автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Физико-технологические принципы и методы обеспечения качества КМОП БИС массового производства

Р Г 5 ОД

На правах рукописи Экз. № г1? УДК 621.314.632.

Красников Геннадий Яковл

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ. ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА КМОП БИС МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА.

05.27.01. - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

гз • 3(=>

Москва 1996г.

гз. а, 96

Работа выполнена е Акционерном обществе " НИИ Молекулярной Электроники и заьод "Микрон".

Официальные оппоненты :

академик РАН, доктор физико-

математических наук, профессор К.А. Валиез

доктор технических наук,

профессор М.А. Королев

декгор технических, наук,

профессор П.В. Пакасеико

Ведущая организация:

АО ОТ "Воронежский завод полупроводниковых приборов", г. Воронеж

Защита состоится на заседании

диссертационного совета Д 105.06.01 в НИИ "Научный Центр" по адресу : 103460 г.Москва-НИИ НЦ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ "Научный Центр".

Автореферат разослан ___1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

академик МАИ,

к.т.н., А.А.Попов

тел.: 531 - 13-03 531 - 25 - 46

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Современное микроэлектронное поизводство характеризуется постоянным возрастанием требований к условиям изготовления микросхем, используемым материалам, технологическим процессзм, оборудованию, контрольно-измерительной аппаратуре и т.д. С ростом степени интеграции микросхем обеспечение стабильности и воспроизводимости их параметров имеет решающее значение для массового производства.

Проблема повышения качества и процента выхода годных (ПВГ) БИС особенно обострилась в условиях развития рыночных отношений, увеличения экспортной продукции и появлением в этой связи фактора конкуренции с зарубежными, фирмами. Исследования в области этой проблемы чрезвычайно актуальны и имеют принципиальное значение для отечественной микроэлектроники,

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.Проведеиие анализа массового производства ' кремниевых микросхем с выявлением, исследованием и.' устранением "узких мест" в технологическом маршруте, с целью повышения эффективности производства КМОП СБИС за счет повышения процента выхода годных микросхем и снижения затрат на исходные'материалы и технологические среды:-

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи.

1. С применеием статистических, методов провести анализ существующего производства кремниевых микросхем, с определением аномальных и хронических проблем^

2. С учетом установленных проблем провести анализ

■-41 ехнологических процессов, слоев и оборудования. З.На основании проведенных исследований разработать необходимые технологические процессы и оборудование с целью повышения процента выхода годных микросхем.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в теоретическом обосновании, экспериментальном обеспечении и разработке принципов повышения качества технологии изготовления КМОП БИС, что составляет научную основу для разработки кремниевых микросхем с высоким процентом выхода годных. Б диссертационной работе впервые исследованы и решены следующие научно-технические задачи и проблемы. ¡.Исследовано влияние термической обработки ( 783К ) в среде азота, кислорода и треххлористого фосфора и последующей химической обработки слоя диоксида кремния на электрофизические свойства МДП-систем. Установлено, что данная обрзботка приводит к уменьшению величины подвижного заряда, снижению плотности проколов и увеличению электрической прочности диэлектрических слоев.

2.Установлена экспериментальная зависимость изменения, относительного коэффициента отражения ИК-излучения от поверхности кремниевой пластины после ее химической обработки.

3.Установлено, что обработка реакторов и кварцевых держателей кремниевых пластин в плазме, с последующим нанесением на внешнюю сторону слоя А1,0}, увеличивает срок их. службы, а также улучшает электрофизические свойства системы БЬ-БЮ,.

4.Исследованы закономерности влияния различных

металлических примесей (А1, Аи, Мо и на электрофизические свойства системы БЬЯЮ^.

5. Исследованы закономерности влияния полеиых электродов,, полученных методом магнетронного распыления мишеней, состоящих Из двух- и трехкомпонентных сплавов на электрофизические, свойства системы -БЬвК^.

6. Исследована стабильность и концентрация органических примесей в химических, растворах и деионизованной воде, используемых непосредственно в процессе выполнения технологических операций при изготовлении кремниевых чипов.

7. Установлено, что зависимость величины подвижного заряда от концентрации примеси натрия -и меди в системе 5ь8Ю2 носит пороговый характер.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

1. Результаты анализа технологических процессов и сред позволили установить аномальные и хронические проблемы массового производства КМОП БИС.

2. Процесс низкотемпературной стабилизации электрических. параметров кремниевых микросхем на финишных этапах их изготовления. обеспечил на 24,2% увеличение выхода годных КМОП БИС ('537 РУ-2).

3. Экспериментальная, установка и методика анализа качества химической обработки пластин кремния используется в производстве СБИС.

4. Алюминиевые мишени состава А1-Т1 (0, 15% ) ' улучшили электрическиепараметры КМОП БИС. Величина подвижного заряда в МДП системе сиизиласть более чем в два раза.

-65. Технология изготовления кварцевых реакторол, обеспечивала изготовление микросхем с более .высоким процентом выхода ' годных ( в среднем, на 7-8% ) и увеличивала срок службы реактора при температуре ( 1493К) как минимум в два раза. 6. Технологический процесс осаждения алюминия в контролируемой остаточной атмосфере кислорода (6,7-104 Па), позволил увеличить процент выхода годных КМОП БИС ( 537РУ-2, 537РУ-8, 537РУ-9 ) в среднем на 11,4%.

ДОСТОВЕРНОСТЬ .РЕЗУЛЬТАТОВ. Достоверность разработанных технологических процессов, установок и методик подтверждается положительными технологическими испытаниями, экспериментальными образцами, а также прозеркой на достоверность в порядке экспертизы заявок на изобретение. Возможность практического использования, разработанных технологических процессов, установок ' н методик подтверждается их успешным применением на предприятиях электронной промышленности.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы использованы в НИР .и ОКР, направленных на разработку и изготовление кремниевых микросхем, а также на совершенствование технологии их изготовления и шедрены в "АООТ НИИМЭ и завод "Микрон". Суммарный экономический эффект, подтвержденн.лй актами внедрения составил в 1990г. один миллион двести восемьдесят семь тысяч рублей, а в 1995г. составил восемьсот двадцать миллионов рублей.

/

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ :

1. Комплекс физико-технических исследований по внедрению новой конструкции и технологии изготовления кзарцезых реакторов, обеспечивающих получение необходимых технико. экономических показателей кремниевых микросхем..

2. Закономерности изменения величины относительного коэффициента отражения -ИК-излучения от поверхности кремниевой пластаны после ее химической. обработка

¿.Результаты анализа технологических процессов и"/сред, используемых в производстве кремниевых чипов.

4. Закономерности влияния примесей А1, Аи, Мо, V/ и № на электрофизические свойства МДП систем.

5. Комплекс исследований по стабильности химических растворов - и содержания в них й деионизованной зоде загрязняющих органических- примесей.

6. Закономерности дефектообразования и поведения неконтролируемых примесей в кремнии и слоях диоксида кремния при изготовлении кремниевых чипов!-

7. Корреляционные зависимости электрофизических свойств МДП-систем от типа легирующей добавки и ее процентного содержания в алюминиевой мишени, используемой при изготовлении нолевого. электрода

8. Закономерности влияния низкотемпературной обработки (783К) МДП систем в среде кислорода, азота и треххлористого фосфора на их электрофизические свойства.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях "Исследование, разработка и

лраменение интегральных полупроводниковых схем памчти':(г.Мосхва, 1984г), "Развитие методов проектирования и изготовления запоминающих устройств" (г.Москва, 1988г), Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информэтика"( г.Москва. !995г).

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований изложены в 38 научных работах, в том числе в 13 патентах и авторских свидетельствах на изобретения,

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения, общий, объем работы составляет

: ■- ' • - страниц, в том числе основной текст_._страниц,

12 рисунка и 53 таблиц к основному тексту.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Введение. Во введении дается общая характеристика работы^ обосновывается актуальность решаемой проблемы, формулируются цель и задачи работы, определяются се структура. цобъем.

