автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Физико-технологические основы управления процессами дефектообразования в кремниевых полупроводниковых структурах

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "НПП ПУЛЬСАР"

"ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ [РОЦЕССАМИ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ"

АВТОРЕФЕРАТ

«хертации на соискание ученой степени доктора технических наук ециальность 05.27.06 - "Технология полупроводников и материалов

I

На правах рукописи

Енишерлова-Вельяшева Кира Львовна

электронной техники'

Москва, 1998

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии

"НПП Пульсар".

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, 1фофсссор А.П. Карацюба

доктор физико-математических наук, профессор В.Т. Бублик

доктор технических наук А.Я. Губенко

Ведущее предприятие: Гиредмет, г. Москва

Защита состоится 23 октября 1998 г в 10 часов 00 мин. на заседашп Специализированного Совета Д. 142.03.01 при Государственно;* унитарном предприятии "НПП Пульсар" по адресу: 105187, Москва Окружной проезд, д.27, тел. (095) 366 54 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП "НПП Пульсар"

Автореферат разослан

03

.1998 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета при ГУП "НПП Пульсар"

кандидат технических наук Невежин В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования.

Бурное развитие микроэлектроники и силовой электроники, четкая гнденция к шпшатгоризации рабочих элементов, создаш!е новейших перс-екпшных, конструктивно сложных приборов, а также необходимость аличия высокоэффективного промышлешюго производства современных олуттроводшгковых приборов продолжают оставлять актуальными опросы влияния структурных дефектов материала на параметры и роцеит выхода годных приборов. С ростом интеграции активных эле-ентов и переходом на работу с пластинами большого диаметра значи-ость такого рода работ усиливается. В частности, при работе с пла-пшами диаметром 200-300 мм промышленная реализация кристаллов пшов) современных блоков памяти с размером кристалла свыше 100 мм2 и опологическими размерами в субмикронной области практически евозможна без серьезных проработок вопросов управления процессами сфектообразования в активных областях приборов. Перед реализацией эвременного высокоэффективного производства полупроводниковых риборов становится необходимой предварительная оценка возможного роцента выхода годных кристаллов конкретного типа приборов с учетом сех технологических особенностей производства, особенностей спользуемых. исходных материалов и с учетом предполагаемого груктурного совершенства рабочих областей прибора.

Исследова1ше процессов дефектообразования при форшгрованнп риборных структур прежде всего необходимо для конкретизации требо-ашш к исходньм монокристаллам полупроводниковых материалов и [штаксиальных структур на их основе. Кроме того, изучение проблемы груктурных несовершенств в активных областях приборов может ривесш к оптимизации самих технологических приемов зготовления приборных структур, а в отдельных случаях - подсказать естандартные решент при разработке новых перспективных риборов. Необходимы также дальнейшие исследования неравновесных роцессов, протекающих при таких технологических операциях, как

окисление, диффузия, ионное легировагае, когда имеет место резко« превышение концентраций собственных точечных дефектов на; равновесными значениями их концентраций, поскольку эти процессь могут оказыва!ъ сильное влияние на процессы дефектообразования I рабочих областях приборов.

Поскольку кремний продолжает оставаться основным материалой при производстве полупроводниковых приборов и микросхем, задач!' кремниевой технологии являются наиболее актуальными. Несмотря иг большое количество работ по структурным нарушениям в кремшш вопросы контролируемого управления дефектообразованием пр|: производстве многих кремниевых приборов требуют дальнейшего рассмотрения. В частности, не проработаны в достаточной степей* проблемы контролируемого управления дефектообразованием прг производстве таких важнейших современных твердотельных кремнневы? приборов, как фоточувствительные схемы с зарядовой связью (ФСЗС) мощные биполярные и МДП-транзисторы, ИС на основ« комплементарных транзисторов. В отечественной электронной промыш ленности не отработана методология подхода к оптимизацш: технологических приемов с целью обеспечения требуемой степени структурного совершенства активных областей. Как правило, оценка возможного влияния дефектов на качественное функционирование приборов и предполагаемый процент выхода годных кристалло! производится при использовании статистического подхода, подменяющего рассмотрение всей совокупности возможных дефектов в активных областям приборов учетом возможного влияния среднестатистического дефекта. В результате отсутствия методологии выбора технологичес ких решений для оптимизации технологического цикла изютовле ния приборных структур в отечественной полупроводаикой промыш ленности практически не отработаны процессы стабильного форми рования эффективных геттерирующих областей с учетом особен ностей отечественного слиточного кремшш, не отработаны для широ кого использования новые перспективные методы формирование исходных многослойных кремниевых структур, разработке которых могла бы исключить из производства такие тра

о-

шионные технологии, как эпитаксиальное наращивание толстых слоев, акая традиционная технология не только не обеспечивает по термоста-¡шьности и прочим свойствам требования к структурным особенностям абочих слоев приборов, но и связана с рядом экологических проблем.

Таким образом с учетом пшрокомасштабности производства решшевых полупроводшпсовых твердотельных приборов разработка изико-технологическнх аспектов управления процессами дефекто-оразования в кремниевых структурах с целью стабильного обеспечения ребуемых структурных особенностей рабочих областей этих приборов гзусловно является крупной научной проблемой, имеющей большое ромышленное значеш1е.

Цель работы

Целью данной работы является исследование и разработка физико-гхнологических основ управления структурными особенностями актовых областей кремниевых приборных структур для обеспечения высокого роцента выхода годных кристаллов и стабильной реализации требуемых араметров крешшевых твердотельных приборов.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе ешались следующие конкретные задачи:

1. Анализ возможностей статистического подхода к оценке влияния груктурных дефектов в рабочих областях приборов на их качественное •ункционирование. Разработка общей методологии оценки возможного шшпш различных видов структурных дефектов на выход годных крис-аллов и определение для различных типов приборов допустимых лотностей дефектов разного вида в активных областях приборов, позво-яющне получать приборы с требуемыми параметрами. Выбор техноло-ических решети! для управления процессами дефектообразования с целью беспечения найденных допустимых значений плотностей дефектов в ктивных областях приборов.

2. Разработка моделей процессов гетгерирования, позволяющих сде-

ать некоторые оценки для количественной конкретизации понятия

»

эффекптности гетгерирования" и определить плотности и особенности итерирующих центров, которые надо сформировать в объеме пластин

для обеспечения эффективной работы внутреннего геттера при форми ровании приборов нота ФСЗС.

3. Исследова1ше влияния различных факторов на процессы преци питащш кислорода в кремнии с целью выбора режимов термообработо: для формирования внутреннего геттера в пластинах кремния, стабильн обеспечивающего структурное совершенство активных приповерхностны областей кремния в приборах типа ФСЗС при использовании отечес твенного слиточного кремния.

4. Изучение характера диффузионных процессов и процессов д< фектообразования при термообработках в областях кремния, имплани рованных углеродом и кислородом, с целью экспериментальной оценк гетгерирующих свойств таких слоев. Выбор схемы и разработк эффективного технологического приема геттерирования с использование процессов ионной имплантации кислорода и утлерода под эпитаксиальны структуры с толщиной рабочего слоя 3-20 мкм ддя биполярных мощны транзисторов.

5. Разработка принципиально нового технологического процесс формирования многослойных кремниевых структур п-п+-, р-р+-, п-п+--р типа, используемых в качестве подложек при изготовлении высок< вольтных силовых МДП-транзисторов.

Научная новизна полученных автором результатов.

1. На основании теоретического анализа выявлена ограниченное! принятой статистической модели оценки влияния дефектов на параметр и качественное функционирование полупроводниковых приборо основанной на рассмотрении среднестатистического дефекта, а не I дифференцированной оценке влияния каждого вида дефектов. ¥ основании рассмотреть физики работы и технологии изготовления таю важнейших твердотельных полупроводниковых приборов, как структур ФСЗС, ИС на основе комплементарных биполярных транзисторов, М01 ные биполярные и МДП-транзисгоры выявлены наиболее характерные в ды дефектов для активных областей этих приборов. В работе впервые д всех типов рассматриваемых приборов приведена сводная таблица, в кот рой даны допустимые плотности и размеры дефектов всех типов, обеспеч вавшие нормальное функционирование приборов. В частости, установл<

ю, что для получения требуемых времен жизни неосновных носителей ¡аряда в активных областях структур ФСЗС, наиболее чувствительных к :труктурному совершенству рабочих областей, концентрация >екомбинащюшю-дктивных примесей (Си, Ре, Аи, Сг) в этих областях не юлжна превышать 5.1010 - 5.10й см-3, что примерно на два порядка ниже начеши! концентраций, определенных в работе при исследовании рабочих >бластей структур, сформированных без использования геттерирующих гриемов.

2. Рассмотрена модель ога1сывающая структуру с гетгерирующими (ентрами (ГЦ) как двухслойную систему, в которой один, рабочий слой [олжен быть очищен от загрязняющих примесей, а второй слой должен дер живать эти примеси за счет наличия в нем источников упругих полей аи центров зарождения новой фазы. Найдены теоретические оотношеш1я, позволяющие впервые дать количественное определение онятию "эффективности процессов генерирования". Приведены еоретические оценки концентращш и размеров источшпсов упругих апряжегаш и зародышей новой фазы, обеспечивающих возможность чистки рабочего слоя до технологически требуемого уровня, в частности дя структур ФСЗС уменьшение концентраций загрязняющих примесей на казанные два порядка. Получено экспериментальное подтверждение редложешюй модели и найденных теоретических соотношешш при спользовашш в качестве источшпсов упругих полей частичных ислокаций дефектов упаковки и петель дислокационно-преципитатных омплексов и в качестве зародышей второй фазы кислородных реципитатов.

3. Установлено, что эффективность процессов преципитации ислорода в кремшш зависит не только от состояния системы точечных ефектов (ансамбля точечных дефектов) в исходном материале, но и от зменешхя этого состояния на различных стадиях формирования вухслойных геттерирующих систем. Экспериментально установлено, что |>фективным способом изменения состояния системы точечных дефектов вляются термохимические обработки на первой стадии формирования вухслойной геттерирующеи системы, влияющие на соотношение акансий и междоузельных атомов кремния в объеме пластин на двух

друтих последующих стадиях формирования двухслойной системы, ил механические обработай, изменяющие на одной из стадий распределен! упругих полей в двухслойных системах. Экспериментально показано, чт путем изменешм концентращш собственных точечных дефектов на перво стадии можно менять не только концентрацию, но и геттерируюиц способности дефектов, образующихся в конечном итоге в пластинах.

4. Исследованы процессы 'Чацффузии и дефектообразования

' «

подложках кремния, подвергнутых ионной имплантации углеродом кислородом, для реализации эффективного геттера в двухслойных этгои спальных структурах. Впервые показано отсутствие диффузионного ра: мытия пика углерода в имплантированных слоях кремния при отжигах, также впервые показано наличие восходящей диффузии этой примес (увеличение концентрации в 1,5-1,8 раз в максимуме пика на глубине R при двойной имплантации и соотношешш доз углерода и кислород: De : Do = 1 : 4. Экспериментально показано, что в случае наблюдаемо восходящей диффузии принципиально меняется картина дефектов ионнолегированных слоях при отжиге: образуются плотные дисл< кационные петли междоузельного Tima, упругие поля которых способн обеспечить сильный гегсерирующий эффект.

5. Разработана модель формирования путем прямого термоко> прессионного соединения двух кремниевых пластин с гидрофильным поверхностями двухслойных структур, в которых каждый слой по свои электрофизическим свойствам, концентрации дефектов и терм< стабильности удовлетворяет требованиям к исходным двухслойны структурам для мощных высоковольтных МДП-транзисторо Экспериментально определены необходимая степень гидрофильное] поверхностей кремния и допустимые отклонения формы исходных пласта от идеальной плоской формы, обеспечивающие возможность получеш сплошного соединения поверхностей с максимально большой пло-щады Разработанная модель экспериментально подтверждена, возможность получения двухслойных монолитных структур типа п-п+-, р-р диаметром 76 и 100 мм с коэффициентом заполнения К (отношеш площадей поверхности, по которой произошло образование

шолита, ко всей поверхности пластин ), равным 98-99%, что является жазательством высокого качества форшфусмых структур.

