автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Совершенствование изоляции и уменьшения токовых утечек в структурах СБИС

РГ8 Од - 9 ШОП

На правах рукописи

лшдвв сергвй вщшрович

СОВВРШЕНСТВОВАНИВ ИЗОЛЯЦИИ И УМЗНЬШННИЕ токовых УШЕК В СТРУКТУРАХ СБИС

Специальность 05.27,01 -

"Твердотельная электроника, иикроэло ктроннка и нано-алвктрошша"

АВТОРЕФЕРАТ

дассортагои на соискание ученой стаиокп кандидата технических наук

МОСКВА 1997 г.

Работа выполнена в АООТ "НИИ молекулярной электроники и 8-д Микрон",г.Москва.

Научный руководитель - к.ф.м.н.,с.н.с, ЛИТВИНОВ Юрий Михайлович.

Официальные оппоненты:

1.Д.Т.Н.,профессор ХАШИМШ Фаррух Рахимович.

2.к.т.н..доцент САФОНОВ Юрий Сергеевич.

Ведущая организация - АООТ "НИИ точной технологии я з-д Ангстрем",г.Москва.

Защита состоится " "_ 1997 г. в "_" часов

на заседании диссертационного совета Д 142.06.01 при НИИ микроприборов по адресу: 103460,г.Москва,НИИМП, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИМИ.

Автореферат разослан

1997 г,

Ученый се1фетарь

диссертационного совета.к.ф.м.я..с.н.с.

ртынов В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

кгуальность темы

Создание сверхбыстродействующих биполярных и К-Би-КМОП ИС пре-усматривает применение компактных,вертикально-интэгрированннх спо-обов изоляции компонентов схемы.В тоже время,внедрение таких спо-обов изоляции сопровождается ростом уровней упругих напряжений,дей-твущих в объеме транзисторных ячеек до 10^ и более дин/см2.Приме-ение плазмохимичаских методов травления при формировании щелевой золяции сопровождается увеличением количества точечных дефектов и эсовершэнств в кремнии.Совместное действие этих факторов увеличи-ает риск возникновения кристаллических дефектов в кремнии и может риввсти к отказам приборов.

Ячейки динамической памяти ДОЗУ 565 Р75 характеризовались низ-эй надежностью в работе /время наработки на отказ не превышало 0.3 эк./,а отдельные ячейка ДОЗУ шлзлн аномально малые времена храна-1я информационного заряда /менео 1 мс./.

Таким образом,актуальность диссертационной работы заключается: -в необходимости совершенствования внедряемых компактных,вертикаль ^интегрированных способов изоляции современных биполярных и К-Би-¿00 КС таким образом,чтобы избежать появления хфисталлических де-жтов п ухудшения электрических характеристик формируемых приборов; -в необходимости улучшения показателей надежности в работе ячеек )ЗУ 565 РУ5 п установления причин аномально низких времен хранения гформационяого заряда в ишс.

Целью диссертации являлось:1-разработка рекомендаций,направлен-ас на совершенствование внедряемых компактных,вертпкально-интегри-танних способов' изоляции современных биполярных и К-Би-КМОП ИС с |М,чтобы избежать появления кристаллических дефектов в активных ¡ластях транзисторных ячеек ИС п ухудшения их электрических харак-■ристик;

•определение оптимального интервала концентрации меяузельного кис-'Рода 9 исходных пластинах кремния,при котором в процессе формиро-лия МОП ДОЗУ 565 РУ5 внутренний геттер формируется естественным разом,а характеристики надежности приборов наивысшие*, установление природы центров аномальной генерации токов утечки и зкгос времен хранения информационного заряда в ячейках памяти ДОЗУ 5 РУ5.

В связи с тем,что размеры транзисторных ячеек малы,а размеры дельных конструктивных узлов ячеек имеют субмикронний уровень, я рошония поставленных задач необходимо применять высокоразреша-ие методы исследования.В наилучшей степени этому требованию удов-.

летворяет метод просвечивающей электронной микроскопии,имеющий прос транстввнное разрешение 3-5 1.Однако,его применение сдерживается из-за отсутствия специальной методики изготовления тонких фольг вер тикальных сечений в локальных,предварительно электрически протестированных областях крэмниэвых ИС.

Проведенный критический обзор литературы позволяет сформулирова конкретные задачи исследования,решение которых необходимо для дости жэния поставленных целей диссертационной работы:

1-разработка специальной высокопроизводительной и высокопрецизионно методики изготовления тонких фольг вертикальных сечений из предвари тельно электрически протестированных групп транзисторных ячеек для просвечивающей электронной микроскопии;

2-аналитическое и экспериментальное обоснование правомерности приме нения разработанной методики для исследования дефектности кремнлевы ИС;

3-построение,на основе элактронномикроскошчаского анализа,качества, ной модели генерации структурных дефектов в объема биполярной транзисторной ячейки.изготовленной по суперсамосовмещенвой технологии с щелевой изоляцией и по К-Би-КМОП технологии с комбинированной "¿ОСА* - щель изоляцией.