Глава I. Анализ технологических процесса н сред используемых в производстве кремниевых чипов. Постановка задачи.

Параметры исходных материалов, технологических сред и оборудования оказывают решающее влияние на качестзо ^кремниевых микросхем. Однако для практической реализации данного утверждения необходим комплексный анализ реального производств^ изготавливаемых кремниевых микросхем. С этой

целью было выбрано АООТ НИИМЭ и завод "Микрон" по производству КМОП СБИС.

Анализ причин брака, выполненный на СБИС ОЗУ, показывает, что основной причиной низкого ПВГ микросхем, кроме дефектов фотолитографии и технологических слоев следует считать инверсионные токи утеч*ки. Исследования этих микросхем позволили обнаружить в их структуре повышенную концентрацию неконтролируемых примесей, натрия и меди.

Проведенный анализ МДП структур, изготовленных по базовому, технологическому маршруту, показывает, что при небольшой величине фиксированного заряда и относительно высокой его стабильности, наблюдается значительный разброс электрофизических параметров по'площади пластины и в технологической партии. Неоднородность электрофизических свойств системы обусловлена тем, что в различных

областях по площади структуры протекают разные физико-химические процессы. Это различие можно объяснить структурной неоднородностью диэлектрика ( по площади и объему) и наличием в его объеме неконтролируемых примесей. Большой разброс величины подвижного заряда по площади структуры БьБЮз позволяет предположить, что распределение концентрации этих примесей также неоднородно, что приводит к неодинаковому распределению концентрации подвижных ионов.

Дефектность технологических слоев в производстве

кремниевых микросхем наиболее важный и часто встречающийся

вид брака'. Показано, что подготовка поверхности кремния к его о

окислению, оказывает решающее влияние на дефектность диэлектрических слоев! Б условиях серийного производства часто возникает необходимость в хранении кремниевых структур перед

лроведением того или иного технологического процесса. Экспериментально показано, что плотность проколов и термических слоях 8Ю2 возрастает с увеличением времени хранения'кремниевых пластин в кассете в условиях термозоны. Необходимо так организовать технологический процесс, производства микросхем, чтобы свести к минимуму время хранения кремниевых структур, особенно,'перед проведением вакуумно-термических процессов.

Приведены результаты исследовании влияния, времени отжига в инертной среде, толщины выращиваемой пленки на плотность и размер микропор в пленке БЮ2 . На основании проведенного анализа делается вывод, что для получения системы, Б^БЮ, с высокими электрофизическими свойствами необходимо: - высокая однородность и воспроизводимость свойств поверхности исходного кремния после химических обработок,

оптимальная организация высокотемпературных обработок для сохранения бездефектной поверхности кремниевых пластин.

Это должно быть выполнено при высокой чистоте производственных помещении и технологических сред. Рад и о а кт и и а ц и о н н ы п анализ (см. табл.) отказавшей микросхемы, обусловленный высоким значением подвижного заряда указывает на наличие в структуре прибора повышенной концентрации неконтролируемых примесей.

•Таблица

Распределение примесей в структуре микросхемы.

Состав технологических слоев

Концентрация 8Юг Слой поли- Слой Поверхностней

примесей пиролиз кристалличес- подаатворного слой кремниевой

кого кремния 5Ю2 подложки

Концентрация примеси, см'3

Ыа 10" 5-Ю'7 ' 4-Ю16 3-Ю16

Си 3-Ю'6 . 3-Ю" . 2-10" 4-1016

. Наличие такой высокой концентрации неконтролируемых, примесей приводит к'необходимости поиска причин попадания этих примесей в структуру прибора, С этой целью нами был проведен комплексный анализ кремния, технологических сред и технологических процессов в ходе изготовления микросхем.

В настоящее время особое значение приобретает уровень чистоты газов в связи с наметившейся тенденцией миниатюризации микросхем, когда наличие примесей в газах даже в незначительных количествах может привести к . существенному,снижению выхода годных изделий и ухудшению их качества. Из наиболее характерных примесей, лимитирующих ПВГ качество; микросхем, выделяются следующие: влага, тяжелые металлы и металлы переходных' групп, углерод, кислород- содержащие примеси. Наличие каждой из этих примесей в технологических газах оказывает, в целом, близкое по Ьвоеи физико-химической сути отрицательное влияние на электрофизйдескиё;^параметры системы кромнин-д;1окс11д

кремпня. Особое внимание в производстве микросхем следует обратить на взвешенные микрочастицы, которые обладают полифункциональным . отрицательным влиянием на электрические параметры микросхем, В технологичбеких газах, наряду с микрочастицами, присутствуют также и молекулярные примеси, оказывающие непосредственное влияние на электрофизические свойства системы 81-8ЮгТ1рисутствне такого спектра примесей приводит к необходимости финишной осушки и очистки газов непосредственно в точке их использования. Выбор необходимых способов очистки и их совершенствование в большинстве случаев сдерживается отсутствием или .несовершенством известных методов определения концентрации мнкроприме'сей разного состава. Выполнен анализ существующих способов очистки, используемых в. технологии кремниевых микросхем газов, указаны их недостатки и предложены более перспективные методы. Приведены концентрация н тйп 'загрязнений практически во всех используемых технологических средах. Обозначены основные источники загрязнений газообразных технологических q>eд. При удалении из газон микрочастиц не следует ограничиваться использованием микрофильтров только на стадии изготовления технологических газообразных сред. Необходимо применение микрофилырации технологических газов непосредственно у входа в реактор. Это связано с тем, что определенная доли микрочастиц гетрируется газовым потоком со стенок •1рубопром>дов. Существующие в настоящее время средства мнкрифи и. I рационной очистки позволяют достаточно надежно о'иищпь чсмц)ло1 ;и чес к не газы от лшкрочастиц размером до ОД? мкм Проведен анализ физических процессов загрязнения

поверхности кремниевых пластин в чистых производственных' помещениях. Указано на связь между скоростью осаждения микрочастиц и скоростью воздушного потока п производственных помещениях или скафандрах. Обсуждаются экспериментальные исследования зависимости скорости осаждения аэрозольных частиц от вида поверхности полупроводниковых пластин(например, и и от их

ориентации в воздушном потоке. Проведен анализ микроорганизмов, содержащихся в технологических средах, на электрофизические свойства системы 51-8Ю2. Показано, что наличие микроорганизмов в деионизованной воде, которая, например, используется в качестве финишной при изготовлении "подзатаорного" диоксида кремния приводит к росту величины подвижного заряда в системе и разбросу электрических

параметров кремниевых микросхем.

Выполнен анализ существующих способов химической очистки поверхности кремниевы х структур.

При проведении термодиффузионных процессов основная роль в загрязнении системы 51-8Юг металлическими примесями отводится кварцевым реакторам, которые оказываются для этик примесей прозрачными. Выполнен анализ содержания металлических примесей и величины подвижного заряда в системе 51-5Ю2, которая была изготовлена с использованием реакторов из плавленного кварца, поликристаллического кремния и карбида кремния. Кремниевые трубы достаточно прочны, устойчивы при высоких Температурах, являются хорошим бдрьеромдля примеси натрия, но проницаемы для металлических примесей, особенно для .\меди. Реактор из карбида кремния прочен и практически непроницаем ; для металлических при месс;'!,

включая натрий и медь, однако он значительно дороже.

Выполнен анализ качества поступающих в производство СБИС кремниевых пластин, установлена концентрация, содержащихся в них неконтролируемых примесей. Показано что основным источником структурно-примесного несовершенства крем-нирвых подложек выступает их поверхностный слой, качество которого зависит от технологий финишной подготовки полупроводниковых пластин.

Глава II. Теоретический » экспериментальный анализ физико-химических свойств системы 81-8Ю2.

