А.Г. Захаров, д-р техн. наук, проф., В.Н. Котов, канд. техн. наук, Н.А. Кракотец, аспирант, НИИ МВС ТРГУ (г. Таганрог)
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ГЕТТЕРИРОВАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИИ
|
Рассмотрена модель диффузии вещества в поле напряжений Показано, что
данная модель позволяет описать кинетику захвата примесных атомов
дислокациями и другими возможными источниками локальных напряжений в
полупроводниковом кремнии Предложенная модель может быть использована для
описания процесса геттерирования структурных точечных дефектов в кремнии
нарушенным слоем, сформированным электроимпульсной обработкой. |
Геттерирование металлических
примесей в кремнии
Моделирование процесса
геттерирования электрически активных дефектов нарушенным слоем
Введение
В настоящее время достигнут значительный прогресс в области контроля содержания примесей в полупроводниках. Тем не менее, проблема контроля электрически активных примесей в полупроводниковых кристаллах, способных изменять характеристики приборов, по-прежнему остается одной из главных и является предметом многочисленных исследований. Поскольку разработать технологический процесс, позволяющий получить полупроводниковые приборы, сенсорные структуры и интегральные микросхемы (ИС), полностью свободные от дефектов, практически невозможно, то очевидна необходимость разработки методик, позволяющих на определенной стадии процесса обнаружить загрязнения в структуре кристалла и удалить их из области локализации элементов ИС с помощью соответствующих геттеров. Разработка методов геттерирования ведется весьма интенсивно, однако успех того или иного метода зависит от правильного понимания динамики дефектов и примесей в кристалле, а следовательно, от разработки адекватных моделей физических процессов геттерирования.
Геттерирование металлических примесей в кремнии
Для многих сверхбольших интегральных схем (СБИС), в частности для
динамических схем памяти с произвольной выборкой, необходимо максимально
снизить токи утечки 
-переходов. Биполярные транзисторы с узкой базовой областью
очень чувствительны к наличию преципитатов металлических примесей (в основном
атомов переходных металлов), находящихся в кремнии в виде силицидов, которые
обладают высокой электропроводностью и могут шунтировать эмиттер и коллектор
транзистора.
Приборы, изготовленные на основе МОП-структур, очень чувствительны к поверхностным дефектам. Локализованные на границе Si-SiO2 поверхностные состояния формируют дополнительные энергетические уровни в запрещенной зоне кремния. Одной из причин появления поверхностных состояний являются атомы металлов.
Кроме того, загрязнение кремния быстродиффундирующими атомами металлов является одной из причин снижения его термостабильности [1].
Таким образом, целесообразна разработка методов удаления или деактивации металлических примесей из рабочих областей кремния. При разработке данных методов учитывается тот факт, что выделение металлических примесей может происходить на дислокациях и других локальных областях, являющихся источниками локальных напряжений в кристалле Локальные напряжения в нерабочих областях кристалла можно создавать различными способами: абразивной или ударно-акустической обработкой, ионной имплантацией, лазерным облучением и диффузионным легированием. Предпочтение в создании нарушенных областей отдается методам с легко управляемым процессом формирования геттера и обеспечивающим высокую воспроизводимость его параметров. В [2] показано, что электроискровая (электроимпульсная) обработка (ЭИО) позволяет формировать локальные структурно-неоднородные области в кристаллах в любых технологических средах, причем метод отличается простотой проведения процесса и низкой стоимостью оборудования. В условиях выбранного режима ЭИО в приповерхностной области пластины кремния формируется нарушенный слой, содержащий микротрещины, мозаичные участки с искаженной структурой более глубоких слоев, а также поликристаллические участки. Деформация кристаллической решетки, обусловленная ЭИО, трансформируется при последующих высокотемпературных обработках в дислокации и в дефекты упаковки. Глубина залегания дефектной области может составлять 30-40 мкм, а при мягких режимах 10-15 мкм; возможно также создание нарушенного слоя глубиной, не превышающей 2 мкм.