Научная новизна результатов исследования заключается в том*что:

1-построена качественная модель генерации структурных дебютов в об: еме биполярной транзисторной ячейки,изготовленной по суперсамосовма-щенной технологии с щелевой изоляцией;

2-выявлен дополнительный,по отношению к целевой изоляции,источник дислокаций.действующий в биполярной транзисторной ячейке,изготовленной по К-Би-КМОП технологии с комбинированной "ЮСО- щель изоляцией;

3-установлена природа центров аномальной генерации токов утешат в ячейках ДОЗУ 565 РУ5;

4-определэн оптимальный интервал концентрации кислорода и структура внутреннего геттера,формирующегося в объема кремниевых пластин в процессе изготовления ^ЗУ 565 РУ5,обеспечивающие достижение наивысших характеристик надежности приборов.

Достоверность подученных результатов обеспечивается:

1-расчетами и экспериментальной проверкой предельных радиационных нагрузок на тонкие фольги кремниевых ИС в процессе их изготовления и наблюдения в ПШ;' _

2-апробацией разработанной методики на примере менее радиационно-стойкого материала-арсенида галлия;

3-корреляционными зависимостями между электрическими характеристика-

ля транзисторных ячеек и их дефектностью..

Практическая ценность работы состоит в том,что: -разработана специальная методика изготовления тонких фольг верти-альных сечений из предварительно электрически протестированных рупп транзисторных ячеек с высокой я сверхвысокой степенью интег-ации для просвечивавшей электронной микроскопии; -разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции и техно-огии изготовления суперсаыосовмещеняой биполярной транзисторной чейки с щелевой изоляцией;

-оптимизированы режимы осаждения пленок поликристаллического кремня в канавках щелевой изоляции.

Методика изготовления тонких фольг вертикальных сечений из пред-арительно электрически протестированных групп транзисторных ячеек 3 может применяться в организациях, занимающихся разработкой и про-зводствоы интегральных схем,а также для оптимизации технологичес-IX процессов непосредственно в условиях полупроводникового произ-здства.

Положения.^вносимые на защиту: -специальная методика изготовления тонких фольг вертикальных сече-!Й из предварительно электрически протестировшшых групп транзис->рннх ячеек ИС для йросвечивавдей электронной микроскопии; -качественная модель генерации структурных дефектов в объеме бипо-трной транзисторной ячейки,изготовленной по суперсамосовмещенной 5Хнол0гии с щелевой изоляцией и по К-Би-ККОП технологии с комбкни-званной "¿ОСОй* - щель изоляцией;

-природа центров аномальной генерации токов утечки и причины нодос-аточной надеямости в работе ячеек ДОЗУ 565 РУ5.

Представленные в работе исследования проводились в соответствии планами работ НЙС-400 НИИ молекулярной электроники в обеспечение СР '•ИРБИС 300 Ш" и договора "ИРБИС -ЛЕС".

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на 13 Всесоюзной конференции по хекгронной микроскопии в г. Суш 198? г. ,12 Всесоюзной конференции 5 микроэлектронике в г.Тбилиси 1987 г.,4 Республиканской конфорен-ги по электронной микроскопии в г.Кишиневе 1990 г.«Российской конвенция "Ии^электрбника-Э^" в г.Звенигороде 1994 г.

Объем работы

Диссертационная работа изложена на 124страницах машинописного )кета,состоят из Введения,4К Глав,Заключения я Приложения,вклэтает I рисунок,7 таблиц и список основной использованной литературы аз > наименований отечественных и зарубеапнх авторов на 7 страницах.

- о -

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЗРТАЦИИ

Во введении обосновывается необходимость совершенствования компактных , вертикально-интегрированных способов изоляции компонентов современных биполярных и К-Би-КМОП ИС с целью снижения уровня привносимой дефектности и уменьшения токовых утечек в них,а также необходимость установления причин аномальной генерации токов утечки в ячейках динамической памяти ДОЗУ 565 РУ5 и улучшения надежности в их работе.Обосновывается выбор методов решения поставленных задач. Сформулированы цели работы,приведены основные положения.выносимые на защиту,дано краткое содержание глав.

В Главе 1 рассматриваются основные модели образования структурных дефектов в кремнии при формировании диэлектрической изоляции и механизмы токовых утечек в динамических оперативных запоминающих устройствах.

В части 1 первой главы рассматриваются механические и теплофи-зические свойства материалов,контактирующих в области диэлектрической изоляции:кремния,двуокиси кремния и нитрида кремния.

