Способ определения глубины нарушенного слоя полупроводниковой пластины. Формирование нарушенных слоев в кристаллах кремния, имплантированных протонами дьячкова ирина геннадьевна Текст научной работы на тему «Измерение глубины нарушенного слоя на поверхнос

Для получения качественных приборов и ИС необходимы однородные полупроводниковые пластины с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений. Приповерхностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической структуры. Очень жесткие требования предъявляют к геометрическим характеристикам пластин, особенно к их плоскостности. Плоскостность поверхности имеет определяющее значение при формировании структур приборов методами оптической литографии. Важны и такие геометрические параметры пластина как прогиб, непараллельность сторон и допуск по толщине. Полупроводниковые материалы, обладающие высокой твердостью и хрупкостью, не поддаются механической обработке с применением большинства обычных методов, таких, как точе­ние, фрезерование, сверление, штамповка и т. п. Практически единственным методом, применимым для механической обработки полупроводниковых материалов, является обработка с применени­ем связанных или свободных абразивов

Для обеспечения требуемых параметров разработаны базовые технологические операции изготовления пластин. К базовым операциям относят предварительную подготовку монокристалла, разделение его на пластины, шлифование и полирование пластины, формирование фасок, химическое травление пластин, геттерирование нерабочей стороны пластины, контроль геометрии и поверхности пластин и упаковка в тару.

Предварительная подготовка слитка заключается в определении кристаллографической ориентации слитка, калибровке его наружного диаметра до заданного размера, стравливании нарушенного слоя, изготовлении базовых и дополнительных срезов, подготовке торцовых поверхностей с заданной кристаллографической ориентацией. Затем разделяют слиток на пластины определенной толщины. Целью последующего шлифования является выравнивание поверхности отрезанных пластин, уменьшение разброса их толщин, формирование однородной поверхности. Фаски с острых кромок пластин снимают для того, чтобы удалить сколы, образующиеся при резке и шлифовании. Кроме того, острые кромки пластин являются концентраторами напряжений и потенциальными источниками структурных дефектов, которые могут возникнуть при перекладывании пластин и прежде всего при термических обработках (окислении, диффузии, эпитаксии). Химическим травлением удаляют нарушенные приповерхностные слои, после чего полируют обе стороны пластин или ту сторону, которая предназначена для изготовления структур приборов. После полирования пластины очищают от загрязнений, контролируют и упаковывают.

При изготовлении приборов способами наиболее распространенной планарной технологии и ее разновидностей используют только одну, так называемую рабочую сторону пластины. Учитывая значительную трудоемкость и высокую стоимость операций по подготовке высококачественных пластин с бездефектной поверхностью, некоторые варианты изготовления пластин предусматривают несимметричную, т. е. неодинаковую, обработку их сторон. На нерабочей стороне пластины оставляют структурно–деформированный слой толщиной 5-10 мкм, который обладает свойствами геттера, т. е. способностью поглощать пары и газы из корпуса полупроводникового прибора после его герметизации за счет очень развитой поверхности. Дислокационная структура слоя, обращенная к рабочей поверхности пластины, обладает способностью притягивать и удерживать структурные дефекты из объема полупроводникового кристалла, что значительно повышает надежность и улучшает электрофизические параметры приборов. Однако несимметричная обработка сторон пластин создает опасность их изгиба. Поэтому глубину нарушений на нерабочей стороне следует строго контролировать.

Использование в полупроводниковом производстве пластин стандартизованных размеров позволяет унифицировать оборудование и оснастку на всех операциях, начиная от их механической обработки и заканчивая контролем параметров готовых структур. В отечественной и зарубежной промышленности нашли применение пластины диаметром 40, 60, 76, 100, 125, 150 и 200 мм. Для получения пластины заданного диаметра осуществляют калибровку выращенного проводникового монокристал- лического слитка.

Ориентацию или поиск заданной кристаллографической плоскости монокристалла и определение положения этой плоскости относительно торца слитка производят на специальном оборудовании оптическим или рентгеновским методами. В основу оптического метода ориентации монокристаллов положено свойство протравленных поверхностей отражать световые лучи в строго определенном направлении. При этом отражающая плоскость всегда совпадает с кристаллографическими плоскостями типа {111}. Отклонение торца слитка от кристаллографической плоскости (111) приводит к отклонению отраженного луча на матовом экране, характери-зующееся углом разориентации торца от плоскости (111). Отраженный луч образует на экране световые фигуры, форма которых определяется конфигурацией ямок, вытравленных на торце слитка селективными травителями. Типичной световой фигурой для слитка, выращенного в направлении , является трехлепестковая звезда, а для слитка, выращенного в направлении , – четырехлепестковая звезда.

Калибровку производят способом наружного круглого шлифования алмазными кругами на металлической связке (рис. 1.1). При этом используют как универсальные круглошлифовальные станки, так и специализированные станки, позволяющие производить калибровку с малыми радиальными силами резания. Если при калибровке кремниевого слитка на универсальном круглошлифовальном станке глубина нарушенного слоя достигает 150-250 мкм, то применение специализированных станков обеспечивает снижение глубины нарушенного слоя до 50-80 мкм. Калибровку чаще всего проводят в несколько проходов. Сначала за первые черновые проходы снимают основной припуск алмазными кругами зернистостью 160-250 мкм, затем осуществляют чистовую обработку алмазными кругами зернистостью 40-63 мкм.

Рисунок 1.1 – Схема калибровки слитка

После калибровки цилиндрической поверхности на слитке выполняют базовый и дополнительные (маркировочные) срезы. Базовый срез делают для ориентации и базирования пластин на операциях фотолитографии. Дополнительные срезы предназначены для обозначения кристаллографической ориентации пластин и типа проводимости полупроводниковых материалов. Ширины базового и дополнительных срезов регламентированы и зависят от диаметра слитка. Базовый и дополнительные срезы изготовляют шлифованием на плоскошлифовальных станках чашечными алмазными кругами по ГОСТ 16172-80 или кругами прямого профиля по ГОСТ 16167-80. Зернистость алмазного порошка в кругах выбирают в пределах 40/28-63/50 мкм. Один или несколько слитков закрепляют в специальном приспособлении, ориентируя необходимую кристаллографическую плоскость параллельно поверхности стола станка. В зону обработки подают смазочно-охлаждающую жидкость (например, воду).

Срезы можно также изготовлять на плоскодоводочных станках с применением абразивных суспензий на основе.порошков карбида кремния или карбида бора с размером зерен 20-40 мкм. Шлифование свободным абразивом позволяет уменьшить глубину нарушенного слоя, но при этом снижается скорость обработки. Поэтому наиболее широко в промышленности распространено шлифование цилиндрической поверхности и срезов алмазными кругами.

После шлифования слиток травят в полирующей смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот, удаляя нарушенный слой. Обычно стравливают слой толщиной 0,2-1,0 мм. После калибровки и травления допуск на диаметр слитка составляет 0,5 мм. Например, слиток с номинальным (заданным) диаметром 60 мм может иметь фактический диаметр 59,5-60,5 мм.

Промышленное получение полупроводниковых монокристаллов представляет собой выращивание близких к цилиндрической форме слитков, которые необходимо разделить на заготовки-пластины. Из многочисленных способов разделения слитков на пластины (резка алмазными кругами с внутренней или наружной режущей кромкой, электрохимическая, лазерным лучом, химическим травлением, набором полотен или проволокой, бесконечной лентой и др.) в настоящее время наибольшее применение нашли резка алмазными кругами с внутренней режущей кромкой (АКВР), набором полотен и бесконечной проволокой.

AКВP обеспечивает разделение слитков достаточно большого диаметра (до 200 мм) с высокой производительностью, точностью и малыми потерями дорогостоящих полупроводниковых материалов. Круг АКВР представляет собой металлический кольцеобразный корпус толщиной 0,05-0,2 мм, на внутренней кромке которого закреплены алмазные зерна, осуществляющие резание. Корпус изготовляют из высококачественных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей с упрочняющими легирующими добавками. В отечественной промышленности для корпусов используют сталь марки 12Х18Н10Т. Размер алмазных зерен, закрепленных на внутренней кромке, выбирают в зависимости от физико-механических свойств разрезаемого полупроводникового материала (твердости, хрупкости, способности к адгезии, т. е. прилипанию к режущей кромке). Как правило, для резки кремния целесообразно использовать алмазные зерна с размером основной фракции 40-60 мкм. Зерна должны быть достаточно прочными и иметь форму, близкую форме правильных кристаллов. Германий и сравнительно мягкие полупроводниковые соединения типа А 3 В 5 (арсенид галлия, арсенид индия, антимонид индия, фосфид галлия и др.) целесообразно резать алмазами, размер зерен основной фракции которых 28-40 мкм. Требования к прочности этих зерен не столь высоки, как при резке кремния. Монокристаллы сапфира, корунда, кварца, большинства гранатов разделяют высокопрочными кристаллическими алмазами размер зерен основной фракции которых 80-125 мкм.

Обязательным условием качественного разделения слитка на пластины является правильная установка и закрепление круга AКBP. Высокая прочность материала корпуса круга и его способность к значительному вытягиванию дают возможность натянуть круг на барабан с достаточной жесткостью. Жесткость круга непосредственно влияет на точность и качество поверхности пластин, на стойкость круга, т. е. срок его службы, и ширину пропила. Недостаточная жесткость приводит к возникновению дефектов геометрии пластин (неплоскостности, прогиба, разброса по толщине) и увеличению ширины пропила, а чрезмерная жесткость - к быстрому выходу круга из строя из-за разрыва корпуса.

Метод резки монокристаллов на пластины металлическим дис­ком с внутренней алмазной режущей кромкой (рис.1.2) в настоя­щее время практически вытеснил все ранее применявшиеся мето­ды резки: дисками с наружной алмазной режущей кромкой, полот­нами и проволокой с применением абразивной суспензии. Этот способ получил наибольшее распространение потому, что он обес­печивает более высокую производительность при меньшей ширине реза, в результате чего потери полупроводникового материала снижаются почти на 60 % по сравнению с резкой диском с наруж­ной режущей кромкой.

Режущим инструментом станка является тонкое (толщиной 0,1-0,15 мм) металлическое кольцо, на кромку 3 отверстия нанесены алмазные зерна размером 40-60 мкм. Круг 2 растягивают и закрепляют на барабане 1, который приводят во вращение вокруг своей оси. Слиток 4 вводят во внутреннее отверстие круга АКВР на расстояние, равное сумме заданной толщины пластины и ширины пропила. После этого производят прямолинейное перемещение слитка относительно вращающегося круга в результате чего отрезается пластина.