Изготовление кремниевых микросхем с высоким процентом выхода годных и стабильными электрическими характеристиками, в первую очередь, зависит от степени поддержания в заданных пределах совокупности физико-технологических параметров. Электрические характеристики полупроводниковых приборов (например, МОП) в значительной тстепени определяются свойствами системы Бь8Ю2 , на которые решающее влияние оказывает слой "подзатворного" диоксида кремния. Однако процесс термического окисления кремния, даже в среде "сухого" кислорода, далек от полного и детального понимания.

Приведен сравнительный анализ различных способов получения слоев диоксида кремния. Сравнительный анализ свойств кварцево/о стекла и термически окисленных слоев кремния показывает, что у рассматриваемых объектов много общих черт на уровне субструктуры. Анализ существующие и разрабатываемых способов окисления кремния был выполнен < единственной целыо вскрыть основные научно-технически* проблемы, сдерживающие дальнейшее развитие технологии г

напракленин увеличения степени интеграции кремниевых микросхем. Основная проблема, на наш взгляд .заключается в получении системы $иЗЮ2 со стабильными и воспроизводимыми электрофизическими свойствами. Для решения этой проблемы необходимо:

- установить тип и концентрацию неконтролируемых примесей в системе 81-ЗЮ2 и выяснить их влияние на кинетику окисления кремния и электрофизические свойства системы тсремшш - диоксид кремния, • предложить технические решения, исключающие или снижающие (в необходимых пределах) влияние неконтролируемых примесей на свойства системы Вь5Юг Выполненный нами анализ позволяет сделать вывод, что получаемые термическим окислением кремния слон 8Ю2 находятся в состоянии более близком к стеклообразному чем к иестеклообразному, с наличием в общей структуре аморфной матрицы упорядоченных и неупорядоченных областей.

Подробно рассмотрено строение и свойства переходной области Зг-ЗК),, Проведен анализ'дефектов в спстемскрсмний-диокенд кремния. Показано, что в аморфном материале дефекты, обусловленные дальним порядком (дислокации, дефекты упаковки) отсутствуют. Однако присутствуют дефекты, связанные с нарушением ближнего порядка : точенные дефекты и дефекты структурной решетки. Данный опд дефектоз влияет на близлежащие хш.шческне связи кремния с кислородом и через Это на 'электрофизические свойства диоксида кремния.

На основании анализа зарубежной и отечественной литературы, а также собственных исследований, дечае? ел пмиол об однозначном и преимущественном влиянии неконтроли-

руомых примесей на электрофизические свойства системы Для определения влияния тон пли иной примеси на поведение иоиьтфарадмых характеристик МД11 систем необходимо знать состояние этой примеси н диоксиде кремния. Данные исследования были проведены в диссертационной работе. Впервые установлено, что зависимость изменения величины подвижного заряда от концентрации примеси натрия и меди в системе 3!-8Ю, .носит .пороговый характер. При наличии в переходной области кремний - диоксид кремния концентрации натрия более чем 2-10" см'\ а меди (5-6)-1015 см"1 происходит достаточно резкое изменение се электрофизических свойств. Кроме этого показано, что присутствие примесей н структуре диоксида кремния приводит к изменению расстояния и угла химической связи кремния с кислородом, что и является причиной структурных изменений в ЯЮг .

Определены источники загрязнения пленки $Ю2 водородом,- однако степень непосредственного влияния этой примеси на величину подвижного и фиксированного зарядов однозначно и достоверно не определена.

Получены экспериментальные подтверждения влияния примеси натрия на электрофизические свойства системы - $ЮГ Проведенные нами длительные исследования термически окисленных пластин кремния с помощью мисс- спектрометрии вторичных ионов позволили выявить значительный разброс концентрации примеси натрия (Ю'М'Ю'Чм'^на границе Б!-5Ю2. Однако установить однозначную корреляцию между концентрацией примеси натрия и величиной подвижного заряда н МДП сис1еме не удалось. Это возможно объяснить.тем, что примись натрия к структурной сетке диоксида кремния находится н нааппной (ичоднт в структуру 8Ю3) и'активной (находится в

структуре диоксида кремния как модификатор). В зависимости от условий изготовления системы 51-8Ю) что соотношение изменяется, что приводит к изменению » ту или иную сторону величину подвижного заряда. Основными источниками нримеси медн и натрия в диоксиде кремния являются нагреватель и кварцевый реактор диффузионной печи.

Исследования реальных систем кремний - диоксид кремния указывают на их структурную и электрофизическую неоднородность как по плошадн пластины, так и по толщине пленки диэлектрика. При окислении кремния лимитирующим фактором является недостаток свободного объема , который устраняется в результате вязкого течения БЮ, . В процессе термического окисления кремния за счет наличия механических напряжений, обусловленных разностью объема фаз кремния и диоксида кремния, а также в результате вязкого течения 8)Ог происходит разрыв химической связи кремния с кислородом с образованием нейтральных комплексов Б! - О - Ыа и трехвалентного кремния, который и является причиной образования "встроенного" в диэлектрик заряда.

Глава Ш. Влияние исходного кремния химических а термических обработок на свойства системы йкЯЮ,,

В настоящее время имеется довольно много различного рода работ посвященных изучению свойств кремния и характеру изменения их от условий и методов получения, температурных обработок и т.д. Однако такие важные с практической точки 'зрения вопросы, как влияние тех или иных, характеристик монокристаллического; кремния на характеристики МДП-■ структур и кремниевых микросхем, воспроизводимость их спойс: в.

ироцеит выхода годных, чаще всего остаются нерешенными.

Проведенный в I главе данной диссертационной работы анализ базового технологического маршрута изготовления КМОЯ БИС показал, что в основном па параметры кремниевых микросхем влияют исходный кремний , а также химические и термические обработки, которым подвергаются кремниевые структуры в процессе изготовления микросхемы.

Проведен детальный анализ качества кремниевых подложек, поступающих на участок входного контроля кристального производства завода "Микрон". В диссертации анализируются типичные дефекты, остающиеся па поверхности забракованных кремниевых пластин после их финишной обработки на заводе изготовителе'. Данные дефекты обусловлены как некачественной операцией шлифовки кремния, так и качеством самого кремния. С помощью электронографии была проведены исследования структуры поверхностного слоя исходных пластин кремния, которые используются л массовом производи ве микросхем. Эдектроиограммы свидетельствуют, что приповерхностный слой некоторых /шаенш амерфнзирован, однако после стравливания слоя полупроводника 3-10 мкм такие пластины имеют высокое структурное совершенство. Экспериментально показано, что структурные дефекты находятся не только в приповерхностном слое, но также распределены и вглубь полупроводника. Данное распределение структурных дефектов связано с распрелслением растворенного в кремнии кислорода. Приведены экспериментальные данные по распределению кислорода » ели псах кремния. Существующий рачброс концентрации кислорода как но площади пластины, так и от пластины к пластине делает проблематичным

использование технологического процесса внутреннего генерирования в заводских условиях. Как показали наши исследования, свойства системы Si-Si02, диоксида кремния , а также процент выхода годных КМОГ1 БИС, различны н зависимости от концентрации растворенного в кремнии кислорода.

Установление однозначной корреляции между свойствами исходного кремния и электрическими характеристиками микросхем возможно при понимании вопросов, связанных с изменением состояния исходного монокристаллического кремния в зависимости от режимов термических обработок в процессе производства кремниевых микросхем.

