сапфир; - химико-механическое полирование кремния. Наилучшим способом выращивания монокристаллического сапфира является бестигельный способ Вернейля позволяющий получать материал свободный от быстродиффундирующих примесей. Сапфировый стержень-затравку закрепляют вертикально за нижний конец во вращающийся и поступательно движущий 13 ся вниз держатель. Верхний конец затравки расплавляют пламенем водородно-кислородной горелки, после чего подают порошок окиси алюминия, который, проходя через пламя горелки, плавится. Затравка при этом с подобранной скоростью опускается в зону с температурой, пониженной до уровня затвердевания.
Метод Чохральского позволяет выращивать кристаллы путём вытягивания от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава. Метод относят к тигельным, поскольку при выращивании используются контейнеры из материалов, устойчивых к расплаву и атмосфере установки. При выращивании кристаллов из тигля происходит загрязнение расплава материалом тигля. Метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, поэтому летучие компоненты и примеси активно испаряются с поверхности расплава. Для обеспечения более равномерного распределения температуры и примесей по объёму расплава затравочный кристалл и тигель с расплавом вращают друг относительно друга.
Остальные известные способы выращивания (Степанова, Багдасарова, Ки-ропулоса, Шмидта и Вишницкого) также как и метод Чохральского используют тигли, в которых неизбежен контакт материала со стенками устройства [10,11].
Высокая твердость выращенного сапфира требует для его обработки использования абразивного инструмента на основе алмазного порошка и значительных удельных нагрузок на обрабатывающий инструмент. Поэтому на поверхности сапфировых подложек возникает нарушенный и напряженный слой, препятствующий получению качественных монокристаллических пленок [11].
Коробление, прогиб и неоднородность толщины сапфировой подложки являются основными параметрами, характеризующими эпитаксиальное наращивание кремния на сапфире, так как становятся причиной неравномерного распределения температуры по площади подложки при эпитаксии, что приводит к неравномерному распределению скорости роста эпитаксиального слоя. Сколы, царапины и риски по кромке подложки недопустимы, поскольку они, как правило, сопровождаются микротрещинами, которые разрастаются при термоциклировании в процессе изготовления микросхемы и в итоге приводят к разрушению пластины.
Шероховатость рабочей поверхности сапфировой подложки существенным образом определяет качество приборного эпитаксиального слоя. Выступы и ямки микрорельефа шероховатости меняют условия образования зародышевых островков нарастающего эпитаксиального слоя. По сравнению с атомарно гладкой поверхностью сапфира шероховатая поверхность увеличивает плотность и разориентацию зародышей, приводя к увеличению плотности микро двойников. В углублениях микрорельефа с повышенной вероятностью остаются загрязнения (частички алмаза, аморфных окислов алюминия и кремния), на которых формируются эпитаксиально-ростовые дефекты типа дислокаций, дефектов упаковки, микро двойников. Микрорельеф подложки, трансформируясь, передается на внешнюю поверхность эпитаксиального слоя, повышая ее шероховатость, что ухудшает электрофизические свойства МОП ИС, а именно: - при подаче напряжения на затвор носители заряда концентрируются на выступах шероховатостей, на них увеличивается напряженность электрического поля, в этих местах может преждевременно произойти пробой подзатворного диэлектрика; - быстродиффундирующие загрязняющие примеси в процессе термообработки структур концентрируются на выступах шероховатости и вступают в химические взаимодействие с элементами формируемых технологических слоев, тем самым увеличивая токи утечки; - шероховатость внешней поверхности эпитаксиального слоя увеличивает рассеяние носителей заряда в каналах МОП транзисторов, уменьшая их подвижность [10,12].
Мозаика, микродвойники и дислокации могут иметь ростовое происхождение или возникнуть в процессе механических и термических обработок. Эти дефекты, в зависимости от их расположения, отжигаются или удаляются при травлении. Блочность, имеет ростовое происхождение, она пронизывает пластину по всей ее толщине и поэтому не может быть полностью удалена. Блочные моно 15
кристаллы бракуются. Инородные включения в виде газовых пузырьков или твердых частиц также имеют ростовое происхождение и появляются в результате несоблюдения технологической чистоты процесса выращивания монокристаллов.