Отрезанная пластина 6 может падать в сборный лоток 7 или же удерживаться после полного прорезания слитка на оправке 5 клеящей мастикой. После сквозного прорезания слитка его отводят в исходное положение и круг выходит из образованной прорези. Затем слиток снова перемещают на заданный шаг во внутреннее отверстие круга и повторяют цикл отрезания пластины.

Инструмент крепят винтами на конце шпинделя вращающего­ся с частотой 3-5 тыс. об/мин, к барабану (рис.1.3) с помощью колец, имеющих сферический выступ на одном и соответствующую впадину на другом, чем обеспечивается необходимый предвари­тельный натяг диска. Окончательное натяжение диска обеспечива­ется при установке его на барабан /. Стягивающими винтами 7 уменьшают зазор между буртиком 2 барабана 1и зажимными

Рисунок 1.2 – Схема резки диском Рисунок 1.3 – Барабан для закрепле-

с внутренней кромкой ния алмазного диска

кольцами 5. Режущий диск 6при этом упирается в опорный вы­ступ 4 барабана и растягивается в радиальном направлении. Между зажимными кольцами и буртиком барабана устанавлива­ют регулирующие прокладки 3, которые ограничивают перемеще­ние колец 5 и предохраняют диск от разрыва из-за чрезмерного натяжения. Равномерного натяжения диска достигают последова­тельным постепенным затягиванием диаметрально расположен­ных винтов 7. На некоторых моделях машин, например «Алмаз-бМ», натяг диска обеспечивается закачкой жидкости (напри­мер глицерина) в полость между зажимными кольцами.

Все виды конструктивных компоновок выпускаемых в настоя­щее время станков для резки слитков полупроводниковых мате­риалов можно разделить на три группы:

С горизонтальным расположением шпинделя и суппортом, осу­ществляющим как дискретное перемещение слитка на.толщину отрезаемой пластины, так и подачу резания (рис. 1.4, а);

С вертикальным расположением шпинделя и суппортом, также осуществляющим и дискретное перемещение слитка на толщину отрезаемой пластины, и подачу резания (рис. 1.4, б);

С горизонтальным расположением шпинделя, осуществляющим подачу резания за счет качания его вокруг некоторой оси, и суп­портом, осуществляющим только дискретное перемещение слитка на толщину отрезаемой пластины (рис. 1.4, в).

Станки первого типа, к которым относятся модели 2405, «Алмаз-4», Т5-21 и Т5-23, появились в промышленности раньше других и являются наиболее распространенными. При та­кой компоновке горизонтально расположенный шпиндель враща­ется в подшипниках относительно малого диаметра, что позволяет сравнительно легко обеспечить необходимую частоту вращения, прецизионность и виброустойчивость узла. Недостатком такого ти­па компоновки станков является достаточно интенсивный износ направляющих суппорта и, как следствие этого, - потеря точ­ности.

Рисунок 1.4 – Схемы конструктивных компоновок станков для резки слитков алмазными кругами с внутренней режущей кромкой:

1 – клиноременная передача; 2 – вал шпинделя; 3 – подшипник; 4 – барабан;

5 – алмазный диск; 6 – слиток; 7 – державка; 8 – поворотный рычаг; 9 – ось

Для обеспечения необходимых геометрических размеров отрезанных полупроводниковых пластин, их плоскопараллельности и соответствия заданным размерам, а также уменьшения глубины нарушенного слоя пластины подвергаются шлифованию и полированию. Процесс шлифования представляет собой обработку пластин на твердых доводочных дисках - шлифовальниках (из чугуна, стекла, латуни и т. д.) абразивными микропорошками зернистостью от 28 до 3 мкм или алмазными шлифовальными кругами с зернистостью от 120 до 5 мкм. Погрешности формы пластин (неплоскостность, клиновидность и т. д.), возникшие в процессе резки слитка, исправляют в процессе шлифования. В результате шлифования получают пластины правильной геометрической формы с шероховатостью поверхности Н а 0,32-0,4 мкм.

На рис.1.5 приведена классификация шлифовальных станков.Шлифовальные станки полупроводниковых пластин и кристаллов состоят из следующих основных элементов. Hа шлифовальном круге, изготавливаемом, из стекла иди чугуна, имеются три круглых сепаратора - кассеты с отверстиями (гнездами) для загрузки полупроводниковых пластин. На круг в процессе шлифовки непрерывно подаётся абразивная суспензия. При вращении шлифовального круга сепараторы-кассеты вращаются вокруг своей оси с помощью роликов под действием силы, возникающей за счет различной окружной скорости по радиусу шлифовальника. Пластины загруженные в гнезда сепаратора-кассеты, совершают при шлифовке сложное движение, которое складывается из вращения шлифовального круга, вращения сепаратора-кассеты и вращения пластин внутри гнезда сепаратора.

Рисунок 1.5 – Классификация шлифовальных станков

Такое движение даёт возможность снимать слой материала равномерно со всей плоскости пластины с достаточной для полупроводниковых приборов плоскопараллельностью и точностью. Разброс по толщине на пластине составляет 0.005-0.008 мм., а разброс по плоскопараллельности - 0.003-0.004 мм. Сошлифовка проводникового материала зависит от прочности абразивных зёрен: так, при одинаковой величине зёрен более глубокие выколи дают абразивные материалы с большей микротвердостью. Поэтому в зависимости от свойств обрабатываемого материала, степени чистоты поверхности и целевого назначение необходимо выбирать абразив соответствующей дисперсности. Практически первоначальную шлифовку кристаллов полупроводникового материале осуществляют грубодисперсными порошками карбида бора, а затем - доводят до необходимых размеров и требуемой чистоты поверхности порошками электрокорунда или карбида кремния с зернистостью М14, М10, Ml5.При шлифовке микротвёрдость применяемого абразива должна быть в 2 - 3 раза выше микротвёрдости шлифуемого материала. Этому требованию удовлетворяют электрокорунд, карбид кремния зелёный, карбид бора, алмаз. Частота вращения верхних шпинделей с абразивными кругами 2400 об/мин, а шлифовальных столиков с закрепленными на них обрабатываемыми пластинами - 350 об/мин. Обычно на одной позиции производится предварительное шлифование, а на другой - чистовое. Подача круга осуществляется за счет массы шпинделя. На рис.1.4 представлена схема врезного шлифования.

1 -3 - шлифовальные круги; 4-6- обрабатываемые пластины; 7- стол

Рисунок 1.6 – Схема врезного шлифования

На рис.1.7 представлен внешний вид шлифовального круга с пластинами.

Для полирования пластин могут быть использованы те же станки, что и для шлифования. Для этого на шлифовальниках делают выборки и с помощью внешних и внутренних стальных колец 4 на них натягивают замшу. Для подачи абразивной суспензии в зону полирования в верхнем шлифовальнике и в замше имеются отверстия.

Полирование может быть:

– механическим, которое происходит главным образом за счет микрорезания зернами абразива, пластических деформаций и сглаживания;

– химико-механическим, при котором снятие материала с обрабатываемой поверхности происходит в основном за счет механического удаления образующихся в результате химических реакций мягких пленок. Для химико-механического полирования необходимо несколько большее усилие прижима обрабатываемого изделия к полировальнику, чем при механическом. Схема полуавтомата одностороннего полирования полупроводниковых пластин показана на рис.1.8. Стол 4, на котором размещен съемный полировальник 8, приводится во вращение с частотой 87±10 об/мин от электродвигателя 7 через клиноременную передачу 6 и двухступенчатый редуктор 5.

Рисунок 1.7 – Внешний вид шлифовального круга

Рисунок 1.8–Схема полуавтомата одностороннего полирования пластин.

На верхней части станины станка размещены четыре пневмоцилиндра, на штоках 2 которых шарнирно закреплены прижимные диски 3. Пневмоцилиндры осуществляют подъем, опускание и необходимый прижим пластин к полировальнику. Шарнирное крепление прижимных дисков с приклеенными к ним пластинами позволяет им плотно прилегать (самоустанавливаться) к полировальнику и вращаться вокруг собственных осей, обеспечивая сложное движение полируемых пластин. Станок позволяет обрабатывать пластины диаметром до 100 мм и обеспечивает получение шероховатости обработанной поверхности по четырнадцатому классу.

Снятие фасок с кромок полупроводниковых пластин производят для достижения нескольких целей. Во-первых, для удаление сколов на острых кромках пластин, возникающих при резке и шлифовании. Во-вторых, для предотвращения возможного образования сколов в процессе проведения операций, непосредственно связанных с формированием структур приборов. Сколы, как известно, могут служить источниками структурных дефектов в пластинах при проведении высокотемпературных обработок и лажен являться причиной разрушения пластин. В-третьих, для предотвращения образования на кромках пластин утолщения слоев технологических жидкостей (фоторезистов, лаков), которые после затвердевания нарушают плоскостность поверхности. Такие же утолщения на кромках пластин возникают при нанесении на их поверхность слоев полупроводниковых материалов и диэлектриков.

Формирование фасок производят механическим способом (шлифованием и полированием), химическим или плазмохимическим травлением. Плазмохимическое травление фасок основано на том, что острые кромки в плазме распыляются с большей скоростью, чем другие области пластин, ввиду того, что напряженность электрического поля на острых кромках существенно выше. Этим способом можно получить фаска с радиусом закругления не более 50-100 мкм. Химическое травление обеспечивает больший радиус фасок, однако и химическое, и плазмохимическое травление не позволяют изготовлять фаски различного профиля. Кроме того, травление является плохо управляемым и контролируемым процессом, что ограничивает его широкое промышленное применение. В производстве чаще всего используют способ формирования фасок профильным алмазным кругом. Этим способом могут быть изготовлены фаски разнообразной формы (рис. 1.9, а-в). На практике чаще всего формируют фаски, форма которых показана на рис. 1.9, а. В процессе обработки пластина закрепляется на вакуумном столике станка и вращается вокруг своей оси. Частота вращения пластины 10-20 об/мин, алмазного круга 4000-10000 об/мин. Алмазный круг прижимается к пластине с усилием 0,4-0,7 Н. Ось вращения круга перемещается относительно оси вращения вакуумного столика так, чтобы обработке полупроводниковые соединения шлифуют при давлении в 1,5-2,5 раза меньшем, чем кремний. В процессе шлифования пластины периодически подвергают визуальному осмотру и контролю по толщине.

Рисунок 1.9 – Разновидности фасок

После механической обработки кристаллическая решетка на поверхности полупроводниковых пластин разрушается, появляются трещины и риски в материале и различные загрязнения. Для удаления нарушенного поверхностного слоя полупроводникового материала применяют химическое травление, протекающее при контакте подложки с жидкой или газообразной средой.