Научная новизна подтверждена 24-мя авторскими свидетельствами на (обретение и патентами РФ.

Практическая значимость диссерт ационной работы.

1. Разработана новая комплексная контрольная методика анализа »ансформащш и влияния дефектов на работу приборов, позволяющая юанализироватъ всю совокупность дефектов, как присутствующих в :ходном материале, так и появляющихся в активных областях на любой адии изготовления прибора. Методика широко опробована в заводских ловиях для анализа причин брака при контроле более 1000 матриц ФСЗС та 1200ЦМ7 и 1200ЦМ12, а также линеек типа 1200ЦЛ и более 3000 ипов" (кристаллов) мощных п-р-п биполярных транзисторов СВЧ-диа-[зона 2Т986. Методика была внедрена на ряде предприятий отрасли авод "Элекс", г. Александров, завод "Пульсар")

2. Разработана технологическая схема создания внутреннего, эфективно работающего геттера, а также контрольная методика, ис-»льзованне которой позволяет в процессе формирования области с тгерирующими центрами корректировать технологический процесс. Размотанная схема использовалась при отработке технологии матричного эточувствительного прибора с зарядовой связью типа А-1157.

3. Разработаны технолопш формирования геттера с использованием юцессов ионной имплантации легких элементов для эпитаксиальных руктур под мощные биполярные СВЧ-транзисторы. Разработанный юцесс формирования геттера с использованием процессов имплантации ш внедрен в технологию изготовления микросхем К-537РУ1, Б-537РУ1, 7РУ1 и КМ-537РУ1, что дало положительный эффект, заключающийся в иженин токов утечек и увеличении процента выхода годных на 5-7%.

4. Разработан процесс формирования внешнего механического геттера сочетании со специальной термообработкой и контролем напряжешюго стояния плаепш для эпитаксиальных структур, внедренный в хнолоппо изготовления приборов КТ640, КТ642, КТ64. По новой техно-1гии было изготовлено более миллиона кристаллов приборов, что дало

положительный эффект, заключающийся в увеличении среднего ко; чества годных, приборов на пластине в 1,3 раза.

5. Разработанная специальная технология импульсного отжг кремниевых структур внедрена на изделии 2Т3132 (завод "Пульсар"), ч привело к повышению выхода годных приборов с 32% до 38%

6. Разработана новая технология получения многослойных струю путем термокомпрессионного соединения пластин кремния. Технолог является экологически чистой и успешно заменяет традиционную эг таксиальную технологию формирования таких структур под мощные сш вые приборы. Технология широко опробованиа на большом количесг структур (300-400 структур диаметром 76 мм) при формировании мощи высоковольтных МДП-транзисторов с пробивными напряжениями 80 1000В и рабочими токами 4-5А. Анализ готовых приборов показал, ч среднее количество годных транзисторов, сформированных на эка риментальных структурах, по пробивному напряжению и ветгпше ос: точных- токов возросло в 1,35 раза по сравнению с базовой технологи Собранные приборы успешно прошли технологические отбраковочные 1 пытания. ""

7. Разработаны Отраслевые Руководящие Материалы по метод контроля качества материала и поверхности кремниевых пласт (РМ. 11.050.024-77-РМ. 11.050.029-77), которые приказом МЭП N -от 7.12.84 были введены с 1.01.86 в качестве методик контроля на бо: шинетве предприятий отрасли.

Сумма экономического эффекта от использования разработ проведенных автором работы, составила более двух миллионов шестис тысяч (2690000 руб.) деноминированных рубля. Ожидаемая экономш перспективе при возможном использовании всех результатов рабо составит более шести миллионов деноминированных рублей.

Комплекс выполненных работ вносит значительный вклад в реша важнейшей научно-технической и хозяйственной задачи отечествен!] электронной промышленности - создание высокопроизводительных эффективных, экологически чистых технологий получения материалов ; перспективных современных полупроводниковых кремниевых приборов.

- 11-

На защиту автором выносятся:

1. Принципы определения допустимых плотностей структурных :фсктов разного вида в объеме активных областей полупроводниковых руктур, обеспечивающих получение кремниевых твердотельных эиборов ттша ФСЗС, мощных биполярных и МДП-транзнсторов, ИС на :нове комплементарных б1шолярных транзисторов с требуемыми [ектрофизнческими параметрами. Анализ процессов дефектообразования кремшювых структурах при изготовлсшш рассматриваемых приборов, а 1кже сопоставление допустимых плотностей и реальных значений ютностей дефектов в активных областях кремниевых структур, опре-этенных в процессе исследований, позволили определить направление :хнологнческого поиска для обеспечения структурного совершенства ставных областей для каждого рассматриваемого типа приборов

2. Методика расчета коэффициента сегрегации, который отражает гнотение растворимостей быстродиффундирующих примесей в прнповер-юстных активных областях и в объеме пластин с геттерирующими ¡играми. Расчет, проведенный с использованием данной методики, поз->ляет утвфждать, что при значениях коэффициента сегрегации Ксет.> 11 >ормировашп>ш геттф работает эффективно. Ряд теоретических соотно-ешш, позволяющих рассчитать концентрацию геттернрующих центров, >торые надо создать в объеме пласпш, чтобы концентрации дефектов в пивных областях не превышали найденные допустимые значения.

3. Зависимости эффективности процессов преципитации кислорода в )смшш при отжигах от концентрации фонового углерода, степени переоценил материала собственными точечными дефектами, температуры жига. Методология технологического выбора последовательности и мпературы отжигов для активной преципитации кислорода, а также хнология формирования эффективного, пролонгированного во времени ¡утреннего геттера в объеме пластин для приборов ттша ФСЗС, >зволяющая учитывать особенности исходного слиточного материала.

4. Закономерности процессов дефектообразования и диффузионных юцессов при отжигах в слоях кремния, имплантированных такими гкимн элементами, как углерод и кислород. Экспериментально обнару-ишос явление "восходящей" диффузии углерода при отжигах слоев, им-гантированных кислородом и углеродом при соотношении доз этих при-

месей:Ос : Оо=1 : 4. Разработанный на основании исследований тех] логический процесс формирования геттера с помощью процессов иош имплантации для эпитаксиальных кремш!евых структур, используем при изготовлении мощных биполярных транзисторов .

5. Физико-технологические аспекты процессов прямого соединег пластин кремния и разработанная на этой основе новая техноло1 формирования многослойных кремниевых структур типа п-п+-, р-р*", п-; р+-, используемых при изготовлении мощных высоковольтных МД транзисторов. Разработанная технология включает полный компл< конструкторско-технологических решений и обеспечивает получег структур с минимальным разбросом по удельному сопротивлению толщине высокоомного рабочего слоя, (±7% от номинала), а так обеспечивает, получаше требуемого технологического уровня стр; турного совершенства и термостабильности этого слоя. Эта технолог позволяет успешно заменять традиционные, экологически вредные мето, эшггаксиального наращивания толстых слоев кремния.

Апробация диссертационной работы.

Результаты исследований, составляющие содержание работы, док! дывались и обсуждались на ряде Всесоюзных и Международен

конференций, в частности на:

1. Симпозиуме: "Применение новых электронно-мнкроскопическ методов в технологии кристаллографии и минералогии", Научный Сое АН СССР по электронной микроскопии (Звенигород, Москва,1980).

2. Всесоюзной научно-технической конференции: "Совфгпенствован технологии получения и исследования монокристаллов особо чисто полупроводникового кремния", МЦМ СССР (Москва, 1985).

3. 1Y Республиканской конференции: "Физические проблемы МД интегральной электроники" (Севастополь, 1990)

4. Всесоюзной конференции "Кремшш 90" ( Москва, 1990).

5. International Conference "Silicon'90" ( Roznov pod Radhoste November 1990).

6. 4-th Scientific and Business Conference on Silicon Technology, Photov taies and IR-Optics, (Czech Republic, Roznov, 1994).

7. Spring Meeting Materials Research Society (MRS), San Francisco, 199

8. Первой Всеросийской конфериции по материаловедению и физик химическим основам технологии получеши легированных кристалл кремния "Крешшй-96", Москва, 1996.

9. 5-th Scientific and Business Conference "Silicon'96",(Roznov, Czech F public, 1996)

10. 1995 Spring Meeting E-MRS (Strasbourg, France, 1995).

11. E-MRS 1996 Spring Meeting (Strasburg, France, 1996).

12. NATO Advanced Research Workship on Early Stages of Oxygen Pre pitaion in Silicon ( Natheriands, 1996).

-1313. On "SCANNING 96" (Monterey, California, USA, 1996).

14. Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology 5ADEST' 97" (Spa, Belgium, 1997).

15. Minerals, Silicon and the 21st Century (Oman, 1998).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 37 работ, в том числе 10 в дущих мировых изданиях, и получено 24 авторских свидетельств на обретения и патенты РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложи и перечня цитируемой литературы. Первая глава посвящена тросам влияния структурных нарушений в активных областях кремния I основные параметры ряда кремниевых твердотельных приборов; талыгые три главы посвяшепы рассмотрешпо научно-технологических пектов управления процессами дефектообразования в активных областях осматриваемых приборов. В частности, вторая глава посвящена [ссмотрешпо процессов преципитации кислорода в кремнии, пользуемых для формирования внутреннего геттера в матрицах и иейках ФСЗС. Третья глава посвящена вопросам анализа процессов фектообразовання в слоях кремния, импланитрованных углеродом и [слородом, и формирования с помощью таких процессов геттера в итаксиальных структурах, используемых при изготовлешш мощных [полярных транзисторов. Четвертая глава посвящена проблемам нового хнологического процесса формирования двухслойных кремниевых руктур для мощных МДП-транзисторов путем прямого соединения [астин кремния. Диссертация содержит 380 страниц машинописного кета, 87 рисунков, 17 таблиц и 224 библиографических ссылки, включая бликащш автора. В процессе работы в экспериментах использовалось лее 20 исследовательских методик.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, определена научная визна, сформулированы защищаемые положения и отмечена практичес-

кая значимость диссертационной работы.

В первой главе анализируется возможное влияние различных вщ структурных дефектов в активных областях кремниевых структур основные параметры ряда кремниевых твердотельных приборов, форми] емых по планарной технологии, и определяются допустимые плотное дефектов в активных областях приборных структур, обеспечивающие ] чественное функционирование кристаллов приборов.

Для комплексного решения поставленной проблемы выбрано 1 сколько типов приборов с принципиально разными технологически циклами изготовления и принципиально разной чувствитсльностыс структурному совершенству активных областей. Конкретно в работе р; сматривались: приборы типа ФСЗС, мощные биполярные транзистор ИС на основе комплементарных биполярных транзисторов и мощи высоковольтные МДП-транзисторы. С учетом многогранности пос вленной задачи в данной работе анализировалось влияние дефектов вс видов в основном на статические параметры приборов, контролируемые стадии разбраковки кристаллов на пластине.

В разделе 1.1. анализируется эффективность использован статистического подхода для оценки влияния структурных дефектов параметры приборов и показано, что такой подход имеет определенн ограничения, поскольку оценивается влияние некого сред| статистического дефекта. Учитывая то, что общий выход года кристаллов определяется произведением выходов годных, определяемы? учетом негативного вклада каждого вида дефектов:

N

У = ПУш, ш=1

была поставлена задача определить допустимые плотности дефект разного вида в активных областях приборов, при которых еще возмож получение годных кристаллов ( Мдефт), а также определить ту час площади активной области прибора или ту часть объем прибора, котор непосредственно подвергаются отрицательному воздействию структуры дефектов.