Требования к качеству сапфировых подложек определяются проектными нормами и технологией изготовления изделий на их основе.
Для удаления нарушено-напряженного слоя используют химическую и термическую обработки сапфировых подложек.
Сапфир является химически малоактивным окислом, благодаря чему его химико-механическая полировка, широко распространенная для кремния, крайне затруднена. Наиболее распространенным из-за простоты и технологичности является процесс травления сапфира потоком водорода в диапазоне температур 1300-1400С. Преимущество это способа подготовки подложек состоит в том, что он применяется непосредственно перед процессом наращивания кремния в одном и том же реакторе. Недостатками являются селективность травления и сравнительно высокая температура процесса, затрудняющая его проведение в эпитаксиаль-ной установке [11,12].
Кристаллографического совершенства подложек сапфира можно добиться путем совместного взаимодействия химического травления нарушенного слоя и термической обработки. Высокотемпературный нагрев как в среде инертного газа, так и в вакууме до 1700С, приводит к восстановлению нарушенного слоя. Основным фактором, улучшающим структуру подложки, является процесс рекристаллизации. Также при отжиге происходит существенная очистка поверхности сапфира, снижается плотность структурных дефектов и дислокаций [11].
Получаемая после химической обработки и термического отжига неплоскостность рабочей поверхности, должна быть не больше глубины резкости объектива фотоповторителя, которым формируется изображение элементов приборов. При характерном минимальном размере элементов ИС на уровне 1 мкм и габаритах рисунка на уровне 10...12 мм глубина резкости составляет 1 мкм. Такие ИС обычно изготавливают на пластинах диаметром 100 мм. При изготовлении ИС с размерами элементов на уровне 0,5 - 0,35 мкм и габаритами чипа около 20 мм локальная неплоскостность не должна превышать 0,5 мкм. Обычно для изготовления таких ИС используют пластины сапфира диаметром 150 мм [10,13].
Эпитаксиальное осаждение кремния на сапфировую подложку сопровождается островковым ростом кремния, поскольку энергия связи между атомами кремния больше энергии связи между атомами кремния и диэлектрика. Предполагается, что при эпитаксиальном росте атомы кремния замещают атомы алюминия на поверхности и связываются с атомами кислорода в решетке подложки, в результате чего образуется первый эпитаксиальный слой.
Кристаллографический анализ кремниевых пленок, осажденных на сапфировые подложки различной ориентации, показал, что ориентационные соотношения имеют сложный характер. Для определения сопрягающихся плоскостей кремния и сапфира были установлены два критерия: - плотность упаковки атомов в нарастающей плоскости должна быть высокой, в противном случае атомы кремния будут занимать на поверхности промежутки между атомами алюминия и потребуется несколько монослоев для достижения упорядоченной структуры кремния;
Средства измерений
Для определения энергии имплантации ионов Si+ в кремниевый слой структур КНС проводилось предварительное компьютерное моделирование, которое осуществлялось методом случайных величин Монте-Карло с помощью программы TRIM (Transport of Ions in Matter), позволяющей имитировать движение ионов и атомов отдачи в твердом веществе. Программа базируется на парных столкновениях ионов с первоначально покоящимися атомами структуры. Она реализует аналитический путь расчета интеграла рассеяния и позволяет даже при низких энергиях достичь высокую точностью результатов (не хуже 2%). При имплантации случайными величинами являются пробег и прицельное расстояние ионов перед столкновением.
На рисунке 26 приведены смоделированные распределения ионов Si+ с энергиями от 130 до 190 кэВ по глубине приборного слоя кремния толщиной 0,3 мкм структур КНС. Из рисунка 23 видно, что с увеличением энергии имплантации пик в распределении ионов Si+ смещается вглубь от поверхности кремния композиций КНС и при энергиях более 170 кэВ полностью локализован в сапфировой подложке. Рисунок 26. Распределение по глубине кремниевого слоя толщиной 0,3 мкм подложек КНС имплантированных с различными энергиями ионов Si+ а - 130 кэВ, б - 150 кэВ, е-170 кэВ, г - 190 кэВ
В результате моделирования имплантации ионов Si+ в кремниевый слой толщиной 0,3 мкм композиций КНС было установлено, что при энергии 150 кэВ с учетом каналирования ионов через верхнюю совершенную область максимум распределения ионов Si+ сосредоточен вблизи границы раздела кремний/сапфир (рисунок 27а), а зона радиационных нарушений расположена от границы на расстоянии 0,2 мкм (рисунок 276).
