Влияние взаимодействия примесей и дефектов на процессы геттерирования в кремнии для планарной технологии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Сергеева, Жанна Михайловна

• Сергеева, Жанна Михайловна
• кандидат технических наук
• 1994

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сергеева, Жанна Михайловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОВЕДЕНИЙ ПРИМЕСЕЙ И

ДЕФЕКТ00БРА30ВАНИИ В КРЕМНИИ

1.1. Классификация дефектов в бездислокационном кремнии

1.2. Описание растворимости примесей в кремнии

1.3. Поведение переходных металлов в кремнии

1.3.1. Состояние в кристаллической решетке кремния

1.3.2. Особенности поведения титана, циркония, гафния в кремнии . зб

1.3.3. Диаграммы фазового равновесия систем

Ti-Si, Zr-Si И Hf-Si

1.3.4. Коэффициенты распределения титана, циркония, гафния в кремнии

1.4. Проблема кислорода в кремнии

1.4.1. ДефектооСразование на основе кислорода

1.4.2. Внутреннее генерирование

1.4.3. Примесное генерирование

ВЫВОДЫ

ГЛАВА II. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ,

ЛЕГИРОВАННЫХ ПРИМЕСЯМИ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Zr, Hf), И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ.

11.1. Технология получения монокристаллов кремния, легированных zr, Hf

11.2. Методы исследования электрофизических свойств

4 II.2.1. Метод измерения коэффициента Холла и удельного сопротивления . бз

11.2.2. Исследование образцов методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней

11.2.3. Метод измерения концентрации кислорода и углерода

11.2.4. СВЧ-релаксометрия для контроля времени жизни носителей заряда

II.3. Методы контроля структурного совершенства

11.3.1. Рентгеновская дифрактометрия

11.3.2. Методы селективного травления

ВЫВОДЫ

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТ00БРА30ВАНИЯ В МОНОКРИС

ТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ, ЛЕГИРОВАННОМ ЦИРКОНИЕМ

И ГАФНИЕМ

IIIЛ. Исследование особенностей образования ростовых дефектов

II1.2. Оптимизация процессов формирования внутренне геттера в кремниевых подложках с различным содержанием кислорода

III.2.1. Технологический маршрут производства кремниевых пластин с учетом их скорости преципитации

II1.2.2 Исследование формирования и термостабильности внутреннего геттера в пластинах кремния, легированных zr и Hf k ВЫВОДЫ

ГЛАВА iv. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРЕМНИЯ С ПРИМЕСНЫМ ГЕТТЕРОМ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ iv.1. Исследование электрофизических параметров и изучение энергетического спектра глубоких уровней методами температурной зависимости эффекта Холла и релаксационной спектроскопии глубоких уровней iv.2. Изготовление СБИС динамических схем памяти iv.з. Изготовление фотодиодов ИК-диапазона

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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.,

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Сергеева, Жанна Михайловна

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 термообработки; установлено, что в ходе модельного процесса изготовления КМОП ИС на пластинах с высокой скоростью преципитации формируется термостабильный внутренний геттер; влияние 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сергеева, Жанна Михайловна, 1994 год

1. Schulz К. Handbook on si 1 icon.//Springer, New York, 1985, 399p.

2. Физическая энциклопедия. //Под ред. Кнунянц И.А. в 5 т.-М.: Сов. энциклопедия, 1990.

3. Химическая энциклопедия. //Под ред. Прохорова А.Ш. в 5 т. -М.: Сов. энциклопедия, 1990.

4. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник -Л.: Химия, 1977, 376с.

5. Регель А.Р., Глазов В.М. Периодический закон и физические свойства электронных расплавов. М.: Наука, 1978, 307с.

6. Мильвидский Н.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия, 1984, 180с.

7. Бургуэн Ж., Ланно М. Точечные дефекты в полупроводниках: Теория. //Под ред. Гальперина Ю.М. М.: Мир, 1984, 240с.

8. Фистуль В.И. Распад пересыщенных полупроводниковых твердых растворов. М.: Металлургия, 1977, 240с.

9. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М.: Мир, 1984, 438с.10. de Kock A.J.R. Handbook on semi conductors.//Ed. by Seymour, P. Keller North- Holland Publishing Company, 1981, v. 3, pp.269-309.

10. Brouwer G. МеТОД ОПИСЭНИЯ фаЗОВЫХ раВНОВвСИЙ.//Phi 1ips Res. Rep., v.9, 1954, pp.366-377.

11. Крегер Ф. Химия несовершенных кристаллов. //Пер. с англ. -М.: Мир, 1969, 654с.

12. Crystals: Growth, Properties, and Applications. Ed. by H.C. Freyhardt //Springer—Verlag, Berlin Heidelberg New Your, 1982, p.28.

13. Глазов B.M., Земсков B.C. Физико-химические основы легирования полупроводников. М.: Наука, 1967, 258с.

14. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. /Под ред. С.М. Рывкина М.: Радио и связь, 1981, 248с.

15. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. /Под. ред. М.К. Шейнкмана. М.: Мир, 1977, 562с.

16. Бацанов С.С. //ЖСХ, 1962, т. 3, с.616-628.

17. Паулинг JI. Природа химической связи. М.: - Л. - Госхим-издат, 1947, 470с.

18. Гольдшмидт В.М. Кристаллохимия //Пер. с нем. Л.: ОНТМ, 1937, 231с.

19. Ahrens L.H. //Geohim. Cosmochim. Hcta, 1952, v. 2, pp.155169.

20. Бокий P.Б. Кристаллохимия. -M.: Наука, I971, 400с.