Процесс химического травления - это химическая реакция жидкого травителя с материалом пластины с образованием растворимого соединения и последующим его удалением. В техноло­гии полупроводникового производства обычно химическую обработку называют травлением, а химико-динамическую - полирующим травлением. Химическое травление полупроводниковых материалов проводят для того, чтобы удалить нарушенный слой. Оно характеризуется повышенной скоростью травления в местах нарушения кристаллической структуры. При химико-динамическом травлении удаляют более тонкие слои, т. к. его назначение - создать на пластине гладкую поверхность высокого класса чистоты. Состав травителя подбирают так, чтобы полностью подавить его способность к селективному травлению. Процессы химической обработки сильно зависят от температуры, концентрации и чистоты реактивов. Поэтому при проектировании оборудования для химической обработки стремятся стабилизировать основные параметры процесса и этим гарантировать высокое качество травления.

Материалы, применяемые для изготовления рабочих камер, должны быть стойкими к используемым реактивам, а применяемые средства автоматизации - либо малочувствительными (например, пневмо- или гидроавтоматика), либо хорошо защищенными от воздействия паров агрессивных реактивов (в случае применения электроавтоматики).

Установка для химического травления пластин типа ПВХО-ГК60-1 показана на рис. 1.10, а схема устройства рабочих органов приведена на рис. 1.11.

Рисунок 1.10–Установка для химического травления пластин типа ПВХО-ГК60-1:

Рисунок 1.11 – Схема рабочих органов установки ПВХО-ГК60-1

На рабочем столе в пылезащитной камере смонтированы три рабочих ванны 1 -3. В ванне производится обработка кремниевых пластин погружением в холодные или горячие кислоты, или органические растворители. Крышка ванны в процессе обработки герметически закрыта. Обработка производится групповым методом в кассетах по 40-60 пластин в зависимости от их размеров. Из ванны кассеты 6 переносятся в ванну 2 для отмывки деионизованной водой. Степень отмывки контролируется прибором по разности сопротивления деионизованной воды на входе и выходе ванны. После этого в ванне 3 пластины по 10 шт. обрабатываются кистями 4 и сушатся на центрифуге 5.

Химико-динамическое, или полирующее травление производится с помощью устройства, схема которого приведена на рис.1.12. Сущность его заключается в активном перемешивании травителя непосредственно у поверхности обрабатываемой пластины. Благодаря этому обеспечивается быстрое удаление продуктов реакции, равномерное поступление новых порций травителя, неизменность его состава и постоянство теплового режима обработки.

Во фторопластовый барабан 2, вращающийся на оси, наклоненной относительно нормали на угол 15 – 45°, заливают порцию травителя 3. Обрабатываемые пластины 4наклеивают на фторопластовые диски 5, которые помещают на дно барабана пластинами вверх. Барабан приводится во вращение от электродвигателя через редуктор с частотой вращения 120 об/мин. При этом диски 5 перекатываются по его стенке, обеспечивая хорошее перемешивание травителя и создавая условия для равномерного травления.

Рисунок 1.12 – Схема установки полирующего травления

Для полирования кремния применяют также электрохимическое полирование, в основе которого лежит анодное окисление полупроводника, сопровождаемое механическими воздействиями на окисную пленку.

Качество поверхности обработанных пластин определяется шероховатостью и глубиной нарушенного слоя. После резки, шлифовки и полировки пластины отмывают. Состояние поверхности пластин контролируют визуально или под микроскопом. При этом проверяют наличие на поверхности царапин, рисок, сколов, загрязнений и следов воздействия химически активных веществ.

Во всех установках контроль осуществляется оператором с использованием, например, микроскопов типов МБС-1, МБС-2 (с увеличением 88 х) или МИМ-7 (с увеличением 1440 х). Микроскоп МБС-1 благодаря специальному устройству осветителя позволяет наблюдать поверхность в лучах света, падающих под разными углами. На микроскопе МИМ-7 можно наблюдать поверхность в светлом и темном полях. Оба микроскопа позволяют измерять размеры повреждения поверхности специально установленными окулярами. В установках для визуального контроля пластин автоматизируется подача пластин из кассеты на предметный столик под микроскоп и возвращение ее после контроля в соответствующую классификационную кассету. Иногда вместо оптического микроскопа применяют проекторы, позволяющие снизить утомляемость оператора.

Шероховатость поверхности в соответствии с ГОСТ 2789-73 оценивают средним арифметическим отклонением профиля R а или высотой микронеровностей R z . ГОСТ устанавливает 14 классов шероховатости поверхности. Для 6–12 классов шероховатости основной является шкала R а , а для 1–5-го и 13–14-го – шкала R z . Шероховатость измеряют в визуально определенном направлении, соответствующем наибольшим значениям R а и R z .

Для измерений используют стандартные профилографы–профилометры или с помощью сравнительного микроскопа поверхность обработанной пластины визуально сравнивают с эталоном. Современный профилограф-профилометр–универсальный высокочувствительный электромеханический ощупывающий прибор, предназначенный для измерения волнистости и шероховатости ме­таллических и неметаллических поверхностей. Принцип действия прибора состоит в том, что колебательные движения ощупывающей иглы с радиусом закругления 10 мкм вызывают изменения напряжения, которые регистрируются отсчетным устройством. Прибор имеет также записывающий механизм и может выдавать профилограмму поверхности. Для бесконтактного измерения применяют микроинтерферометры МИИ-4 и МИИ-11с пределами измерений R z – 0,005–1 мкм, а также атомно-силовые микроскопы.

Толщина слоя, в котором в результате механической обработки нарушена кристаллическая решетка полупроводника, является одним из критериев качества обработанной поверхности пластины. Толщина нарушенного слоя зависит от размера зерна абразивного порошка, примененного для обработки, и приближенно может быть определена по формуле:

H =K ∙d, (1.1)

где d - размер зерна; К - эмпирический коэффициент (K =1,7 для Si; K =2,2 для Ge).

Толщину нарушенного слоя определяют только в процессе отладки технологии механической обработки пластин. Наиболее простым и удобным методом определения толщины нарушенного слоя является визуальный контроль под микроскопом поверхности после селективного травления.

Для контроля толщины, неплоскостности, непараллельности и прогиба пластин используют стандартные измерительные средства, такие, как индикаторы часового типа или другие аналогичные им рычажно-механические приборы с ценой деления 0,001 мм. В последнее время для контроля геометрических параметров пластин все чаще начинают применять бесконтактные пневматические или емкостные датчики. С их помощью можно быстро производить измерения, не подвергая пластину риску загрязнения или механического повреждения.

Введение

Глава 1. Аналитический обзор литературы 11

1.1. Общие характеристики метода ионной имплантации 11

1.1.1 Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах 11

1.1.2. Образование радиационных дефектов при ионной имплантации 15

1.1.3. Формирование профилей распределения радиационных дефектов

1.2. Влияние параметров имплантации протонов на микроструктуру, профиль распределения, механические и электрофизические свойства кремния

1.2.1. Влияние энергии протонов 27

1.2.2. Влияние дозы протонов 29

1.2.3. Влияние постимплантационного отжига 33

1.2.4. Влияние разной ориентации подложек 38

1.3. Применение имплантации протонов в технологии изготовления полупроводниковых приборов

1.4. Заключение по Главе 1 45

Глава 2. Методы исследования структуры нарушенных слоев 46

2.1. Метод рентгеновской дифрактометрии 47

2.1.1. Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии 48

2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии 51

2.1.2.1. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей на микродефектах в монокристаллах

2.1.2.2. Профили интенсивности ТРД в случае монокристаллов с дефектами кулоновского типа

2.2. Метод рентгеновской топографии 64

2.3. Метод просвечивающей электронной микроскопии 66

2.4. Заключение по Главе 2 67

Глава 3. Объекты исследования и методики экспериментов и измерений 68

3.1. Кристаллы кремния, имплантированные с различными энергиями и дозами ионами водорода после имплантации и отжига

3.2. Методика облучения 69

3.3. Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM

3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления 72

3.5. Методика рентгеновских исследований 73

3.5.1. Идентификация нарушенного слоя с помощью метода рентгеновской топографии

3.5.2. Изучение структуры ионноимплантированных слоев методом рентгеновской дифрактометрии

3.5.3 Метод определения интегральных характеристик нарушенного слоя

3.5.4. Методика получения профилей деформации по кривым дифракционного отражения

3.5.5. Определение параметров микродефектов по результатам измерения интенсивности диффузного рассеяния рентгеновских лучей

3.6. Методика подготовки образцов для исследования методом просвечивающей электронной микроскопии

3.7. Заключение по Главе 3 89

Глава 4. Результаты комплексного исследования ионноимплантированных слоев и их обсуждение

4.1. Результаты исследования влияния облучения на структурные свойства кремния

4.1.1. Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя

4.1.2. Результаты исследования влияния поля механических напряжений на формирование нарушенного слоя при имплантации ионов водорода в кремний

4.1.3. Результаты исследования влияния постимплантационной термической обработки на процесс дефектообразования

4.1.4. Результаты определения параметров и качественных изменений характера микродефектов в имплантированных протонами слоях кристаллов кремния

4.1.5. Анализ изменения характеристик микродефектов кристаллов кремния, облученных протонами при термической обработке

4.2. Результаты исследования возможности применения 146 имплантации протонов для коррекции характеристик рІп- фотодиодов

4.3. Заключение по Главе 4 158

Основные результаты и выводы по диссертации 160

Литература 163

Введение к работе

В последние десятилетия возможности традиционной металлургии полупроводников были существенно расширены за счет использования технологии ионной имплантации, которая позволяет вводить в материал практически любые примеси с концентрациями, не ограниченными пределом растворимости . В настоящее время достаточно хорошо изучены основные закономерности процессов, протекающих при этом способе легирования, выявлены его достоинства и возможности использования, а сама ионная имплантация стала одним из базовых технологических процессов.

Долгое время практически единственным применением ионной имплантации, как в планарной, так и непланарной технологии являлось введение легирующих примесей в полупроводники при производстве дискретных приборов и интегральных схем . В последние годы область применения ионной имплантации существенно расширилась.

Актуальность работы обусловлена быстро развивающимися направлениями практического использования ионной имплантации в современной технологии производства приборов микроэлектроники. В частности, для контролируемого введения радиационных нарушений с целью разделительной изоляции элементов интегральных схем, ускорения диффузии и стимуляции электрической активности внедренных примесных атомов, прецизионной корректировки и создания высокоомных резисторов, получения аморфизированных слоев, геттерирования нежелательных примесей, управления свойствами контакта металл-полупроводник и др. . Но за стремлением получить оптимальные параметры ионноимплантированного материала, готового для производства на его основе прибора, остается в тени изучение процессов, происходящих в кристалле во время проведения в нее имплантации ионов, что тоже важно для микроэлектронных технологий. С отсутствием четкого представления о механизме структурных изменений в

приповерхностных пересыщенных дефектами слоях ионноимплантированных структур связано большинство технологических проблем.

