Исследование нарушений структуры кремния, возникающих при химико-механическом полировании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Макаров, Антон Сергеевич

• Макаров, Антон Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макаров, Антон Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ НА СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА.

1.1. Факторы, влияющие на чистоту и качество поверхности пластин кремния.

1.2. Абразивный износ, связанный с процессами хрупкого разрушения при механической обработке.

1.3. Абразивный износ, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности, при химико-механическом полировании.

1.4. Влияние дефектов структуры на электрические параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем.

1.5. Постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ. .38 2.1. Рентгеновские методы исследования дефектов структуры в объеме и приповерхностных слоях полированных пластин кремния.

2.2. Просвечивающая электронная микроскопия дефектов.

2.3. Методика определения нарушенного слоя с помощью измерения механической прочности.

2.4. Метод непрерывного вдавливания индентора. Основы метода и возможности применения в микроэлектронике.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И КАЧЕСТВА ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ

СЛОЕВ В ПЛАСТИНАХ КРЕМНИЯ.

3.1. Исследование приповерхностных слоев методами рентгеновской топографии.

3.2. Исследование приповерхностных слоев методами просвечивающей электронной микроскопии.

3.3. Исследование остаточных нарушений с помощью метода непрерывного вдавливания индентора.

3.4. Определение остаточных внутренних напряжений в приповерхностном слое кремния на стадии съема при

3.5. Разработка атомного механизма процесса ХМП.

3.6. Химические реакции в процессе ХМП.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

РАБОТЫ.

4.1. Использование неразрушающих рентгеновских методов исследования дефектов структуры для корректировки технологии производства пластин кремния большого диаметра.

4.2. Механическая прочность утоненных с обратной стороны пластин кремния с приборными структурами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нарушений структуры кремния, возникающих при химико-механическом полировании»

В современном полупроводниковом производстве тенденция увеличения диаметра кремниевых пластин, используемых для изготовления СБИС и ССИС, продолжает оставаться одним из наиболее существенных элементов увеличения производительности и снижения цены изделия, приведенной к одному квадратному сантиметру кристалла. Это достигается за счет увеличения числа кристаллов на пластине с увеличением ее диаметра [1], снижения минимального топологического размера элементов памяти и, соответственно, увеличения емкости динамической оперативной памяти запоминающего устройства (ДОЗУ) [2].

По прогнозам специалистов [3, 4] в производстве интегральных схем основным материалом ближайшего десятилетия будет оставаться кремний. Увеличение объема выпуска кремниевых пластин в ближайшее время будет обеспечиваться в основном за счет выпуска пластин кремния диаметром 150 мм, 200 мм и 300 мм с перераспределением объема выпуска в пользу последних. Требования к качеству пластин кремния большого диаметра определяются в основном применением проекционных методов прецизионной микролитографии субмикронных размеров, используемой для создания СБИС и ССИС. По мере уменьшения размеров элементов и увеличения степени интеграции СБИС, сопровождающихся уменьшением толщины подзатворного диэлектрика до нескольких нанометров, структура приповерхностного слоя границы раздела и поверхности пластин кремния начинают оказывать определяющее влияние на характеристики подзатворного диэлектрика [46, 51].

Целью настоящей работы являлось: сформулировать представления о структуре приповерхностных слоев в пластинах кремния после химико-механического полирования.

В первой главе проведен аналитический обзор литературных данных о процессе химико-механического полирования и о влиянии дефектов структуры на электрические параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе формулируются основные требования к методам исследования приповерхностных слоев пластин кремния. Разрабатывается комплексный подход к исследованию приповерхностных слоев, основанный на сочетании методов рентгеновской топографии, просвечивающей электронной микроскопии, а также метода непрерывного вдавливания индентора.

В третьей главе приводятся результаты комплексного исследования приповерхностных слоев кремниевых пластин различными взаимодополняющими методами. Разрабатывается алгоритм расчета нормальных напряжений, действующих в области контакта наночастицы с поверхностью кремния, и относительного пересыщения межузельными атомами кремния в области контакта. Предлагается разработанная на основе этого алгоритма качественная модель формирования нарушенных слоев при проведении процесса химико-механического полирования.

В четвертой главе дается описание практической реализации результатов работы для исследования дефектов структуры и корректировки технологии производства пластин кремния.