Слой полупроводника, содержащий скопления дислокации, обладает дальнодействующим полем упругих напряжений и способствует возникновению направленного движения примесных атомов из рабочих областей пластины к нарушенной области. Температурная обработка полупроводниковой структуры приводит к закреплению примесных атомов на дислокациях, причем формирование примесных атмосфер не изменяет дальнодействующий характер напряжений [3]. Таким образом, создание подобного геттера является очень эффективным, поскольку он работает в течение всего технологического процесса изготовления полупроводникового прибора.
В [4] установлена возможность эффективного предокислительного геттерирования точечных дефектов в процессе формирования МДП-структур ЭИО нерабочей поверхности кремниевой пластины Эффективность геттерирования ЭИО определяется как наличием нарушенного слоя на поверхности, так и окисных выделений в объеме пластины кремния Показано, что оптимальным для геттерирования дефектов является такой режим, при котором плотность энергии электроискрового разряда составляет 10-100 Дж×см-2.
Моделирование процесса геттерирования электрически активных дефектов нарушенным слоем
|
|
|
Рис. 1. Физическая модель процесса геттерирования |
Физическая модель процесса геттерирования примеси из рабочей стороны (PC)
кремниевой пластины представлена на рис. 1. Будем считать, что примесь с
концентрацией 
первоначально
равномерно распределена в слое 
, сформированным ЭИО обратной стороны (ОС) пластины,
представляющем скопление дислокации плотностью 
. Процесс геттерирования можно описать следующей системой
уравнений:
; (1)
;
(2)
;
(3)
. (4)
Здесь: (1) – одномерное кинетическое уравнение диффузии вещества в поле
напряжений
, (2) и (3) – уравнения для скорости и силы взаимодействия
вещества с полем напряжений соответственно; 
, где 
– локальное изменение
объема полупроводника при введении точечного дефекта (атома примеси); 
– сдвиговая компонента
тензора упругих напряжений дислокационного скопления длиной 
и толщиной 
; 
– коэффициент диффузии
примеси; 
– коэффициент Пуассона
для кремния.
Приведенная система уравнений имеет решение в виде
(5)
в случае диффузии вещества из слоя конечной толщины при следующих граничных условиях [5], удовлетворяющих выбранной модели:
· отсутствие
потока вещества через границу 
, т.е.
;
· существование
потока вещества, вызванного действием силового поля на границе 
, где 
– толщина кремниевой
пластины, т.е.
, где 
.
Поле напряжений в окрестности скопления краевых дислокации аналогично полю
напряжений у вершины сдвиговой трещины и определяется выражением (4) [6].
Максимальное значение сдвиговой компоненты тензора упругих напряжений скопления
дислокации согласно [7] связано с параметрами нарушенного слоя для случая 
следующим
соотношением:
,
где 
, 
– модуль сдвига,
вектор Бюргерса для кремния соответственно.
Изложенные соотношения (1-5) были использованы для моделирования процесса
геттерирования атомов Аl
и Cu из рабочей стороны
кремниевой пластины нарушенным слоем толщиной 5 мкм с плотностью дислокации 
см-3,
сформированным ЭИО на обратной стороне. Результаты представлены на рис. 2 и 3.
|
|
|
Рис. 2. Контуры
диффузионных потоков атомов Al |
|
|
|
Рис. 3. Контуры
диффузионных потоков атомов Cu |
На рисунках видно, что наличие на обратной стороне пластины кремния структурно-нарушенных областей, обладающих дальнодействующими полями упругих напряжений, приводит к ускоренной диффузии атомов металлов из рабочей стороны в направлении действия градиента напряжений. Полученные данные указывают на целесообразность использования для геттерирования атомов быстродиффундирующих металлов (Cu, Au, Fe и др.) импульсной термической обработки [8], а также на необходимость более продолжительного отжига для геттерирования медленнодиффундирующих примесей, к которым, в частности, относится Аl.
