2. Физические основы основных процессов планарной микротехнологии

2.1. Подготовка пластин и геттерирование примесей.

После выращивание слитка монокристаллического кремния проводят визуальный осмотр и отбраковывают части слитка, имеющие неправильную форму, меньший диаметр, плоскости двойникования.. Такие крупные дефекты кристаллической структуры, как двойники, обычно заметны невооруженным взглядом. Части кристалла, содержащие эти дефекты, также, также, как и части кристалла, имеющие неправильную форму или меньший заданного диаметр, отрезают от слитка. Общие потери кремния на этом этапе могут составить до 50%.

Для выявления и подсчета плотности дислокаций в хвостовой части слитка проводят селективное травление. Используют травитель Сиртла, состоящий из 49% HF и 5 М хромовой кислоты, смешанной в пропорции 1:1. Для выявления микротрещин используют ультразвуковой метод. При этом контролируются постоянство прижима электродов-зондов и температура монокристалла. Измерение времени жизни неосновных носителей используют для определения концентрации примесей тяжелых элементов. Обычная оценка параметров и качества кремниевых кристаллов состоит в измерении удельного сопротивления кристаллов. Удельное сопротивление измеряют на срезе кристалла четырехзондовым методом. Ток I (мА) пропускают между внешними зондами и измеряют падение напряжения V (мВ) между внутренними зондами. Измеренную таким образом величину сопротивления (V/I) переводят  в удельное сопротивление. Значения удельного сопротивления кристаллов кремния зависят от метода выращивания и легирующего материала. Затем проводится анализ концентрации кислорода, углерода и примесей тяжелых металлов. Определение концентрации примесей тяжелых металлов осуществляется путем измерения времени жизни неосновных носителей заряда или нейтронно-активационным анализом.

Повышение выхода годных и рабочих параметров полупроводниковых приборов при одновременном увеличении площади кристаллов и уменьшении размеров отдельных элементов требовали поиска возможности повышения качества кремния. Тот кремний, который сегодня используется при производстве СБИС, был получен в результате многолетних исследований в области контроля роста кристаллов. В настоящее время продолжается совершенствование способов контролируемого введения других элементов, например кислорода, а также удаления примесей. Поэтому проблема защиты от загрязнений на этапе обработки пластин теперь столь же важна, как и на этапе получения исходных материалов.

Для борьбы с примесями используется герметизация процессов, уменьшение температуры обработки, более широкое применение эпитаксиального кремния и многие другие средства. Среди них все большее значение приобретает геттерирование дефектов, одной из многих разновидностей которого является перспективный метод геттерирования на лазерных дефектах. Геттерирование на дислокациях и механических напряжениях было известно еще в 50-е годы, однако широко оно стало использоваться лишь в последнее время. Подвижные дефекты притягиваются к дислокациям кристаллической решетки за счет взаимодействия Коттрела. Дефекты кристаллической структуры на обратной стороне пластины притягивают к себе и связывают точечные дефекты, становящиеся подвижными при повышенных температурах. Таким образом, в процессе обработки на лицевой стороне пластины, где располагаются приборы, в меньшей степени образуются дефекты структуры. Поскольку некоторые точечные дефекты могут становиться зародышами новых дефектов, геттерирование на дефектах обратной стороны пластины должно проводиться перед первым окислением.

Нарушение кристаллической структуры обратной стороны пластины обычно достигается при помощи пескоструйной обработки или шлифовки, при этом был достигнут определенный успех в обеспечении контроля и воспроизводимости процесса. Однако оба способа дают дефекты, которые легко поддаются отжигу и освобождают примеси; кроме того, они сами вносят загрязнения. Для создания «чистых» дефектов обратной стороны можно воспользоваться ионной имплантацией, но и в этом случае дефекты не обладают тепловой стабильностью; к тому же этот метод слишком дорогостоящий. Образование дефектов при помощи лазера на АИГ : Nd легко контролируется и не вносит загрязнений. При определенной плотности потока создаваемые лазером дефекты оказываются более устойчивыми при дальнейшей обработке, чем дефекты структуры обратной стороны пластины, полученные другими способами. Они удерживали примеси даже после восьми тепловых циклов серийного технологического процесса, в то время как лучшие из нелазерных дефектов становились неэффективными уже после трех таких циклов. Хотя для введения геттерирующих дефектов в кристалл кремния использовались различные лазеры, самым удачным оказался лазер на АИГ: Nd с непрерывной накачкой, генерирующий импульсы при модуляции добротности с высокой частотой повторения. Он обеспечивает локальный характер дефектов и необходимую скорость обработки поверхности. На практике луч лазера сканирует по поверхности, оставляя дорожки из пересекающихся пятен. Импульсы с энергией 0,6 мДж и длительностью 100 нс лазера, работающего на моде ТЕМ₀₀ фокусируются до размера пятна 60 мкм, в результате образуется дорожка шириной 70 мкм и глубиной 3 мкм. Расстояние между дорожками составляет 0,5 мм, поэтому при частоте повторения 10 кГц лазер обрабатывает пластину диаметром 100 мм менее чем за 30 с. Возникающие в результате такой обработки дефекты состоят из дислокаций двух типов. На периферии лазерного пятна наблюдается высокая концентрация скользящих дислокаций. Они аналогичны дислокациям, возникающим при- обычных способах нарушения кристаллической структуры обратной стороны пластины; эти дислокации отжигаются. Однако под поверхностью каждого лазерного пятна образуются микротрещины и связанные с ними ряды закрепленных дислокаций. При тепловой обработке микротрещина отжигается, но закрепленные дислокации оказываются стабильными. Порог образования микротрещин на (111)-кремнии составляет приблизительно 15 Дж/см² при длительности импульса 100 нс. Мерой концентрации дефектов в кремнии является время жизни неосновных носителей. Результаты измерения этого параметра для различных способов геттерирования в (100)-кремнии представлены в табл. 2.1