В конце диссертации приведены основные выводы.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Комплекс исследований нарушений структуры кремния, возникающих при проведении процесса ХМП;

2. Алгоритм расчета нормальных напряжений, действующих в области контакта наночастицы с поверхностью кремния, и относительного пересыщения межузельными атомами кремния в области контакта;

3. Качественная модель образования нарушенных слоев в пластинах кремния при проведении процесса химико-механического полирования;

4. Комплекс методик для исследования нарушений структуры в приповерхностных слоях кремниевых пластин.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Макаров, Антон Сергеевич

Общие выводы

1. Структура поверхностного слоя подложки, прошедшей стадию предварительного полирования, является аморфно-кристаллической, а после стадии финишного полирования аморфной. Толщина этих слоев составляет 0,1ч-0,3 мкм и 0,02-Ю,03 мкм, соответственно. Разрешающая способность использованных средств визуализации - не хуже 0,1 мкм для метода рентгеновской топографии при скользящих углах падения и 0,19 нм для просвечивающей электронной микроскопии с прямым разрешением решетки.

2. Образование аморфной фазы, не обладающей дальним порядком, обусловлено значительным пересыщением по межузельным атомам кремния. Ее возникновение связано с локальным воздействием больших сжимающих напряжений (до 300 МПа) и высокой моментной температуры (Т ~ 600°С) в области контакта наночастиц с поверхностью кремния.

3. Качественно модель формирования аморфной фазы подтверждается корреляцией результатов измерений параметров структуры (разупорядоченности структуры и глубины нарушений) с расчетами механических свойств и остаточных внутренних напряжений приповерхностных слоев.

4. Следствием результатов исследований явилось практическое использование разработанных методик выявления возникающих при ХМП пластин кремния нарушений структуры и их глубины для факультативного контроля пластин, а также для получения утоненных пластин со сформированными структурами. Акты об использовании результатов прилагаются к диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Подложки кремния являются началом длинного пути превращения кремния в интеллектуальный продукт. Их качество, в том числе свойства приповерхностных слоев подложек, во многом определяют возможности достижения поставленной цели.

Информация о нарушениях поверхностных слоев кремния, возникающих при проведении процесса ХМП подложек в действующем производстве, была получена при исключительном благоприятствовании и поддержке ведущих сотрудников ОАО "Элма", Институтов Кристаллографии и Машиноведения РАН, ГИРЕДМЕТ, а также сотрудников МИТХТ. Это позволило не только существенно дополнить картину явлений, происходящих при этом виде обработки, но и дает надежду на повышение качества и выхода годных в производстве ИС.

В работе изучалась одна из составляющих процесса ХМП -силовое воздействие на поверхность пластин наночастиц диоксида кремния. Такое локальное воздействие переводит некоторую массу кремния в более высокое энергетическое состояние. Последующие реакции - взаимодействие с водой и щелочью и переход образовавшихся соединений кремния в раствор дополняют процесс съема поверхностных слоев. Результаты исследования изложены ниже как общие выводы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макаров, Антон Сергеевич, 2000 год

1. Валиев К., Орликовский А. Технологии СБИС. Основные тенденции развития. Часть 1. Электроника: Наука, технология, бизнес - 1996, № 5-6, с.3-11.

2. Валиев К., Орликовский А. Технологии СБИС. Основные тенденции развития. Часть II. Электроника: Наука, технология, бизнес 1997, № 1, с.3-14.

3. Чистяков Ю.Д., Пекарев А.И., Бурмистров А.Н. Производство кремниевых подложек для больших интегральных схем // Зарубежная электронная техника. 1986, вып.4, с.72-80.

4. М. Watanabe. Technical trends in large diameter silicon wafers // Solid State Technology 1991, No. 3, pp. 69-73.

5. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982 - 240 с.

6. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Пер. с англ. М.: Мир, 1984 - 475 с.

7. В.О. Kolbessen, Н.Р. Strank. Analysis electrical effects and prevention of process induced defects in silicon integrated circuits // In "ULSI electronics microstructure science". 1995, v. 12, Ch. 4, pp. 143-222.

8. K. Akamatsu, T. Nakamura, N. Arakawa. Mirror polishing of Si-wafers // J. Jap. Appl. Soc. Precis. Eng. 1989., v. 55, No. 6, pp. 10851090.

9. R. Jairath, A. Pant, T. Mallon, B. Withers, W. Krusel. Linear planarization for CMP // Solid State Technology 1996, No. 10, pp. 107-114.

10. K.E. Puttick, L.C. Whitemore, C.L. Chao, A.E. Gu. Transmission electron microscopy of nanomachined silicon crystals // Philosoph. Mag. 1994, v. 64, No. 1, pp. 91-103.

