книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

окисла в тех местах, где пленка должна быть удалена. Пылинки и твердые частицы на поверхности кремния могут повреждать фотошаблоны, и в результате эти по­ врежденные места станут причиной возникновения ло­ кальных дефектов при последующем использовании фо­ тошаблонов. Проколы в окисле и островки окисла на обнаженной поверхности кремния могут стать причиной того, что диффузия примесей будет происходить там, где ее не должно было быть, или, наоборот, к тому, что при­ меси не будут проникать в области, которые они должны были легировать. В результате в готовых структурах могут возникать короткие замыкания, может снижаться пробивное напряжение, могут возникать области с по­ вышенной тенденцией к концентрации тока. Дефекты по­ добного типа в окисле, возникающие перед созданием контактов и металлических межсоединений, могут стать причиной короткого замыкания после процесса метал­ лизации.

может быть связана с деятельностью людей (пот, че­

Мы упомянули о двух видах брака — о катастрофи­ ческом браке, когда структура оказывается вообще не­ работоспособной, и о некатастрофическом браке, когда значения тех или иных параметров выходят за нормы допустимых значений. В результате появления тех или иных дефектов в приборах может возникать потенциаль­ ный или скрытый брак, иначе называемый потенциаль­ ной ненадежностью. В этом случае прибор полностью удовлетворяет всем требованиям к моменту завершения процесса изготовления, но при хранении или эксплуата­ ции находящиеся в нем дефекты приводят или к недо­ пустимому изменению параметров, или к полному выхо­ ду прибора из строя. Потенциальная ненадежность особенно опасна, так как ее труднее обнаружить в про­ цессе призводства планарных структур и приборов, по­ этому большую роль в плаиарной технологии играют меры по отсеву ненадежных приборов.

8-2. ВОПРОСЫ ОРГАНИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ В ПЛАИАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Из рассмотрения причин, вызывающих появление дефектов и связанных с ними видов брака, видно, что устранение их — очень сложная задача. Успех ее решения зависит в первую очередь от орга­ низации контроля. Контроль необходим-для своевременной ликвида­ ции источников брака, и те высокие проценты выхода годных прибо­ ров, которые достигнуты в плаиарной технологии, могут быть обеспе­ чены только при правильном функционировании всей сложной систе­ мы контроля.

Одна из особенностей контрольных операций в полупроводнико­ вой технологии заключается в том, что зачастую они позволяют по­ лучить сведения о том, что происходило много дней, а то и недель тому назад. Если в какой-то момент начал возникать массовый брак, то за время проведения соответствующей контрольной операции в про­ изводство будет запущено много партий пластин, значительная часть из которых будет забракована. Иначе говоря, период обратной связи контроля в полупроводниковой технологии может быть слишком ве­ лик. Единственный путь сокращения постоянных времени этой обратнон связи может заключаться в разработке новых, более совершен­ ных методов контроля, позволяющих быстрее получать правильную информацию о технологических процессах.

В качестве примера можно рассмотреть контроль толщины алю­ миниевой металлизации эмиттериого контакта при изготовлении мощ­ ных транзисторов с гребенчатым эмиттером. Возможно косвенное определение этой толщины по массе испаряемого алюминия и време­ ни, в течение которого велось напыление. Ошибка в технологии мо­ жет привести к тому, что толщина слоя металла окажется значитель­ но меньше требуемой. Выяснится это намного позже, только при про­ верке приборов, собранных на ножку: эти приборы из-за резкого спада плотности тока у концов металлизированных зубцов не обес­ печат требуемого значения рабочего тока и могут оказаться брако­ ванными по коэффициенту усиления.

Если же усовершенствовать методику определения толщины ме­ таллизации, введя ее непосредственное измерение, то период обрат­ ной связи для этой контрольной операции сократится во много раз.

Остановимся на основных требованиях к системе контроля в пла­ иарной технологии.

1.Контроль должен быть систематическим. Если, например, на короткое время приостановить контроль какого-либо из параметров исходных материалов, основываясь на многократных положительных результатах предшествующих проверок, это может не сказаться за­ метным образом на результатах технологического процесса. Но, если этот контроль прекратить полностью, с течением времени может ока­ заться, что этот параметр вышел из допустимых пределов, а устано­ вить причину брака будет уже очень трудно.