Монокристаллы кремния, выращенные из расплава, имеют характерные полосы роста или полосы точечных дефектов, устранение которых считается важнейшей проблемой улучшения качества бездислокационных кристаллов. Данная проблема решается на стадии выращивания монокристалла. Влияние дислокаций на электрофизические характеристики МДП структур можно связать со структурными несовершенствами границы раздела Si-Si02. Изменение зарядовых свойств системы кремний -диоксид кремния можно объяснить кислородными вакансиями, наличием избыточного кремния и примесей в SiO„ которые в свою очередь, могут быть связаны с дислокациями на границе раздела. Дефекты упаковки, возникающие в процессе термических операций, как правило, приводят к токам утечки и снижению величины пробивного напряжения р-n переходов. С целью снижения злияния структурных дефектов и неконтролируемых примесей на свойства кремниевых микросхем

были исследованы различные виды кремния :

- полученный методом Чохральского и легированный в процессе роста изовалентной примесью, например, цирконием. -($1-2г).,

- полученный методом бесгигельнон зонной плавки, (Б^БЗП)

- полученный методом Чохральского без дополнительного легирования (-БГ)

Все подложки имели кристаллографическую ориентацию (100) и были легированы фосфором. Проведенные исследования позволяют отличить слабую зависимость структурного совершенства поверхностного слоя кремния от технологии - изготовления монокристаллов кремния. Исходные образцы всех марок кремния отличаются неоднородным по глубине аморфнцированным верхним слоем кремния от 10 нм (8ьБЗП) до 15 нм (8Ь2г).И только более удаленные от поверхности слои имеют высокую степень совершенства. Последовательно после каждой термической операции происходит отжиг поверхностной области кремниевой подложки, з результате чего происходит » уменьшение глубины аморфного слоя до 3-5 нм.

Концентрация примеси натрия в объеме кремниевой пластины не зависит от типа кремния, а также режимов термических обработок и составляет (5-7)-10|г см-3. В приповерхностной области концентрация натрия более чем на три порядка больше чем в объеме. Для подложки $1-БЗП концентрация натрия в приповерхностной области в три р?за меньше чем. для кремния используемогое серийном производстве ( ). Концентрация меди как в объеме так и приповерхностной области не зависит от тина кремния. Однако по мере проведения термических операций концентрация ее возрастает в

приповерхностной области. Наиболее резко эта запнеимоегь проявляется для кремния - БЗП. Концентрация оптически активного кислорода в исходных пластинах кремния, изготовленных из слитка, выращенного по методу Чохральского, составила. (5-6)-10|7см\ а для подложек - БЗП (4-5)-10". Концентрацию растворенного в кремнии кислорода определяли с помощью мегода ИК-Фурье спектроскопии с погрешностью не более (0,06 - 0,1)-10|7см'\ Наиболее слабое влияние, как показали исследования , выполненные на заводе "Микрон", оказывают термичесхие обработки, проводимые в процессе изготовления кристаллов микросхемы, на концентрацию кислорода в кремнии, легированном цирконием. Этот экспериментальный результат позволяет сделать вывод, что введение примеси циркония з кремний оказывает стабилизирующее влияние на характер поведения кислорода.

• Проведенный анализ исходных пластин кремния, выполненный на участке входного контроля ц. 08 завода "Микрон", позволила выявить и устранить основные виды дефектов, которые в основном обусловлены не качественной финишной обработкой подложки. Кроме этого, отмечается значительный разброс по концентрации и типу неконтролируемых примесей как по площади пластины так и от пластины к пластине. В некоторых случаях концентрация примеси натрия может достигать величины 10|7см'3, а меди 10й-1С" см"3: Для снижения влияния неконтролируемых примесей на электрические параметры приборов необходимо разрабатывать и внедрять процессы генерирования в : технологический маршрут изготовления кристаллов, либо проводить на начальном этапе изготовления микросхемы отбор

нсходных пластин кремния. Как показывает опыт, наиболее эффективно, с нашей точки зрения, геттерирует примесь меди структура, состоящая из последовательно нанесенных на обратную сторону пластины слоев поликрнсталличесхого кремния и нитрида кремния. Кроме этого слой служит надежной защитой от

попадания неконтролируемых примесей в структур) прибора в процессе его изготовления.

Решающее влияние на процент выхода годных I качество микросхем оказывает химическая обработк; как исходной поверхности пластины, так и кремниевые структур в процессе изготовления микросхемы; Было установлено, что толщшш естественных пленок оксида кремния зависят от кристаллографической ориентации, типа проводимости и удельного сопротивления кремниевой подложки. 'Финишная обработка кремниевых структур заканчивается отмывкой их в дсионпзованной воде. В качестве донорнон примсси, адсорбирующейся на поверхности кремния, является окись углерода, которая и большей степени, чем другие газовые примеси растворяется в воде.

Нами были проведены исследования по стабильности состава наиболее Еажных и часто используемых химических растворов (пероксядно-сернокчслого и пероксидно-аммиачного), а также исследования по степени загрязненности их раство' ммымн органическими загрязнениями, последнее относится и к депонированной воде, используемой на финишных операциях по отмывке пластин от технологических загрязнении и растворов.

-23В процессе исследований пробы, упомянутых выше растворов, отбирались прямо из рабочих ванн с помощью специально разработанных и изготовленных пробоотборников, представляющих Из себя миниатюрные кварцевые ковши емкостью до 10 мл . Из одной ванны бралось до 5:6 проб в следующей последовательности :

- исходный химический раствор (без подогрева),

- исходный химический раствор (в процессе кипения),

- химический раствор после определенного количества обработанных в нем пластинок

- полностью использованный химический раствор (перед сливом )

Исследования проводились по следующим направлениям :

- определялась стабильность состава технологических растворов в зависимости от времени и количества обработанных пластин,

- определялась концентрация растворимых органических примесей в деионнзованной воде на разных стадиях отмывки пластин от технологических растворов.

Изменение концентраций Н2805 и Н202 в большой степени определяется временем обработки, чем количеством пластин.

В результате нагрева раствора происходит как ею интенсивное испарение, так и разложение Н2505 и Н2Ог Это вызывает необходимость добавления значительных количеств Н20, (до 10% от общего объема раствора в рабочей ванне), что в свою очередь приводит вновь к скачкообразному и неконтролируемому изменению концентрации основных компонентов раствора.

Нами разработано и внедрено техническое решение по стабилизации химических растворов и условиях серийного производства кремниевых микросхем.

Анализ депонированной воды указывает на то, что происходи!' полная отмывка от перокепдно-аммиачного и неполная от пероксидно-сернокнс.чого, . что привело к необходимости корректировки технологического процесса отмывки пластин. Приведены экспериментальные данные по содержанию органических примесей в воде ;;а различных этапах отмывки. Так было установлено, что на пути от фильтра тонкой очистки до ванны с химическим раствором вода заметно . обогащается органическими примесями; причем наибольшие загрязнения отмечаются в случае подогрева воды. Проведенный теоретический анализ показал, что поведение примеси меди в структуре диосида кремния во многом сходно с поведением примеси' натрия. Выполненные нами экспериментальные исследования, показали что величина подвижного заряда г. системе и характер его поведения

при гермонолевой обработке зависит от концентрации меди в структуре кремний - диоксид кремния. Показано, что увеличение концентрации меди на границе БьЗЮ выше 6Т0:5 см-"' речко ухудшает ее электрофизические свойст ва.

Впервые установлено, что при термической обработке ¡VIДП структур с отрицательным потенциалом на полевом электроде с ростои концентрации меди в диоксиде кремния происходит уменьшение величины эффективного положительного заряда. Проведен анализ причин захвата ниаи-елен заряда в системе БЬ-БЮ,. Выполнен подробный анали:. дсфск гон ь слоях днокисда кремния.

Глаиа IV. Исследование и разработка технологических процессов и оборудованиядля производства КМОП БИС.

Появление объективной информации о технологических процессах, состоянии параметров готовой продукции, расширения понимания операционного контроля от контроля годности продукции (пропустить - забраковать) до контроля состояния процесса позволило перейти.к следующему этапу совершенствования производства - к этапу стабилизации или введения в контролируемое состояние технологических процессов и собственно всего технологического цикла изготовления микросхемы.

Наиболее существенным моментом здесь является формирования понимания процесса "как физического явления имеющего всегда вариативность параметров на выходе и требующего для своего описания статистического подхода. Чтобы управлять технологическим процессом и уменьшить его вариантность необходимо всестороннее его изучение и в первую очередь установить различия между "особыми '' и обычными случаями. В "особых" случаях результат какого-либо процесса нестабилен во времени и предвидеть вариантность процесса в ближайшем будущем невозможно. Пока все значительные "особые "случаи вариантности не выявлены и не приняты меры к устранению причин их вызвавших, эти причины будут продолжать действовать на процесс, делая его результат непредсказуемым. И лишь в случае установления '"особых причин" вариантности процесс становится стабильным, контролируемым и предсказуемым до определенного (задаваемого разработчиками процесса и изделия) предела.