Кремний и двуокись кремния различаются по величине температурного коэффициента линейного расширения / ТКЛР /.однако термическая компонента напряжений незначительна при высоких температурах,близких к температуре окисления,и возрастает при уменьшении температуры окисления.Собственные напряжения в пленке двуокиси крвмявя,которые вызываются увеличением ее объема в процессе окисления,могут быть достаточно высокими,если пленка получена при температуре окисления ниже 950 °С.

Механические напряжения в системе 1фвмний-нитрид 1фвмния определяются значительными собстввнйыми напряжениями в пленках нитрида кремния,обусловленными процессами их уплотнения при осаждении.Термическая компонента напряжений незначительна,поскольку ТКЛР этих материалов близки.

Значительное несоответствие механических свойств кремния,двуокиси 1фемния и нитрида кремния дает основание предполагать возникновение в изолируемых мезах' 1фемния достаточно высоких упругих напряжений, сравнимых по величине с критическими напряжениями образования дислокаций в щземнии.

В части 2 первой главы рассматриваются механизмы образования и распределение дислокаций при (формировании изопланарной окисной изоляции на кремниевых пластинах с ориентацией (001) и маской,края которой ориентированы вдоль кристаллографических направлений с110> подложки.

Наблюдаемые в структурах с изопланарной изоляцией дислокацион-

ныэ скопления состояли из прямолинейных шестидесятиградусных дислокаций, параллельных краю маски,и распространяющихся от него в двух кристаллографических плоскостях под маску и выращиваемый оки-

сел. При этом идентифицированы два вида источников дислокационных скоплений,действующих по принципу источников Франка-Рида с одной закрепленной точкой.

Лежащая у края маски первичная дислокация под действием механических напряжений претерпевает поперечное скольжение из плоскости (III) в плоскость (111) .Сегмент дислокации в плоскости скольжения (111) порождает отдельную дислокацию при каждом обороте вокруг точки закрепления,расположенной на пересечении плоскостей (111) и Ш) .Таким образом происходит скопление шестидесятиградусных дислокаций,распространяющихся вглубь подложки по плоскости (111) от края маски.

Другим источником дислокаций являются окислительные дефекты у паковки, образующиеся в процессе локального окисления у края маски.

В части 3 первой главы рассматриваются механизмы токовых утечек в динамических оперативных запоминающих устройствах.В динамической памяти необходимо периодически восстанавливать информацию в ячейке, т.к. заряд,содержащийся в' запоминающем конденсаторе при хранении логической 1 отличается от равновесного значения.Скорость изменения потенциала определяется,во первых темновым током, состоящим из трех компонентов:тока генерации на поверхности / г.п. ,тока генерации в обедненной области / г.о..диффузионного тока / д.,где: /ГЛ = ¿И*¿Г» ЧЙ» ; /л. = ; /'а = Г^!/^""

. Здесь: - площадь ячейки; 2/» - скорость поверхностной рекомбинации; Т. - эффективное время жизни носителей в обедненной збласти толщиной Ха ; X* - время жизни электронов в подложке; //о - концентрация примеси в подложке; ¿п - диффузионная длина электронов в-подложке; Л', - собственная концентрация носителей.

В части 4 перёой главы рассматривается влияние процесса преципитации кислорода на электрические характеристики и выход годных НС. • /

В технологии крэшшевтс ИС кислород может играть несколько ро-шй.Кислород,находящийся в твердом растворе или образующий кластеры, упрочняет кремний.Этот эффект значительно ослабляется,когда на-шнается выделение кислорода с образованием комплексов типа 0Х . $ этом случае начинается резкое уменьшение предела текучэсти крэи-гая,вследствие образования подвижных дислокаций во1фуг прэципита-г°в ЗсОх, -ИР11 отжито кристаллов кремния с высокой концентрацией жслорода на выделениях окисла легко происходит "призматическое выдавливание дислокаций,которые проникая в активные области приборов

могут приводить к ухудшению их параметров и снижении выхода годнш ИС.Таким образом,контролируя процесс преципитации кислорода можно добиться его положительного влияния иа параметры в выход годных ИС В частях 5-7 первой главы дан 1фаткий обэор основных ив применяемых в настоящей работе аналитических методов исследования .'просвечивающей электронной микроскопии,рентгеновской топографии,методов электрохимического окрашивания ячеек биполярных ИС,

Часть 8 первой главы посвящена постановке задачи диссертационной работы.

В Главе 2 разрабатываются способы выявления "скрытых" дефектов в объеме кремниевых ИС.