В ходе работы была разработана специальная комплексная методик

эчетающая в ссбс:

- металлографическое исследование процессов дефектообразования в ктивных областях. рассматриваемых приборов в процессе их изготовления четкой классификацией выявляемых фигур травления за счет исполь-эвагаы специально разработанных травитслей и комплексных исследо-1шп! с использова1шсм металлографии и просвечивающей электрошюй икроскопни (ПЭМ);

- модельные исследования тестовых структур для определения влияния ;фсктов на параметры приборов;

- моделирование на тестовых образцах некоторых технологических пераций изготовления приборов с целью разделения влияния на процессы гфектообразования монокристаллического исходного кремния и особен-остей технологических процессов изготовления приборов.

В разделе 1.2. проводилась оценка допустимых плотностей дефектов азного вида в активных областях приборов типа ФСЗС. В качестве римера этого типа приборов - наиболее чувствительных к структурному жсршенству активных областей - использовались большие матрицы >СЗС, предназначаемые в качестве формирователей сигналов в иниатюрных цветных и чернобелых камерах телевизионного изобра-ения с площадью кристаллов 10x8,94мм2 и минимальным размером гемента 2 мкм.

На основе обобщения известных данных других исследователей, а исже результатов исследований, выполненных в ходе проведения данной »боты, были сформулированы требования к электрическим параметрам стивных областей такого типа приборов: токи утечек в затворном окисле гнее 10-12А при 10В; плотность поверхностных состояний N35 менее 101Р см-2 эВ"1; сдвиг напряжения плоских зон менее 0,2 В; генерационное 5 ем я жизни неосновных носителей заряда х не менее 5.103 с; токи утечек годов менее 10"1ОА при 10В; допустимый разброс удельного тротивления основного материала активных областей Ар менее ± 10% от эминала.

В результате проведенных исследований были установлены шустимые плотности локальных двух- и трехмерных дефектов, соизмери-ых с топологическим размером прибора, в активных областях матриц СЗС: N локлеф < (1,5 - 2,0 ) «102см^

С использованием таких высокочувствительных методов, кг нейтронно-активационный анализ (НАА), релаксационная спектроскоп! глубоких уровней (РСГУ), измерение токов термогенеращш бь и установлены допустимые концентращш загрязняющих быстродис фундирующих металлов в активных областях матриц, обеспечивают! получения требуемых времен жнзни в акгпшных областях структур: 5 .101( 1.10»смЛ

В разделе 1.3. анализировалась трансформация дефектов эпитаксиальных пленках при изготовлении мощных биполярнь транзисторов и ИС на основе комплементарных биполярнь транзисторов. К наиболее опасным дефектам для этого типа приборов о носятся все дефекты упаковки (ДУ), кислородные преципитат! преципитаты быстродиффундирующих примесей (БДП), соизмеримые толщиной базы, приводящие к искажению электрического поля в обласп пространственного заряда эмиттерного и коллекторного р-п-переходо Исследованиями в растровом электронном микроскопе (РЭМ) в режго наведенного тока (НТ) демонстрировалась электрическая активное! дислокационных скоплений н было показано, что снижение плотности внешних дислокаций эмиттерного края на два порядка приводит увеличению почти в два раза коэффициента передачи тока Ь 21Э мощно1 транзистора ВЧ-днапазона.

В качестве главного объекта исследования был выбран мощнь генераторный транзистор СВЧ-диапазона с шириной базы 1 мк] формируемый на эпитаксиальной подложке 8-10 КЭФ1,3-1,5/КЭС0,О1, размером кристалла 2x0,5 мм2 и многоэмиттерной структурой, коэффициентом усиления по мощности К Р > 6-7 и током коллекто эмиттер при закороченном переходе эмиттер-база I кж< 40 мА.

Проведенные исследования процессов трансформации дефект< показали, что основными дефектами в активных областях помимо ДУ дислокаций являются специфические мелкие микродефекты и их скоплени визуализируемые под оптическим микроскопом как "мелкая сыпь которые не удается устранить с помощью совершенствован] технологических процессов изготовления приборов. Установлена четк; зависимость между процентом выхода годных кристаллов с пластины и к;

еством исходных пленок, а также то, что дефекты в виде"сыпи" явля->тся когерентными выделениями размером 30-40 нм; предположитель-о это частицы кварца или выделения РегОз, образующиеся в эпитакси-тьной пленке в процессе роста. Эти выделения, трансформируясь в роцессе изготовления приборов, превращаются в более крупные дефекты приводят к браку готовых приборов. Предложена новая методика онтроля исходных ЭС с толщинами слоев 3-20 мкм; определены допусти-ые плотности дефектов в активных областях этого вида приборов и <сперименталыю показано, что профилактические меры по повышению роцента выхода годаых кристаллов для этого типа приборов надо ршшматъ на стадии получения исходных ЭС.

В качестве примера быстродействующих ИС на основе комплемен-арных биполярных транзисторов были выбраны ИС подкласса перационных усилителей с толщиной базы 0,3 мкм, с размером одного ранзистора 20x30 мкм2 и размерами одного кристалла 2x3 мм2, с опустпмым уровнем токов утечек 1уг < 1мА. Требования к электрическим араметрам активных областей ИС такой плотности интеграции: т в бласти базы транзистора 3.1 О*4-1.103 с; 1>т диодов меньше 10"9Апри 10В; опустимый разброс К® в базе менее 5% от расчетного; токи утечек -р переходов, изолирующих транзисторы, не должны превышать О* А.

Проведенный анализ показал, что основной причиной брака крис-1ллов являются токи утечки " эмитгер-коллектор" р-п-р-транзисторов, и го картина дефектов полностью формируется в процессе эпитаксиального аращивания и не изменяется на последующих операциях, а также то, го при эпитаксиальном наращивании наследуются в основном гфекты кремниевой подложки, имеющие дислокационные фрагменты, ричиной образования ОДУ, дислокационных петель в приповер-юстных областях кремния чаще всего служит пересыщение этих Зластей собственными точечными дефектами на первых операциях ;хнологического цикла изготовления приборов. Исследования также оказали, что для этого типа приборов не оптимально использование «сих-либо приемов гетгерировашгя; профилактические меры должны при-

ниматься непосредственно в процессе изготовления приборов путс\ корректировки режимов первого окисления для исключения пересьпценш объемов междоузельными атомами кремния и путем использоваши известных технологических приемов исключения образования дислокацш несоответствия в сильно легированных областях; необходимо такж< использовать исходный монокристаллический крешшй с содержанием [0| 1 2 7.1017 см-3 и [С] ^ 3.1016см-3

В разделе 1.4 рассматривается влияние структурных нарушение на параметры мощных высоковольтных МДП-транзисторов - приборов наименее чувствительных из рассматриваемых к структурному совершенству активных областей и работающих в отличие от остальных на основных носителях заряда. В качестве примера был выбран переключательный О МОП-транзист ор с вертикальной дрейфовой областью н с пробивными напряженями 500 и 1000В. Установлено, что основными видами дефектов в рабочей высокоомной области приборов являются ОДУ с длиной 10-25 мкм и дислокационные петли разной даны. Показано, что четкая корреляция между плотностями ОДУ и величинами остаточного тока Хост отсутствует, но при концентращш ОДУ большей, чем 1 (Нем-2 наблюдается заметное ухудшение ВАХ приборов и падение процента выхода годных кристаллов. Показано также, что ОДУ по негативному влиянию на характер ВАХ более критичны, чем дислокационные петли и дислокационно-преципитатные комплексы. Но из-за большой глубины рабо"чях областей (50-100 мкм) для силовых МДП-транзисторов критичным становится такое структурное несовершенство, как наличие неоднородности распределения легирующей примеси в высокоомном слое. Сокращение разброса удельного сопротивления (Ар) с ± 20% до ±5% позволяет повысить процент выхода годных приборов, а также позволяет при расчетах топологии сократить протяженность канала прибора, в 1,3 раза, что крайне важно при решении проблемы уменьшения массогабаритов высоковольтных транзисторов. Эти требования и ограничения по плотности локальных протяженных дефектов, соизмеримых с глубиной р-п-перехода стока, требуют отказа от традиционных методов изготовления

исходных многослойных подложек (эпнтаксналыюго наращивания) и юисков новых решений.

Результатом исследований, проведенных в первой главе диссертации вляются найденные значения допустимых плотностей разных видов труктурных дефектов в активных областях рассматриваемых типов гриборов. Проведенные теоретические и экспериментальные разработки юзволяют определить направле1ше технологического поиска и целе-гаправленно подойти к созданию физико-технологических основ упра-1лсш1я структурным совершенством активных областей в каждом конфетном случае для рассматриваемых типов приборов.

Во второй главе изложены научно-технологические аспекты упра-шения структурным совершенством активных областей приборов типа &СЗС за счет использования приемов геттерирования. Рассмотрены «одели процессов геттерирования и сдела1ш некоторые количественные эцешш, необходимые при создании эффективных приемов геттерирования.

В разделе2.1 анализируется уровень загрязнений быстродиффундиру-ощими примесями (БДП) приповерхностных областей кремшы при прове-дапш ряда технологических операщш. Использовались методы НАА. По-<азано, что концентрации БДП в монокристаллах кремния находятся на уровне чувствительности методов НАА, а практически все операщш с тлаепшами приводят к резкому возрастанию их концентрации. В частности, используемые процессы отмывок могут также вносить спектр загрязнений, например приводить к высоким концентрациям алюминия. Высокотемпературные процессы вносят свои дополнительные загрязнения в кремниевые структуры. Выявлен крайне неравномерный характер распределения загрязняющих примесей по глубине пластин: после окисления в приповерхностном тонком слое кремния (анализировался слой толщиной 5 мкм) зафиксировано наличие высоких уровней загрязнения примесями: Сг-(2„.7).101з, Ре-(1...7)*1015, Си-(2...4)«10" и Аи- 4«1012-4*1013см-3. Изменение режимов высокотемпературных обработок приводило к изменению уровня загрязнений, таким образом, реальные концентрации БДМ в рабочих областях структур в среднем на два-три порядка превышают найденные в первой главе допустимые уровни БДП, позволяющие получать требуемые времена жизни неосновных носителей

заряда в рабочих областях структур ФСЗС и мощных биполярных транзисторов. Для приведения в соответствие реальных и требуемых плотностей БДП в приборных структурах используются процессы гетгерирования. Для ФСЗС приборов оптимальным считается использование процессов внутреннего геттерирования. Основные характеристики процесса гетгерирования - эффективность и пролонгированность действия геттера во времени.

В разделе 2.2. рассмотрены возможные модели процесса геттерирования и даны количественные оценки понятия эффективности процесса геттерирования.

Рассмотрены физические основы механизма захвата быстродиффун-дируюпщх примесей геттерирующими центрами (ГЦ).

В качестве основной модели процессов геттерирования была выбрана модель, представляющая пластину с геттером как двухслойную структуру, где слой 1 - активная область, из которой надо удалить БДП, и слой 2 -область с дефектами, на которые должен происходить захват загрязняющих примесей. Факторы, которые определяют процесс гегггер1грования: Р1 - движущая сила, заставляющая перемещаться атом БДП или собственные точечные дефекты материала из слоя 1 в слой 2 и определяемая законами диффузии примесей в кремнии; Ь - расстояние, которое надо пройти атому, чтобы попасть в слой 2, и сила Бг, которая должна удерживать атом БДП в слое 2. Учитывая высокие скорости диффузии БДП, можно считать, что в случае использования внутреннего геттера даже в процессе ионно-фотонного отжига атомы большинства БДП должны успеть достигнуть слоя 2. При захвате гетгерирующим центром атом примеси должен преодолеть некоторый энергетический барьер Е1 обязательно с уменьшением свободной энергии системы, а энергия Ег, необходимая для обратного перехода атома с ГЦ в решетку, должна значительно превосходить Еь Естественно, процесс захвата начинается при охлаждении, когда резко падает растворимость примесей в решетке кремния. Возможны два механизма захвата ГЦ примесей: упругим '.полем дислокационных участков ГЦ и путем образования примесных преципитатов. Первый механизм предполагает увеличение концентрации примесей в слое 2, т.е. фактически принимается наличие разной раствори-

мости БДП в слоях 1 и 2. В главе 2 диссертации подробно рассматривается этот мехагаим и вводится коэффициент сегрегации примеси на границе этих двух слоев. В результате рассмотрения этой модели было получено еле яугощее выражение для коэффициента сегрегации К«г

Кссг = 1 - шр^пр ю/^с X (Н-Ь)/ Ы ХСК1/К2 -1) + НЛц х(1 - 1ц/(НКо)] +

(1),"

+ 1/2{рЧпр.1о^р»с х(Н-1ц)/ 1и х(К1/К2 -1) + НЛцх(1 -Ы/(НКо)]2 +4Н/1пК0}1'2

где ^1пр.1о - начальная когщехпрация БДП в слое 1, N[»0 - предельная растворимость БДП в решетке кремния при температуре захвата примеси ГЦ, Н-голпцша пластины, К1 и Кг - коэффициенты, определяемые процессами гщффузш! и энергетической возможностью ухода атома БДП из ГЦ, а:

Ко= (К^ ПОС..М* )/К2^р,с (2)

а N ПОС..М. - количество центров (посадочных мест), которое должно быть сформировано в объеме слоя 2 для удержания всех атомов БДП. для полной очистки от этих примесей слоя 1.