Исследования, выполненные в последние годы, показали перспективность облучения кремния легкими ионами (водород, гелий) для формирования, так называемых "нарушенных" слоев и областей. Особенностью таких слоев является существование в них большого количества структурных дефектов, создаваемых имплантацией ионов водорода и последующей термообработкой. В зависимости от режимов имплантации, температуры и времени отжига возможно создание областей, насыщенных дефектами различного вида: кластерами и скоплениями точечных дефектов, микропорами, газовыми пузырями, заполненными водородом. Изучение природы и характеристик дефектов, возникающих при имплантации, позволит расширить возможности метода ионной имплантации в области создания новых технологий и управления характеристиками микроэлектронных устройств. Информация о структуре ионноимплантированных образцов позволит решить вопрос о подборе доз и энергий ионной имплантации, а также температуры отжига с целью оптимизации свойств нарушенного слоя для конкретного практического применения. Все это делает данную работу актуальной.

Целью данной работы являлось выявление основных закономерностей формирования дефектной структуры слоев кремния, имплантированных ионами водорода в различных условиях и ее эволюции при термической обработке, а также исследование возможности использования имплантации протонов для модификации свойств поверхностных слоев кремния с целью улучшения параметров и увеличения выхода годных электронных приборов.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие основные задачи :

1). Установить зависимость характера дефектообразования от условий имплантации (энергии и дозы);

2). Выяснить роли внешних факторов (температура, поля механических напряжений) в формировании дефектной структуры в процессе имплантации;

3). Определить структурные и электрофизические характеристики слоев кремния, нарушенных имплантацией протонов и проследить их изменения в ходе последующей термической обработки;

4). Идентифицировать и определить характеристики микродефектов, возникающих в процессе имплантации ионов водорода и проследить их эволюцию в процессе термической обработки;

5). Выявить возможности использования свойств нарушенных слоев, созданных имплантацией протонов для управления характеристиками кремниевых электронных приборов.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

Получены новые результаты об изменениях структурных и электрофизических свойств нарушенных слоев кристаллов кремния при облучении его протонами с энергиями в диапазоне от 100 до 500 кэВ, дозами от 10 15 до 2-10 16 смЛ

Впервые выявлены особенности формирования нарушенных слоев ^ при воздействии внешних факторов: температуры и поля механических напряжений.

Изучено изменение структурного состояния слоев кремния, имплантированного протонами при термической обработке в широком диапазоне температур (100 - 1100С).

Впервые определены характеристики микродефектов, формирующих нарушенный слой, и исследованы их изменения при термической обработке.

Предложена модель эволюции микродефектов в нарушенных имплантацией протонов (Е = 100-500 кэВ, D = 10 15 -2-10 16 см* 2) слоях кристаллов кремния при термической обработке в диапазоне температур Т = 200-1100С.

6. Показана эффективность использования нарушенных слоев кристаллов кремния, образованных при протонном облучении и отжиге, для коррекции характеристик кремниевых рІп-фотодиодов.

Практическая значимость результатов работы:

Разработана методика проведения измерений и обработки экспериментальных данных для определения параметров нарушенных слоев методом рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения.

Отработана неразрушающая методика определения природы и характеристик микродефектов с разными знаками дилатации. Методика на основе анализа асимптотического диффузного рассеяния позволяет расширить спектр наблюдаемых микродефектов.

Установленная роль внешних факторов ионной имплантации в процессе формирования дефектной структуры должна учитываться в технологии создания нарушенных слоев.

Результаты определения характеристик микродефектов в кристаллах кремния, имплантированных протонами различных доз и энергий, подвергнутых термообработке в широком интервале температур, могут быть использованы для создания нарушенных слоев с оптимальными свойствами.

Разработан метод защиты поверхности кремниевых pin-фото диодов, включающий облучение периферии p-n-переходов протонами и последующий отжиг. Определен оптимальный режим облучения и отжига для данного типа приборов, повышающий выход годных.

Основные положения, выносимые на защиту:

Результаты определения интегральных характеристик нарушенного слоя кристаллов кремния, облученных протонами с энергией 150 кэВ и дозами от 2,5-Ю 15 см" 2 до 2-Ю 16 см" 2 в интервале температур от 50 до 610С.

Результаты изучения воздействия внешних факторов ионной имплантации: дозы, температуры и поля механических напряжений, на процесс формирования дефектной структуры в кристаллах кремния.

Результаты исследований структурных и электрофизических характеристик нарушенных слоев кремния, формируемых при облучении протонами сЕ = 200, 300, 100+200+300 кэВ, D = 2-Ю 16 см" 2 и последующей термической обработке в интервале температур от 100 до 900С.

Экспериментально установленная немонотонная зависимость интегральных и электрофизических характеристик нарушенного слоя от температуры отжига.

Модель эволюции радиационных микродефектов в имплантированных ионами водорода (Е= 100-500 кэВ, D= 10 I5 -2-I0 16 см" 2) слоях кремния при термической обработке в интервале температур от 200 до 1100С.

Результаты исследований механизма влияния структурных и электрофизических параметров поверхностных слоев кремния, модифицированных облучением протонами и последующим вакуумным отжигом, на В АХ ріп-ф ото диодов; режимы оптимальной протонной обработки диффузионных pin-фото диодов с глубиной залегания р-п-переходов - 3 мкм.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ (ТУ) (Москва, 1998 г.), IX Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний -2000» (Москва, 2000 г.), X Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2000 г.), Третьей Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - XXI век» (Зеленоград, 2000 г.), Третьей Международной конференции «Водородная обработка материалов» (ВОМ-2011) (Донецк - Мариуполь, 2001 г.), VI Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации

материалов методами нетрадиционных технологий» (MHT-VI) (Обнинск,

г.), XI Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001 г.), 2-ой Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г.), XII Международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2002 г.), Совещании по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния «Кремний - 2002» (Новосибирск, 2002 г.), IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2002» (Зеленоград,

г.), Третьей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний - 2003» (Москва, 2003 г.).

Работа отмечена Дипломом I степени, как лучшая научная работа, представленная на научно-техническую конференцию - конкурс студентов, аспирантов и молодых специалистов 1998 г. (МГИЭМ (ТУ)).

Публикации

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 101 наименование.

Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах

Дефектообразование при имплантации ионов водорода и влияние дефектов на физико-химические параметры кремния являются серьезной проблемой при создании кристаллов с заданными свойствами. Микродефекты (МД), образовавшиеся в результате коагуляции точечных дефектов и создающие вокруг себя сильные поля упругих искажений, приводят к возникновению дополнительного изменения свойств кристалла и их существенной локальной неоднородности . Интерес к исследованию МД определяется недостаточной изученностью, как самой природы МД, механизмов их образования, так и влияния их на физические свойства кристалла и, соответственно, на основные характеристики приборов на их основе.

С целью исследования МД, а также возможности применения имплантации ионов водорода в технологии изготовления полупроводниковых структур необходимо рассмотреть влияние параметров имплантации протонов на свойства кремния,

Метод ионной имплантации универсален и неспецифичен, позволяет вводить в любые мишени ионы различных элементов в строго контролируемых количествах, задавать распределения концентраций по глубине последовательностью ионных доз с различными энергиями; во многих случаях такие распределения просто невозможно получить иными методами .

Первичным процессом при ионной имплантации является проникновение ионов в вещество и их торможение до тепловых скоростей. Установившееся в результате этого распределение внедренных атомов по глубине называется профилем распределения, отличающееся от окончательного распределения примесных атомов, в которое часто вносят вклад диффузные процессы. Теория торможения ионов средних энергий в аморфных телах была разработана Линдхардом, Шаффом и Шиотом (теория ЛШШ) . Сущность теории ЛШШ кратко сводится к следующему. При бомбардировке твердых тел заряженными частицами определяющую роль играют неупругие соударения со связанными электронами тормозящего вещества (электронное торможение), в которых кинетическая энергия движущегося иона расходуется на электронные переходы в атомах, а также на возбуждение коллективных колебаний электронов и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение), в которых энергия передается атомам как целым. Какой из этих эффектов будет преобладать, зависит от энергии и массы ускоренных частиц и массы и порядкового номера атома мишени.

Согласно теории ЛШШ распределение пробегов ионов оказывается гауссовым и характеризуется средним нормальным (проецированным) пробегом Rp и среднеквадратичным (стандартным) отклонением ARP (рис. 1.1.1). падающий ион поверхность мишени Рис. 1.1.1. Схематическое изображение полной длины пробега R, нормального пробега Rp и стандартного отклонения ARp. Результирующие траектории ионов представляют собой сложные кривые и имеют в аморфном веществе статистический характер. Общая траектория движения иона называется длиной пробега R. Если масса иона Ы\ много больше массы атома мишени М2, то отклонения малы и ион движется почти прямолинейно. Поэтому длина его пути вдоль траектории R слабо отличается от Rp. Если же Mi М2, а энергия иона Е не слишком велика, то траектория извилиста и Rp значительно меньше R. Вследствие статистического характера движения ионов величины Rp и R не имеют определенного значения, а колеблются около средних значений .

Следует отметить, что вклад ядерного торможения доминирует при малых энергиях имплантации, а электронного - при больших. При сложении кривых потери энергии за счет ядерного и электронного торможений суммарная величина потери энергии постоянна в очень широком диапазоне энергий падающих ионов. В результате этого полная длина пробега ионов R приблизительно пропорциональна первоначальной энергии падающего иона.

Простейшим профилем распределением ионов является нормальное, или гауссово, для построения которого требуется лишь два первых момента - проективный пробег Rp и стандартное отклонение ARP . Гауссово распределение является удовлетворительным приближением к реальным распределениям примеси по пробегам или по глубине в тех случаях, когда эти пробеги являются достаточно симметричными. Однако это выполняется не всегда. Особенно заметны отступления от симметрии в случаях бомбардировки легкими ионами более тяжелых мишеней при условии преобладания электронных потерь.

Можно использовать различные виды асимметричных профилей распределения. Классическим методом построения распределения пробегов ионов является распределение Пирсона IV- распределение в приближении четырех параметров: Rp, ARP, асимметрии распределения и эксцесса р. Подробно этот метод рассмотрен в . Для ряда значений асимметрии в рассчитаны таблицы функций распределения Пирсона в безразмерных единицах. Таблицы позволяют для любых известных значений Rp, ARp и асимметрии легко построить профиль распределения внедренной примеси для широкого круга мишеней, ионов и их энергий.