Отмечается, что в условиях неконтролируемого состояния процессов возникает опасность затратного механизма принятия решения по устранению различного вида отклонении. Так, выявленный дестабилизирующий фактор может оказаться случайным и долгосрочная программа его устранения кроме затрат ресурсов не принесет ожидаемого улучшения. Из-за случайного характера таких факторов, возникающих во многих точках производственного цикла невозможно увязать корректирующие воздействия в единую программу действия -поведение становится реактивным, напоминая "пожарные" действия, ресурсы распыляются и это приводит к еще большей дестабилизации. Анализ состояния технологических процессов показал', что большинство из них находится или могут бьпь переведены в контролируемое состояние, однако естественна* вариантность или разброс выходных параметров в некоторых случаях превышает нормы спецификаций, например, в случае "тонкого" окисления кремния. В этих случаях попытка управления или корректировки процесса по результатам сравнения с нормами спецификаций не только не приводят к улучшению процесса, а наоборот, лишь дестабилизируют его. приводя к увеличению разброса параметров на выходе и увеличению доли брака.

Поэтому была проведена целенаправленная работа но выявлению всех факторов* влияющих на процесс "тонкого" окисления кремни ч; их ранжирование по степени важности и последовательное снижение степени их влияния на результаты !схионогичсского процесса на основе анализа Ч\«сто«нчя и клчесшн исходных материалов и технологических ерем, сонерикч к: топание конструкции технологического

оборудовання, разработка новых экспресс-методов анализа и технологических способов стабилизации электрофизических свойств системы Б^БЮ; .

В условиях реального производства отбор исходных пластин кремния с одинаковыми свойствами повышает качество и процент выхода годных кремниевых микросхем. С этой целью нами был использован прибор и методика бесконтактного экспресс-контроля структурно-примесного состояния исходных пластин кремния.

Проведенные исследования показали, что поступающий на участок входного контроля завода "Микрон" кремнии достаточно неоднороден и невоспроизводим по своим структурно-примесным свойствам. Поэтому использование прибора было весьма эффективно и привело к увеличению и стабилизации процента выхода годных кремниевых чинов.

Как отмечалось выше, качество химической обработки кремниевых структур оказывает существенное влияние на процент выхода годных чипов. Нами был разработан и исследован способ экспресс-контроля качества химической обработки кремниевых пластин. Данный способ основан на регистрации отраженной ИК-состааляющей излучения (в диапазоне длмнн волн 1,0 - 1,6 мкм) от исследуемой поверхности. По интенсивности отраженной составляющей излучения судят о качестве химической обработки поверхности полупроводника. Экспериментально показано, что химическая обработка кремниевых пластин в иероксидно-аммиачном растворе приводила к увеличению .среднего значения коэффициента

отражения (Китр), и существенному снижению величины разброса Когр. На основании , данной методики был изготовлен макет установки, который был испытан на заводе "Микрон". Испытания привели к положительным результатам, однако для того, чтобы использовать данный способ на массовой продукции завода необходимо проведение следующих работ:

- разработать и изготовить опытно-промышленный вариант установки,

- провести испытания в условиях цеха,

- провести набор статистических данных, определение •корреляционных зависимостей,

- разработать и утвердить методику по оценке качества химической обработки кремния.

При термической обработке кремниевых структур в кварцевом 'реакторе металлические примеси попадают в структуру прибора в результате высокого коэффициента / их диффузии ■! в кварце, а также взаимодействия выгружаемых из реактора подложек с , неконтролируемой газовой .атмосферой. Поэтому нами были выполнены исследования по определению оптимальной конструкции реактора и технологии его изготовления. Совместно с заводом "Элвакс" г.Сходня разработана технология улучшения стойкости кварцевых реакторов от проникновения в них металлических примесей.

Реактор для проведения термодиффузионных процессов изготавливается из. высококачественных сортов кварца плавлением в электрических вакуумных печах с последующей

переформовкой. К реакторам для производства КМОП БИС выдвигаются следующие требования:

должны быть устойчивы к кристаллизации при 13231С в течение двух часов; после охлаждения на воздухе не должно быть следов кристаллизации,

- должны быть устойчивы к потемнению; уменьшение спектрального пропускания после термической обработки при 1273К в течение 2 часов на длине 290 нм должно быть не более 3 % ,

- допуск прямолинейности реактора длиной более 1000 мм не должен превышать 0,6 % от его длины,

- тип и концентрация примесей в кварце должны соответствовать

техническим условиям,

- вязкость кварцевого стекла при 1523К должна быть не менее 10" Г1а-с,

- содержание гидрокспльных групп в кварцевом стекле должно быгь не более 1-Ю"2 - НО"1 % .

Особенность изготовления реактора состоит в том, что с его внешних сторон с помощью низкотемпературной плазмы оплавляются поверхностные слон кварца, обогащенные неконтролируемыми примесями. Загс?.; на внешнюю сторону реактора с помощью струпного дугового плазмотрона осаждают слой А!г03 толщиной 100 мкм. Слой диоксида алюминия защищает рабочий объем реактора от проникновения ч него неконтролируемых примесей от нагревателе. кроме этого защищенный диэлектрик исключает взаимодействие' за« р.-сняюшн:;

• -30-

иримесей (например Ыа, Си и др.) с поверхностным слоем кварца. Это приводит к исключению образования кристаллических включений, а с другой стороны повышает вязкость кварца при высоких температурах, что в конечном итоге в 3-4 раза увеличивает срок их службы.

В настоящее время в производстве кремниевых микросхем практически после проведения любых термических операций кремниевые структуры имеют, как правило, неконтролируемый контакт с окружающей газовой средой на этапе перегрузки пластин из кварцевой лодочки в кассеты. Выполненный нами эксперимент показал, что кремниевые структуры,-находящиеся во время контакта с окружающей средой при температуре 670К имели в поверхностном слое диоксида кремния более высокую концентрацию меди по сравнению с контрольными образцами. При выгрузке пластин кремния из зоны окисления, даже в инертной среде, происходит диффузия, кислорода из окружающей среды, что и приводит к неконтролируемому изменению электрофизических свойств системы кремний - диоксид кремния. Кроме этого, в процессе . выполнения термических операций возможно попадание неконтролируемых примесей в рабочую зону реактора со стороны открытого- конца реактора. Для того чтобы исключить взаимодействие неконтролируемых примесей с кремниевыми структурами на любом этапе проведения термического процесса нами

была разработана специальная конструкция реактора, исключающая попадание неконтролируемой атмосферы и примесей в рабочую газовую среду

Суть предложенного технического решения заключается в том, что кварцевый реактор для окисления кремния разделен на две части щелью, в которую входит подвижная заслонка. В передней части реахтора имеются отверстия для ввода и вывода парогазовых смесей, предназначенных для очистки кремниевых подложек перед окислением и последующего их охлаждения в контролируемой. газовой среде после термических обработок кремния. Во второй части реактора проходят термические процессы ( например, окисление кремния ) в завесе из инертного газа, предотвращая тем самым проникновение воздуха и неконтролируемых примесей из окружающй среды.

Таким образом устройство для окисления кремния позволяет :

-, перед окислением очищать поверхностный слой кремниевых пластин в парогазовой смеси в передней части реактора, -

- после очистки подложек, без контакта с внешней средой, их загружать в зону окисления в инертной среде,

- зыгружать пластины кремния из зоны окисления также в инертной среде, исключая их взаимодействие с неконтролируемым кислородом и другими примесями,

- охлаждать пластины кремния до комнатной температуры без контакта с внешней средой в инертном газе.