Для оценки эффективности процессов гетгерирования обычно используется понятие степени очистки показывающее, во сколько раз снизилась концентрация БДП в рабочем слое 1 в результате гетгерирования:

5N = [(К«г - 1)х !ц + Н] /(Н-1и) (3)

На основании полученных результатов, можно считать процесс гетгерирования эффективным при снижении концентрации БДП в рабочем слое 1 на два порядка, т.е. при:

=100,

гогда значение коэффициента сегрегации, при котором процесс гетгерирования можно считать эффективным, будет:

К«г>11

Из выражений (1) и (2) и найденного значения коэффициента сегрега-[щи была определена концентрация посадочных мест, необходимых для обеспечения эффективной работы геттерирующей области:

N пос.м* ^

Полученная величина позволяет определить концентрацию геттериру-

ющих центров, которые надо создать в объеме пластины для обеспечен!! эффективной работы внутреннего геттера. Пример расчета делался 1 предположении, что в объеме пластины сформированы в качестве Г1 дефекты упаковки (ДУ), полем частичной дислокации которых I удерживаются атомы БДП (рассматриваются ДУ, образованные междо узельнымн атомами кремния, которые "выбрасываются" в решетку 1 процессе роста преципитатов кислорода). Из значений общей энерпи частичной дислокации ДУ, который можно представить в вид пустотелого тора с диаметром равным длине ДУ, с толщиной, paвнoi вектору Бюргерса, и с меньшим радиусом, равным радиусу кислородноп преципитата, и энергии упругого взаимодействия между примесньп атомом и дислокацией можно определить количество атомов БДП.которо может удержать упругое поле частичной дислокации одного ДУ. Энерги упругого взаимодействия между примесиым атомом и дислокацией определяется как:

4(1+ и)хв хЬ хе х г3я хяоО

Е, = --(4),

3(1- и ) х 11с

где г» -радиус атома кремния, е = (г » - г ы)/гя, г » - радиус атома примеси Ис- радиус захвата примеси упругим полем дислокации, Ь - векто] Бюргерса, С- модуль сдвига кристалла, и-коэффициент Пуассона. ] частности, для ДУ с КдУ= 4,5 мкм, это будет: N = 2.107 атомов. Тогда и найдашых значений концентрации "посадочных мест" и количеств атомов, которое может удержать одшх дефект, можно определит концентрацию дефектов (ГЦ), упругое поле которых удержит вс необходимые атомы БДП. В частности, простой расчет показывает, чт для обеспечения степени очистки: = 100, в объеме пластин диаметро! 76 и 100 мм необходимо сформировать, например, ДУ с 11ду= 4,5 мкм ] плотностью:

1Чду> 107 см-3

Проведенный расчет определяет порядок величин и позволяе считать, что в случае превышения плотностей реальных дефекто дислокационного типа в объеме пластин найденной величинь разработанный процесс обеспечивает эффективное генерирование.

В работе рассмотрена модель захвата и удержания атомов БД1 путем образования примесных преципитатов:

Ме МеБЬ

Экспериментально показано, что наличие в объеме пласпш фсцнпитатов кислорода влияет на процесс преципитации БДП: они /скоряют процесс, выступая в качестве центров зарождения преципитатов 1еталла. Расчетным путем показано, что, например, при наличии в троцсссс тфмообработки при Т=900°С в течение 5 минут кислородных фсципитатов с плотностью 109см-3 возможен вывод из решетки кремния 1риповерхностного рабочего слоя в гетгерирующую область 5.1015 атмов »топ примеси за счет образования выдел спи железа.

На основании сделашшх расчетов становится возможной разработка мучно-технологических основ процессов гетгер1фования.

В разделе 2.3. рассматриваются научно-технологические аспекты фоцессов внутреннего геттерирования.

Наиболее оптимальным для приборов типа ФСЗС с длительным шеокотемпературным этапом формирования активных элементов является фехэтапньш цикл формирования внутреннего геттера: отжиг, как прави-ю, в окислительной среде, при Т= 1100-1200° С для резкого сшшения сонцентращш кислорода в приповерхностной зоне; низкотемпературный >тап (650-850°С) для фортфования устойчивых зародышевых центров и этжиг при Т=950-1050°С для непосредственного роста кислородных фещшитатов. Отсутствие четких рекомендаций по проведению этого фоцесса при работе со стандартными слитками кремния потребовало юэтапной разработки всего технологического цикла формирования еттера.

В работе установлено, что для всего процесса формирования внутреннего геттера важным является состояние системы собственных точечных дефектов кремния, которое формируется в объеме пласпш после жончания первого этапа цикла отжигов, проводимых для формирвоания знутреннего геттера. Оказалось, что это состояние влияет на фазовые тереходы в системе 8МЛ и процессы преципитации кислорода, фоисходящие на втором и третьем этапах формирования геттера. На тервом этапе это состояние системы собственных точечных дефектов в збъеме пластин можно регушфовать, меняя режимы обработки. В (ависимости от процессов, происходящих на поверхности кремния на этом пгапе, может происходить пересыщение или недосьпцение решетки материала междоузельными атомами кремния 8ц, например, при использо-

ванин окислительной хлоросодфжащей фсды поток Бь в объем пласт резко сокращается; при использовании защитного покрытия $¿N4 резк возрастает поток ви, идущий в защитную плещеу. Установлено, что такн изменения среды на первом этапе в конечном результате определяют н только ширину бездефектной рабочей зоны в крешшевых структурах, н могут резко менять как плотности, так и структуру кислородны преципитатов, формирующихся в объеме на после дующих этапа цикла. Так, пересыщение БЬ на первом этапе приводило на последующи этапах к образованию в объеме плаепш преципитатов в виде кубе октаэдров без дислокационных фрагментов и без образования вторичны дефектов. Использование окисления в хлоросодержащей среде, наоборот приводило к образованию дислокационно-преципитатных комплексов 1 коротких ДУ с высокой плотностью. Путем несложного расчет подтверждена версты построения коротких ДУ атомами кремнш выбрасываемыми растущими преципитатами кислорода. Наблюдаемо кардинальное изменение дефектов в конце всего технологического цикл при изменении режимов первого окисления объяснено из учета изменени баланса свободной энергии системы в процессе нуклеащш и рост преципитатов.

В результате исследований процессов преципитации кислорода и втором и третьем этапах формирования внутреннего геттера обнаружено что введение дополнительного отжига при Т=430-450°С в технологически] цикл формирования геттера приводит к резкому ускорению процесс о преципитации кислорода в кремнии с низким содержанием углерода. Дан возможное объяснение этому факту. Экспериментально показано, что н третьем этапе технологического цикла формирования геттера при Т : 1000-1050°С также большую роль играет степень пересыщения объем пластин междоузельными атомами кремния, в частности создание допс длительных стоков для БЬ на этом этапе может резко ускорить процее осаждения кислорода на зародышевые центры.

В разделе 2.4. предлагаются к рассмотрению результаты разработю гибкой технологической схемы формирования внутреннего геттере позволяющей учитывать ростовые особеннрсга слиточного кремши Предложена металлографическая методика, позволяющая косвенно поел

хервого этапа форшфования геттера оцеппвать особешюстп материала и :оррекпфовать соответствующе режимы второго и третьего этапов гроцесса технологического цикла формнровашы геттера.

В разделе 2.5. изложены результаты экспериментальной проверки ффектвшюсти предлагаемых технологических циклов форшгрования иутрешгего геттера. Проверка предложенных моделей процессов сттсрироваши и разработанных с их учетом технологий проводилась [а тестовых образцах с использованием трех независимых методов онтроля: НАА, РСГУ и метода измерения токов термогенерации, а в ачсстве контрольных использовались аналогичные образцы без геттера! Методами РСГУ в приповерхностном слое контрольных образцов было бнаружено наличие примесей, формирующих три глубоких уровня с [аиболыпей концентрацией N15-= (8...9)*1012см-3 (уровень Ее - Е т = 0,54 эВ, счение захвата стР =10-14-10-15 см2, предположительно золото или комплекс, ключающий железо). Найдено, что изменение режимов высоко-емпературных обработок приводило к изменению спектров ГУ, в астности к появлению нового уровня с Ес=0,36 эВ. Оценка времеш! жизни еосновных носителей заряда в областях под управляющим затвором онтрольиых образцов, сделанная на основашш данных о параметрах и онцентрациях обнаруженных глу боких уровней, давала значения х=2.10-6-ЛО^с. Экспериментально показано, что использование геттера, формированного по разработаннрй технологии, практически исключало аличие примесей, формирующих ГУ в активных областях структур. 1сследования с использованием метода измерения токов термогенерации одтвердили возможность получешгя с помощью разработанного ехнологического щпела требуемых времен жизни неосновных носителей аряда в рабочих областях структур:х=(1...5)*103с. В процессе иссле-овашш установлена четкая корреляция между плотностями ГЦ в объеме ластин и временами жизни неосновных носителей заряда в риповерхносшой области кремниевых структур, а также скоростью оверхностной рекомбинации на границе 51-8102. Исследования с спользованием методов НАА позволили непосредственно родемонстрироватъ работу геттера по снижению уровней БДП в рабочих бластях кремниевых структур и подтвердили, что разработанная техноло-

гия форшгрования геттфа действительно позволяет снизит концентрацию загрязняющих примесей в приповфхносгаых областях г два-три порядка. Это свидетельствует о подгвфждении правомерное! рассмотренной модели и сделанных количественных оценс экспфиментальнымн результатами. Опробование предлагаемь техшгаеских решений при нзготовлешш матриц и шшеек ФСЗС в з водских условиях подтвфдило правильность выбранного подхода д) управления структурш>ш совфшенством акпшных областей этого тш приборов.

Третья глава посвящена проблеме создания эффективного геттфиру! щего процесса с максимальным приближением гетгфирующих областей активным областям мощных биполярных транзисторов путем и пользования процессов нмплантащш легких элементов. В ней отраж< проведенный комплекс работ по изучению особенностей диффузии и д фсктообразования при отжигах в слоях кремния, имплантированных угл родом и кислородом.

Для этих целей эффективным может оказаться использован] процессов иошюй нмплантащш в рабочую повфхность подложек пф эпитакснальным наращиванием. Однако, для практическо: использования такого гетгфа ранее применялись высокоэнфгетичеаа процессы (МэВ) и большие дозы легирующих примесей 101бсм-2). данной работе была поставлена задача создания технологического цик геттф1фова!шя с применением низкоэнфгетических процесс имплантации и при использовании меньших доз. Нашими работа» показано, что для этих целей пфепективным может оказаться двойн легирование кремния углфодом и кислородом.

В разделе 3.1. приведен анаши особенностей деформации решет приповфхносгаых слоев кремния, имплантированных углфодом и кисл родом.

Решение поставленной в данной главе задачи, по существу, сводило к анализу кинетики распада пфесьпцснных твфдых растворов: ЗьОц БП ЭьвЬ, БьУ; процессов образовашы второй фазы и ее трансформации И) тфмообработках. В общем случае скорость, с которой состоян матфиала, нфавновесное после имплантации, релаксирует при отжиг определяется процессами диффузии, протекание которых, в свою очфедь

определяется наличием в системе градиента химического потенциала.