Чтобы получить профиль концентрации N(x) примеси, распределение Пирсона нужно умножить на дозу: N(x) = N0-f{x). (1.1.3) Существует еще один метод получения распределения пробегов ионов, который называется методом Монте-Карло . Идея метода состоит в том, что в ЭВМ моделируется некоторый элемент твердого тела, задаются законы, по которым происходит взаимодействие иона с атомами, а затем на такое смоделированное «твердое тело» в случайное место его поверхности выпускается ускоренный до определенной энергии «ион». Иными словами, проводится машинный эксперимент, при котором можно проследить весь путь иона, в том числе и место его остановки. После многократного повторения этой операции так, чтобы погрешности, связанные со среднестатистическими отклонениями, были малы, можно построить распределение ионов по глубине. Соответствие результатов таких машинных экспериментов реальным, определяется правильностью задания законов взаимодействия. Одновременно с исследованием пробегов ионов методом Монте-Карло можно получить такие сведения, как распределение числа первично смещенных атомов мишени по глубине (концентрацию дефектов). Во всех методах разделяют торможение на упругую и неупругую компоненты, не учитывая реальной обол очечной структуры атома, полностью вторичные процессы, используются некоторые другие упрощающие допущения . В итоге ошибка при расчете средних значений Rp и ARP может достигать 20-25%.

Таким образом, профиль распределения имплантированных ионов в монокристаллах зависит от многочисленных факторов: направления ионного пучка, его расходимости, состояния поверхности, совершенства структуры кристалла, а также температуры мишени, поскольку она влияет на амплитуду тепловых колебаний и кинетику накопления радиационных дефектов.

Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии

Метод основан на регистрации углового распределения дифрагированного пучка исследуемым образцом (то есть на измерении кривой дифракционного отражения), с дальнейшим анализом параметров полученной кривой . Наиболее информативным и удобным для исследования монокристаллов является метод записи кривых качания в геометрии Брэгга . Наличие на поверхности кристалла слоя с различной степенью нарушения по разному влияет на параметры дифракционных кривых (процентное отражение, полуширина, интегральный коэффициент отражения, закон спадания «хвостов»). По величине отклонения этих параметров, при сравнении с теоретически рассчитанными для идеального образца, можно делать заключение о характеристиках нарушенного слоя, таких как среднее изменение параметра решетки, эффективная глубина нарушенного слоя и определять профили деформации.

Исследуемый образец, обычно, освещается пучком рентгеновских лучей, предварительно монохроматизированных отражением от кристалла монохроматора, который остается неподвижным, в то время как исследуемый кристалл осуществляет вращение вблизи угла дифракции . Кривую, характеризующую зависимость интенсивности, отраженного кристаллом излучения от угла поворота, называют кривой качания, или кривой дифракционного отражения (КДО). Характеристиками совершенства структуры кристаллов являются следующие параметры кривой качания: интегральный коэффициент отражения R, который определяется как отношение всей интенсивности, отраженной исследуемым кристаллом, умноженной на угловую скорость, к интенсивности, отраженной кристаллом-монохроматором; полуширина кривой качания, т.е. полная ширина кривой на половине высоты, определяющая интервал углов поворота, в котором интенсивность уменьшается наполовину от максимума.

Дефекты в кристаллах могут влиять на указанные характеристики кривых качания за счет изменения кривой отражения исследуемого кристалла, т.е. коэффициент отражения R2 и форма кривой R(P) изменяются. Сравнение расчетных и экспериментальных кривых качания является основой для оценки совершенства структуры кристаллов.

Если исследуемый кристалл отражает по схеме Брэгга , то в обычном случае дислокации при плотности, большей 5 104 см 2, вызывают появление таких разориентировок, которые могут быть легко замечены по уширению кривой качания. Если уширение обусловлено только разориентировками, кривая качания является суммой отдельных кривых, сдвинутых друг относительно друга на угол разориентировки, так как при повороте кристалла разные участки последовательно попадают в отражающее положение. Такое уширение не зависит от брэгговского угла. При этом, так как полуширина кривой качания равна обычно нескольким секундам, если монохроматор и образец - совершенные кристаллы, то дополнительное уширение в одну или несколько секунд надежно фиксируется. Если уширение кривой качания вызвано наличием в отражающем объеме участков с различным значением межплоскостных расстояний dj, то оно зависит от угла отражения: Д Ь = -(L)tg9. (2.1.4) При достаточно развитой субструктуре, когда дислокации сгруппированы в плоские сетки, кривые качания от отдельных субзерен могут разделяться, и общая кривая качания будет иметь несколько максимумов. Расстояние между ними равно разориентировке вокруг оси, параллельной оси вращения образца.

Если размер субзерен больше толщины слоя полупоглощения, тогда каждое субзерно отражает независимо от соседних и общая площадь кривой качания, состоящей из нескольких максимумов, будет как для совершенного кристалла. Если же их размер меньше толщины слоя полупоглощения, тогда субзерна, которые не экранируются лежащими над ними субзернами, уже вышедшими из отражающего положения полностью или частично, также могут давать существенный вклад в общую отраженную интенсивность. В результате существенно возрастает общий рассеивающий объем и угловой интервал отражения, что и приводит к сильному увеличению интегрального коэффициента отражения, который в пределе стремится к интегральному коэффициенту отражения, соответствующему кинематической теории.

Однако метод записи кривых дифракционного отражения в двухкри стальной схеме обладает существенным недостатком. Данный метод является интегральным, поскольку регистрируемая интенсивность собирается с широкой области обратного пространства вдоль сечения сферы Эвальда. При этом невозможно различить вклад в интенсивность кривой качания дифракционной (когерентной) и диффузной (некогерентной) компоненты рассеяния. При исследовании тонких слоев велик вклад диффузного рассеяния от структурных несовершенств нарушенного слоя (кластеры радиационных точечных дефектов, частично аморфизованные зоны и т.п.) в результирующую интенсивность. Это затрудняет однозначную трактовку получаемых результатов. Разделение этих эффектов требует подробного анализа распределения интенсивности окрестности узла обратной решетки, который может быть реализован на трехкристальном рентгеновском дифрактометре. 2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии Возможности рентгенодифракцио иного метода в исследовании структуры тонких нарушенных слоев можно сильно расширить, если в дифракционную схему ввести третий кристалл-анализатор, как это показано на рисунке 2.1.1 .

Назначение этого кристалла - анализ углового распределения рентгеновских лучей, отраженных исследуемым кристаллом . На совершенных кристаллах-анализаторах можно проводить такой анализ углового распределения с точностью до долей секунд. Получаемые трехкристальные кривые качания, отражают природу структурных изменений, прошедших в приповерхностных слоях кристалла, т.к. имеют высокую чувствительность к типу и характеристикам дефектов монокристаллов . Тем самым, представляется возможность судить о типе дефектов уже на основании самого только вида профилей интенсивности, измеряемых методом ТРД. Более того, высокая разрешающая способность метода ТРД позволяет извлекать весьма точную количественную информацию о характеристиках дефектов .

Отличие метода ТРД от обычных трехкристальных схем, в которых первые два совершенных кристалла служат для коллимации и монохроматизации излучения, падающего на третий кристалл-образец, заключается в том, что исследуемый образец выступает в качестве второго кристалла, а третий (совершенный) кристалл-анализатор осуществляет развертку углового распределения излучения, дифрагированного вторым кристаллом (рис. 2.1.1). Кристалл-образец отклоняют от точного условия Брэгга на угол а, а кристалл-анализатор вращают в некотором угловом диапазоне вблизи точного угла Брэгга. Регистрируемая детектором интенсивность рентгеновских лучей во время вращения третьего кристалла представляет собой спектр ТРД. При данной схеме записи, спектр обычно состоит из трех пиков, которые согласно сложившейся терминологии называют главным, псевдо и диффузным пиками. Угловые положения пиков определяются законами вращения кристаллов и геометрии дифракции.

Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM

Процессы дефектообразования при ионной имплантации зависят от многих факторов: температура мишени, доза и энергия имплантируемых ионов, их химическая активность, соотношение масс иона и атомов мишени, ориентации подложки. Не всегда есть возможность учесть влияние всех этих факторов. Программа TRIM (Transport of Ions in Matter) позволяет произвести приблизительные оценки первичных процессов ионной имплантации и дает возможность наглядно представить, как будет происходить проникновение иона в мишень и каковы будут последствия .

Расчеты профилей распределения ионов водорода и радиационных дефектов по глубине, производимые по программе TRIM, основываются на методе Монте-Карло . Сущность и точность данного метода описаны в Гл. 1, п. 1.1.1, 1.1.3. Программа TRIM учитывает только влияние энергии на профиль распределения ионов примеси, независимо от количества вводимых ионов. Поэтому, для набора необходимой статистики при расчете профиля распределения выбирается произвольное число вводимых ионов. В данной работе, для обеспечения удовлетворительной точности расчета, число ионов было принято равным 10000. Разброс значений среднего пробега, обусловленный статистическими флуктуациями присущими методу Монте-Карло при расчете для 10000 ионов по программе TRIM, составляет 1 нм. Это количество ионов приравнивалось дозе имплантации, которая задается как входной параметр программы. Средний порог дефектообразования Ej для кремния составляет величину 20 эВ . Толщина слоя мишени, в котором проводится расчет профиля распределения, принималась равной от 2 до 7 мкм, в зависимости от энергии вводимых ионов. Через каждые 2000 частиц количество ионов примеси, попавшее в слой пересчитывается в концентрацию ионов в этом слое (см 3). Далее рассчитываются доли кремния и атомов примеси по отношению ко всем частицам в данном слое. При следующем цикле моделируются столкновения с учетом вероятности взаимодействия атомов примеси и матрицы.

После чтения входных данных и расчета необходимых параметров программа переходит к циклу налетающей частицы, в ходе которого рассматриваются столкновения и определяются новые направления движения: рассчитываются потери энергии при столкновениях, затем рассматривается возможность образования первично выбитых атомов (ПВА). Учитывается изменение траектории иона за счет упругого взаимодействия с атомом и потеря энергии ионом за счет неупругого взаимодействия с электронами атома мишени. Процесс повторяется пока энергия иона составляет более 0,001 от первоначальной. Если образуется ПВА, то его данные записываются в список 1. Если движение налетающей частицы прекращается, то программа переходит от цикла налетающей частицы к каскадному циклу. Структура каскадного цикла подобна структуре цикла налетающей частицы. Информация по ПВА переносится в список 2, а информация по новым вторично выбитым атомам записывается в список 1. После того как программа закончит работу с атомами из списка 2, список 1 объединяется с уменьшившимся списком 2. Эта процедура повторяется до тех пор, пока список 2 не будет исчерпан. Затем в зависимости от количества введенных ионов программа переходит или к циклу налетающей частицы, или выводит результаты расчета.