Распределение радиационных дефектов повторяет распределение внедренных ионов Si+, однако максимум распределения дефектов сдвинут в сторону поверхности мишени по сравнению с максимумом ионов (рисунок 27в). Причина наблюдаемого сдвига заключается в том, что внедренный ион создает на своем пути области с высокой концентрацией дефектов, которые задерживают часть ионов Si+, выполняя тем самым функции своеобразных экранов. 0,4 О,Б
Анализ кристаллического совершенства решетки кремния композиций КНС до и после операции твердофазной рекристаллизации проводился рентгено-структурным методом.
Имплантация ионов Si проводилась в интервале доз 1014-1015 Si+/CM2. Плотность тока ионов составляла 0,25 мкА/см . Сапфировая подложка охлаждалась путем регулируемой продувки паров испаряющегося жидкого азота, что обеспечивало однородный контакт хладагента со всей ее площадью. При этих условиях температура кремниевой мишени составляла 0С. Затем структуры КНС подвергались высокотемпературному изотермическому отжигу в атмосфере азота (1сттш: t=30MHH., Т=600С; Пстадия: t=15MHH., Т=900С). Режим отжига композиций КНС выбирался на основе данных представленных в таблице 4 [66,82].
Сложные многовакансионные, междоузленные комплексы и кластеры 600 Электрическая активация имплантированной примеси 900 Полная аморфизация границы раздела кремний/сапфир толщиной 0,2 мкм наступает при дозе имплантации 7,5-1014 Si+/cM2 (рисунок 28а). Учитывая неоднородность толщины структурно нарушенной границы материалов по пластине КНС, связанной с условиями ее изготовления, значение дозы имплантации характеризуется доверительным интервалом [7,5±0,75]1014 SIVCM2.
Для доз имплантации, которые больше или меньше экспериментально установленного значения, наблюдается ухудшение параметров структур КНС. Это связано, с одной стороны, с разрушением поверхностной области полупроводникового материала, кристаллическая структура и объем которой определяют формируемый кремний, а с другой стороны, с неполной аморфизацией приграничного с сапфиром дефектного слоя композиций на диэлектрике.
Кристаллическая структура решетки кремния оценивалось по ширине кривой качания, характеризующей интегральную плотность дефектов по всей толщине эпитаксиально выращенного слоя и рассчитываемой по половине максимума интенсивности кривой дифракционного отражения (205ц=9О,О5о). Наименьшее значение ширины кривой качания для рекристаллизованного при вышеуказанных условиях материала составило 600 угл.с, что в 2,5 раза меньше ширины кривой качания исходного кремния - 1500 угл.с. (рисунок 286). 1200
Степень кристалличности также является параметром, характеризующим кристаллическую решетку кремниевого образца. По сути, это соотношение кристаллической и аморфной или поликристаллической фаз в объеме материала. Она определяется процентным отношением интегральных интенсивностей дифракционного отражения от кристаллической фазы, если говорить о степени аморфизации, то от аморфной фазы и общего объема.
Кривая дифракционного отражения от кремния на сапфире разделялась на две составляющие, одна из них соответствовала кристаллической фазе, другая аморфной (рисунок 28в, кривые 2 и 3 соответственно). Степень кристалличности кремния определялась отношением интегральных интенсивностей от кристаллической фазы и общего объема (рисунок 28в, кривые 2 и 1 соответственно). После имплантации высокоэнергетическими ионами Si+ структуры КНС степень кристалличности кремния составила 35%, что свидетельствует о наличии приповерхностной структурно упорядоченной области материала. Высокотемпературный отжиг приводит к увеличению степени кристалличности кремния в модифицированных композициях КНС в 2,5 раза (87%).
Измерения оптических характеристик и стехиометрического состава эпи-таксиально выращенного кремния трансформированных структур КНС осуществлялись методом эллипсометрии.