Для нмплантировашплх слоев химический потенциал зависит не только от концентрации примссп и темпфатуры отжига, но также отряда таких факторов, как механические напряжения в системе, зарядовое :остояние и другие. В частности, одной нз характфнетик, определяющих эаспределаше химического потенциала по глубине в иошюлегнроваштых :лоях является изменение характфа и величины упругой деформации в 1рнповфхностных слоях материала после проведения процесса ионного гсгнрования. В связи с этим в работе проводилось исследование )собе1шостей деформации приповфхностных областей крешшя, шплантированных указанными легкими примесями. Доза легирования Б ¡арьировалась от 100 до 2500 мкКл/см2. Для оценки характфа и величины тсформащп! в ионнолепфованных слоях использовался метод кнтгсновской двухкристалыюй дифрактометрнн, позволяющий оцешпь впряженное состояние в тонких приповфхностиых слоях, в сочетагаш с госледовательным удалением химико-динамическим травле!шем тонких лоев (50 им) для изучения изменения деформации по глубине.

Анализ кривых дифракционного отражения, снятых с образцов после шплантащш показал, что во всех случаях в приповфхностпых слоях [юрмируются поля упругих напряжений растяжения. Исследования юказали, что при одшх и тех же дозах и энфгиях изменение типа мплантируемого легкого элемента приводит к разной по величине есформации решетки пртовфхностных слоев, хотя кислород и углфод [меюг близкие по величине тетраэдрические ковалентшле радиусы. Использование в качестве импланпфованной примеси кислорода при тех ке дозах, что и углфода, приводит к резкому возрасташпо величины •тноентельной деформации решетки. При двойном легировашш углфода I- кислорода уровень деформации в решетке также определяется ислородом. Было найдено, что при двойном легировашш соотношение юз углфода и кислорода влияет на величину деформации решетки, в [астностн, максимальная деформация была получена при соотношении [оз Бс: О 0= 1: 4. ( для общей дозы О < 700 мкКл/см2; при общей дозе 1000 гкКл/см2, как правило, происходила частичная аморфизация слоя).

При анализе характера деформации по глубшю слоя найдено, что [ри этом соотношении доз идет как бы расширение слоя с минимальной

деформацией в верхних приповерхностных областях образцов и сужеш максимальной деформацией на глубине, близкой к Ир, при одноврема ном росте величины максимальной деформации решетки.

На основании полученных результатов был сделан вывод, что дефо] мация решетки при использовании кислорода в значительной степеи определяется процессами комплексообразования, в которых пршшмак участие примеси и собственные точечные дефекты кремния. Более тог полученные результаты позволяют утверждать, что образоваш комплексов может приводить к определенной стабилизации решетки ( щ имплантации одного кислорода аморфизация решетки присходила пу значительно более высоких дозах, чем при имплантации одного углерода Таким образом, комплексообразование в ионнолегированных слоях I уровне точечных дефектов при комнатной температуре может меня: напряженное состояние решетки в слоях кремния, имплантированнь легкими примесями.

Анализ напряженного состояния слоев кремния, имплантированнь углеродом, после термообработки показал, что в таких слоях не возникав напряжешь сжатия, факт возникновение которых после отжигов мош было бы предположить, учитывая радиус атома. Это, в свою очеред позволяет предположить, что диффузия углерода в имплантировашп слоях кремния имеет свои особенности, что и было подтверждено в хо, проведения дальнейших исследований.

В разделе 3.2. анализировались особенности диффузии углерода п] отжигах в слоях кремния, имплантированных рассматриваемыми лепет примесями. Анализ профилей распределения углерода до и после отжиг проводился с использованием методов НАА.

Проведенные исследования выявили отсутствие характерно: диффузионного размытия концентрационных профилей примеси пос отжига, характерного для слоев, имплантированных другими примесями частности для бора при дозах и температурах отжига, аналогичн] анализируемым. Более того, анализ показал отсутствие снижения пос термообработок концентраций углерода на глубине Кр и в болышшет случаев, наоборот, наблюдалось сужение профильной кривой, сопр вождаемое небольшим ростом максимальной концентрации примеси в л ке на глубине Нр.

При последовательной имплантации кислорода и углерода соотно-ichhc доз может сильно влиять на характер перераспределения углерода и а процесс дефектообразования в слоях. При больших по отношению к ислороду дозах углерода (Dc : Do=l:l; 1,5:1; 2,5:1) возрастание концен-рашш углфода после отжига на глубине RP уже не наблюдалось. Однако, ар пша совершеьшо менялась при соо пюшсшш доз: Dc: Do = 1 : 4. В этом тучае практически всегда при ионном легировашш с общей дозой до 700 кКл/см2 после отжига наблюдалась четко выраженная восходящая иффузия углерода: в пике на глубже RP концентрация углфода возра-гала в 1,5-1,8 раз и наблюдалось сильное сжатие профильной кривой, т.е. томы углерода диффундировали против градиента концентрации.

Сделано предположение, что причиной отсутствия во всех случаях аракгерного размытия углфода является разная растворимость углфода решетке кремния, куда должна распространяться примесь в процессе тжига, и в феде, сформированной в процессе ионной имплантащш. Такое редположение допустимо и требует введешм коэффициента сегрегации. ;сли растворимость отличается на два порядка, то в реальном физи-еском процессе изменение концентрациогаюго профиля до и после отжига евозможно определить, что mi и наблюдаем. Разобраться в причинах влешы восходящей диффузии помог анализ процессов дефекто-бразования в имплантировашгых слоях.

В разделе 3.3. проводится анализ процессов дефектообразования при фмообработках в слоях кремния, имплантированных рассматриваемыми егкими элементами. Электрошюмикроск оптический анализ картин ефектов в таких слоях после отжига показал, что процессы ефектообразования протекают совфшенно по-разному в зависимости от ила примеси, дозы и соотношения доз при двойном легировашш. При мплантащш одним кислородом при отжигах образовывались различные иды дислокационно-преципитатных комплексов, которые обычно аблюдаются в пластинах кремния с высоким содфжанием кислорода. В лучае имплантащш одшш углфодом были выявлены плоские бразования гексагональной формы, залегающие в плоскостях {111}, рнчем контраст, наблюдаемый при разном наклоне плоскости дефекта к

электронному пучку, свидетельствует о формировании этими выделение более сильных упругих полей, чем обычными дефектами упаков! аналогичного размера. Это позволяет предположить наличие в те дефектов атомов с размерами, отличными от атомов матрицы. На плоскс образовании гексагональной формы как бы висят с обеих сторон мели выделения в виде полусфер, формирующие муаровый контраст, которь позволяет утверждать, что эти выделения являются некой разновидность БЮг. Гексагональные выделения со сферическими кислородными црецип татами наблюдались и в образцах кремния, имплантированных двумя пр месями при соотношении доз: Ос : О0 =1:1; 1,5; 1 ;2:1; в этих образцах таю наблюдались дефекты, характерные для образцов, легированных одш кислородом.

Таким образом, во всех случаях в имплантированном кремнии пос отжига не наблюдались характерные для имплантированного кремния да локационные петли междоузельного типа. Дано возможное объяснен механизма образования наблюдаемых гексагонов: начальная конденсат междоузельных атомов крешшя вокруг отдельных атомов углеро/ вставших в узел; зарождающиеся вставленные плоскости из 81 с луж "посадочными местами" для неиспользованного избытка атомов углеро с релаксацией напряжений растяжений в имплантированных слоях дальнейшая конденсация БЬ с образованием гексагонов наблюдаем! размеров. Наличие в плоскости гексагонов связей БЬСк подтверждает и на ИК-спектрах на полосе 830 см-1. Некоторые углеродные атомы мог формировать пары 0,-С« на которых начинается рост сферическ кислородных выделений.

Картина дефектообразования при отжигах совершенно меняется и соотношении доз: Эс : Йо = 1 : 4 ( случай восходящей диффузии). В эг случае формируются высокие плотности вытянутых, стержнеобрази дефектов междоузельного типа, характерные для отожженных слс кремния, имплантированных традиционными примесями. Отличительн особенностью этих петель в данном случае является их декорирован очень мелкими выделениями большой плотности. Дислокационные пет: как показано в Главе 2, наиболее перспективны с точки зрения гет рирования, причем положительно, что все дефекты локализованы в узко

[олосе, отделенной от поверхности подложки узкой бездефектной областью. Наблюдаемая картина при данном соотношешш доз примесей юзволяет связать отличительные особенности процесса дефекто-'бразования в имплантированных слоях с фактом восходящей диффузшь

В разделе 3.4. рассмотрен возможный механизм восходящей диффузии, коэффициент диффузии в бннарщгх системах (в нашем случае БьС) опре-еляется выраже!шем:

22хЛхСс(1-Сс)

Эс = Бси»т х [ 1-----] (5),

кТ

це Эс юот -коэфф1щиент изотопной диффузии этой примеси, Сс -атомная оля этой примеси в растворе, Ъ - координационное число решетки атрицы, Л -теплота смешения, выраженная через потенциал парного заимодействия однородных и чужеродных атомов:

А = 8 12 - 1/2(ЕП - £22) (6),

те: £12 - отражает взаимодействие между собой атомов кремши и ".терода, £ц - атомов кремния, Е22 - утлерода между собой.

Факт восходящей диффузии какой-то примеси формально означает, го коэффициент диффузии этой примеси Ос < 0. Как следует из лражешм (5), это означает:

А > кТ / [ 22хСс х(1-Сс)] (7)

Это возможно если в выражешш (6 ) одна из составляющих, связанных чужеродными атомами решетки резко возрастает. Факт восходящей гффузш! проявляется лишь при участии кислорода в определенном »отношении доз, т.е. в растворе имеется еще одна примесь с более кокой концентрацией и являющаяся сильным комплексообразователем. огачно предположить, что между атомами углерода и кислорода »зникает сильное химическое взаимодействие и появляется еще одна ставляющая егз., отражающая взаимодействие между атомами [слорода и углерода и по величине намного превышающая остальные ставляющие: сгз >сгг > б 12.

Указанное соотношение доз имплантированных примесей (1 : 4) зможно критично для возникновения сильной химической связь между омами углерода и кислорода. В частности, в этом случае может разовываться в решетке кремния атомная конфигурация, наличием кото-

рой были объяснены процессы преципитации кислорода с "выбр; сыванием" 8Ь, протекающие в каскадах смещения в решетке кремни имплантированного кислородом при дозах и энергиях, аналогичны рассматриваемым. По аналогии в данном случае возможно возникновени конфигураций с образованием комплексов: С-О^-С или 81-04-0-8Ь "выбросом" междоузельных атомов кремния, которые и формирую наблюдаемые дислокационные петли междоузсльного ттша. Наблюдает мелкие выделения, декорирующие петли, по нашему мнению, являютс результатами кислородно-углеродного взаимодействия. Следует отметит! что их плотность значительно превышает плотность дислокационны петель.

На основашш проведенных исследований был разработан технол< гичсский процесс формирования геттера с использованием ионноимплг тированных слоев кремния, формируемых перед эшггаксиальным нар; щиванием.

В разделе 3.5. проводилась экспериментальная оценка геттерхцэующи свойств дефектных слоев, формирующихся в слоях кремния, импла! тированных кислородом и углеродом. Эксперименты показали, чт разработанный геттерирующий прием позволяет:

- снизить плотность микродефектов в эпитаксиальных пленках на дв; три порядка по сравнению с контрольными образцами.