21. Бацанов С.С. Электротрицательность элементов и химическая связь. Новосибирск: изд. СО АН СССР, 1962, 196с.

22. Shanon R.D., Prewitt С.Т.//Acta Cryst. В., 1969. v. 225, pp. 915-916.

23. Ludwig G.W., Woodbeiry H.H. //Phys. Rev. Lett., 1960. v. 5, pp.98-103.

24. Ройцин А.Б., Фирштейн Л.А. Теоретическая и экспериментальная химия, т. 2, 1966, с.747-766.

25. Фистуль В.И. Амфотерные примеси в полупроводниках. М.: Металлургия, 1992, 240с.

26. Компенсированный кремний /Под ред. Б.И. Болтакса. Л.: Наука, 1972, 121с.

27. Lemke H. Properties of Silicon Crystals Doped with Zirconium or Hafnium //Phys. Stat. Solid! (a), v. 122, 1990, pp 617630.

28. Мильвидский М.Г. и др. Монокристаллический кремний, легированный некоторыми редкими и переходными элементами.//В сб. Легированные полупроводниковые материалы. /Под ред. B.C. Земскова. М.: Наука, 1985, с.97.

29. Yamauchi Т. at al. Solid phase reaction and electrical properties in Zr/Si system. //Appl. Phys. Lett., v.57, N 11, 1990, pp. 1105-1107.

30. Прокофьева В.К., Макеев М.Х., Макеров Н.Г. и др. Влияние примесей-геттеров переходных металлов на свойства кремния для СБИС. //Сб. трудов МИЭТ, сер. Материалы. М.: МИЭТ, 1989, с.5-13.

31. Алисова С.П., Будбер П.Б. Диаграмма состояний металлических систем. М.: Изд. комб. ВИНИТИ, 1972, вып. 16, 410с.

32. Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. /Пер. с англ. М.: Мир, 1986, 176с.

33. Гельд Г.В., Сидоренко Ф.Н. Силициды переходных металлов четвертого периода. М.: Металлургия, 1971, 205с.

34. Реньян В.Р. Технология полупроводникового кремния./Пер. с англ.//Под ред. Ю.М. Шашкова М.: Металлургия, 1969, 335с.

35. Davis J.R., Rohatgi A., Hopkins R.H. Impurities in siliconsolar cells.//IEEE trans.on electr. dev., 1980, v.ED-27, N 4, pp.677-687.

36. Rohatgi A., Davis J.R., Hoprins R.H. Effect of titanium, copper and iron on silicon solar се 11s.//Sol id State Electr., 1980, v. 23, N 5, pp.415-422.

37. Ponce F.A., Hahn S. Microscopic aspects of oxygen precipitation in si 1 icon.//Mater. Science and Eng., B.4, 1989, pp. 11-17.

38. Gregorkiewicz Т., Bekman H.H.P.Th. Thermal donors and oxy-B.4, 1989, pp.291-297.

39. Jastrzebski L. Orijin and control of material defects in silicon VLSI technologies: an overview.//IEEE Sol id-State Circuits, v. sc. 17, N 2, 1982, pp.105-107.

40. Hu S.M. Precipitation of oxygen in silicon.//J. Appl. Phys.,1981, v. 52. N 6, pp.3974-3985.

41. Kaiser W. et al. Mechanism of the formation of donor states in heat-treated si 1 icon.//Phys. Rev., v. 112, N 5, dec. 1958, pp.1546-1554.

42. Wada K. Unified model for formation kinetics of oxygen thermal donors in si 1 icon.//Phys. Rev. В., v. 30, N 10, 1984, pp.5884-5895.

43. Huber D. Reffli J. Precipitation process design for denuded zone formation in Cz—silicon wafers. //J. Appl. Phys., 1988, v.64, N 2, pp.849-855.

44. Wada K., Inoue N. Growth kinetics of oxide precipitates in Cz—si 1 icon. J. Crystal Growth, v.71. 1985, pp.111-112.

45. Watkins G.D. Thermal donors in silicon- 86.//IEEE Defects in semi conductors./Ed. by H.J> von Bardeleben, Mater. Scrence Fofum, vv.10-12, 1986, pp.953-960.

46. Claybourn M. , Newman R.C. Thermal-donor formation in boron doped si 1 icon.//IEEE Material Science Forum, vv.38-41, 1989, pp.613-618.

47. Matsumoto S., Kaneco H., Sasao T.//IEEE Defects in semiconductors. /Ed. by H.J. von Bardeleben, Mater. Scrence Fofum, vv.10-12, 1986, pp.1003-1008.

48. Handbook of advanced semiconductor technology // Ed. by G.R.1. Rabbat, New Yourk, 1988.

49. Edwards W.D. Interaction between oxygen and aluminium in germanium., 1963, pp.2497-2498.

50. Соколов Е.Б., Прокофьева В.К., Главин Т.Т. 0 явлении "самокомпенсации" примесей в германии. Неорганические материалы, т.2, N12, 1966, с.10.

51. Рыгалин Б.Н., Салманов А.Р., Прокофьева В.К. Влияние магния на свойства кремния, содержащего кислород. Неорганические материалы, т.17, n7, 1981, с.1141.

52. Рыгалин Б.Н., Салманов А.Р., Прокофьева В.К. Свойства высо-коомного кремния, полученного зонной плавкой с третьим компонентом. Электронная техника, сер. Материалы, вып.7(168), 1982, с.21.

53. Салманов А.Р., Рыгалин Б.Н., Батавин В.В. и др. Эффект по50