В части 1 первой главы анализируются существуввше в настоящее время методики изготовления тонких фольг вертикальных сечений из кремниевых ИС для просвечивающей электронной микроскопии.Критический анализ существующих методик позволил сформулировать реальные требования х разрабатываемой методике и определить основные параметры методики,обеспечивающие выполнение заданных требований табл.

Часть 2 второй главы посвлщэна разработке методики изготовления тонких фольг вертикальных сачэний ив предварительно электрачес ки протестированных групп транзисторных ячеек ЕС.

На первом этапе изготовления вертикального среза решены следующие основные 8адочи:1-получониэ тонкой / 40-50 ни./ прослойки эпо сидного клея между склеиваемыми фрагментами,обладавшей необходимой прочность» при резке и последующей вяяфовка-поляровко;2-пряцальное вырезание из кремниевой пластины вертикального среза,оаклвчавдсго в себе предназначенные для дальнейшего ввушгая в ПЭМ компоненты Е Основные моменты изготовления вертикального среза заключаются: 1-в вырезании из кремниевой пластаны о высокой точность» / - 5 мка фрагмента размером / 3* 10 икм./.мторнй оодерэшт в себе.выявлепны другим способом,например рентгеновской топографией или электрическим тестированием,дефектный олемэнт топологии,предназначенный для изучения в ПЭМ и отстоящий от края фрагмента па точно известной рг стоянии; 2-в с клейко под давлением при температуре $0*С вырезанного фрагмента с подложкой ;3-в прицельном вырезании вертикального среэа толщиной 40-50 иш.

Еа втором этапе,методом ионно-лучевого полирования в центральной части вертикального среза изготавливается тонкая фольга,содержащая фрагмент изучаемого в ПЗЫ элемента топологии схемы.

На методику оформлен комплект; технологической документации.В с ответствии с ЕСТД ей присвоен регистрационный номер Ш.045.023И.

В части 3 второй главы аналитически в экспериментально обосновывается правомерность применения разработанной методики для иссле

Таблица 1.

Основные параметры разрабатываемой методики по отношение к заданный требованиям

Параметры Толщина Толщина Толщина Каятасгво Температура Рахимы ЙЛТ Прецизионность

трэ склэйет среза среза смаиваемых склейки В кВ. резки

бо нм. после ' после фрагментов 6 град мкм.

ва резки полиров- ИС * С

ния мкм. кя шт.

мкм.-

Площадь фольги о . /V 1 Ш. 50 20 - \ ' 0 11

Вероятность сохранэния элемента морфологии + 50 + 1 - + ±6

Отсутствие радиационных Повреждений - В ¿5

Экспрес-сность ч. + + 50 -

Локальность + + + _ +

- 10 мкм.

Выход годных до 100% + + + + - + +

" + " - обязательное требование я _ я - несущественное требование

дования дефектности 'кремниевых ИС.

Процессы изготовления и наблюдения в ПЭМ тонких фольг 1фемние-вых ИС предполагают применение высокоэнергетичных ионных и электронных пучков.В связи с этим,необходимо оптимизировать режимы изго товления тонких фольг и их наблюдения в ПЭМ таким образом,чтобы ис ключить введение при этом радиационных повреждений или изменение структуры уже имеющихся в исследуемом материале дефектов.

Вероятность появления радиационных повреждений выше у материалов с большей атомной плотностью,например у арсенида галлия,чем у кремния,возрастает в случае применения более "легких" газов при ШГ например Аг+ вместо 1е+ ,а также при превышении режимов ИЛТ.Поэто му.разработанная методика была применена для изготовления тонких фольг вертикальных сечений из транзисторных структур на основе аре нида галлия.Исследование полученных фольг показало,что на микрофот графиях отчетливо идентифицируются все технологические слои транзит торной структуры и отсутствуют какие-либо повреждения,связанные с радиационным воздействием на образец при ИНТ.

Возможны две основные причины появления радиационных дефектов, возникающих в тонких фольгах в процессе их наблюдения в ПЭМ.Это: 1-нагрев образца при облучении электронным пучком;2-радиационные д факты,связанные с бомбардировкой образца отрицательно заряженными ионами,которые формируются в источнике электронов при ухудшении вакуума.

Проведен расчет предельного нагрева тонких фольг кремниевых ИС в процессе их исследования в ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ. Ддя расчета тепловой нагрузки на образец применена формула

4 7 = 0.1£ х х 2§ х Вл

с/

где & Т - нагрев фольга ° С, j - плотность тока в освещающем пучке а/см2, с/ - толщина пленки см., Л - коэффициент теплопроводное ти пленки Кал/см * сек» град., Эг - тепловая энергия, выделившаяся в тонком слое фольги,составляет 0.4 эв. при ускоряющем напряжении 100 кВ, Хв - радиус Злучаэмого участка фольги, Я - радиус отве; стия диафрагмы.Подставляя численные значения соответствующие стандартному режиму наблюдения,получим величину локального нагрева фол ги 10'С.Ясно,что столь малый нагрев фольги не может сколько-нибу заметным образом изменить структуру имеющихся в фольге дефектов.