При дозе имплантации 7,5-1014 SIVCM2 степень аморфизации кремния 65% это составляет около 195 нм от всей толщины слоя при толщине совершенной приповерхностной кремниевой пленке 105 нм (рисунок 30), что подтверждает рентгеноструктурные данные.
Рекристаллизация кремния способствует восстановлению его монокристаллической структуры практически по все объему 87%, что соответствует толщине слоя 260 нм. На границе раздела кремний/сапфир присутствует тонкий дефектный слой 40 нм, состоящий преимущественно из кислородосодержащих комплексов кремния и алюминия (рисунок 31).
Эллипсометрические исследования кремния структур КНС
На исходных и рекристаллизованных структурах КНС изготавливался тестовый кристалл ( 100 шт. на пластине), состоящий из набора специальных тестовых структур, предназначенных для контроля электрофизических свойств кремния и аналоговой тестовой ИС, используемой для оценки работоспособности изделий электронной техники.
Тестовые кристаллы были сформированы на восьми пластинах КНС. Четыре структуры КНС (№№ 01-01, 01-02, 01-03 и 01-04) были подвергнуты рекристаллизации по технологии с использованием имплантации высокоэнергетических ионов Si+. Остальные пластины (№№ 01-05, 01-06, 01-07 и 01-08) использовались как исходные структуры, параметры которых применяли для сравнения с модифицированными композициями КНС.
Изготовление ТК для исходных и рекристаллизованных структур КНС проводилось в едином технологическом цикле.
Определение электрофизических параметров по тестовым структурам Набор тестовых структур (таблица 17) включал: - тест «Холла», применяемый для контроля подвижности носителей заряда в приборном слое кремния; - МОП-транзистор, предназначенный для оценки порогового напряжения и тока утечки, по значениям которых определяется ток потребления микросхемы; - МОП-конденсатор, используемый для контроля профиля распределения легирующей примеси. На рисунке 38 показаны вольтфарадные характеристики тестовых МОП-конденсаторов n-типа и профили концентрации легирующей примеси. Таблица 17 Набор тестовых структур для контроля электрофизических параметров кремния № п/п Наименование тестовой структуры Назначение тестовой структуры 1 N-каналъный транзистор с характерными размерами5,76/5 мкм, (W/L) Пороговое напряжение, токи утечки 2 Р-канальный транзистор с характерными размерами5,76/5 мкм, (W/L) 3 МОП-конденсатор п-типа с площадью обкладок 100x100 мкм Профили концентрации легирующей примеси 4 МОП-конденсатор р-типа с площадью обкладок 100x100 мкм 5 Тест Холла п-типа Подвижность носителей заряда
Анализ электрофизических параметров кремния структур КНС по тестовым МОП-конденсаторам а - профиль распределения легирующей примеси для исходных структур КНС; б - профиль распределения легирующей примеси для модифицированных структур КНС; в - вольтфарад-ные характеристики тестовых МОП- конденсаторов п-типа (красный маркер - модифицированная КНС, синий маркер -исходная КНС) На рисунке 39 приведены корреляционные зависимости подвижностей носителей заряда в слое кремния композиций КНС. входных волътамперных характеристик; б - семейство выходных волътамперных характеристик; в - классическая и логарифмическая развертки входной характеристики (I - исходный кремний, II рекристаллизованный кремний) Результаты измерения электрофизических параметров кремниевого слоя композиций КНС по тестовым структурам представлены в таблице 18.
1. Установлены физико-химические закономерности твердофазной рекристаллизации и финишного химико-механического полирования при модифицировании примесно-дефектного состава кремния, приводящего к улучшению характеристик структур кремний на сапфире и изделий электронной техники, изготовленных на их основе.
2. Определены оптимальные значения параметров твердофазной рекристаллизации композиций кремний на сапфире: энергия (150 кэВ), при которой максимум плотности генерируемых радиационных дефектов приходится на максимум плотности распределения структурных нарушений с учетом каналирования ионов Si+ через верхнюю совершенную прослойку материала, от кристаллической структуры которой зависит плотность двумерных дефектов; доза ([7,5±0,75]-1014 Si /см ), обеспечивающая полную аморфизацию дефектного кремния, расположенного от границы раздела с сапфиром на расстоянии 0,2 мкм, при которой отсутствуют разупорядоченные области, являющиеся центрами конденсации точечных дефектов, в условии однородного охлаждения подложки регулируемым газовым потоком; двухстадийная изотермическая термообработка в атмосфере азота (Стадия: t=30MHH., Т=600С; Пстадия: t=15MHH., Т=900С), активирующая рекристаллизацию и геттерирование сложных структурных нарушений.