Очевидно, что для сокращения времени геттерирования медленнодиффундирующих примесей необходимо конструктивно уменьшать расстояние между примесной зоной и зоной геттера полупроводникового прибора. В настоящее время для изготовления датчиков давления, ускорения, температуры и других применяются полупроводниковые пластины, выполненные с использованием МЭМС-технологии в виде мембран толщиной от 30 до 50 мкм [9]. Следует ожидать, что ЭИО и последующая импульсная термическая обработк3а обратной стороны пластины-мембраны будет способствовать эффективному геттерированию медленнодиффундирующих примесей и формированию активных областей указанных приборов с улучшенными электрическими характеристиками. Аналогичные расчеты для предложенной модели показали, что при уменьшении расстояния между нарушенным и примесным слоем в 10 раз время геттерирования атомов Аl в кремниевой пластине-мембране сокращается 100 раз и составляет порядка 10 мин.
Таким образом, разработанная модель процесса геттерирования позволяет выбирать оптимальную температуру и оптимальное время технологического процесса геттерирования электрически активных примесей в кремнии нарушенными областями, а также формулировать требования по созданию нарушенных областей методом ЭИО поверхности кремниевой пластины.
Экспериментально получено, что воздействие электромагнитных колебаний на кремниевые структуры, содержащие разупорядоченные области, приводит к локальному выделению энергии излучения в указанных областях кремния и активации в них диффузионных процессов [10,11]. В [10] показана возможность термофотостимулированного легирования кремния в условиях предварительного действия на структуру кремния электрического разряда и последующей термообработки электромагнитным излучением ИК-диапазона. При этом получены локальные области, легированные бором и алюминием, по физическим параметрам не отличающиеся от полученных в результате ЭИО и последующего длительного термического отжига. Однако температура обрабатываемых подложек в данном случае может быть снижена в процессе легирования в 3-5 раз. Кроме того, локальные структурно-неоднородные области, сформированные ЭИО, в условиях термообработки ИК-излучением являются эффективными геттерами. Таким образом, дальнейшее совершенствование модели предполагает учет градиента температур, возникающего в результате ИК-облучения нарушенной ЭИО поверхности полупроводника и способствующего направленной миграции структурных точечных дефектов из объема полупроводника к сформированным разупорядоченным областям.
Список литературы
1. Бринкевич Д.И., Крюков В.П., Петров В.В. и др. Ускоренная генерация термодоноров в кремнии // Электронная техника. Материалы (260), 1991. Вып. 6. С 15-16.
2. Сеченов Д.А., Захаров А.Г., Беспятов В.В. Формирование в кремнии локальных дислокационных областей электроискровым разрядом // Электронная обработка материалов. 1975, № 2. С. 14-17
3. Орлов А.Н. Ведение в теорию дефектов в кристаллах М.: Высшая школа, 1983. 144 с.
4. Захаров А.Г., Сеченов Д.А., Беспятов В.В., Котов В.Н. Геттерирование дефектов в кремнии электроискровой обработкой // Электронная обработка материалов. 1989. № 1. С. 9-11.
5. Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках М.: Гос. изд-во физ-мат. лит. 1961. 462 с.
6. Любов Б.Я., Власов Н.М. Некоторые эффекты взаимодействия точечных и протяженных структурных дефектов // Физика металлов и металловедение (47), 1979. С. 140-147.
7. Масюкевич А.М., Рябошапка К.П. Поля напряжений и энергии дислокации, хаотически распределенных в слое и стенке // Металлофизика. 1975. Вып. 62. С. 3-9.
8. Diffusion and transient trapping of metals in silicon / Wong-Leung J. //Phus. Rev. В. 1999, (59). № 12. P. 7990-7998.
9. Каляев И.А., Котов В.Н., Клиндухов В.Г., Кухаренко А.П. Микроэлектронные сенсорные системы опыт создания и применения // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 32-36.
10. Котов В.Н. Термополевое легирование кремния. Дис. канд. техн. наук 05.27.01. Таганрог, 1986. 229 с.
11. Котов В.Н., Клиндухов В.Г., Черепахин И.И. Модификация структуры и оптических свойств кремния электроимпульсной обработкой // Микросистемная техника. 2000. № 3. С. 8-10.
| Наверх |