В специальном эксперименте наблюдали появление радиационных де фактов,обусловленных бомбардировкой образца отрицательно заряженны ж ионами при ухудшении вакуума в электронной пушке.Появление ради циовннх дефектов наблюдалось лишь после 40 минут облучения в высок •слитном просвечиванием электронном микроскопе с ускоряющим налряж

- и -

ивм 1000 i®.Таким образом,применение традиционных режимов работы лектронного микроскопа с небольшими экспозициями /2-30 сек./ •арантирует от появления радиационных дефектов.

В части 3 второй главы изложена методология комплексного иссле-давания дефектности транзисторных ячеек ИС.Методология включает:1-лектрическое тестирование транзисторных ячеек;2-сопоставление дааг-остических карт годности с результатами рентгенотопографических ис-ледованиЙ;3-выбор характерных областей скоплений дефектов и их де-альное исследование в ПЭМ.

В главе 3 изложена разработанная модель генерации структурных ефектов в отдельно взятых биполярных транзисторных ячейках,изготов-енных по суперсамосовмещэнной технологии с щелевой изоляцией и по -Би-КМОП технологии с комбинированной "¿0CQSn - щель изоляцией.

В части 1 третьей главы обосновывается выбор транзисторных струк-ур для исследования причин токовых утечек.Опыт,накопленный в диаг-остике отказов биполярных транзисторных структур,позволяет заклю-ить.что уровни токовых утечек транзисторных сборок,приближающиеся ; 1 мА.,как правило связаны с грубыми нарушенияма технологического роцесса.Поэтому.для выяснения роли структурных дефектов в возникно-ении токовых утэчек'биполярных транзисторов .отбирали образцы с уров-ем утечек не более 100 мкА. на сборку.

В части 2 третьей главы описана качественная модель генерации труктурных дефектов в объеме биполярной транзисторной ячейки,изго-овленной по супэр само со вмененной технологии с щелевой изоляцией, сновные положения модели заключаются в следующем:

1. Каждая одиночная щель создает напряжения в мезах кремния по бе стороны от щели.Злектронномикроскопическп показано,что наличие .н. "зубчатой" структуры.образовавшейся на дне канавки из-за неоп-имизарованного процесса ПХТ щелей,примерно в 305? случаев от числа росмотренных щелей,приводит к образованию дислокационной структуры

этом месте щели.Тем не менее,дислокации локализуются вблизи дна анавки.не распространяясь на значительные расстояния от нее;

2.Присутствие двух щелей на расстоянии 3.5 мкм. друг от друга риводит,при условии наличия развитой "зубчатой" структуры на дне анавок.к интенсивному образованию дислокаций,скользящих вглубь подожки по кристаллографическим плоскостям {ill} .Линии дислокаций ¿впадают с щшсталлографяческим направлением [110] подложки.

3.Наличие окисленной внутри полости в заполненной поликремнием ели приводит к генерации дислокаций,распространяющихся от соотвэт-твущего полости мэста изгиба профиля боковой стенки канавки в сто-ону самосовмэщенного контакта к базэ-эмиттеру.Линии дислокаций сов-адают с кристаллографическим направлением [НО] подложки;

Из пунктов 2 и 3 следует,что в объеме транзисторной ячейки действуют две взаимноперпендикулярные системы окись-нитридных' дислокаций.

4.Интенсивность дефектообразования значительно возрастает в случае наличия множества окисленных микрополостей в щели,появление которых связано с неоптимизированным процессом заполнения щелей поликремни ем при вертикальности стенок последней.Электронномикроскопи-чески, напротив таких микрополостей, зафиксировано образование микротрещин.

5.Наличие контактов к базе-эмиттеру и связанные с ними локальные неоднородности приборной структуры в виде изгибов двух поли кремниевых шин,подходящих к контактам с врезанием последних в кремний, являются дополнительным источником дефектообразования в транзисторной ячейке.При этом обнаружены следующие закономерности дефектообразования в области контактов:а-изгиб первой поликремниевой шины в месте контакта к базе с "врезанием" в кремний является концентратором механических напряжений и может генерировать дислокационные петли ;б-необходимым условием генерации дислокационных петель в этом месте топологии является наличие близкорасположенной щели.Петли обнаружены только со стороны щели и отсутствуют с противоположной стороны контакта;в-наличие контакта к эмиттеру и связанный с ним изгиб второй поликремниевой шины оказывают дополнительное влияние на величину механических напряжений в области изгиба первой полиедемние-вой шины.По мере перемещения от периферии к центру самосовмещенного контакта к базе-эмиттеру увеличивается размер петли на изгибе первой поликремниевой шины;г-в центре самосовмещенного контакта к базе-эмиттеру на изгибе первой поликремниевой шины со стороны щели элактронноми1фоскош1чески зафиксированы генерация и скольжение дислокаций в сторону близлежащей щели рис.1.