2.Контроль должен обеспечивать однозначную и как можно бо­ лее точную информацию о проверяемой величине. Это требование бывает трудно обеспечить, так как контроль часто бывает косвенным. Так, например, для измерения удельного сопротивления эпитаксиальных пленок используется метод, в котором определяется пробивное на­ пряжение в точечном контакте металлического зонда с пленкой. Если толщина пленки достаточно велика, а удельное сопротивление доста­ точно мало, то измерение будет правильным. Но возможно, что при

356

очень малой толщине слаболегнрованной пленки пространственный заряд будет расширяться до подложки. В результате измерение не. позволит получить однозначную и правильную информацию об удель­ ном сопротивлении пленки.

3. Очень желательно, чтобы методы контроля были активными. Здесь имеется в виду не только то, чтобы по результатам контроля какой-то операции сразу принимались меры, воздействующие на эту операцию. Речь идет о том, что, если возможно, надо иметь систему мероприятий, затрагивающих другие операции так, чтобы можно было скомпенсировать отклонения, допущенные на проконтролиро­ ванной операции. Приведем два примера. Если при измерении ока­ залось, что толщина окисла слишком мала, то можно провести до­ полнительное окисление. Если глубина коллекторного перехода ока­ залась слишком большой, то можно попытаться скорректировать режимы последующих термических операций (эмиттериой диффузии и окисления) с тем, чтобы получить структуры с удовлетворительными

ха р актернстикам и.

4.Контроль должен быть комплексным. Это требование лучше всего проиллюстрировать, говоря о контроле над источниками загряз­ нений. Таких источников очень много, и все они вызывают появление локальных дефектов. Можно эффективно проконтролировать зсе эти источники, кроме одного, и принять меры по устранению загрязне­ ний, но единственный непроконтролированнын источник может свести все работу на нет.

В начале этой главы перечислялись основные причины возникно­ вения брака. Система контроля организуется таким образом, чтобы она охватывала все области: используемые материалы, оборудование, технологические процессы и производственные условия.

Контролю должны подвергаться поступающие в производство исходные материалы и полуфабрикаты. У кремния или эпитаксиаль­ ных пленок контролируют электрофизические свойства (удельное со­ противление, время жизни неосновных носителей заряда, подвиж­ ность), наличие и плотность структурных дефектов; у пленок, кроме того, проверяют толщину и качество поверхности. Но часто этого контроля оказывается недостаточно. В одном из случаев оказалось, что выход годных приборов резко упал, несмотря на удовлетвори­ тельные результаты входного контроля, хотя ряд данных указывал на то, что причины падения выхода связаны с исходным "полупровод­ ником. Только в результате длительных исследований было установ­ лено, что брак вызывался внутренними механическими напряжениями в исходном полупроводнике, контроль которых не был предусмотрен.

Должна контролироваться чистота всех поступающих реактивов и химикатов. При этом уровень обычных методов анализа чаще всего оказывается недостаточным, и требуется разрабатывать новые мето­ ды, предназначенные специально для полупроводниковой техники.

Необходимо проверять все используемые в технологии газы, рас­ творители и воду. Проверяют также производственную среду, персо­ нал, принимающий участие в производственном процессе, и помеще­ ния, в которых ведутся процессы.

Существенную роль при организации производства полупроводни­ ковых приборов играет контроль оборудования. Особо важно контро­ лировать термическое оборудование (печи для диффузии и окисле^ кия), оборудование для механической и химической обработки, сбо­ рочное и сварочное оборудование, оборудование для измерений. В оборудовании для химических и термических операций'контроли-

357

руют регулирующую часть и проверяют условия, обеспечивающие малую плотность загрязнении и локальных дефектов. Часто приходит­ ся контролировать оборудование косвенным путем, с помощью прове­ дения пробных или контрольных процессов: например, чистоту уста­ новки для эпитаксиального выращивания можно проверять, изготов­ ляя на ней высокоомпые слаболегнрованиые пленки (хотя в процессе, где используется установка, на ней надо выращивать легированные пленки). Качество работы сварочной установки проверяют перед тем, как проводить герметизацию годных приборов, сваривая на ней один или несколько пустых корпусов и проверяя их герметичность.

Наиболее важны, безусловно, контрольные операции но проверке собственно самого технологического процесса. Эти методы контроля будут рассмотрены в § 8-3.