11. Левитан С.Ф., Приходько A.B., Соколов Ю.В. Низкотемпературные образования фазы Si IV при индентировании поверхности кремния // Укр. физ. журн. 1990, т. 35, № 10, с. 1537-1542.

12. R.W. Cahn. Metallic solid silicon // Nature 1992, v. 357, No. 6380, pp. 645-646.

13. D.R. Clarke, M.C. Kroll, P.D. Kirchner, R.F. Cook, B.J. Hockey. Amorfization and conducivity of silicon and germanium induced by identation // Phys Rev. Lett. 1988, v. 60, No. 21, pp. 2156-2159.

14. S. Johansson, J.A. Schweitz, K.P. Lagerlof. Surface defects in polished silicon studied by cross-sectional transmission electron microscopy // J. Amer. Ceram. Soc. 1989, v. 72, No. 7, pp. 11361139.

15. K. Minowa, K. Sumino. Stress-induced amorphization of a silicon crystal by mechanical scratching // Phys. Rev. Lett. 1992, v. 69, No. 2, pp. 320-322.

16. J.C. Morris, D.L. Callagan, J. Kulik, J.A. Patten, R.O. Scattergood. Origins of ductile regime in single-point diamond turning of semiconductors // J. Amer. Ceram. Soc. 1995, v. 78, No. 8, pp. 2015-2020.

17. G.M. Pharr, W.C. Oliver, D.S. Harding. New evidance for pressure induced phase transformation during the indentation of silicon // J. Matter. Res. 1991, v. 6, No. 6, pp. 1129-1130.

18. T.Shibata, A. Ono, K. Kurihara, E. Makino, M. Ikeda. Cross-section transmission electron microscope observations of diamond-turned single-crystal silicon surface // Appl. Phys. Lett. 1994, v. 65, No. 20, pp. 2553-2555.

19. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. - 224с.

20. М.A. El Khanaki, М. Chaker, М.Е. O'Hern, W.C. Oliver. Linear dependence of both the hardness and the elastic modulus of pulsed laser deposited a-SiC-films upon their Si-C bond density // J. Appl. Phys. 1997, v. 82, No. 9, pp. 4310-4318.

21. C.W. Liu, B.T. Dai, C.F. Yeh. Characterization of the chemical-mechanical polishing process based on nanoindentation measurement of dielectric films // J. Electrochem. Soc. 1995, v. 142, No. 9, pp. 3098-3103.

22. W.T. Tseng, C.W. Liu, B.T. Dai, C.F. Yeh. Effects of mechanical characteristics on the chemical-mechanical polishing of dielectric thin films // Thin Solid Films 1996, v. 290-291, pp. 458-463.

23. A.G. Evans, T.R. Wilshaw. Quasi-static solid particle damage in brittle solids. I. Observation, analysis and implications. // Acta Metallurgica 1976, v. 24, No. 10, pp. 939-956.

24. D.J. Watts, A.F.W. Willoughby. Indentation fracture in the Ini.x GaxAsyPi.y/InP system and its effect of microhardness anisotropy characteristics // J. Mater.Sci. 1998, v. 23, No. 1, pp. 272-280.

25. I.J. McColm. Ceramic hardness. Plenum Press

26. Буренков Ю.А., Никаноров С.П. Упругие свойства и силы связи кристаллов с решеткой алмаза и сфалерита. ФТТ 1984, т. 26, в. 11, с. 3224-3232.

27. Горелик С.С., Литвинов Ю.М. Вязкость и поверхностная энергия разрушения монокристаллов ГГГ и арсенида галлия // Тез. докл. V Республиканской конференции "Физика разрушения" г. Черновцы 1985 г., с. 127-129.

28. Литвинов Ю.М. Трещиностойкость полупроводниковых соединений АШВУ: влияние ионности и металлизации связей // Тез. докл. VI Всесоюзной конференции "Физика разрушения" г. Киев-1989, с. 26-27.

29. M.D. Dory, R.H. Dauskardt, A. Kaut, R.O. Ritchie. Fracture of synthetic diamond // J. Appl. Phys. 1995, v. 78, No. 5, pp. 30833088.

30. Yu.V. Milman, B.A. Galanov, S.I. Chugunova. Plasticity characteristic obtained through hardness measurement // Acta metall mater. 1993, v. 41, No. 9, pp. 2523-2532.