Таб.2.1. Среднее время жизни неосновных носителей для различных методов геттерирования

Метод геттерирования	Абразивный	Имплантации ионов Ar+	Ar лазер	Лазер на АИГ:Nd
Среднее время жизни, неосновных носителей, мкс	1	15	2	21
Отношение среднего времени жизни для геттерированных и контрольных образцов	1.8	16	3	35

Хорошие результаты показывает также метод внутреннего геттерирования. Он основан на способе обработки кремниевых подложек, включающем их многократную циклическую термообработку при высоких (до 1470 К) и пониженных (до 870-900 К) температурах в инертной или окислительной атмосферах. При такой обработке, во-первых, очищается от примесей из-за диффузии к поверхности приповерхностный приборный слой подложек, а во-вторых, в объеме образуется область с повышенной концентрацией дефектов, которая является геттером для примесей и дефектов на всех технологических операциях. Эта область с нарушениями, называемая "внутренним геттером", возникает вследствие преципитации кислорода и частично углерода с образованием частиц второй фазы (SiO_x и SiC), которые при высоких температурах способны генерировать дислокационные петли, являющиеся стоком для примесей и неравномерных собственных точек дефектов. Недостаток способа "внутреннего геттерирования" в том, что для формирования структурного нарушенного (геттерирующего) слоя в объеме кристаллов требуется проведение длительных (более 10 ч) термообработок, что сопряжено с большими энергозатратами. Другой недостаток этого способа - низкая воспроизводимость геттерирующих свойств, которые определяются концентрацией и пространчтвенным распределением примесей и дефектов, накапливающихся в кристаллах при выращивании слитков и изготовлении подложек. Неравномерность распределения ростовых дефектов и примесей по слитку приводит к различиям в структуре геттерирующих слоев на пластинах или приборных композициях однотипных партий, т.е. снижению воспроизводимости при групповой технологии изготовления приборов.

Известны способы обработки кремниевых подложек и структур, включающие создание на нерабочей стороне кристаллографически нарушенных слоев путем механического, лазерного или ионного воздействия, а также нанесением пленок из материалов с отличными от кремния физико-механическими свойствами. Геттерирование в этих способах осуществляется за счет поглощения при высокотемпературных отжигах фоновых примесей и неравновесных собственных точечных дефектов нарушенными слоями или пленками. Из этой совокупности способов одним из перспективных считается технология геттерирования с помощью слоев пористого кремния, формируемого анодной обработкой на нерабочей стороне кремниевых подложек. Пористый кремний обладает развитой поверхностью и поэтому является емким стоком для фоновых примесей и собственных точечных дефектов. Анодный процесс формирования пористого кремния (чаще всего в водных или спиртовых растворах фтористоводородной кислоты) достаточно хорошо контролируем, может проводиться на материалах с различным типом и величиной электропроводности (на кремнии с электронной проводимостью или высокоомных образцах анодные реакции дополнительно стимулируют освещением поверхности (и позволяет получать слои с разной плотностью (пористостью), т.е. варьировать геттерирующие свойства. Основной недостаток способа в том, что необходимый для активации процесса геттерирования отжиг в инертной среде, проводимый при температурах до 1270-1300 К, сопровождается спеканием пористого кремния, т.е. частичным захлопыванием сквозных пор, а это приводит к снижению эффективности геттерирования примесей и дефектов. Другими словами, при использовании этого способа в подложках сохраняется достаточно высокая концентрация нежелательных примесей и дефектов, негативно влияющих на характеристики приборов.