Экспериментально построенная качественная модель генерации дислокаций в объеме биполярной транзисторной ячейки с щелевой изоляцией позволила провести классификацию выявленных дефектов по их возможному влиянию на токовые утечки конкретных р/п переходов.Так,дислокации, распространяющиеся на уровне дна канавки щелевой изоляции, , могут приводить к утечкам коллектор-коллектор и коллектор-подложка транзистора.Дислокации,образующиеся в области изгиба бокового профиля щели .могут приводить к утечкам перехода база-коллектор. Дислокации, образующиеся на изгибе первой поликремниевой шины,могут являться причиной утечек эмиттер-база транзистора,

В части 3 третьей главы приведены рекомендации по снижению уровня токовых утечек в биполярных транзисторах с щелевой изоляцией.

Рекомендации можно разделить на две группы.Первая группа реко-

Рис.1 Модель генерации дислокаций в объеме биполярной транзисторной ячейки,изготовленной по суперсамосовмещенной технологии с щелевой изоляцией. 3 - эмиттер, Б - база транзистора. 1,2,3 - области генерации дислокаций.

мвндацай.без изменения конструкции БИС,направлена на совершенствование базовых процессов ПХТ:1-изменение профиля щели с целью устранения изгибов на ее вертикальных стенках;2-устранение "зубчатой" структуры на дне щели;3-искяючение окисленных полостей и микрополостей на линейных участках щели;4-снижение рельефа в базовом окне диэлектрика при ПХ.Т процессе травления диэлектрика до кремния; 5-снижение рельефа в эмитерном окне при формировании спейсера за счет селективности процесса к кремнию.Ко второй группе рекомендаций, с изменением конструкции БИС,относится увеличение расстояния между выходом щели на поверхность и активными элементами транзистора, в первую очередь эмиттера.

С целью более конформного заполнения щелей поликремнием без образования микрополостей при схлопывании встречно растущих пленок, анализировали особенности структуры пленок поликремния.полученных в реакторе пониженного давления в начале,середине и в конце зоны осаждения в стандартно применяемом режиме¡температура в начале зоны осаждения 590°С,давление 28 Па¡температура в середине зоны осаждения 630'С,давление 24 Па¡температура в конце зоны осаждения 650®С, давление 22 Па.Оказалось,что оптимальная структура гиенок поликремния ,характеризующаяся слабошероховатой поверхностью,хаотической или слабой < 110> преимущественной ориентацией зерен образуется в температурном диапазоне осаждения пленок 590 - 620"С рис.2.

Часть 4 третьей; главы посвящена исследованию причин токовых утечек в биполярной транзисторной ячейке изготовленной по К-Би-КМОП технологии с комбинированной "LOCOS" - щель изоляцией.

После приведения формы щели в соответствии с предыдущими рекомендациями, дефекты обусловленные этими несовершенствами исчезли,что подтверждено проведенными электронномикроскопическими исследованиями и актом внедрения.В тоже время,обнаружен четвертый,по отношению к трем,действующим в биполярной ячейке с щелевой изоляцией,источник дислокаций,характерный только для К-Би-КМОП технологии.Его действие зафиксировано в области примыкающего к коллектору "птичьего югова", разделяющего области базы-эмиттера и коллектора транзистора. Аналитически определена причина действия выявленного источника.Она заключается в превышении в данном месте топологического элемента предела текучести кремния из-за узости коллектора и наличия двух близкорасположенных полу - " ¿.ОС0S " и разделяющего базу-эмиттер и коллектор " LOCOS " рис.3.

Глава 4 посвящена установлению причин токовых утечек и улучшению характеристик надежности п-МОП ДОЗУ 565 РУ5.

В части 1 четвертой главы методами селективного травления и растровой электронной микроскопии исследована природа центров аномальной

Температура 'С

Шероховатость пленки /нм./

Преимущественная ориентация зерен

650

640

630

620

610

600

60

50

40

- 30

- 20

. 10

130 160 190 220 250

Размер зерен /нм./

Рис.2 Зависимость структуры пленок поликремния от режима осаждения. - оптимальный

режим осаждения.

Рио.З Модель генерации дислокаций в объеме биполярной транзисторной ячейки.изготовленной по К-Би-КМОП технологии о комбинированной " ¿0С05п - щель изоляцией. Б - база,'К - коллектор транзиотора. 4 - область генерации дислокаций.