В результате расчетов, произведенных по программе TRIM, были получены зависимости концентрации ионов водорода и радиационных дефектов от глубины имплантированного слоя при различных энергиях имплантации в диапазоне 100-500 кэВ и комбинированном облучении. В программе считается, что в процессе имплантации образуется одинаковое количество вакансий и междоузельных атомов (см. Гл.], п. 1.1.3), поэтому результирующие профили выдаются относительно одного из видов точечных дефектов. 3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления

Срез выполняется под определенным углом при помощи шлифования алмазной пастой с размером зерна не более 1 мкм. Образец с нанесенным срезом крепится в каретке автоматической однозондовой установки, обеспечивающей прерывистую подачу образца с шагом, соответствующим перемещению по глубине 1 мкм. Через образец, имеющий низкоомные невыпрямляющие токовые контакты, пропускают постоянный ток. На поверхность образца с косым шлифом помещают зонд, в качестве которого использовалась вольфрамовая игла с острием, имеющим радиус скруглення около 1 мкм. При измерениях на резистор, включенный в цепь зонда, подается положительный потенциал. Измеряемой величиной является потенциал зонда, который меняется в зависимости от расположения точки касания зонда относительно края косого среза. Для измерения потенциала зонда использовался электрометрический усилитель постоянного тока с входным сопротивлением 10ш Ом.

Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя

Для выявления влияния дозы и температуры протонного облучения на характеристики нарушенного слоя были исследованы кристаллы кремния, толщиной 0,4 мм, с ориентацией поверхности (100), подвергнутые имплантации ионов водорода с энергией 150 кэВ и дозами 2,5-1015 см"2, 5-Ю15 см 2, 1-Ю16 см"2, 2 10 см. Температуры образцов при облучения составляли 50С, 140С, 230С, 320С, 430С, 550С, 610С. Исследования проводились с использованием двухкри стального рентгеновского дифрактометра в бездисперсионной схеме (рис. 3.5.2). В результате рентгенодифракционного эксперимента для всех указанных режимов облучения были получены кривые дифракционного отражения (КДО), представленные на рис. 4.1.1 - 4.1.3. По экспериментальным КДО, используя методику, описанную в п. 3.5.3 были получены количественные параметры ионноимплактированных слоев: средняя эффективная толщина и средняя относительная деформация.

Для всех доз имплантации водорода в кремний характер снятых кривых дифракционного отражения изменился по отношению к идеальной кривой (рис, 4.1.1 - 4.1.3), Как видно, основное отличие этих кривых от кривой, соответствующей отражению от необлученного кристалла (рис. 4.1.1) заключается в появлении (помимо основного максимума) дополнительной осцилляции интенсивности, характеризующей образование нарушенного слоя (рис. 4.1.2, 4.1.3). Во всех случаях кривые ассиметричны, причем со стороны углов меньших брэгговского интенсивность больше, чем с противоположной стороны. Для всех указанных доз при температурах от 50 до 550С со стороны малых углов хорошо видны когерентные осцилляции, характеризующие деформацию положительного знака, и явно выражен пик от нарушенного слоя (рис. 4.1.2 а, б, рис. 4.1.3, крива б). Видно также, что дополнительная интенсивность увеличивается с увеличением дозы от 2,5 1015 до 2 1016 см 2.

По методике, описанной в п. 3.5.3, была составлена программа вычисления интегральных характеристик нарушенного слоя ЬЭфф и Да/а непосредственно из экспериментальных КДО для программного пакета MATLAB. Результаты расчета интегральных характеристик для всех образцов приведены на зависимостях ЬЭфф(Т), Да/а(Т), ЬЭфф(Б), Aa/a(D) (рис. 4.1.4, 4.1.5).

Анализируя температурную зависимость ЬЭфф и Да/а (рис. 4.1.4 а, б) видно, что эффективная толщина и относительная деформация нарушенного слоя возрастают, достигая максимального значения при температуре 430С. Причем, при дозе облучения 2 10 см" величина Ьэфф увеличивается в 2,7 раза с ростом температуры облучения, тогда как при меньших дозах она возрастает почти в 4 раза. Относительная деформация увеличивается в среднем в 1,3 раза при росте температуры протонного облучения от 50С до 430С. С дальнейшим ростом температуры значения І фф и Да/а резко убывают.

Очевидно, что формирование нарушенного слоя в кристалле обуславливается течением двух конкурирующих процессов эволюции первичных радиационных дефектов. После выбивания атомов кремния из положения равновесия и образования междоузельных атомов и вакансий может иметь место их рекомбинации, и в этом случае дефекты исчезают. В другом случае за счет диффузионных процессов первичные междоузельные атомы и вакансии могут удаляться друг от друга и образовывать стабильные радиационные дефекты в виде пар, кластеров и т.д.

Анализ дозовой зависимости ЬЭфф и Да/а показывает рост значений этих величин с дозой, причем наибольшие изменения эффективной толщины и относительной деформации нарушенного слоя от дозы происходит при температурах до 140С (самый крутой наклон кривой, рис. 4.1.5 а, б), в 1,8 и 1,3 раза, соответственно.

В кремнии, облученном протонами в диапазоне температур 300 - 450С образуются, согласно , мелкие водородсодержащие доноры. Во время такой высокотемпературной имплантации в кремнии происходит распад пересыщенного раствора имплантированного водорода и взаимодействие его с радиационными дефектами и примесными атомами. Это взаимодействие приводит к образованию электрически активных дефектов, проявляющих свойства мелких донорных центров. Структура и параметры этих центров зависят от концентрации водорода.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСКИ СПУБЛИК(51)4 С 01 В 5(р) юъ ч Я БР САНИ К АВТОРСКОМ ТЕЛЬСТВ 11 31 и др, Методы слоев при мее монокристал 978объГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) СПОСОБ А.Ф.НИКУЛИНА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ ОВРАБОТАНН ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА.(57)Способ определения глубины нару щенного слоя обработанной поверхности объекта, заключающийся в том, что делают секущий шлиф екта, проводят травление поверхности шлифа, находят граниду нарушен,ного слоя.и по ее положению определяют глубину нарушенного слоя,о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, перед получением шлифа записывают профило,грамму поверхности, перед травлением записывают профилограмму поверхности шлифа в направлении, кото рое является проекцией первой профилограммы на поверхность шлифа в той же системе координат, травление осуществляют изотропным травителем, после травления записывают профилограмму поверхности протравленного шлифа в том же направлении и в той же системе координат, что и предыдущие профилограммы, и находят на третьей профилограмме границу нарушенного слоя по точке, за которой вторая и третья профилограммы эквидистантны, 1174726Изобретение относится к техническим измерениям, а именно дляопределения глубины нарушенногослоя, возникающего на обработанной поверхности объекта и состоящего из переходящих, по мереудаления от поверхности, одна вдругую зон: рельефной, трещиноватой, пластических деформаций, упругих деформаций с повьшенной плот- . 1 Оностью дислокаций.Известен способ определения глубины нарушенного слоя обработаннойповерхности объекта, которыйзаключается в том, что делают 15секущий шлиф объекта, проводят травление поверхности шлифа, находятграницу нарушенного слоя и поее положению определяют глубину нарушенного слоя, 20В известном способе травлениеповерхности шлифа осуществляют селективно декодирующим травителемдо выявления структуры шпифа, аопрс:вселение границ между нарушенной 25и неповрежденной структурой производят визуально на протравленномшлифе. Глубину нарушенного слоя определяют с учетом угла наклона косогошлифа к обработанной поверхности Я.ЗНедостатком известного способаявляется низкая точность определения глубины нарушенного слоявследствие визуального определениярасположения на шлифе линии перехода от нарушенной в неповрежденнойструктуре,Целью изобретения является повы -шение точности,Поставленная цель достигается тем,40 что согласно способу определения глубины нарушенного слоя обработанной поверхности объекта, заключающемуся в том, что делают секущий шлиф объекта, проводят трав ление поверхности шлифа, находят границу нарушенного слоя и по ее положению определяют глубину нарушенного слоя, перед получениемшлифа записывают профилограмму 50 поверхности, перед травлениемзаписывают профилограмму поверхности шлифа в направлении, которое является проекцией первой профилограммы на поверхности шлифа в той же 55 системе координат, травление осуществляют изотропным травителем, после травления записывают профилограмму поверхности протравленного шлифа в том же направлении и в той же системе координат, что и в предыдущие профилограммы, и находят на третьей профилограмме границу нарушенного слоя по точке, за которой вторая и третья профилограммы эквидистантны.На фиг. дано изображение в изометрии части объекта, у которого определяется глубина нарушенного слоя обработанной поверхности с указанием поверхностей косого шлифа и поверхности шлифа после травления; на фиг,2 - сечение А-А на фиг,1,Способ осуществляется следующим образом.На обработанной поверхности 1 объекта, у которого определяют глубину нарушенного слоя, снимают профилограмму 2. Далее на объекте делают косой шлиф, поверхность 3 которого расположена под известным углом к обработанной поверхности 1,Шлиф получают методом щадящего полирования. Записывают профилограмму. 4 поверхности 3 шлифа в направлении, которое является проекцией профилограммы 2 на поверхность 3 шлифа в той же системе координат. При записи профилограммы 4 часть записи проводят по поверхности 1 так, чтобы она совпадала с записью профилограммы 2.Проводят. травление поверхности 3 шлифа изотропным травителем в течение интервала времени, не мень - шего, чем необходимо для стравливания споя, доступного для измерения.Свойство изотропного травления - равная скорость травления по всем направлениям (независимо от анизотропных свойств материала) изменяется лишь при стабилизированных условиях травления в зависимости от степени нарушения структуры стравливаемого материала. Скорость травления материала прямо пропорциональна степени нарушения его структуры, После травления получают поверхность 5, на которой записывают профилограмму 6 в том же направлении и в той же системе координат, что и предыдущие профи - лограммы 2 и 4 Участок поверхности 1, на котором происходит запись профилограмм 2,4 и 6, предохраняют от травления путем нанесения покрытия, котоРое удаляется передснятием профилограммы 6,Далее все три полученные про 3 филограммы 2,4 и 6 совмещают, иск пользуя при этом участок поверхности 1, идентичный во всех трех профилограммах 2,4 и 6, и по профилограмме 6 определяют точку а, которая лежит на границе 7 между нарушенным слоем и неповрежденной структурой. Точкой а является то74726 4место на профилограмме 6, послекоторого профилограммы 4 и 6 идутпо эквидистантным кривым. Измеряюткратчайшее расстояние от точки адо поверхности 1,которая обозначена профилограммой 2,и по этомурасстоянию с учетом масштаба записипрофилограммы определяют глубинунарушенного слоя.10 Предлагаемый способ позволяетповысить точность определения глубины нарушенного слоя обработаннойповерхности объекта,

Заявка

3696760, 28.10.1983

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ Р-6028, КИЕВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. 50-ЛЕТИЯ ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

НИКУЛИН АЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Способ а. ф. никулина определения глубины нарушенного слоя обработанной поверхности объекта

Похожие патенты

В па, зах 2 стоек 1 и в свободном состоя ции опираются на ограничители 8. Опор-цые поверхности стоек 1 имеют два вы-пуклых участка 9 и 10 одинакового ра диуса, плавно сопряженных со сторонами паза 2. Выполнение опорных поверхностей стоек 1 в виде двух выпуклых участков 9 и 10 одинакового радиуса обеспечивает точную установку прибора как на плоской поверхности, так и на цилиндрической вдоль образующей цилиндра, а выполнение измерительного элемента в виде усеченного конуса с двумя цилиндрическими опорами обеспечивает бесступенчатое, и потому более точное измерение, а также 1 О позволяет размещать на поверхности конусанесколько разных отпечатков без смыва после каждого измерения, что сокращает время при измерениях. Формула изобретения...

