Влияние взаимодействия примесей и дефектов на процессы геттерирования в кремнии для планарной технологии

Кремний в силу своих уникальных свойств остается самым дешевым и широко используемым полупроводниковым материалом. Развитие нанотехнологии, все возрастающая степень интеграции ММС, обеспечение надежности их функционирования предъявляют высокие требования к структурному совершенству кремния, и обеспечению контроля содержания нежелательных примесей (кислорода, углерода и т. п.) как в исходном материале, так и в процессе изготовления СБИС.

Современный уровень развития технологии выращивания полупроводникового материала позволяет получать практически бездислокационные монокристаллы кремния большого диаметра, однако при этом наибольший интерес вызывает поведение точечных дефектов — собственных межузельных атомов кремния, вакансий, а. также примесных атомов и кластеров на их основе.

Наряду с использованием обычных методов генерирования (внутреннее, внешнее), активное влияние на ансамбль точечных дефектов и примесей оказывает введение в расплав в процессе выращивания монокристаллов кремния модифицирующей добавки, воздействующей на структуру расплава и выращиваемого материала и не вызывающей при этом ухудшения электрофизических параметров.

Поиск наиболее эффективных добавок для осуществления примесного генерирования в процессе выращивания по методу Чохральского привел к идее использования для этой цели У переходные металлы ivA подгруппы, а именно цирконий и гафний.

Сведения о поведении переходных элементов в кремнии весьма неоднозначны, что, вероятно, связано с очень малыми.

Щ коэффициентами распределения таких примесей, сложностью осуществления процессов легирования, неполной разработкой теории узельной и межузельной растворимости этих примесей в полупроводниках, а также необходимостью учитывать процессы сопутствующего комплексообразования. При изучении состояния легирующих примесей в твердом растворе на основе полупроводника сообщалось об эффектах компенсации, вызванных взаимодействием примеси между собой, а также с атомами основного вещества.

Учитывая неоднозначный характер поведения переходных металлов, различные формы существования в кристаллической решетке кремния необходим комплексный подход к изучению их влияния как на структурное совершенство, так и на электрофизические свойства материала.

Отсутствие надежных экспериментальных данных по изучению влияния примесей циркония и гафния на свойства монокристаллического кремния, а также эффективности использования материала с примесью-геттером для производства ИМС делают идею примесного генерирования еще более актуальной.

Цель работы. Исследовались различны©методы геттерирова-ния монокристаллического кремния, предназначенного для производства СБИС. Особое внимание уделялось оптимизации методов внутреннего генерирования, а также изучению влияния примесей-геттеров, а именно циркония и гафния, на электрофизические свойства и структурное совершенство кремния, выращенного по методу Чохральского. Для достижения поставленной цели потре-Щ бовалось решить несколько задач:

— провести анализ имеющихся экспериментальных данных и методов исследования поведения переходных элементов в кремнии, а также ф методов воздействия на его структурное совершенство;

— исследовать электрофизические и структурные параметры монокристаллического кремния, выращенного по методу Чохральского и легированного zr (Hf) — исследовать процессы дефектообразования в исходном материале, эффективность образования и стабильность внутреннего геттера как в результате специальных, так и в ходе модельных термообработок;

— оценить эффективность использования кремния, выращенного с примесью-геттером для производства СБИС.

Научная новизна. Исследован процесс примесного генерирования монокристаллического кремния, выращенного по методу Чохральского. Установлено, что добавление в расплав кремния примеси-геттера (zr, нп при данном методе выращивания способствует снижению концентрации и повышению равномерности распределения межузельного кислорода.

Изучена динамика дефектообразования и анизотропная сегрегация ростовых дефектов. Обнаружена корреляция между объемной структурной дефектностью, регистрируемой методом рентгеновской дифрактометрии, эффективным временем жизни неравновесных носителей заряда по данным метода СВЧ-релаксометрии и плотностью дефектов в объеме пластины после избирательного травления.

Установлен механизм растворения циркония и гафния в кристаллической решетке кремния. Подтверждена электрическая нейтральность этих металлов в твердом растворе с точки зрения 0 комплексообразования.

Практическая ценность и реализация результатов. Разработан оптимальный технологический маршрут для формирования эффективного внутреннего геттера (автогеттера) в ходе процесса изготовления СБИС.