'//'/А '/'/////' '/•

№ I

Рис.4 Распределение ячеек с уменшенным временем хранения информационного заряда в 1/8 блока накопителя ДОЗУ 565 РУ5.

/Г Ю|-

/г 10

м 10

сак.

СОЕ.

сак.

Рис.5 Число отказавших бит / / в зависимости от задаваемого времени хранения 8аряда / сек. / для пластин с исходным содержанием кислорода СЛ; а (5.9 - 7.0)*1017см~3 / а /, :(7.0 - 8.ф

01

яИ)17«!!"3 / 6 /, (8.6 - 9.1)* 1017см~3 / в /.

генерации токов утечки в ячейках памяти ДОЗУ 565 РУ5.Показано,что распределение дефектных ячеек на диагностической карте годности оовпадает с распределением окислительных дефектов упаковки / ОДУ / вдоль характерного дефекта типа "микроцарапины" /области А,Б,В на рис.4 /.Аналогичная корреляция была обнаружена и для уединенных дефектных ячеек,хаотически распределенных по площади блока накопи-теля.В каждой из таких ячеек обнаружен отдельный ОДУ в области тонкого окисла.В электрически нормальных ячейках ОДУ отсутствуют.рис.4

В части 2 четвертой главы исследовано влияние содержания кислорода в исходных пластинах кремния и структуры внутреннего геттера, формирующегося в объеме кремниевых пластин в ходе изготовления ДОЗУ 565 РУ5,на характеристики надежности приборов /время наработки на отказ,время хранения до первого отказа/.

Электронномикроскопически показано,что при концентрациях межу-зельного кислорода меньше 7.0-*10*>7 см-^ преципитаты £¿0* в объеме кремниевой пластины не формируются.Показатели надежности приборов при этом не высоки.При концентрациях межузельного кислорода (7.0 - 8.4)*10*7 см-** в объеме кремниевой пластины формируется большое количество /(5 - 8)*10® см"* / преципитатов Ох .когерентных, с кремнием.Размер преципитатов« 0.5 шсм.Форма преципитатов -октаэдры.Показатели надежности при этом наивысшие.Время наработки на отказ достигает 3 сек.На рубеже (8.4 - 8.б)*10 см-^ размер преципитатов увеличивается до 1.5 шсм.Отдельные преципитаты начинают генерировать дислокационные петлп.Показатели надежности приборов при этом незначительно ухудшаются.При концентрациях межузельного кислорода более 8.6 <10 см дислокационные петли проникают в обедненную зону приборов.При этом,время наработки на отказ резко уменьшается рис.5.

ВЫВОДЫ

1.Разработана специальная методика изготовления тонких фольг вертикальных сечений из предварительно электрически протестированных групп транзисторных ячеек ИС для просвечивающей электронной микроскопии.Методика характеризуется высокой точностью попадания

в заданный топологический элемент ИС / - 10 мкм./ и небольшим временем изготовления образца 8 часов /.На методику оформлен комплект технологической документации.В соответствии с ЕСТД ей присво-эн регистрационный номер 1Х0.045.023И.-

2.Аналитически обосновано и экспериментально подтверждено отсутствие в приготовляемых фольгах каких-либо повреждений,связанных о воздействием на них высокоэнергегичных ионных и электронных пучков.

3.Исследованы процессы дефектообразоваяия в реальных транзисторных ячейках изготовленных по суперсамосовмещенной технологии с целевой изоляцией.Установлены основные источники образования дефектов.Ими являются:1-"зубчатая" структура, образовавшаяся на дав канавок щелевой изоляции из-за неоптимизированного процесса ПХТ щелей; 2-изгибн боковых стенок канавки при наличии окисленной полоста в щели, а также окисленные микрополости ;3-изгиб поли кремниевой шины, подходящей к контакту к базе со стороны щели в центре само совмещенного контакта к базе-эмиттеру при условии "врезания" последнего в кремний.Проведена классификация выявленных дефектов по их влияние на токовые утечки конкретных р/п переходов транзистора.

4. Исследованы процессы дефектообразоваяия в реальных транзисторных ячейках изготовленных по К-Би-КЫОП технологии с комбинированной "¿ОСО£ " - щель изоляцией, после устранения в них недостатков .выявленных в транзисторных ячейках изготовленных по суперсамосовмещенной технологии с щелевой изоляцией.Выявлен дополнительный,по отношение

к щелевой изоляции,источник дислокацай.Его действие зафиксировано в области примыкащего к коллектору "птичьего клюва" щ¿ОСОЗ ".разделяющего области базы-эмиттера и коллектора транзистора. Аналитически определена причина действия выявленного источника. Она заключается в превышении в данном месте топологического элемента пределе текучести кремния из-за узости коллектора и наличия двух близкорасположенных полу - " ¿вСОЗ" и разделяющего эмиттер и коллектор. "¿ОСй?" Предложено провести оптимизацию конструкции ячейка, связанную с изменением длины примыкающего х щели полу - "/^йУ ".ширины коллектора и разделяющего коллектор п эмиттер "¿ОСО£".