Контроль в полупроводниковом производстве может носить раз­ нообразный характер. Если речь идет об энергоносителях и средах, то их можно контролировать непрерывно и путем снятия проб. Кон­ троль точности работы термического оборудования может также осу­ ществляться непрерывно, если, скажем, на самописце записывать сиг­ нал от контрольной термопары.

ся его осуществить в условиях массового производства. В последнее время большое значение придается статистическому контролю, когда правильно отобранные н обработанные с помощью соответствующего математического аппарата пробы позволяют сделать выводы, инфор­ мативность которых по существу не будет уступать результатам сто­ процентного контроля.

Довольно широко в полупроводниковой технике развито исполь­ зование в контрольных целях так называемых спутников. Спутники — это специальные пластины, на которых измеряют различные парамет­ ры, характеризующие правильность технологического процесса. При­ чины, вызывающие введение спутников, могут быть различны. Их применение позволяет оценить данный процесс независимо от резуль­

тую равномерно легированную пластину, а не пластину с предыду­ щей операции. Представим себе, что речь идет о контроле диффузии эмиттерной примеси при изготовлении транзисторных структур. Если

диффузии эмиттера пластины с предыдущей операции дает правиль­ ный результат. Если же диффузия базовой примеси была проведена неверно (например, с завышенной поверхностной концентрацией), то при контроле правильно проведенной эмиттерной диффузии глубина окажется меньше заданной. В то ж е время использование для кон­ троля равномерно легированной пластины-спутника позволит устано­ вить, что ошибка произошла на предыдущей диффузионной операции и что именно ее нужно корректировать. Иногда применение пластинспутников связано с тем, что операции легирования на рабочих пла­ стинах осуществляются в области с очень малыми размерами, ко­ торые не могут быть проконтролированы с помощью существующего оборудования.

Если речь идет о контроле СВЧ структур с малыми размерами элементов, больших интегральных схем и других сложных пояупро-

358

водниковых структур, например мощных СВЧ транзисторов, то довольно часто практикуется использование так называемых тестструктур. Тест-структуры могут изготовляться на отдельных спе­ циальных пластинах, на рабочих пластинах рядом с каждой изготав­ ливаемой рабочей структурой и на рабочих пластинах, но не возле каждой структуры, а в нескольких специально отведенных для этих целей местах. Последний вариант наиболее рационален. Тест-струк­ тура может представлять собой транзисторную структуру, резистор, конденсатор, небольшую интегральную схему. Возможно изготовление сразу нескольких тест-структур, позволяющих осуществить комплекс­ ную оценку проводимой технологической операции, или последова­ тельно всех основных операций в технологическом цикле. Надо, одна­ ко, иметь в виду, что тест-структура не всегда может давать адекват­ ную информацию. Так, например, если речь идет о структуре резисто­ ра, измеряя номинал которого судят о величин" поверхностного сопротивления, то надо иметь в виду, что поверхностное сопротивление, как н глубина р-п перехода может, кроме условий процесса, зависеть от размеров отверстия в окисиом слое, куда идет диффузия. Поэто­ му, оценивая свойства тест-структур, надо устанавливать их корре­ ляцию со свойствами соответствующих областей в изготавливаемых структурах.

В последнее время расширяется применение для контрольных операций электронных вычислительных машин. Уже давно ЭВМ используются для проверки электрических параметров больших инте­ гральных схем и более простых приборов. ЭВМ осуществляют слож­ ные функциональные проверки схем или проверки по комплексным программам (например, с целью оценки дрейфа параметров приборов и прогнозирования его дальнейшего поведения). Сравнительно недав­ но началось использование вычислительных машин для управления технологическими процессами. Идея заключается в том, что автома­ тически и непрерывно осуществляется контроль над технологически­ ми процессами и на основании результатов контроля вносятся кор­ рективы в технологический процесс. Поставлен вопрос о создании в полупроводниковой промышленности автоматизированных систем управления производством, в которых контрольные системы, регули­ рующие устройства и вычислительная техника сочетаются в единое целое и обеспечивают автоматическое изготовление приборов с за­ данными характеристиками.