- получать равномерное, близкое к теоретическому распределен! удельного сопротивления пленок по глубине в отличие от контрольны образцов, где наблюдалось резкое уменьшение концентрации носителе заряда в приграничных областях "пленка-подложка" из-за диффузии 01 таточного бора из подложки в пленку;

Разработанный технологический прием гетгерирования проверялся заводских условиях при изготовлении мощных биполярных СВЧ-тра! зисторов. Было показано, что использование эпитаксиальных структу] выращенных на экспериментальных подложках с ионным легирование углерода и кислорода при найденном соотношении доз, приводит сокращению количества микродефектов в активных областях приборов 105 до 103 см-2, т.е. экспериментальная проверка полностью подтвердит эффективность разработанного технологического приема и показала, чт с его помощью возможно управлять структурным совершенство активных областей этого типа приборов.

Четвертая глава диссфтации посвящена проблеме разработки на-чно-технологических аспектов нового процесса изготовления ногослойных кремш1евых структур п-п+ и р-р+-типа для мощных высоко-ольтных МДП-транзисторов. Новая технология необходима для опти-изащш свойств активных областей указанных приборов* поскольку радициошгые методы получешм исходных многослойных подложек рактическн не могут гарантированно это обеспечить. Кроме того, радициошяые методы их получеши связаны с рядом экологических роблем и являются энфгоемкими процессами.

Новая технология основана на принципе прямого соединения ласпш, предложешюго для этих целей в 86-87 гг. Задача практической еализащш этого принципа решалась нами независимо от позже публикованных работ специалистов, работающих на пфедовых арубежных фирмах (TOSHIBA, MOTOROLA, SIEMENS).

Процесс прямого соединения включает, как правило, два этапа: изкотемифатурное введение повфхностей кремния в контакт и высо-отемпфатурпый этап с образованием монолитной структуры. Считается, то процесс основан на адгезионном сцеплении повфхностей кремши при изких темпфатурах. Известен механизм, объясняющий возможность изкотемпфатурного сцеплеши гидрофильных кремниевых повфхностей а счет образовашн единого водяного кластера. Такой механизм редполагает расстояние между соедшиемыми повфхиостями в десятки щстрем. Учитывая геометрию реальных пластин с отклонехшем из-за згиба и неплоскостности рабочих повфхностей от идеальной повфх-ости в десятки микрон, необходимо было прежде всего теоретически босноватъ возможность практической реализации этого метода в про-ышленных услов!их для получения многослойных структур диаметром 76, 00 мм и более.

В разделе 4.1. рассмотрены физико-химические основы процесса пря-ого соединения пластин кремния. Проведенйые в работе исследования оказали, что площадь, по которой происходит сцепление повфхностей ри введении в контакт пластин кремши, в большинстве случаев начительпо превышает площадь соприкосновения повфхностей двух вободно лежащих пластин. Дано объясните этого факта: повфхностная нфгия, выделяющаяся при образовании единого водяного кластера, пре-ращающего две повфхности в одну границу раздела, достаточна для вза-

имной деформащш фавшпсльно тонких пластин кремния и обеспечен] максимально возможной площади контакта. Это предположение по твфждено расчетом на основании экспфиментальных измфсний повф ностной энфпш границы раздела: полученные значения у=50-52 эрг/с близки к величине повфхностного натяжения воды (у=74 эрг/см2). Пр веденные расчеты показали, что для пластин диаметром 76 и 100 мм с фо мой 'Чашки" или "цилиндра" с изгибом и неплоскостностъю в пределах 1 15 мкм возникающие силы сцепления за счет образования общего водяно] кластфа могут обеспечить соединс1ше повфхностей практически по во площади пластин. При этом в объеме пластин возникают упруп напряжения, не приводящие к пластической деформащш материала щ последующем нагреве. В работе была проведена экспфиментальная оцем упругих напряжешш, возникающих в пластинах пос высокотемпфатурного этапа при отсутствии в объеме сосдинснш пластин пластической деформащш. Полученные значения напряжет близки к расчетным.

Образование монолитного соединения на втором высок темпфатурном этапе процесса возможно, по нашему мнению, за сч диффузии к границе раздела собственных атомов кремния, диффузии их ] гранцце раздела с частичным заполнением пустот, диффузии кислорода : естественного окисла на соединенных повфхностях в объем пластин. V мфения повфхностной энфпш у структур, полученных по разработатп технологии, дали значения у=3800-5200 эрг/см2; по мнению бол ипшетва исследователей значения повфхностной энфпш грашщы рг дела: у= 4000-5000 эрг/см2 свидетельствуют об образовании монолитно соединения на границе раздела.

В разделе 4.2. рассматривались технологические особенное процессов термокомпрессионного прямого соединения пластин кремни, частности анализировались особенности предварительной химическ< подготовки повфхностей кремния к соединению.

Исследовалась степень гидрофилизащш повфхностей кремш оптимальная для низкотемпфатурного этапа процесса. Анализировали различные жидкостные составы с рН от 1 до 10. Степень гидрофильное повфхностей оцешшалась по величине угла смачивания. Проведены исследования показали, что при введении в контакт повфхностей с угл< смачивания а = (1...5)° уже на стадии низкотемпфатурного эта наблюдается получение в отдельных точках более прочного, чем адгезио

юс сцепления: при разделсшш повфхностей разлом происходи по объему образцов, а не по храшщс соединения. Использовашю слабо гидрофильных поверхностей (а > 7°), наоборот, никогда не приводило к :цепленшо повфхностей при комнатной темпфатуре. Анализ структур тосле высокотемпфатурного этапа показал, что использовагаю на пфвом >тапе повфхностсй с а = (1...5) ° обычно приводит к получешпо лонолипплх многослойных структур с коэффициентом заполнения К = 96...99)% (коэффициент заполнения К - отношеш!е в процентах площади, ю которой произошло образование монолита, к площади всей :оединяемой повфхности - отношение, которое показывает наличие или )тсутствне пузырей) Такие значения коэффшдаента К были получены даже гри работе с пластинами диаметром 100 мм, величиной прогиба в вободном состоянии 15 мкм и при проведешш процесса введеши ювфхностей в контакт в помещешш класса чистоты 1000.

Установлена также важность для качества получаемого соединения тшематики распространения водяного мономфа, общего для двух ювфхностей. Юшематику, в свою очфедь, определяет используемая схема ¡ведения повфхностей в контакт. Найдена оптимальная схема введения в :онтакт и разработано фавнителыю простое приспособление для »еализащш этой схемы на пфвом этапе процесса.

Проведенные исследования также показали, что на втором этапе соединения важным для получения качественного соедашения является нало-<ение сжимающего усилия. Разработана оригинальная, простая в >еализации конструкция кварцевой кассеты, обеспечивающая дновременное прохождение чфез высокотемпфатурныйн этап большего оличества пар пластин и предусматривающая наложение на пакет пар [ластин сжимающего, регулируемого по величине усилия. Разработанная снастка позволяет проводить процесс соедашения, используя стандартное борудование для проведения процессов диффузшг и окисления и не вводя рабочую зону печи никаких других матфиалов кроме кремния и кварца.

На основании проведенных исследований разработана технология фмокомпрессионного соединения кремниевых пластин для получеши ногослойных структур под силовые приборы. Для контроля геометрии сходных пластин и многослойных структур, получаемых после высоко-емпфатурного этапа, па наличие пузырей использовались макеты кон-

трольного оборудования, модернизированные в ходе выполнения данно работа.

В разделе 4.3. приведены результаты исследований свойств гранит раздела, а также особенностей многослойных структур, формируемы прямым термокомпрессионным соединением пластин кремния.

Для решения вопроса о возможности использования при изготовлешг силовых высоковольтных МДП-транзисторов новой технологии бы проведен широкий комплекс исследований для подтверждения прежде всег аналогии структур, получаемых по новой технологии, лучшим образца] таких же структур, получаемых традиционным эшггаксиальным нара тциванием. Выполненные металлографические исследования подтвердил факт образования монолита на границе раздела при соединении сильн гидрофильных поверхностей (а=1...5°); прямым подтверждением этого яе ляется наблюдаемая в процессе термокомпрессии неограниченная днфф) зия легирующих примесей из одной пластины в другую и отсутстви мелких пузырей на границе соединения, которые выявляться пр травлении поперечных сколов структур в составах, спецнальн рекомендуемых для выявления мелких непроваров на границе. Однак« анализ, проведенный с использованием методов масс-спектрометри вторичных ионов (МСВИ), показал наличие почти всегда на гранит соединения пика кислорода. Форма пика свидетельствует о том, чт кислород на границе в основном остается в связанном состоянии в вщ приграничного, очень тонкого окисла^ толщина которого за сче диффузии кислорода в кремний при последующих отжигах можс уменьшаться.

Электронномикроскопичсские исследования границы раздела фор мируемых многослойных структур действительно выявили Наличие на грг нице тонкого, переходного слоя, скорее всего БЮх, с толщиной менее 3 го В отдельных местах в плоскости границы раздела фиксировались учаспа где сплошность границы прерывалась. Аналогичное строение границ слоев наблюдалось нами ранее при электронномикроскопическом ш следовании эпитаксиальных структур. По всей вероятности, это учаспа где кристаллическая решетка одной пластины переходит непосредственн в кристаллическую решетку другой пластаны, без промежуточного ело

онкого окисла. Исследова1шя полученных двухслойных подложек п-+ типа после прохождения их по полному технологическому циклу зготовлсшш высоковольтных приборов показали, что картина дефектов в бласти границы соединения меняется незначительно; явле!ше преци-итации кислорода в приграшганых областях даже при длительных термо-бработках не наблюдалось.

Металлографические исследования объемов многослойных структур, олученных по разработанной технологии, после ряда отжигов, митирующих приборные термообработки, показали, что использование в ачестве слиточного материала для формирования высокоомного слоя ремния, выращенного зонной плавкой, а также кремния, выращенного по охральскому, но с наложением магнитных полей при [О0< 7Л017см-\ озволяет получать структуры с низкой плотностью дефектов (1Чде+< О3 см-2) в рабочем высокоомном слое даже при проведении длительных ысокотемпературных обработок.

Для рассматриваемых МДП-транзисторов, работающих в режиме люча, зафиксированный естественный окисел на грашще между слоями олжен быть туннельным и не препятствовать свободному дрейфу ноенте-гй заряда. Проведешсые электрофизические исследования составных груктур с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ) в сжиме наведенного тока (НТ), а также анализ вольт-амперных характе-истик тестовых диодных структур, формируемых на исследуемых состав-ых подложках, показали не только их полную индентичностъ аналогич-е>ш эшгтаксиальным структурам, но и их значительное преимущество из-I возможности чепсого воспроизводства требуемых параметров рабочего лсокоомного слоя и возможности управления профилем концентрации эсителей на 1раннце раздела слоев. Кроме того, на таких двухслойных эдаожках были получены диодные структуры с пробивными напря-ениями, соответствующие расчетным значениям (500-550В и 1 ООО-1200В) эи значительно более высоком выходе тестовых диодов на экспери-гнтальных многослойных структурах, чем на аналогичных эпигак-[алъных структурах.

На основании проведенных исследований был откорректирован ком-1екс предварительных отмывок, отработана операция предварительного

подлепфования повфхностей высокоомных пластин при форшфовани структур п-п+-типа. Отработана также технология получения трехслойна структур п-п+-р+-типа, которые обычно используются при изготовлен» таких современных приборов, как ЮВТ. Проведенные испытат: механической прочности большего количества составных структу] полученных термокомпрессионным соединением, показали, чт структуры, имеющие коэффициент заполнения К > 94%, имеют такую я механическую прочность, как и монолитные кремниевые пластшп

4

естественно при аналогичной обработке их повфхностей.

На основании проведенных исследований откорректирован техн< логический цикл тфмокомпрессионного соединения пластин да получения многослойных структур п-п+-типа с разбросом по толщине ДЬ удельному сопротивлению Ар высокоомною п~слоя менее ±7% с ношшала и коэффиш!ентом заполнения К=98-99%.