Эффективность использования монокристаллического кремния, выращенного по методу Чохральского и легированного примесью-геттером (zr, нп. для производства изделий микроэлектроники исследовалась путем изготовления динамического запоминающего устройства типа К565РУ5, а также кремниевых фотодиодов типа КДФ II5-A5.

Данные функционального контроля свидетельствуют о том, что изготовленные устройства удовлетворяют необходимым техническим условиям при одновременном увеличении выхода годных микросхем.

Результаты использования кремния с примесью-геттером для Ь производства СБИС динамических схем памяти на НПО «НОРТЕК» .

Москва) и производства фотодиодов ИК-диапазона на ПО «ПЛАНЕТА» (Новгород)подтверждены соответствующими актами и свидетельствуют о положительном экономическом эффекте внедрения.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции «Кремний — 90» в ШСиС, Москва, 1990 г.- 8-ой Всесоюзной конференции по росту кристаллов, Харьков, 1992 г. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей. Материалы диссертации использовались в отчетах по НИР.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 1зз стр. машинописного текста, иллюстрированных рисунками и графиками на 34 стр.,.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1) Рассмотрены принципы растворения примеси-геттера (Zr. Hf) в кристаллической решетке кремния. Подтверждена электрическая нейтральность этих металлов в твердом растворе с точки зрения комплексообразования.

2) Определена критическая концентрация примеси в жидкой фазе в результате исследования дефектообразования по длине монокристалла. Обнаружение эффекта анизотропной сегрегации примеси позволило определить раствор примесей циркония и гафния в кремнии как твердый раствор замещения.

3) Исследование монокристаллов кремния, выращенных по методу Чохральского с добавлением в расплав примеси-геттера Zr (Hf) показало, что примесное генерирование способствует щ снижению концентрации и увеличению равномерности распределения кислорода. Использование пластин с примесным геттером не требует дополнительной стандартизации по концентрации кислорода.

4) Обнаружена корреляция между структурной дефектностью, регистрируемой с помощью рентгеновской дифрактометрии, эффективным временем жизни неравновесных носителей заряда по данным метода СВЧ-релаксометрии и плотностью дефектов в объеме пластин после избирательного травления, что позволило проследить динамику дефектообразования в процессе выращивания монокристалла кремния.

5) Предложен оптимальный технологический маршрут изготовления пластин si с учетом скорости преципитации, оцениваемой по плотности дефектов на сколе пластин после тестовой термообработкиустановлено, что в ходе модельного процесса изготовления КМОП ИС на пластинах с высокой скоростью преципитации формируется термостабильный внутренний геттервлияние примесей-геттеров сказывается на увеличении воспроизводимости эффекта внутреннего генерирования, повышает стабильность значений концентрации дефектов и равномерность их распределения, а также «мощность» внутреннего геттера;

6) Измерения прогиба на пластинах КДБ-12 (100), легированных Hf и нелегированных, до и после формирования внутреннего геттера показали меньшее значение прогиба для легированных пластин, что свидетельствует о большей однородности распределения остаточных напряжений по сравнению со стандартными пластинами.

7) Исследование параметров пластин показало, что использование примесного генерирования в процессе выращивания по методу Чохральского позволяет получать монокристаллический кремний, удовлетворящий техническим требованиям для производства СБИС.

8) Результаты использования кремния с примесью-геттером для производства СБИС динамических схем памяти свидетельствуют об уменьшении брака по периоду регенерации ~ в 10 раз при одновременном увеличении выхода годных.

9) Применение монокристаллического кремния, выращенного по методу Чохральского с добавлением примеси-геттера, для производства фотодиодов ИК-диапазона свидетельствует о возможности использования такого материала и соответствии рабочих характеристиках изготовленных устройств техническим условиям.

В заключение я хочу выразить благодарность моему научному руководителю В. К. Прокофьевой, кандидату химических наук, и Е. Б. Соколову, доктору технических наук, заведующему кафедрой СММЭ, за помощь при работе над диссертацией и обсуждении полученных результатов. Я очень признательна Н. В. Бондарцу, В. М. Гонтарю, А. В. Короткевичу и В. Н. Степченкову за помощь при проведении экспериментальных исследований.

Пользуясь случаем, хочу выразить искренюю признательность всем своим коллегам по работе и сотрудникам кафедры СММЭ за помощь и моральную поддержку.