Для обеспечения высокоэффективного контроля в полупроводни­ ковой технике недостаточно создать автоматическую комплексную си­ стему с использованием ЭВМ. Требуется решить еще целый ряд прак­ тических задач. Перечислим те из них, которые следует считать основными. Прежде всего необходимо, чтобы сама пленарная техно­ логия была доведена до такого уровня, при котором ее можно было бы считать установившейся. На практике это бывает не всегда так, особенно если речь идет об изготовлении сложных структур. Очень важные задачи — правильный выбор контрольных точек и максималь­ ное приближение этих контрольных точек к тем местам технологиче­ ского процесса, которые находятся во взаимной зависимости с про­ водимыми контрольными операциями. Ряд серьезных проблем связан с разработкой новых методов контроля, новых критериев, с перево­ дом многих контрольных методов из уровня лабораторных в состоя­ ние, пригодное для промышленного использования. Ни в коей мере нельзя считать решенными задачи создания математических моделей приборов, изготовляемых по планарной технологии.

359

Только после решения всех этих проблем можно рассчитывать иа достаточно эффективное использование машинной 'математики в по­ лупроводниковой промышленности и на создание полностью авто­ матизированных систем управления производством.

8-3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ

Рассмотрим методику осуществления контрольных операций в технологическом цикле изготовления планар­ ных приборов. На подготовительных стадиях контроли­ руют качество кремниевых пластин и эпитаксиальных структур. Толщина пластины кремния определяется с помощью механических или электронных индикаторов. Точность измерений составляет примерно ± 1 мкм. Для проверки рельефа поверхности пластин используют бо­ лее точные приборы, такие, как профилографы и профилометры, позволяющие фиксировать микро- и макро­ неоднородности на поверхности высотой 0,05 мкм. Широ­ кое применение для контроля рельефа поверхности находят также микроинтерферометры типа МИИ-4, с помощью которых можно измерять неровности около 0,03 мкм. Толщину эпитаксиальных пленок часто опре­ деляют по размеру стороны дефекта упаковки.

Структурные несовершенства пластин кремния и эпитаксиальных пленок контролируют в основном мето­ дами анизотропного травления. Для выявления дисло­

Наиболее важным вопросом является контроль припо­ верхностного нарушенного слоя. Описаны многочислен­ ные методы определения глубины этого слоя: путем мно­ гостадийной полировки с контролем качества поверх­ ности; по прочности образца {Л. 8-1]; по виду дна ямок травления [Л. 8-2] и т. д. Перечисленные методы, одна­ ко, не нашли пока производственного применения в силу своей сложности и из-за того, что их пока нельзя считать адекватными. Для более простой проверки наличия или отсутствия нарушенного слоя можно рекомендовать лег­

щью микроскопов, обычно в темном поле или с примене­ нием фазового контраста.

360

Электрофизические параметры кремниевых пластин и эпитаксиальных структур измеряют зондовыми мето­ дами, достаточно полно описанными в литературе. В последнее время находит применение метод инфракрасной интерферометрии, позволяющий измерить концентрацию примесей и толщину эпитаксиальных пле­ нок и диффузионных слоев [Л. 8-1].

Контроль качества поверхности после операций очи­ стки— одно из наиболее слабых мест в планарной тех­ нологии. Используют в основном метод контроля ло­ кальных загрязнений в темном поле микроскопа при увеличениях порядка 200 — 250 и метод оценки гидро­ фильное™ поверхности по величине краевого угла сма­ чивания водой. Доступные в производстве методы опре­ деления наличия ионных примесей на поверхности, остатков органических веществ, тонких окисных пленок и т. д. по настоящее время не разработаны.

Важную роль в планарной технологии играет конт­ роль качества слоев окисла и других диэлектрических покрытий. Толщина окисла обычно определяется по цве­ ту или с помощью измерений на микроинтерферометре высоты вытравленной в окисле ступеньки. Определение толщины окисла с помощью таблицы цветов [Л. 4-14] может производиться с достаточной точностью, состав-

на клиновидном крае стравленного окисла. Если толщи­ на пленок менее нескольких сотен ангстрем, то ее опре­ деляют с помощью эллипсометров [Л. 8-1].

Структурные свойства диэлектрических покрытий контролируют методами травления. По скорости травле­ ния окисных пленок судят об их плотности; например, пиролитический окисел, не подвергнутый термообработ­ ке, травится на порядок быстрее, чем термически выра­ щенный окисел.