Совершенно очевидно, что используя самые современные способы термической обработки пли

формирования технологических слоев полностью исключить попадание неконтролируемых примесей в структуру системы кремний - диоксид кремния не удается. Поэтому необходимо разрабатывать и применять в технологии изготовления кремниевых микросхем различные геттерирующие обработки.

В условиях реального производства часто случается, что неконтролируемые примеси попадают в структуру прибора на финишных этапах изготовления микросхемы. Поэтому нами был предложен, исследован, разработан и" внедрен в серийное-производство КМОП БИС процесс низкотемпературной стабилизации электрических параметров после осаждения слоя алюминия. Предложенный способ заключается в термической обработке структур А1 - 5Ю2 - Б! в смеси паров треххлористого фосфора, кислорода и азота. Был определен состав и концентрация паров треххлористого фосфора в смеси газов азота и кислорода. После термической • обработки на поверхности кремниевых структур с помощью химико-спектрального анализа обнаружены следы фосфора, с концентрацией около одного атомного процента. Данный технологический процесс не всегда приводит к уменьшению величины подвижного заряда вМДП системе и связано это с тем, что концентрация фосфора в поверхностном слое диоксида кремния мала и она не обеспечивает эффективного связывания подвижных ионов, например, натрия. Однако в.этом случае наблюдается эффект гетгерирования и удаления ионов натрия из системы Б^БЮ, . Поэтому после процесса стабилизации'необходимо проводить удаление поверхностных слоев диоксида кремния с примесями фосфора и загрязняющих примесей. Исследования, с помощью Оже-слектроск.опии показали, что неличина такого слоя.

составляет 3-5 нм. Технологический процесс стабилизации проходит следующим образом. При стабилизации расход азота через питатель-дозатор составляет 5 л/ч, расход газовой смеси через реактор составил : азота 290 л/ч, кислорода 30 л/ч. После термической обработки в среде треххлористорого фосфора, азота и кислорода при температуре 783К в течение 20 мнн (температура питателя-дозатора составила при этом 313К ) проводилась химическая обработка этих структур в пироксидно-аммиачном растворе (МН4ОН : НгО, : Н20 = 1:1:6) в течение 10 мин. В результате этого величина подвижного заряда в МДП структурах снизилась с 1, 4Т0" см'1 до 3,9Т010см"2 . Данный технологический процесс был использован в АООТ НИИМЭ и завод "Микрон" при изготовлении микросхем серии 537РУ-2. Результаты функционального контроля показывают, что количество годных кристаллов на пластине диаметром 100мм возросло с 66 до 82 шт.

С целью исследования причин нестабильности МДП структур проводились комплексные исследования, включающие наряду с электрофизическими исследованиями анализ •структуры, стехиометрии и элементного состава системы Бь-БК^, которые осуществлялись с помощью электронного микроскопа, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, Оже-спектрометрии и масс-спектрометрии вторичных ионов. Осаждение алюминиевого электрода на диоксид кремния увеличивает переходную область 81-8Ю2. Очевидно, что этим экспериментальным результатом можно объяснить более высокие значения величины фиксированного и подвижного зарядов в системе А1 - 8Юг - Бь В противоположность алюминию, полевой электрод из поликристаллического кремния, обладает высокими геггерпрующими сао.Чстиамп

по отношению к примеси натрия, улучшая при этом электрофизические свойства системы 81-8Ю2.

Глава V. Влияние материала и условий осаждения полевого электрода на электрофизические свойства системы БьБЮ,.

Приведены требования, предъявляемые к алюминиевой металлизации. Чтобы удовлетворить .эти требования необходимо провести усовершенствование технологии получения однослойной металлизации. Выполнен анализ существующих и разрабатываемых методов получения металлических пеленок. Были проведены исследования влияния степени чистоты алюминия, а также способа его. осаждения на электрофизические свойства МДП - систем.Осаждение пленки алюминия проводили с помощью магнетронного и электронно-лучевого испарения "алюминиевой мишени. Чистота алюминисзой мишени (по паспорту) соответствовала- 99,995. и 99,9999. Способ магнетронного осаждения алюминия является предпочтительным так как в этом случае удается изготовить МДП - системы с минимальной величиной подвижного и фиксированного зарядов. Данная зависимость наиболее четко проявляется для алюминиевых мишеней 99,9999. Методом радиоакгива-ционного анализа показано,что концентрация неконтролируемых примесей (Ыа и Си) в МДП - системе выше в случае осаждения алюминия электронно-лучевым испарением. Этот вывод позволяет объяснить более низкие значения фиксированного и подвижного зарядов в МДГ1-системе, полученной с помощью ' магнетронного распыления алюминия.

При использовании чистого алюминия в качестве металлизации возникают сложности, связанные с электромнграцией, а также большой растворимостью и высоким коэффициентом диффузии кремния в алюминии Данные проблемы моллю решить за счет ввода в алюминий некоторых примесей, например, меди пли титана. Исследования показывают, что введение титан л улучшает электро-мигряцнонную устойчивость проводника.

Однако гшшше различных металлических электродоя на зарядовое состояние МДП систем изучено недостаточно.

Проведен анализ состава и зыработаны требования, предъявляемые к алюминиевым мишеням. Выполнен анализ состава остаточной атмосферы вакуумной камеры. Алюминиевые мишени не должны иметь газовых включений и микромер. Наличие этих иеоднородностен приводит к неравномерному распылению алюминия. В этом случае на осаждаемой пластине появляются "капли", которые в дальнейшем приводят к закорачиванию токопрозодящих дорожек в одном уровне, а также нижних и верхних уровней разводки.

Для обеспечения воспроизводимости состава пленок и их электрических свойств необходимо обеспечить высокую гомогенность сплава мишени.

В последнее время з производстве кремниевых микросхем резко возрастают требования к уменьшению содержания в, мишенях неконтролируемых примесей. Пр"н изготовлении мишеней из алюминия и его сплавов, а также на алюминий-кремниевой основе необходимо использовать алюминий марки Аб!^.

Как показали наши исследования основными фоновыми примесями для алюминиевой мишени в приповерхностном слое являются кислород, углерод, и кремний. После стравливания этого слоя мишени концентрация указанных примесей в алюминии находится ниже предела чувтсвительности метода Оже-спектроскопии.

При осаждении пленок алюминия важное значение имеет состав остаточной атмосферы вакуумной камеры. Анализ показал, что помимо примесей аргона, кислорода, азота, и воды. присутствуют примеси углеводородов. Как показал анализ, после включения ИК-нагрева происходит резкое изменение состава" спектра остаточных газов за счет дегазации крем'ниевых структур,, подложкодер'жателя и всей внутрикамерной оснастки. При включении магнетрона вновь происходит ухудшение состава спектра, что связывается с газоотделением поверхности мишени и стенок вакуумной камеры. Анализируя состав остаточной атмосферы в процессе распыления алюминиевой мишени можно отметить повышение концентрации-паров воды, азота с окисыо углергода, кислорода и углеводородов. При осаждении металлических слоев существует вероятность загрязнения ниже лежащих технологических слоев металлическими примесями. Для того, чтобы определить влияние наиболее распространенных примесей на свойства систем Б^Ю -.'.нами выполнены исследования термических пленок диоксида кремния, легированных металлическими примесями АЬ Аи. Мо, V/ и №. Металлические примеси Мо, V/ и N1 уменьшают, а примесь Аи увеличивает величину фиксированного заряда в МДП структуре Дан анализ возможных причин этого явления

Исследовано влияние материала мишени, состоящей из двухкомпонентных сплавов на электрофизические свойства МДП системы. Были исследованы мишени алюминия, легированные титаном с концентрациями О,!5% ; 0,3% ; 0,5% ; и 1% , никелем с концентрациями 0,3% ; 0,75% ; 2% , гольмия с концентрациями 0,5% и 1,0% , иттрия с концентрацией , ¡% , а также кремния с концентрацией 1,0% . С помощью МСВИ получены профили распределения .этих примесей в МДП системе. Так изменение концентрации титана в пределах от 0,15% до 1,0% практически не изменяет профиль распределения примеси натрия на границе кремний - диоксид кремния, однако электрофизические свойства МДП систем при этом существенно изменились. Результаты исследований показывают, что легирующие добавки кремния, никеля, и иттрия приводят к снижению плотности подвижного заряда по сравнению с чистым алюминием (контрольный образец), а примесь гольмия способствует повышению величины N11. Так 0,1% иттрия и 0,5% титана снижают величину Мп на порядок по сравнению с контрольным образцом, при этом величина фиксированного заряда практически не изменяется. Сравнивая' влияние двух- и трехкомпонент--ных сплавов на величину подвижного заряда МДП систем можно сделать вывод о том что легирующая добавка титана снижает величину Ып для сплавов А1 -,Т1 и А1 - - Т1 а добавка гольмия ее повышает. Однако зарядовое состояние МДП системы очень чувствительно к процентному содержанию легирующих добавок в алюминиевой мишени и поведение его меняется неоднозначно для двух- и трехкомпонентных систем.