3. Определены оптимальные значения параметров финишного химико-механического полирования структур кремний на сапфире: абразивно-щелочная суспензия в составе SiO2[H2O2(30%):KOH(20%):H2O] с концентрацией коллоидного порошка Юг/л; скорость удаления кремния, в условии сильноразбавленного раствора при соотношении компонентов 2Н2О2:1КОН:40Н2О и вращении 50 об/мин с давлением 10 кПа мягкого полировального круга на полимерной основе, составляет 3 нм/мин. 4. Модифицирование примесно-дефектного состава кремния, возникающее при твердофазной рекристаллизации и финишном химико-механическом полировании, способствует: улучшению кристаллической структуры в 2,5 раза (ширина кривой качания уменьшается с 1500 угл. с. до 600 угл. с); снижению концентра-ции алюминия в приборной области на 2 порядка (с 10 ат./см до 10 ат./см ); увеличению подвижности носителей заряда в 3,5-4 раза (n-тип: с 200 см /В-с до 700 см /В-с, р-тип: с 50 см /В-с до 200 см /В-с,); снижению пороговых напряжений и токов утечки п- и р-канальных транзисторов, сформированных на основе структур «металл-оксид-полупроводник»; снижению шероховатости (Racp= 0,015 мкм, Rhcp= 0,02 мкм) и дефектности (интенсивность рассеивания УФср= 0,48 отн. ед.) поверхности; увеличению выхода изделий микроэлектроники, отвечающих высоким функциональным требованиям, в среднем с 25% до 60% с одной пластины кремния на сапфире с учетом вклада подготовленной поверхности 10%.
Измерение поверхностного сопротивления кремния
Присутствие неконтролируемых примесей алюминия и кислорода в кремнии в структурах КНС объясняется диффузией их из сапфировой подложки при высоких температурах, используемых при эпитаксии и имплантации.
Концентрация алюминия при эпитаксиальном осаждении кремния на сап-фир может достигать уровня 10 - 10 ат./см в зависимости от температуры процесса и скорости роста материала. Это приводит к полной компенсации донорной примеси акцепторной примесью в низколегированном кремнии. Алюминий в кремнии находится в виде сложных кислородосодержащих комплексов, расположенных вблизи границы раздела кремний/сапфир и электрически активной примеси, высокая концентрация которой наблюдается в объеме структурно нарушенной области. По-видимому, она локализуется вблизи скопления дефектов.
Кислород способствует образованию в кремнии преципитатов и междо-узленной электрически активной примеси, которая при повышении температуры может проявлять себя как термодонор.
С помощью вторично-ионного масс-спектрометрического анализа в объеме кремния и на границе раздела структур КНС обнаружено три основных элемента: Si, SiO, Al - и ряд элементов минимальной интенсивности: 02, Н2, С и АЮ (рисунок 32в).
Исходя из этого, можно предположить, что реакция при эпитаксиальном осаждении кремния на сапфир имеет вид: SiH4(ra3) "- Si(TB.)+2H2(ra3), (1) 48і(Га3)+2АІ20з(тв.) - Si(TB.)+Al203(TB.)+3SiO(ra3)+2Al(ra3), (2) Энергия Гиббса, рассчитанная для химической реакции (2), свидетельствует о возможности ее протекания в направлении образования продуктов SiO и А1 при температуре процесса 1000С (таблица 8).