31. Y. Kondo, A. Tsukuda, A. Takada, S. Okada. Grinding forces and elastic recovery in ceramic materials // J. Amer. Ceram. Soc. 1994, v. 77, No. 6, pp. 1653-1654.

32. A. Krell, P. Blank. Advances in the grinding efficiency of sintered alumina abrasives // J. Amer. Ceram. Soc. 1996, v. 79, No. 3, pp. 763-769.

33. Васильева И.Г., Аюпов Б.М., Журавлев B.H., Гибнер Я.И. Ультрадисперсные системы для финишной полировки // Электронная промышленность 1996, в. 1, с. 56-57.

34. Гольцова М.В., Стасова О.М., Калякина Т.М. Химико-механическая полировка завоевывает прочное положение в технологии микроэлектроники. // Зарубежная электронная техника 1996, в. 3-4, с. 53-77.

35. Р. Jairath, I. Farkas, S.K. Huand, M. Steell, S.M. Tseng. Chemical-mechanical polishing // Solid State Technology 1994, No. 7, pp. 7177.

36. C.W. Liu, B.T. Dai, W.T. Tseng, C.F. Yeh. Modelling of the wear mechanism during chemical-mechanical polishing // J. Electrochem. Soc. 1996, v. 143, No. 2, pp. 716-721.

37. S.R. Runnels. Feature-scale fluid-based errosion modeling for chemical-mechanical polishing // J. Electrochem. Soc. 1994, v. 141, No. 7, pp. 1900-1904.

38. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машгиз, 1962. - 383с.

39. Н. Mikoshiba, N. Nishio, Т. Matsumoto, Н. Kikuchi, Т. Kitano and Н. Kaneko. Defect Engineering in Semiconductor Growth and Device Technology // Material Research Society 1992, p. 629.

40. Sun S. Kim and W. Wijaranakula // J. Electrochem. Soc. 1994, v. 141, p. 1872.

41. T. Nitta, T. Ohmi, Y. Ishihara, A. Okita, T. Shibata, J. Sugiura and N. Ohwada // J. Appl. Phys. 1990, v. 67, p. 7404.

42. К. Miyoshi, К. Terashima, Y. Muramatsu, N. Nishio, T. Murotani, S. Saito // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1997, v. В 127/128, pp. 68-81.

43. M. Hirose, M. Hiroshima, T. Yasaka, S. Miyazaki // J. Vac. Sci. Technol. 1994, v. 12 A, p. 1864.

44. M. Niwa, T. Kouzaki, K. Okada, M. Udagawa, R. Sinclair // Jpn. J. Appl. Phys. 1994, v. 33, p. 388.

45. M. Depas, A. Crossley, B. Vermeire, P.W. Mertens, C.J. Sofield, M.M. Heyns // In: Proc. of the 26th IEEE Semicond. Interf. Specialists Conference -1995, Charleston.

46. R.I. Hedge, M.A. Chonco, P.J. Tobin // J. Vac. Sci. Technol. 1994, v. 14 B, p. 3299.

47. M. Houssa, T. Nigam, P.W. Mertens, M.M. Heyns // Solid-State Electronics 1999, v. 43, pp. 159-167.

48. Афанасьев A.M., Александров П. А., Имамов P.M. Рентгенодифракционная диагностика субмикронных слоев. М., Наука 1989,152 с.

49. Павлов В.Ф. Отчет по НИР "Разработка неразрушающей рентгенотопографической методики оценки структурного совершенства тонких мембранных композиций". М., ГИРЕДМЕТ -1994,51 с.

50. Лебедев С.В. Совершенствование изоляции и уменьшение токовых утечек в структурах СБИС. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1997, 123 с.

51. Пух В.П. Прочность и разрушение стекла. Л.: Наука, 1973.

52. К. McGuire, S. Danyluk, T.L. Baker, J.W. Rupnow, D.McLanghlin. The influence of backgrinding on the fracture strength of 100 mm (111) p-type silicon wafers // J. Mater. Sci. 1997, v. 32, No. 14, pp. 1017-1024.

53. Воловец Л.Д., Пугачев Г.С. Измерение прочности листового стекла на гибкой пластине. // Заводская лаборатория 1967, т. 33, № 12, с. 1572-1574.

54. Концевой Ю.А., Кузьмин А.А., Фаттахов Э.А., Шевченко Г.Я. Установка для испытаний на прочность полупроводниковых материалов. // Заводская лаборатория 1973, т. 39, № 8, с. 10131014.