-38В качестве альтернативы способу осаждения алюминия, легированному металлическими примесями, нами был исследован технологический процесс осаждения атомшшя в контролируемой ост аточной атмосфере кислорода. Приводимые в данной диссертационной работе результаты по исследованию процесса осаждения алюминия в контролируемой среде кислорода, а также исследования этих пленок п МДП - систем на их основе являются продолжением работ, выполненных в моей кандидатской диссертации. В процессе осаждения алюминия происходит активация неконтролируемых примесей (например, натрия), находящихся в приповерхностном слое диоксида кремния, что в конечном итоге приводит к нестабильности электрических параметров кремниевых микросхем. В случае осаждения алюминия в атмосфере кислорода, происходит пассивация активных неконтролируемых примесей. Кроме этого, примесь кислорода измельчает структуру металлических пленок, не приводя к образованию "бугорков", что сказывается на надежност и монгоуроянгвой металлизации, а также увеличивает коррозийную устойчивость сплава алюминия. Также происходит,снижение величины подвижного заряда в МДП структурах с полевым электродом из алюминия, который был получен в контролируемой атмосфере кислорода. Осаждение алюминия происходит при давлении 9,3 ТО"4 Па, при чем кислород напускают в вакуумную камеру в первые 30 сек напыления алюминия. В этом случае ело и алюминия отличаются микрогладким профилем поверхности, а также более , ровным и однородным кланом травления. -Пленки алюминия-но своей толщине структурно: неоднородны. При-чем, осажденные в присутствии кислорода сло/ц алюминия

отличаются большим процентным содержанием кристаллической фазы, (60%) по сравнению с металлическими пленками, .полученными обычным путем (20%). Исследования, выполненные с помощью Оже-спектроскопии позволили обнаружить кислород на границе А1 - БЮ2 с концентрацией не более 5 ат,% . Данные металлические пленки в большей степени однородны по толщине и степень этой однородности практически не зависит от термической обработки пленок алюминия. Присутствие кислорода способствует образованию кристаллитов, размер которых не превышает нескольких десятков нанометров, что, видимо, и является основной причиной образования микрогладкого рельефа поверхности и однородного клина травления пленок алюминия. Наличие кислорода в течение всего цикла осаждения пленки алюминия приводит к сильно развитому рельефу поверхности, что делает данный процесс не пригодным в технологии кремниевых микросхем. Таким образом :

- определены требования, предъявляемые к алюминиевым мишеням,

- проведен анализ остаточной атмосферы вакуумной камеры,

- проведен анализ различных способов осаждения алюминиевых.пленок,

- исследовано влияние примесей А1, Аи, Мо, и N1 на электрофизические свойства МДП - систем, установлено, что примеси Мо, V/, и N1 уменьшают величину фиксированного заряда, а Аи ее увеличивает

-40- исследовано влияние состава двух- и трехкомпонентных алюминиевых мишеней на электрофизические свойства МДП- систем; проведено исследование профиля распределения примесей в системе металл-диэлектрик; показано, что для КМОП-технологии мишени аллюминия, легированные титаном (1 ат. %) являются предпочтительными,

- исследован технологический процесс осаждения алюминия в контролируемой остаточной атмосфере кислорода, показано, что данный процесс является перспективным применительно к технологии КМОП БИС.

- исследована структура и профиль распределения кислорода в пленках алюминия, легированных, кислородом. С использованием полученных результатов объясняются преимущества данного технологического процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализу технологических процессов позволил выявить ряд отклонений, имеющих в основном аномальный характер и связано это с нарушениями технологии, а также сбоями в работе оборудования. Отклонения параметров технологического процесса (. "тонкое" окисление кремния ) имели хронический характер и обусловлены фундаментальными причинами, за которые ответственен весь "блок создания подзатворного диэлектрика", включающий исходный кремний, жидкие и газообразные технологические среды, процесс химической отмывки поверхости кремния, а также сам» процесс окисления, проходящий > в кварцевом . реакторе.

Блок создания подзатворного диэлектрика ответственен за параметрические отказы, а также низкий процент выхода годных кремниевых микросхем. В первую очередь обусловлено это невоспроизводимыми электрофизическими свойствами системы $1-5Ю2. Проведенные исследования позволили установить, что данная невоспроизводимость свойств связана с наличием неконтролируемых примесей, которые на любом из этапов изготовления микросхемы могут попадать в структуру кремний -диоксид кремния, изменяя при этом ее электрофизичекие свойства.

Анализ технологических слоев и процессов показал, что основными причинами, приводящими к накоплению неконтролируемых примесей в структуре прибора являются : - термодиффузионные процессы, включая кварцевую оснастку,

-химическая обработка кремниевых пластин в процессе изготовления СБИС .

приповерхностный слой исходных кремниевых пластин. Поэтому! исследования, направленные на разработку и оптимизацию технологических процессов и оборудования, и были выполнены в данной работе. К наиболее важным следует отнести следующие научно-технические результаты.

1. С применением статистических методов проведен анализ существующего производства кремниевых чипов. Определены аномальные и хронические причины низкого процента выхода годных.

2. Выполнен комплекс фпзико-техннчеекпх исследований по разработке- и внедрению ноной конструкции и технологии изготовления кварцевых реакторов, обеспечивающих

получение необходимых технико-экономических показателей кремниевых -микросхем.

3. Установлена экспериментальная зависимость изменения относительного коэффициента отражения ИК-излучения от поверхности кремниевой пластины после ее химической обработки.

4. Проведен комплекс исследований по стабильности химических растворов и содержания в них и деионизованной воде загрязняющих органических примесей.

5. Исследован технологический процесс осаждения алюминия в контролируемой остаточной атмосфере кислорода.

6. Исследован разработан и внедрен в серийное производство КМОП БИС на изделиях 537РУ-2 процесс низкотемпературной стабилизации МДП систем в среде кислорода, азота и треххлорисггого фосфора, с последующей обработкой в лероксидно-аммиачном растворе.

7. Суммарный экономический эффект, подтвержденный актами внедрения составил в 1990г. один миллион двести восемьдесят семь тысяч рублей, , а в 1995 г. составил восемьсот двадцать миллионов/рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ :

1. Красников Г.Я. Исследование системы Si-Si02, легированной металлическими примесями. Сб. научных трудов МИЭТ. Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств, М. 1996, с. 171 - 175.

2. Вернер В.Д., Красников Г.Я., Рубаник Ю.Г. Автоматизированное рабочее место руководителя цеха заказных ИС. Электронная промышленность, 1988, № 9, с. 33-36..

3. Зайцев H.A., Красников Г.Я. , Неустроез С.А. воздействие паров PCI, на свойства структур Si-Si02 Изв. АН СССР Сер. Неорганические материалы, т.25, 1989, с. 403-405.

4. Баранов Ю.И. , Красников Г.Я., Зайцев H.A. Исследование распределения примесей о системе поликристаллическнй кремний - диоксид кремния. Электронная техника, Сер. 3 Микроэлектроника пыл 1(50). 1987, с. 16-19.