В разделе 4.4. проводился анализ параметров МДП-транзнсторо] сформированных на двухслойных структурах, изготовленных п разработанной технологии и оценивалась эффективность нового техн< логического процесса

Для проверки эффективности этого процесса проводилось сп циальное опробования в условиях завода "Пульсар" большего количеств составных структур, изготовленных по новой технологии, в частности да изготовления мощных пфеключательных ЭМОП п-канальны транзисторов с и<>«= 1000В и рабочими токами 4-5А. Исследована показали, что использование новой технологии позволяет повысит процент выхода годных кристаллов в феднем с пластины в 1,3-1,4 раз; Для оценки рабочих параметров кристаллы, полученные н экспфиментальных подложках, собирались в корпуса (анализировался 3-кристальный вариант) и годные приборы проходили технологическх отбраковочные испытания: механико-климатические и тфмоэлег тротренировку (ТЭТ). В результате на экспфиментальных партиях был получены приборы с требуемыми электрическими параметрами, приче только с экспфиментальных составных подложек были получены прибор группы А с и<>и = 1000В, в то время как на аналогичных эпитакспальиы подложках приборы такой группы получить не удалось. Таким образом

езультаты опробования подгвфдили не только возможность спользования новой технолопш для изготовления этого типа приборов, о и то, что новая технология позволяет повысить процент выхода риборов А. Структуры 100 КЭФ50/КЭС 0,01 и 65 КЭФ20/КЭС 0,01, сфор-тфованные по новой технологии, также использовались при зготовлегаш серии новых мощных переключательных сильноточных )МОП-транзисторов с ипроб= 500 и 1000В, рабочим током 20-30А и сопро-ивлешюм сток-исток в открытом состояшш Лм1.ота= 0,2- 1 Ом. Итоговый нализ результатов измфешш показал, что и в этом случае процент ыхода годных кристаллов на составных подложках, полученных по азработанной технологии, в 1,3- 1,5 раза выше по фавнешпо с питаксиальными подложками, причем у экспфиментальных кристаллов ыли получены значительно более низкие значения остаточных токов гока. Более того, дальнейшие исследования показали, что приборы, зготовленные на составных подложках, по совокупности электрических араметров находятся на уровне лучших зарубежных образцов ведущих арубежных фирм. Реализовать аналогичную совокупность параметров ри использовашш эиитаксиальных структур в качестве исходных одложск принципиально не удавалось.

В приложешш представлены акты внедрешы ряда авторских свиде-ельств, заключештя Завода об испыташш транзисторов, изготовленных а составных структурах, копии некоторых документов, подтвфждающих спользование отдельных разработок из диссфтациошюй работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными результатами работы являются научно обоснованные изико-техпологические решения для управления процессами дефектообра-)вашш в крешгаевых полупроводниковых структурах, являющихся сновой ряда современных твердотельных кремниевых приборов, внедрение оторых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического рогресса в одном из важнейших направлений - совершенствовании и азработки новых методов получения материалов полупроводниковой ехники. Решение этих проблем способствует созданию элементной базы, не-

обходимой для развития высокоэффективного полупроводникового прои; водства приборов силовой электроники и микроэлектроники.

В процессе работы были решены следующие основные задачи:

1. Определены на основашш рассмотрения физики работы приборов технологии их изготовления наиболее характерные виды дефектов, и допустимые плотности и размеры в активных областях ряд твердотельных кремниевых приборов: ФСЗС, мощных биполярных МДП-транзисторах, ИС на основе комплементарных биполярны транзисторов. В частности, для ФСЗС, наиболее чувствительных структурному совершенству приборах, характерными являются ОД^ дислокационные петли, прещшнтатно-днелокащюнные комплекс! соизмеримые по размеру с одной фоточувствительной ячейкой прибора, их скопления. Плотность этих дефектов в активных областях не должи превышать (1..2). 102 см-2 , а концентрация собственных и прнмесны точечных дефектов в виде атомов загрязняющих быстродиффундирующ!; примесей в этих областях не должна превышать 5.1010-5.1011 см-3 .

2. Предложен ряд теоретических соотношений (стр. 21-21 авт< реферата), позволяющих впервые дать количественную оценку понятию "эффективность приема гетгерирования", а также определить плотность размеры гетгерирующих центров, которые необходимо сформировать нерабочих областях кремниевых пластин для обеспечения эффективне работы геттера и очистки активных областей приборов с загрязняющих примесей до технологически требуемого уровня, напримс нужный эффект может быть получен при наличии в объеме ДУ размером ! 9 мкм и плотностью более 10 7 см--3

3. Определено, что эффективность процессов преципитации кислоро; в кремнии, определяющая возможность стабильного формирован! внутреннего геттера для приборов типа ФСЗС, во многом зависит с состояния в решетке собственных точечных дефектов кремния и I комплексов, причем экспериментально показано, что, изменяя режим термохимической обработки пластин на одном из этапов формирован! внутреннего геттера, можно менять состояние собственных точечнь дефектов и их комплексов в объеме пластин на других этап; формирования гетгерирующих центров и тем самым ускорять или заме;

ять процессы прецппнтащш кислорода.

4. Разработана гибкая технологическая схема, позволяющая путем воевремешюй коррекции режимов технологического цикла в зависимости т особенностей слиточного материала стабильно формировать эффектно работающий внутренний геттер. Разработана металлографическая [етодика, позволяющая косвенно оценивать содержание фоновых римесей в слиточном кремнии.

5. Установлен нестандартный характер диффузионных процессов в лоях кремния, импланпгрованных углеродом, а также углеродом и ислородом: отсутствие диффузионного размытия - пика углерода при тжигах, а также факт образования в таких слоях нетрадиционных для мплантированных слоев крешшя дефектов. Установлен факт "восходящей" диффузии углерода при отжигах кремния, имплантированного глеродом и кислородом при соотношении доз: De: Do = 1 : 4.

6. Разработана технология формирования геттера для питаксиальных структур с толщиной эшггаксиалыюго слоя 2-20 мкм с спользованием ионной нмплантащш углеродом и кислородом, озволяющая формировать эффективный геттер при средних дозах и нергнях (De = 100 млКл/см2, Do = 400 мкКл/см2 и Е=300 кэВ) для питаксиальных структур применительно к мощным биполярным ранзисторам СВЧ-диапазона.

7. Разработана физическая модель процесса получения многослойных груктур прямым соединением пластин, заключающаяся в факте цепления поверхностей кремниевых пластин практически по всей лощади поверхностей при наличии отклонехшя в 10-15 мкм еометрической формы плаепш от идеальной за счет деформации пластин оверхносгаым натяжением общего водяного мономера, образующегося ри введении в контакт гидрофильных поверхностей этих плаепш. азработана технология процесса получения прямым термоком-рессионньш соединением плаепш кремния двухслойных структур типа: п-

р-р+- со слоями по своим электрофизическим свойствам, концентрации ефектов и термостабильности удовлетворяющим требованиям к исходным вухслойньм структурам для мощных высоковольтных МДП-транзис-оров.

Основным практическим результатам проведенных исследований разработок является широкое опробование в заводских условиях внедрение ряда решений, полученных в работе, в промышленну технологию, в частности в технологию изготовления микросхем К-537РУ Б-537РУ1, транзисторов КТ640, КТ642, изделия 2Т3132 и други Разработанная контрольная методика анализа трансформации и влияю дефектов на работу приборов широко использовалась для анализа причт брака для контроля матриц и линеек ФСЗС. Широкое опробоваш многослойных структур, получаемых по разработанной технологии, заводских условиях при изготовлении высоковольтных силовых ОМ01 транзисторов показали, что новая технология по сравнению с трад ционной технологией эпитакисального наращивания позволяет получа' более высокий выход высоковольтных приборов (приборы группы А), также повысить в 1,3 раза выход годных кристаллов большой площади одной многослойной подложки.

Экономический эффект от использования разработок диссертацг составил более двух миллионов шестисот тысяч деноминированнь рублей. Ожидаемая экономия в перспективе при возможное] использования всех результатов работы составит более шести миллионе деноминированных рублей. Кроме того, использование разработашге технологии получения многослойных структур вместо традиционно] эпиатаксиального наращивания позволяет исключить ряд экологически проблем.

Работа по созданию новой технологии' получения многослойнь структур прямым соединением пластин была отмечена золотой медалью Брюсселе на выставке "Брюссель-Эврика'95".

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Ешшерлова КЛ., Татаренков А.И., Русак В.Ф., Бузовкина В.А. "Иссл дования шлифованных и полированных поверхностей пластин кремш после высокотемпературных обработок" - Сб. "Электронная техника сер. 2, вып. Юф21 1973, с.53-60.

2. Татаренков А.И., Енишерлова КЛ., Русак Т.Ф. "Приборы полупроводник вые. Микросхемы интегральные. Пластины кремниевые. Методы контрой качества поверхности*. РМ.11.050.024-77- РМ.11.050.029-77, Москв ЦНИИ "Электроника", 1977.

Сншперлова КЛ., Татаренков А.И., Куликаускис B.C., Русак Т.Ф. "Иссле-

[овапис поверхноста пластин кре\ншя после процессов полировашга". -

Электроштя техшпса", сср.2, вып. 3(121), 1978, с.3-13.

¡лштсрлова КЛ., Малышев В.А., Лапидус И.И., Шаповал С.Ю."Исследо-

iainie, развитие и геттерирование "скрытых" дефектов в эпитаксиальных

лоях кремния". - Сб. 'Электронная техника, сер.б, вьшуск1(12), 1979, с.57-

>4.

bj.CB. N 1103655 "Способ измерения толнцшы аморфной пленки на говерхности монокристаллическои полложки". Приоритет от 10.09.79. Ав-оры: Жукова Л.А., Евстегнеев A.C., Епишерлова-Вельяшева К.Д., Родена А.А, Латуга В.З., Майзанов Б.Т.

Снишерлова КЛ., Вахромеева Г.Г., Карпушин М.П., Васильева Л.А "Ис-дедование причин возникновения видеодефектов изображения, получа-мых с помощью ПЗС",- Сб. 'Электрош!ая техника", сер.2, выпуск 5(140), 980, с.8-14.

лшшерлова КЛ., Вахромеева Г.Г., Жукова Л.А.- "Исследование полиро-:аш!ых поверхностей кремния методами электронографии" - Сб. "Элек-ронная техника", сер. 2, вьш.З (140), 1980, с. 3-8.

лшперлова К Л., Курмачев В. А., Моргулис Л.М.- "Исследование дислока-И01ШЫХ скоплений вокруг областей локальной диффузии на параметры юпщых кремниевых приборов" -Сб. "Электронная техника", сер.2, вып.1,

лшгаерлова КЛ., Мордкович В.Н., Резник В.Я., Малышев В.А. -"Влияние алогеносодержащих добавок на структуру дефектов в активных областях иффузиошгых п-р переходов". - "Сб" '"Электронная техшпса" сер.26, ьш7/( 150), 1981, с. 18-24.

лшшерлова КЛ., Марушша Н.И., Мордкович В.Н., Шмелева Г.Г. "Загря-iiemie кремниевых подложек в процессе их подготовки". - Сб. "Элек-ронная техшпса", сер.2, вып. 5(148), 1981, с.3-8.

кв. св. N 1088593 "Способ термообработки Si и кремниевых структур".

Триоритет от 19.11.1982.. Авторы: Енишерлова-Вельяшева К.Л,

ггальянцев А.Г., Смульский A.C., Мордкович В.Н., Иноземцев С.А.

кв. Св. N 1088605 "Кремниевая пласпша" Приоритет от 24.12.82 Авторы:

ашшерлова-Вельяшева К.Л., Русак Т.Ф., Феигин Х.И.

лшшерлова КЛ., Марушша Н.И. "Исследование сильнолегированных

'блаотей кремния, полученных диффузией фосфора в различных оки-

лителып.1х средах. - Сб. 'Электронная техника", сер. 2, вып. 2(161), 1983,

.3-7.

'усак Т.Ф., Ешнперлова КЛ. "Металлографическое исследование ластеров точечных дефектов на пластинах кремния". -Сб. 'Электронная ехпика", сер.б, вьш. 3(176), 1983, с.25-27.