55. W.C. Oliver, G.M. Pharr: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displasement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. 1992, v. 7, No. 6, pp. 15641583.

56. G.M. Pharr, W.C. Oliver: Measurement of thin film mechanical properties using nanoindentation // MRS Bulletin 1992, v. 17, No. 7, pp. 28-33.

57. M. Sakai: Energy principle of the indentation-induced inelastic surface deformation and hardness of brittle materials // Acta metall. Mater. -1993, v. 41, No. 6, pp. 1751-1758

58. Y. Ogita, Y. Hosoda, М. Miyazaki. Mirror-polishing residual damage characterization in the subsurface of Si wafers using N2-laser /mm-wave photoconductivity amplitude technique // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1997, v. 477, pp. 209-214.

59. X. Zhang, Y.Y. Zhang, Y. Zohar, S. Lee. Investigation on subsurface damage in silicon wafers // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1997, v. 442, pp. 199-204.

60. Y. Ogita, H. Shinohara, Т. Sawanobori, M. Kurokawa. Silicon wafer subsurface characterization with blue-laser/microwave an UV-laser/millimeter-wave photoconductivirty techniques // Proc. SPIE -1998, v. 3509, pp. 65-73.

61. C.M. Cheng, Y.T. Cheng. On the initial unloading slope in indentation of elastic-plastic solids by the indenter with an axisymmetric smooth profile // Appl. Phys. Lett. 1997, v. 71, No. 18, pp. 2623-2625.

62. Y.T. Cheng, C.M. Cheng. Scaling approach to conical indentation in elastic-plastic solids with work hardering // J. Appl. Phys. 1998, v. 84, No. 1284-1291.

63. Y.T. Cheng, C.M. Cheng. Relationships between hardness elastic modulus and the work indentation // Appl. Phys. Lett. 1998, v. 73, No. 5, pp. 614-616.

64. S. Suresh, A.E. Giannakopoulos. A new method for estimating residual stresses by instrumented sharp indentation // Acta mater. -1998, v. 46, No. 16, pp. 5755-5767.

65. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Михеев А.А.: Исследование динамики дефектов структуры полупроводниковых материалов методом наноиндентирования // Международная конференция по росту и физике кристаллов. Москва, МИСиС, 1998, с. 172.

66. Тимошенко С.П., Гудьер Дж.: Теория упругости. Москва, Наука, 1979-560 с.

67. Алехин В.П.: Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. Москва, Наука, 1983 280 с.

68. Т. Okino, Т. Shimosaki, R. Takaue. Self-interstitials in silicon // Jap. J. Appl. Phys. Pt. 1 - 1997, v. 36, No.l 1, pp. 6591-6594.

69. V.H. Bulsara, Y. Ahn, S. Chandrasekar, T.N. Farris. Polishing and lapping temperatures // Trans. ASME J. Tribology 1997, v. 119, No. l,pp. 163-170.

70. J. Vedde, P. Gravessen. The fracture strength of nitrogen doped silicon wafers // Material Science and Engeneering 1996, В 36, pp. 246250.

71. С. McHatton, C.M. Gumbert. Elimination backgrinding defects with wet chemical etching // Solid State Technology 1998, v. 41, No. 11, pp. 85-90.;

72. Annual Book of ASTM Standards, 1999, v. 10.05, ASTM F 950-98, pp. 315-319.

73. T. Ikeda, N. Miyazaki, K. Kudo, K. Amita, H. Yakiyama. Failure estimation of semiconductor chip during wire bonding process // Trans. ASME. J. of Electron. Pack. 1999, v. 121, No. 2, pp. 85-91.

74. A.C. Макаров, С.А. Неустроев, Ю.М. Литвинов, М.Ю. Литвинов. Атомный механизм процесса химико-механического полирования пластин кремния // Известия ВУЗов. Электроника. -2000, № 3, с.34-37.

75. УТВЕРЖДАЮТриложение 1 Зам. ген. директора по производству1. А.А. Кузьмин-2000 г.1. Актоб использовании результатов диссертационной работы Макарова Антона Сергеевича "Исследование нарушений структуры, возникающих при химико-механическом полировании"

76. УТВЕРЖДАШриложение 2 Генеральный директор2000 г.1. Н.И. Марков1. Актоб использовании результатов диссертационной работы Макарова Антона Сергеевича "Исследование нарушений структуры, возникающих при химико-механическом полировании"

77. Вед. инж.-технолог ООО "Эл:1. A.M. Дьячков/