Рисунок 32. Вторично-ионный масс-спектрометрический анализ структур КНС а - профиль распределения А1 в исходном кремнии; б - профиль распределения А1 в рекристал лизованном кремнии; в - элементы О2, SiO иАЮ в исходном кремнии; г - МОП-транзистор
Вблизи поверхности кремния концентрация алюминия не изменилась. Поэтому можно предположить, что процесс направленной рекристаллизации вытесняет А1, имеющийся в Si, к границе раздела с сапфиром, оставляя за собой чистый материал. Очевидно, что твердофазная рекристаллизация сходна с методами кристаллизационной очистки материалов, основанными на различной растворимости примеси в растворе и равновесной с ним твердой фазе основного вещества. В таблице 9 приведены значения коэффициентов распределения алюминия и кислорода в кремнии, полученные экспериментальным и теоретическим методами [21, 22]. Экспериментальный коэффициент распределения алюминия рассчитывался из отношения концентраций примеси в рекристаллизованной области и дефектной (аморфной) фазе на границе раздела кремний/сапфир.
Совершенство рельефа поверхности кремниевого слоя при химико-механическом полировании в первую очередь определяется: размером зерна абразивного компонента ( 0,01 мкм); соотношением концентраций жидкой и твердой фаз (для финишной обработки 50-200:1); скоростью вращения и давлением мягкого полировального круга на полимерной основе (винилхлорид, уретановый каучук, политекс, синтепол и т.д.); соотношением концентраций компонентов в химически активной среде.
Высококачественная поверхность с минимальной шероховатостью и отсутствием нарушенного слоя при финишном бесконтактном химико-механическом полировании формируется на низких значениях скорости полирования материала, порядка 1-10 нм/мин.
Для финишной подготовки поверхности кремния применялось абразивное полирование на основе щелочной и кислотной суспензий (таблицы 10 и 12).
Соотношение компонентов в химически активной среде выбиралось на основе концентрационных треугольников Гиббса [22, 54] для области сильнораз-бавленных растворов. В качестве абразива применялся коллоидный порошок Si02 с размером частиц 0,01 мкм и концентрацией Юг/л. Скорость вращения (50 об/мин) и давление (10 кПа) полировального круга подбирались таким образом, чтобы обеспечить удаление слоя кремния со скоростью 3-5 нм/мин. Зазор между обрабатываемой поверхностью и полировальным кругом составлял 50 мкм.
Реакция суспензии с кремниевой поверхностью протекает в направлении образования пленки оксида кремния за счет окислителей Н202 и HNO3 (реакции 3 и 6). Затем происходит удаление Si02 щелочным или кислотным компонентом (реакции 4 и 7) при совместном участии абразивно-полирующего порошка.
Согласно таблице 11, для реакций (5) и (8) AG реакции 0, следовательно, эти реакции протекают в направлении образования продуктов К28Ю3(та.) и H2SiF6(5K). 4.1 Определение параметров шероховатости поверхности кремния
Качество структур КНС после финишного химико-механического полирования определялось по параметрам шероховатости поверхности кремниевого слоя и его дефектности (загрязнения, риски, царапины, поры и т.д.), возникающей как при твердофазной рекристаллизации, так и при реализации других операций технологического маршрута изготовления подложек.
Шероховатость кремния оценивалась по среднеарифметическому отклонению профиля от средней линии (Ra) и наибольшей высоте профиля (Rh). По интенсивности рассеивания ультрафиолетового излучения (УФИ) поверхностью контролировалась дефектность кремния (рисунок 33, таблицы 12 и 13).
Исследование кристаллического совершенства поверхности кремния композиций КНС проводилось на электронографе.
На рисунке 35 представлены типичные электронограммы структур КНС с толщиной слоя кремния 0,3 мкм, полученные при исследовании поверхности электронным пучком, проникающим при максимально возможной энергии применяемого оборудования на глубину не более 10 нм.
Электронограмма №1 снята с поверхности кремния исходной структур КНС. Дифракционные пятна, получаемые при отражении электронов от межатомных плоскостей, имеют округленную форму, вытянутость их практически не наблюдается, что говорит о качественной поверхности кремния.
Электронограмма №2, полученная от поверхности рекристаллизованного кремниевого слоя, указывает на наличие блочности в кристаллической структуре композиций КНС (определяется по вытянутости дифракционных пятен), что возможно связано с частичным разрушением поверхности при имплантации. С увеличением глубины проникновения дифракционная картина улучшается, что свидетельствует об улучшении структуры пленки. После химико-механического полирования кремниевого слоя композиций КНС образуется структурно-совершенная поверхностная область, о чем свидетельствует ЭГ №3.