лшшерлова КЛ., Антонова И.А., Карпушин М.П. " Исследование окисли-ельных дефектов в кремнии и их влияние на некоторые параметрах МДП-труктур".- Сб. 'Электронная техшпса", сер.2, вьш. 1,1983, с. 67-73. Лшшерлова КЛ., Маруншга Н.И. "Щеконтролируемые примеси в иаспшах крешшя и их перерасггоеделение при гетгерировашш". - Сб. Электронная техшпса", сер2, вьш.2(168), 1984, с. 10-15. ib.cb. N 1190855 "Способ изготовлеши кремтшевых потупроводгписовых риборов", приоритет от 29.03.84. Авторы: Енишерлова-Вельяшева К.Л., (ерников М.А, Иноземцев С.А, Мордкович В.Н, Русак Т.Ф., Сопов О.В. Гатент РФ N 122214 "Способ измерения глубины нарушенного слоя на олупроводниковых монокристаллах". Приоритет от 31.07.84. Авторы: ■усакТ.Ф., Енишерлова-Вельяшева К.Л,

-4419. Патент РФ N 1364142. Приоритет от 06.09.85.- "Способ выявления мик дефектов кремния с ориентацией (111). Ав: Еншперлова K.JL, Русак Т. Иноземцев С.А.

20.Ab.cb. N 239842. Приоритет от 13.09.85. Авторы: Концевой Ю.А., Еншв лова-Вельяшева К.Л., Полячек Г.П.

21. Еншперлова К Л., Мильвидский М.Г., Резник В.Я. "Исследова! особенностей дефектообразовашм в приповерхностных слоях кремния i окислешш".- "Кристаллография", том.31, вьш.З, 1986, с.558-563.

22. Еншперлова К Л., Мильвидский М.Г., Резник В. Я. "Исследова! процессов формирования окислительных дефектов упаковки".- Ж. "Кр таллография , том 21, вьш.З, 1986, с. 510-518.

23. Патент Р.Ф. N 13404927. Приоритет 11.02.86. "Способ изготовле] кремниевых пластин с геттерирующими центрами".- Авторы: Ешпперло Вельяшева К.Л., Русак Т.Ф., мтиьвидский м.Г., Воронков В.В., Шмел Г.Г.

24. Ав.св. N 267904 "Способ изготовления фоторезисторов на основе кремш Приоритет от 04.08.86. Авторы: Енишерлова-Вельяшева К.Л., Кле\ С.Н., Шмелева Г.Г., Смирнова Н.В.

2Э. Патент РФ N 1499627 "Способ изготовления кремниевых пластин с reí рирующими центрами в объеме пластины". Приоритет 22.12.87, Авто Енишерлова-Вельяшева К.Л., Русак Т.Ф., Мильвидский М.Г., Вор ков В.В., Антонова И.А., Шмелева Г.Г.

26. Патент РФ N 1547619.. "Устройство для высокотемпературной обрабо полупроводниковых пластин'. Приоритет от 24.11.87. Авторы: Кои

_ вой Ю.А., Енишерлова-Вельяшева К.Л., Бачурин В.В., Левин А.Б.

27. Ав.св. N 1455787 "Способ получения кремниевых подложек" Приоритет 10.08.87. Авторы: Енишерлова-Вельяшева К.Л, Воронков I Мильвидский МГГ., Резник В.Я., Русак Т.Ф..

28. Еншперлова К Л., Боброва Е.А., Галкин Г.Н. "Влияние примеси G кремнии на свойства границы раздела структур Si-SiCh". - " Мик электроника, том 17, вып. 5, А.Н.СССР, 1988, с. 470-472..

29. Воронков В.В., Еншперлова КЛ., Мильвидский М.Г. и др. "Особенно дефектообразования в абразивно обработанных пластинах кремния ] отжиге". - "Кристаллография", т.ЗЗ, вып. 5, 1988, с. 1314-1316.

30.Енишерлова КЛ., Концевой Ю.А., Беленое К.В., Донской Д.В, " следование эффективности некоторых приемов гетгерирования". -'Электронная техника", Сер.2, вьшуск. 5(202), 1989, с. 42-45.

31. Воронков В.В., Еншперлова КЛ., Мильвидский М.Г. и др. "Кристал графия", том 34, N 4, 1989, с. 974-980.

32. Патент РФ N 1639341.- "Способ выявления дефектов на поверхности кр< ния". Приоритет от 28.02.89. Авторы: Енишерлова-Вельяшева К.Л., Ру сак Т.Ф

33.Ав.св. N 1797403 "Способ изготовления кремниевых эпитаксиалы структур с внутренним геттером". Приоритет от 11.03.90. Авторы: Е шерлова-Вельяшева К.Л., Алешин А.Н., мордкович В.Н., Русак Т.Ф.

34. Еншперлова К Л., Орлов П.Б., Сарманов С.С., Сарайюш В.В, Мару на Н.И. "Роль жидкостных отмывок при подготовке поверхнос кремния" Сб. 'Электронная техника", сер.2, вып. 1(198), 1989, с.71-76.

35. Еншперлова КЛ., Орлов П.Б., Сарманов С.С., Сарайюш В.В."Влияние я костных предокислительных отмьшок на свойства МДП-структур".-"Электронная техника", сер.2, вьш. 1(198), 1989, с.37-42.

36. Патент Рф N 1829757 "Способ изготовления кремниевых р-р+-струк*г Приоритет от 21.08.90. Авторы: Енишерлова-Вельяшева К.Л, Клемин С Орлов П.Б., Шмелева Г.Г., Аветисян Г.Х,

тшгаерлова К Л., Мильвидскнй М.Г., Резш1К В.Я., Русак Т.Ф. • "Ис-ледование особешюстей формирования внутреннего геттера в кремниевых т^)укту^ах'\ Сб. "Электронная техника , сер. Материалы, вьш.6(260),

îiuinicp.iona KJL, Мильввдскяй М.Г., Рез1шк В.Я., Русак Т. Ф. "Трансформация геттерирукяпих центров при термообработках крем!шевых плас-ин". - "Кристаллография", том.36, вып.5, 1991, с. 1259-1266. шишерлова КЛ, Алешин А.Н, Мордкович В.Н, Русак Т.Ф, Калинин А.А. Ионнолегированные слои - геттер для эшггаксиальных структур". - Сб. Электронная техника, сер. Материалы, вып.6(260), 1991, с. 1/-I9. Татепт РФ. N 2042233 "Способ изготовления полупроводниковых труктур", Приоритет 03.09.91,- Авторы: Ешпперлова-Вельяшева K.JL, 'огов В.В., Бачурш1 В.В., Антонова И.А.

larciiT РФ. N1828718. "Способ изготовления составных полупро-одниковых струтстур". Приоритет от 3.09.91. Авторы: Ешпперлова-1ельяшева K.JI., Рогов В.В., Бачурин В.В., Савуппаш Ю.А. лешш1 А.Н., Енишерлова КЛ., Калинин А.А., Мордкович В.Н., Русак Т.Ф. Создание внутреннего геттера в кремнии путем имплантации ионов глерода и кислорода". - "Поверхность", выи. 1, 1992, с. 35-40. 1атент РФ N 2033657. "Устройство для шгзкотемпературнвго-нрямого-еое-инения полупроводниковых плаепш". Приоритет от 14.02.92 Авторы: дшшерлова-Вельяшева К.Л., Бачурин В.В., Феипш Х.И., Ушаков М.А. лшшерлова КЛ., Шмелева Г.Г., Темпер Э.М. "Влияние ряда факторов на роцессы прецнпитащш кислорода в кремнии",- "Неорганические матери-лы", т.28, N 5, 1992, с. 936-941.

ЕнишерловаКЛ., Русак Т.Ф., Резник В.Я. "Повышение информативности етодов избирательного травления". - "Кристаллография т.37, вып.5, 992, с.1237-1242

IaTeirr по заявке N 93042524 "Способ получения тонких моно-ристаллических полупроводниковых слоев" Приоритет от 22.03.93. .вторы: Еншперлова'-Вельяшева K.JI., Русак Т.Ф., Сарайкин В.В., Jмслева Г.Г., Савугакин Ю.А.

[атент по заявке N 93015018. "Способ градуировки резонансного датчика «па ИПС." Приоритет от 23.03.93. Авторы: Тэгай В.А., Енишерлова-ельяшева К.Л., Детинко М.В.

лшшерлова КЛ., Русак Т.Ф., Шмелева Г.Г., Ерусалимчик И.Г. "Иссле-ование процессов прямого соединения пластин кремния при фор-ировашш КНИ-структур". - ж. "Микроэлектроника", т.23, вып. 6, 1994, 46-54.

'.nisherlova K.L., Petrov G.N., Cherviakova E.N. "MCZ-silicon - perspective laterial for electronics".- "Silicon'94", 4-th Scientific and Business Conference on ilicon Technology,Photovoltaies and IR-Optics, Czech Republic, Roznov 8 -1-th November 1994, p.230-240.

inisherlova K.L., Petrov G.N., Levchenko V.M., Rusak T.F.,"Technological ¡pects of high quality wafers production during silicon processes" -alicon'94", 4-tn Scientific and Business Conference on Silicon Technology, lotovoltaics and IR-Optics, Czech Republic, Roznov 8-11-th November 1994, 230-240.

нишерлова КЛ., Бачурин B.B., Кузнецов Ю.А, "Перспективная экологи-:ски чистая технология получения многослойных кремниевых структур "Электронная промышленность", 7, 1995, с.4-9.

-4652. Говорков А.В., Еиишерлова КЛ., Мильвидский М.Г. "Исследовашк РЭМ двухслойных кремниевых структур, получаемых эпитаксиаль наращиванием и прямым соединегшем "пластин" - "Известия Акадс Наук" сер. Физическая, т. 6, N 2, 1996, с. 8-13.

53. Aleshin A.N., Enisherlova K.L., Kalinin А.А., Mordko>ich V.N. "The cher factor and its influence on the formation of defect structures and their getti properties in layers of silicon implanted with chemical-active ions". - Nu Instruments and Methods in Physics Research, В 112(1996), p. 184-187.

54. Enisherlova K.L., Mil'vidski M.G., Govorkov A.V. "Scanning electron micros studes of double-layer silicon structures prepared by epitaxy and direct bond "SCANNING",The Journal of Scanning Microcopies, v. 18, N 3, 1996, p. 23

55. Enisherlova K.L., Rusak T.F., Mil'vidski M.G., Reznic V. J. "Meet of native ] defects on morphology of gettering centers in CZ-silicon wafers".- J. Mat< Science and Engineering В 36, (1996), p. 120-124.

56. Tkacheva T.M., Petrov G.N., Enisherlova K.L., Iasamanov N.A. "Oxygen т pitation in MCZ-Silicon: Behaviour and dependence on the origin of material and growth conditions".- 1996 Kluwer Acodemic Publishers, Print the Netherlands, 1996, p.517-525.

57. Milvidski M.G.,Vorontov V.V., Enisherlova K.L., Reznick V. J. "The influen interinsic point defects on getter formation in silicon wafers".- Solid Phenomena. Vols 57-58(1997),pp. 109-114

58. Enisherlova K.L., Rusak T.F., Chervyakova E. N., Vinogradov R.N. "SOI-str res produced by the silicon direct bonding method", - Materials Science Engineering В 46 (1997), p. 33-37.

59. Milvidski M.G., Enisherlova K.L., Reznik V.J., Rusak T.F. and Chervyakova "The new method of semiconductor devices production by wafer direct bone Advanced Performance Materials v. 4, 1997, Kluwer Academic Publi: Manufactured in The Netherlands, pp. 165-181.

60. Tkacheva T.M., Enisherlova K.L., Rusak T.M., Petrov G.N."Oxyeen precipit in silicon thin layers in the presence of carbon". - Solid State Phenomena 57-58(1997), pp. 171-176.

61. Енишерлова1КЛ."Прямое соединение полупроводниковых пластин - i современная технология электронной промышленности"- Сб. "Фунд; тальные проблемы российской металлургии на пороге XXI века",4-ьп "Актуальные проблемы технологии полупроводниковых материалов' редакцией: Мильвидского М.Г. и Уфимцева В.Б., М., Р.А.Е.Н., I1 с. 143-192.