Локальные дефекты выявляют различными метода­ ми, причем трудно отдать безусловное предпочтение ка­

361

в нагретом растворе едкого кали также позволяет полу­

роле пластину кремния с исследуемым покрытием поме­ щают в раствор КС1 или просто в воду. На пластину по­ дают отрицательный потенциал и . наблюдают с помо­ щью микроскопа выделение пузырьков водорода в местах дефектов окисла. Наконец, электрографический

между двумя электродами из графита, к которым подает­ ся смещение. Между диэлектрическим слоем и положи­ тельным электродом помещают фотобумагу, смоченную

ные изображения проводящих дефектов. Метод электро­ графического контроля отличается простотой и докумен­ тальностью (т. е. дает возможность получить снимок дефектной пленки) и позволяет выявлять размеры де­ фектов менее 1 мкм.

Электрические свойства диэлектрических покрытий, как правило, контролируют с помощью МОП структур. На поверхность окисла или другой диэлектрической пленки напыляют площадки металла, например алюми­ ния. Второй контакт осуществляется по всей поверхно­ сти пластины с обратной стороны. Создав такие стру­ ктуры, можно измерять утечки, диэлектрическую проч­ ность, снимать вольт-фарадные характеристики. Из вольт-фарадных характеристик определяются такие важ­ ные параметры, как заряд окисла, плотность поверхно­ стных состояний, потенциал плоских зон. Измерения про­

становится трудно фиксировать ее изменения. Контро­ лируя изменение вольт-фарадных характеристик во вре­ мени и при повышенной температуре, можно выяснить поведение подвижных носителей зарядов в окисле и, следовательно, оценить стабильность и надежность пла­ нарных приборов. Особенно важны измерения темпера­ турного дрейфа при изготовлении МОП транзисторов.

Контроль диффузионных слоев осуществляется обыч­ но по двум параметрам: поверхностному сопротивлению

362

и глубине слоя, точнее по глубине расположения р-п перехода, образованного за счет диффузии примеси в подложку, имеющую противоположный тип проводи­ мости. Поверхностное сопротивление измеряют с помо­ щью четырехзондового метода в 5 — 9 точках пластины. Метод этот достаточно полно описан в литературе [Л. 7-3, 4-14]. Для повышения точности измерений сле­ дует тщательно фиксировать расстояние между зондами и давление на зонды, а также следить за состоянием острия зондов (например, у зондов из карбида вольфра­ ма иногда скалываются острия и точность измерений ухудшается). Чтобы удостовериться в омических свойст­ вах контакта зондов с поверхностью, проводят измере­ ния на различных значениях тока при разных полярно­ стях поданного напряжения. Глубину расположения р-п перехода можно определять с помощью косых, цилин­ дрических [Л. 4-14] или сферических шлифов. Наиболее широко применяется метод сферических шлифов, заклю­

алмазного порошка в костяном масле. Средний диаметр зерна абразива составляет 1 мкм, причем следует тща­ тельнейшим образом контролировать состав фракции, так как зерна большего диаметра составляют на по­ верхности шлифа грубые риски и точность измерений падает. Вышлифованную на поверхности пластины круг­ лую лунку окрашивают в каком-либо составе из числа приведенных в гл. 2. Затем измеряют с помощью микро­ скопа хорду L между двумя окружностями, внешняя из которых образована пересечением лунки с поверхно­ стью пластины, а внутренняя является выявленной гра­

приготовления и окрашивания шлифа. От глубины про­ никновения шара в .кремний точность в первом прибли­ жении не зависит, однако можно рекомендовать делать

363

Измерив поверхностное сопротивление и глубину расположения р-п перехода, можно найти концентрацию примеси на поверхности диффузионного слоя в предпо­ ложении, что закон распределения примеси по глубине

применительно к двум наиболее общим случаям распре­ деления примеси — по закону ошибок и по закону Гаус­ са [Л. 1-11].

т

Рис. 8-1. Пояснение к способу изготовления сфе­ рического шлифа.

Если же эти случаи не соответствуют практическим режимам диффузии, профиль распределения примеси может быть найден экспериментально. Для этого приме­ няют многоступенчатое стравливание диффузионного слоя с последовательным измерением поверхностного сопротивления оставшейся части. Наиболее точно сни­ мать тонкие слои (порядка долей микрона) позволяет метод анодного окисления кремния с последующим уда­ лением окисла в растворе плавиковой кислоты. Однако последний метод используют обычно только в лабора­ торных условиях.

В результате диффузии на поверхности пластин об­ разуется пленка примесно-силикатного стекла, по изме­

и других дефектов, возникающих после диффузии, про­ веряют с помощью микроскопа обычно в темном поле или с фазовым контрастом.

364