5.Разработана методология комплексного исследования дефектности кремниевых ИС, основанная на сочетании взаимодополняющих штодов исследования /рентгеновской топографии,растровой электронной микроскопии, иросвечивавцей электронной микроскопии,измерения электрических параметров ячеек ИС/.

6.Разработаны п апробированы способы установления однозначных корреляционных зависимостей между электрическими параметрами ячеек ИС и их дефектностью.Получены следующие реаультаты:

- с помощью растровой электронной мл1фоскопшз и селективного травления кремния однозначно установлено,что аномально низкие времена хранения информационного заряда в ячейках' намята ДОЗ? 585 175 обусловлены наличием отдельных окислительных дефектов упаковки в площади конденсатора хранения.

- с поюцью рентгеновской топографии и просвечивающей злектроя-ной микроскопии определен оптишльиый интервал концентрации кож-узельного кислорода з исходных пластинах кремния е структура внут-

реннего геттера,формирующегося в объеме кремниевых пластин в процессе изготовления ДОЗУ 665 РУ5,обеспечивающие достижение наивысших характеристик надежности приборов.Показано,что для п-МОП ДОЗУ 565 РУ5 максимальный эффект генерирования и,соответственно,наилучшие характеристики надежности приборов достигаются при следующих параметрах процесса преципитации кислорода:

1-диапазон концентрации кислорода в исходных пластинах кремния С0/ - (7.0 - 8.4)*10 см-^;

2-характер связи преципитатов St 0* о матрицей кремния - преимущественно когерентный;

3-форма преципитатов - октаэдры.

Основные результаты диссертации опубликована в работах:

1.Н. Д. Захаров,В.В.Кириченко,С.В.Лебедев,Ю.М.Литвинов,В.Н.Рожан-ский.Использование просвечивающей электронной микроскопии для исследования СБИС.Известия АН СССР,серия физическая,!.52,Ä7,cc.1331-1333,1988 г.

2. В. А. Гергель, В. А. Зимогляд, С. В. Леб ед ев, D. M. Литвинов, В. В. РакииЫ. Природа центров аномальной генерации токов утечки в динамических запоминающих устройствах.Млкроэлектроняка АН СССР,т.18,вып.4,со. 376-378,ишь-август 1989 г.

3. С. И. Ку сакин, С. В. Леб едов, Ю. U. Литвинов, H .Ф. Мопсеенко, В. Ф. Павлов. Преципитация кислорода,внутреннее генерирование п надежность кремниевых МОП ДОЗУ.Пасьма в ЗШ>, т. 18, вып. 9, со. 40-42,12 мая 1992 г.

4.А. А. Балычонко, С. В. Лебедев, Ю.М. Литвинов, А.П.Нагин. Применение просвечивающей электронной микроскопии при разработке СБИС ДОЗГ 4M. Ппсьт в 5TS,т. 18,вып. 15,сс. 16-21,август 1992 г.

5 ; А. А. Башченко ,В. U. Гонтарь ,В. А. Зимогляд, В. П. Кириленко, Ю. Ц. Кли-1тав,О.Г.Кор[лшша,В.1!.Кузыжна,С.В.Лебедев,A.D.Трифонов.Дефекты в прнповорхностннх слоях ярешпя после ЭЦР-травления в плазме С£2/ 02, 1'д1фоэлоктропяка.т.23,вып.2,сс.57-65,март-апрель 1994 г.

6. А. А. Балыченко, Н. 5. В ешшвшбв, H. К. Зашттданов, В. П. Кирилэн ко, О. Г .Кормилпна, S. В. Ку зьмина, В. С. Кулпкау скас, С. В. Лебедев, А. Ю. Трифонов ¡. Дефекты в приповорхпостпнх слоях крошпя поело ЗДР-травленил в плазме SFq/ СС^4/ 02.Мя1фоэлектрот1ка.т.23,вып.З.сс.28-38,май-нюнь 1994 г.

7Л.П.Волк,В.Н.Ддаилев,В.Н.Кушш,С.В.Ле09дев,!,!.И.ЛукасовпчД.П. Шевчэяш. Уменьшение токовых у точек в структура СБИС с щелевой пзо-лядаэй компонентов.Электронная промышленность.ос.11-14,6/95.

8.Л.А.Ангелова,C.B.Лебедев,H.H.Мавяа.Оперативный метод контроля процесса осаждения пленок поликристаллического кремния.Электронная прогиншленность.сс. 51-53,6/95.