5. Красников Г.Я., Зайцев H.A. и др. Коррозийная стойкость и электромиграция пленок алюминия, осажденных при дозированном введении кислорода. Сб. научных трудов МИЭТ. Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств, М. 19%. с. 128 - 131.

-446. АС №285147, СССР. Способ стабилизации МДП структур А.М.Горбарь, Г.Я.Красников, В.В.Лентач и др. Заявлено 25.12.1987.

7. АС№163054, СССР. Устройство для окисления кремниевых пластин. Красников ГЛ., Нестеров А.Э., Кононов А.Н. и др. Заявлено 20.01.89г.

8. Зайцев H.A., Красников Г.Я., Сквира A.B. Электрофизические свойства структур AI - Si02 - Si с алюминиевым электродом, полученном в атмосфере кислорода. Сб. научных трудов МИЭТ. Проектирование, конструирование и технология СБИС, М., 1990, с.111-116.

9. Зайцев H.A., Красников Г\Я., Сквира A.B. Анализ способов уменьшения влияния металлических примесей на свойства МДП структур. Сб. научных трудов МИЭТ. Технология и проектирование СБИС, М., 1989, с.80-84.

10. Зайцев H.A., Сорокин И.Н., Красников Г.Я. Исследование переходной области Si.-Si02 .Всероссийская научно-техническая конференция, Зеленоград 1995 г., с. 118-120.

11. Красников Г.Я., Зайцев H.A., Мялкин С.И. Влияние структурных особенностей поликристаллического кремния на свойства системы Si-SiOj. Сб. научных трудов МИЭТ. Технология, проектирование и надежность ИС, М., 1988, с.22-25.

-4512. АС №1867384, СССР. Способ создания сглаженного рельефа в интегральных схемах. Красников Г.Я., Валеев A.C., ЛезгянЭ.М. Заявлено 12.07.1990г

13. Разработка перспективных изделий микроэлектроники на основе ареенида г алия. Отчет по НИР (Комплексная целевая программа отрасли "Гамбит 4Г) руководитель Красников Г.Я., М„ 1992, 87с.

14. Патент России №2009573. Способ контроля пригодности монокристаллических кремниевых пластин для изготовления полупроводниковых приборов.Красников Г.Я., Зайцев H.A., Лискин Л.А.,. Медведев А.И. Заявлено 22.04.9lr''

15'. Исследование возможности создания сверхбыстродействующих мгогоуровневых логических элементов на квантоворазмерных эффектах. Отчет по.НИР.: Научный руководитель КрасниковТЛ. ГР JSb32281, 1992, 98с.

16. Зайцев H.A., Красников Г.Я., Нечипоренко А.П., Сорокин И.IL, МедведевА.И, Оптические свойства кремния и зарядовая стабильность МДП систем. Сб. научных трудов : *: МИЭТ. Технологические процессы и материалы компонентов' ;; электронных устройств, М. 1996, с. 73 - 80.

17. Кравченко Л.Н, Красников Г.Я.,Подшувалов В.Н. и др. . Контроль арсенид-галиевых подложек методом бесконтактной релаксационной спектроскопии глубоких уровней. Российская'; конференция. Микроэлектроника 1994, Зеленоград.

-4618. Под. решение по заявке №94-000985/25. Магнятоулравляемая логическая ячейка. В.А.Михайлов, Г.Я.Красников, В.Н.Мордкович. Заявлено 1.06.95г.

¡У. Пол. решение по заявке №94-000985/25, Поневой транзистор типа металл- диэлектрик - полупроводник. Г.Я.Красников, В.А,Михайлов, В.Н.Мордкович. Заявлено 1.06.95г.

20. Зайцев H.A., Красников Г.Я., Нечипоренко А.П., Сорокин И.К. Исследование дефектности термически окисленных слоев кремния. Сб. научных трудов МИЭТ. Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств, М. 1996, с. 70 - 72

21. Красников Г .Я., Лернер М.Д. Контроль параметров ЧПГХ для электронной промышленности и обеспеченность их измерительной техникой. 3S конференция Ассоциации инженеров по контролю микрозагрязнений, 7-10 июня 1993г. г.Санкт-Петербург, с. 85-86.

22. Зайцев H.A., Красников Г.Я., Пережогин ГА. Исследование нестабильности МДП, систем, легированных медью. Сб. научных трудов МИЭТ. Технология, проектирование к надежность интегральных полупроводниковых схем, М„ 1988, с. 21-25.

23. Зайцев H.A., Красников Г.Я., Мялкин С.И., Фоминых O.A. Влияние структурных особенностей поликристаллического кремния на свойства системы Si^. - Si02 - Si.

Сб. научных трудов МИЭТ., Технология и проектирование СБИС 1988г., с. 22-25

24. АС № 264517, СССР. Способ изготовления полупроводниковых приборов. Н.А.Зайцев, Красников Г.Я.,' А.М.Мухин. Заявлено 29.12.198^

25. Зайцев H.A., Красников Г.Я. , Сорокин И.И. Влияние -процесса стабилизации на свойства переходной области Si -SiOj. Сб. научных, трудов МИЭТ, Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств, М.-1996, с.63 - 69

26. Дягилев В.Н., Красников Г.Я., Сулимин А.Д. и др. Решение проблемы планиризации рельефа СБИС при переходе к топологическим нормам менее 1 мкм. Электронная промышленность №6, 1995, С. 5-7

27. АС №2024991, СССР. Заявка № 5047105/25 Способ плазменного травления контактных окон в изолируемых и пассивируемых слоях, диэлектриков на основе кремния. Г.Я.Красников, В.Н.Блнзнецов, О.П.Гущин

Заявлено П.06.1992г

28. АС № 2024993, СССР. Способ обработки полупроводниковых пластин. Красников Г.Я., Красавина Л.З., Яснов В.С Заявлено 16.02.92r

29. Зайцев H.A., Красников Г.Я., Бурзии С.Б. и др.Особенности использования лиролитичееких пленок диоксида кремния в производстве КМОП БИС. Тезисы доклада 6"'° координационного совещания по . проблеме "Память". М. 1988, с. 17.

-4830. АС №1736197, СССР. Раствор для химического травления . алюминия и его сплавов.Гришаев Л.А-, Еременко А.Н., Красников ГЛ. Заявлено 2.11.1989г.

3 f. Разработка микросхемы ППЗУ емкостью 64 Кбит. Отчет по ОКР. Гл. конструктор Красников Г Л, ГР № 31981, 1986,108с.

32. Зайцеа H.A., Красников ГЛ., Пережогин Г.А. Влияние алюминиевого затвора на электрофизические свойства МДП систем. Тезисы доклада 6 го координационного совещания по проблеме "Память", М., 1988, с. 17.

33. АС №283635, СССР. Способ окисления кремния. Красников ГЛ., Фоминых O.A., Зайцев H.A. Заявлено 25.1'2.1987г.

34. АС № 12205СССР. Способ изготовления вольфрамовых МДП приборов/ГЛ.Красников, Р.А.Ковалев, А.В.Зеленцов и др. Заявлено 15.03.1984г.

35. Красников ГЛ., Родионов Ю.П. Стабильность параметров МДП-интегральных микросхем при испытаниях термоциклированнем и электротоковых испытаниях. Электронная промышленность, 1988, №6, с. 31-34.

36. Красников ГЛ. Исследование влияния материала верхнего электрода на свойства МДП структур. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1989, 127 с.

—4937. Красников ГЛ., Фе^оренко Ю.С., Панасюк В.К.. Кузин С.М. Качество - обязательное условие вхождения в мировом рынок, стабильной прибььчи и высоких темпов рост? Стандарты и качество, 1594, №¡0, с. 12-19.

38. Патент России № 2024993. Способ очистхн, преимущественно полупроводниковых пластин. Хаханина Т.И., Красавина Л.З., Клюева Т.Б.. Шмелева Т.Б.,Красников Г.Я. и др. Заявлено 16.Об.92г.