И рег 2ламентируется технологической картой в зависимости от типа концентрата, заданной основности и типа флюсующих добавок, При существующих способах контроля невозможно получать объективную информацию о состоянии поверхности слоя в зоне обжига, что затрудняет ведение процесса в оптимальном режиме.Предлагаемый способ контроля состояния поверхности слоя окатышей в зоне обжига основан на одновременном измерении и сравнении температуры газов под слоем и радиационной температуры слоя, что повышает производительность установки и обеспечивает получение окатышей высокого качества.Истинная температура материала определяется по формуле457020 Тн=Т,+ЛТ,Составитель С. Беловодченко Техред Г. Дворина Корректор Т. Добровольская Редактор Л. Тюрина...

От по" верхности объекта 3 до нижних точек выступов 8 в ряду, примыкающем к боковой грани 9, а цифры на шкале 10 - расстояние от поверхности объек та до нижних точек выступов 8 в ряду, ближнем к боковой грани 7.Глубина 1 пазов 5 и 6 и минимальная ширина Ь крайнего поперечного паза 12, одна из сторон которого 45 проходит через ребро 13 двух смежных граней 7 и 9, выбираются иэ условия, чтобы исключалась возможность смачивания иэ-за поверхностного натяжения жидкости выступов 8,50 не касающихся ее при измерении.Интервал (шаг) между цифрами на шкалах 1 О и 11 определяется по геометрическим зависимостям где К, - интервал (шаг) между цифрами на продольной шкапе;К - интервал (шаг) между цифрами на поперечной шкале;а - расстояние между...

суспензию диоксида кремния составляют в соотношении: 1 ч. порошка диоксида кремния и 5 ч. воды. Суспензия в течение всего процесса полировки должна тщательно перемешиваться. Процесс полировки с использованием суспензии из диоксида кремния проводят на полировальнике из замши с частотой вращения до 100 об/мин.

Диоксид циркония в виде водной суспензии с соотношением компонентов 1: 10 и величиной зерна не более 0,1 мкм с успехом используется на окончательном этапе процесса полировки.

Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить так называемый алмазный фон с поверхности полупроводниковых пластин, возникающий на первых двух этапах, и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя. Последний этап полировки позволяет получить поверхности полупроводниковых пластин с чистотой обработки, соответствующей 13-14-му классу.

Дальнейшее совершенствование и улучшение методов полировки полупроводниковых материалов предусматривает изыскание путей

повышения производительности процесса, создание новых полировочных материалов, обеспечивающих наряду с высоким качеством обработки поверхности хорошую геометрическую форму пластин, К новым перспективным методам полировки следует отнести химико-механические способы, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу.

§ 3.8. Контроль качества механической обработки

Электрические параметры готовых полупроводниковых приборов и ИМС существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных полупроводниковых пластин, так как эти несовершенства механической резки, шлифовки и полировки неблагоприятно сказываются на последующих технологических процессах: эпитаксии, фотолитографии, диффузии и др. Поэтому после проведения процессов механической обработки полупроводниковые пластины подвергаются контролю. Оценку качества производят по следующим основным критериям годности: 1) геометрические размеры и форма полупроводниковых пластин; 2) чистота обработки поверхности пластин; 3) глубина механически нарушенного слоя.

Контроль геометрических размеров и форм пластин предусматривает определение толщины, стрелы прогиба, клиновидности и плоскостности пластин после каждого вида механической обработки.

Толщину пластин определяют путем измерения ее в нескольких точках поверхности с помощью индикатора часового типа с ценой деления 1 мкм.

Стрелу прогиба пластин определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, расположенных в центре пластины на противоположных ее сторонах, т. е. измеряют толщину пластины в центральной точке, а затем пластину переворачивают на другую сторону и снова измеряют толщину в центральной точке. Разность полученных значений толщины даст стрелу прогиба.

Клиновидность определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, но расположенных не в центре пластины, а по ее краям на противоположных концах пластины, отнесенную к диаметру пластины. Для более полной картины рекомендуется повторить измерения для двух точек, расположенных на концах диаметра, перпендикулярного диаметру, который был выбран для первого измерения.

Плоскостность определяют измерением толщины пластины в нескольких точках, расположенных по диаметру пластины.

Контроль чистоты обработки поверхности пластин включает в себя определение шероховатости, наличия- на поверхности сколов, рисок, впадин и выступов.

Шероховатость оценивают высотой микровыступов и микровпадин на поверхности полупроводниковой пластины. Оценку шерохо-

ватости проводят либо сравнением поверхности контролируемой пластины с эталонной поверхностью, либо измерением высоты микронеровностей на микроинтерферометре МИИ-4 или на профило-трафе-профилометре.

Наличие на поверхности пластин сколов, рисок, впадин и выступов контролируется визуально с помощью микроскопа.

Контроль глубины механически нарушенного слоя. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя полупроводниковой пластины после резки, шлифовки и полировки принято называть механически нарушенным слоем. Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глубь объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пластины. Процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.

Структура механически нарушенного слоя имеет сложное строение и может быть разделена по толщине на три зоны. Первая зона представляет собой нарушенный рельефный слой, состоящий из хаотически расположенных выступов и впадин. Под этой зоной расположена вторая (самая большая) зона, которая характеризуется одиночными выколками и идущими от поверхности зоны в ее глубь трещинами. Эти трещины начинаются от неровностей рельефной зоны и простираются по всей глубине второй зоны. В связи с этим слой полупроводникового материала, образованный второй зоной, получил название «трещиноватый». Третья зона представляет собой монокристаллический слой без механических повреждений, но имеющий упругие деформации (напряженный слой).

Толщина нарушенного слоя пропорциональна размеру зерна абразива и может быть определена по формуле

где k- 1,7 для кремния и & = 2,2 для германия; ? - размер зерна абразива.

Для определения глубины механически нарушенного слоя используют три способа.

Первый способ заключается в последовательном стравливании тонких слоев нарушенной области и контроле поверхности полупроводниковой пластины на электронографе. Операцию стравливания проводят до того момента, когда вновь полученная поверхность полупроводниковой пластины обретет совершенную монокристаллическую структуру. Разрешающая способность данного метода лежит в пределах ± 1 мкм. Для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать толщину снимаемых каждый раз слоев. Процесс химического травления не может обеспечить снятие сверхтонких слоев. Поэтому тонкие слои снимают травлением не полупроводникового материала, а предварительно окисленного слоя. Метод окисления поверхности с последующим стравливанием слоя оксида

дает возможность получить разрешающую способность менее 1 мкм.

Второй способ основан на зависимости предельного тока анодного растворения полупроводниковой пластины от наличия дефектов на ее поверхности. Так как скорость растворения слоя с дефектами структуры значительно выше, чем монокристаллического материала, то значение анодного тока при растворении пропорционально этой скорости. Поэтому при переходе от растворения нарушенного слоя к растворению монокристаллического материала будет наблюдаться резкое изменение как скорости растворения, так и значения анодного тока. По моменту резкого изменения анодного тока судят о глубине нарушенного слоя.

Третий способ основан на том, что скорость химического травления полупроводникового материала нарушенного слоя значительно выше скорости химического травления исходного ненарушенного монокристаллического материала. Поэтому толщину механически нарушенного слоя можно определить по моменту скачкообразного изменения скорости травления.

Критериями годности полупроводниковой пластины после определенного вида механической обработки являются следующие основные параметры.

После резки слитков на пластины диаметром 60 мм поверхность не должна иметь сколов, больших рисок, класс чистоты обработки должен быть не хуже 7-8; разброс по толщине пластины не должен превышать ±0,03 мм; прогиб не более 0,015 мм; клиновидность не более 0,02 мм.

После процесса шлифовки поверхность должна иметь матовый однородный оттенок, не иметь сколов и царапин; клиновидность не выше 0,005 мм; разброс по толщине не выше 0,015 мм; чистота обработки должна соответствовать 11-12-му классу.

После процесса полировки чистота поверхности должна соответствовать 14-му классу, не иметь алмазного фона, сколов, рисок, царапин; прогиб должен быть не хуже 0,01 мм; отклонение от номинала толщины не должно превышать ±0,010 мм.

Необходимо отметить, что контроль качества полупроводниковых пластин (подложек) имеет огромное значение для всего последующего комплекса технологических операций изготовления полупроводникового прибора или сложной интегральной микросхемы. Это объясняется тем, что механическая обработка подложек является, по существу, первой из цикла операций всего процесса производства приборов и поэтому позволяет исправить отклонение параметров от нормы забракованных при контроле пластин (подложек). При некачественном проведении контроля пластины, имеющие какие-либо дефекты или несоответствие требуемым критериям годности, попадают на последующие технологические операции, что приводит, как правило, к неисправимому браку и резкому снижению такого важного экономического параметра, как процент выхода годных изделий на этапе их изготовления.

Таким образом, максимальная отбраковка негодных пластин после механической обработки гарантирует потенциальную надеж-

ность проведения всего комплекса технологических операций и в первую очередь технохимических и фотолитографических процессов, процессов, связанных с получением активных и пассивных структур (диффузия, эпитаксия, ионная имплантация, осаждение пленок и др.), а также процессов защиты и герметизации р-п-переходов.

ТЕХНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ ПОДЛОЖЕК ИМС

§ 4.1. Цели технохимических процессов подготовки подложек

Основными целями технохимических процессов подготовки подложек ИМС являются: получение чистой поверхности полупроводниковой пластины; удаление с поверхности полупроводниковой пластины механически нарушенного слоя; снятие с полупроводниковой пластины слоя исходного материала определенной толщины; локальное удаление исходного материала с определенных участков поверхности подложки; создание определенных электрофизических свойств обрабатываемой поверхности подложки; выявление структурных дефектов кристаллической реше

Смотреть все

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЕВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАСТИНЫ(71) Заявитель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(72) Авторы Чигирь Григорий Григорьевич Ануфриев Леонид Петрович Ухов Виктор Анатольевич Пеньков Анатолий Петрович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(57) Способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя, отличающийся тем, что удаление нарушенного слоя осуществляют распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18, энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-450 к поверхности пластины, выявление границы раздела осуществляют путем регистрации интенсивности выхода Оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния, а глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины., 1999. - . 10.05.. - . 315.1222147 , 1994.01559983 , 1995.02006985 1, 1994.02156520 2, 2000.0587091 1, 1994.2001044253, 2001. Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС), в частности к технологическому процессу создания кремниевых пластин, и может быть использовано при измерении глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. 5907 1 Известен способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, основанный на использовании метода эллипсометрии и позволяющий эффективно исследовать свойства нарушенного слоя, его толщину, качество обработанных подложек 1. Однако данный способ позволяет лишь фиксировать наличие нарушенного слоя на поверхности пластины сравнением измеренных эллипсометрических констант и их значением для кремния без нарушенного слоя. Для определения глубины нарушенного слоя необходимо последовательно удалять поверхностные слои кремния и производить эллипсометрический контроль. Это значительно усложняет способ контроля,так как эти операции несовместимы в одном процессе. Кроме того, при эллипсометрическом контроле используется излучение видимого диапазона длин волн (обычно 0,65 мкм),которое проникает в поверхностные слои кремния на глубину около 0,5 мкм. Это приводит к тому, что разрешение по глубине у данного метода составляет 0,5 мкм, и он не позволяет измерять глубину нарушенных слоев меньше нескольких микрон. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя 2. Данный способ позволяет измерять глубину нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин в диапазоне 5-200 мкм. В этом способе локальное удаление нарушенного слоя на всю его глубину производится изготовлением косого шлифа под малым углом к контролируемой поверхности кремниевой пластины (от 10 до 10). Шлиф изготавливается методом механической полировки, которая не вносит каких-либо механических повреждений на поверхности косого шлифа. Полировка производится в щелочной суспензии субмикронных частиц (рН от 10 до 12). Перед изготовлением косого шлифа поверхность кремниевой пластины покрывается слоем нитрида кремния толщиной не менее 1 мкм. Этот слой защищает поверхность пластины и обеспечивает формирование качественной (резкой) границы шлифа на поверхности пластины. После изготовления косого шлифа производится измерение величины его угла. Выявление нарушенного слоя на поверхности шлифа производится методом химического декорирования - травление образца в травителе на основе хромовой кислоты (75 г триоксида хрома растворяются в 1 л воды). Контроль границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний производится на декорированном шлифе под оптическим микроскопом в режиме интерференционного контраста при увеличении 100-500 х и затем производится измерение протяженности (длины) нарушенного слоя на поверхности шлифа (расстояние от границы шлифа на поверхности кремниевой пластины до границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний). Глубина нарушенного слоя рассчитывается умножением значения измеренной длины нарушенного слоя на поверхности шлифа на величину тангенса угла шлифа. Существенным недостатком данного способа является отсутствие возможности проводить измерения нарушенных слоев глубиной менее 5 мкм. Это обусловлено тем, что граница раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний в данном способе выявляется недостаточно четко и воспроизводимо. Она определяется не автоматически по количественному критерию, а устанавливается оператором по качественным признакам непосредственно под микроскопом. Отсутствие четкого критерия определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний не позволяет проводить измерения тонких нарушенных слоев (менее 5 мкм) из-за большой погрешности измерений. В основу изобретения положена задача повышения точности и расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев за счет воспроизводимого, автоматического определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний. Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающем 2 5907 1 локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя, удаление нарушенного слоя осуществляют распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18,энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-45 к поверхности пластины, выявление границы раздела осуществляют путем регистрации интенсивности выхода Ожеэлектронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния, а глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины. Использование пучка ионов позволяет прецизионно (с высокой точностью) контролировать снятие слоев. При этом режим распыления выбирается таким, чтобы он не вносил нарушений в поверхностные слои кремния (не изменял нарушенный слой) и не приводил к неоднородности распыления (формирование микрорельефа распыления) при использовании пучка ионов, направленного под углом менее 10 к поверхности кремниевой пластины, наблюдается неоднородность удаления слоев и формирование в процессе распыления на поверхности пластины микрорельефа распыления. Формирование микрорельефа распыления снижает точность контроля, т.к. с такой поверхности измерительный сигнал формируется одновременно с различных по глубине точек при использовании пучка ионов, направленного под углом более 45 к поверхности кремниевой пластины, наблюдается внедрение падающих ионов в поверхностные слои,что приводит к дополнительному дефектообразованию и увеличению нарушенного слоя. При использовании углов падения пучка ионов в диапазоне 10-45 увеличения нарушенного слоя и формирования микрорельефа на поверхности кремниевой пластины не наблюдается при выборе пучка ионов с атомным номером менее 7 (легкие ионы) наблюдается внедрение падающих ионов в поверхностные слои, что приводит к дополнительному дефектообразованию и увеличению нарушенного слоя при выборе пучка ионов с атомным номером более 18 (тяжелые ионы) наблюдается дополнительное дефектообразование и увеличение нарушенного слоя. При использовании пучка ионов с атомным номером от 7 до 18 производится однородное распыление поверхности образца без внесения дополнительных дефектов и увеличения нарушенного слоя при выборе пучка ионов с энергией менее 3 кэВ наблюдается неоднородность удаления слоев и формирование в процессе распыления на поверхности пластины микрорельефа распыления при выборе пучка ионов с энергией более 10 кэВ наблюдается дополнительное дефектообразование и увеличение нарушенного слоя. При использовании пучка ионов с энергией 3-10 кэВ производится однородное распыление поверхности образца без внесения дополнительных дефектов и увеличения нарушенного слоя. Регистрация интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контролировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. Причем локальность контроля по глубине (усреднение по глубине) из-за особенностей метода Оже-спектроскопии составляет всего 1-2 нм. Интенсивность выхода Оже-электронов определяется на Ожеспектрометре автоматически и по мере удаления нарушенного слоя она постепенно возрастает. После удаления нарушенного слоя величина интенсивности выхода достигает максимальной величины, равной значению для монокристаллического кремния (кремний без нарушенного слоя). Значение величины интенсивности выхода для монокристаллического кремния зависит от конструктивных особенностей используемого Ожеспектрометра и она определяется экспериментально. Периодически ее значение может уточняться. Таким образом, контроль интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контро 3 5907 1 лировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины и обеспечить автоматическое установление границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний на поверхности пластины с погрешностью по глубине, не превышающей 2,0 нм,и дальнейшее удаление поверхностных слоев кремния прекращается. Таким образом, на поверхности образца формируется ступенька на верхней ее части находится исходная поверхность анализируемой кремниевой пластины с нарушенным слоем, на нижней части поверхность с удаленным нарушенным слоем. Величина этой ступеньки равна глубине нарушенного слоя. Глубина нарушенного слоя определяется измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины, например, с помощью микропрофилометра. Современные микропрофилометры позволяют определять величину ступеньки с погрешностью 1 нм. Пример конкретного выполнения. Заявленный способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий удаление нарушенного слоя распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18, энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-45 к поверхности пластины, выявление границы раздела регистрацией интенсивности выхода Оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния,определение глубины нарушенного слоя измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины, проиллюстрируем на примере анализа кремниевых пластин КЭФ-4.5 диаметром 100 мм (эти пластины широко используются в серийном производстве КМОП ИМС). Анализ проводился на двух пластинах одна пластина была взята после операции шлифовки алмазными пастами АСМ 0,5-1,0, вторая - после операции финишной химико-механической полировки суспензией аэросила (поверхность соответствовала 14-му классу). Каждая анализируемая пластина КЭФ-4.5 разрезалась на две равные части. На одной части пластины проводились измерения глубины нарушенного слоя по предлагаемому способу (в 10 точках вблизи центра пластины), на второй - по способу-прототипу (в 10 точках на шлифе вблизи центра пластины). Сравнительные параметры приведены в таблице, где указаны номер процесса по порядкуугол падения пучка ионоватомный номер ионов в пучке (т.) энергия ионов в пучке (Е, кэВ) измеренная глубина нарушенного слоя (, мкм). Она определялась как среднее значение глубины нарушенного слоя из 10-ти измерений абсолютная погрешность определения глубины нарушенного слоя слоя. Она определялась из следующего выражения (удвоенное значение величины среднеквадратичного отклонения из 10 измерений) относительная погрешность определения глубины нарушенного слоя (/). Анализ проводился на Оже-спектрометре -660 (ф., США), величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности монокристаллического кремния(без нарушенного слоя) для данного спектрометра составляла 2,37105 Оже-электрон./сек(определялась экспериментально), величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремниевой пластины после шлифовки составляла 5,2104 Оже-электрон./сек,величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремниевой пластины после полировки составляла 1,15105 Оже-электрон./сек. Удаление поверхностных слоев кремния распылением пучком ионов и измерение интенсивности выхода Оже-электронов производилось непосредственно на Оже-спектрометре. Для проведения измерений интен 4 5907 1 сивности процесс распыления останавливали. Измерения высоты ступеньки проводились на микропрофилометре(минимальная измеряемая глубина ступеньки - 5 нм, погрешность измерения не хуже 1 нм). Данные, приведенные в таблице, показывают, что измерения глубины нарушенного слоя по предлагаемому способу имеют более высокую точность за счет автоматического,воспроизводимого определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний. Сравнительные измерения на пластинах с глубиной нарушенного слоя более 5 мкм показывают, что для предлагаемого способа погрешность измерений составляет 2,2 , а по способу-прототипу - 5,5 . Повышение точности измерений обеспечивает расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев. Из таблицы видно, что нарушенные слой глубиной 0,3 мкм контролируются с погрешностью 5 . По способу-прототипу такие слои контролю не подлежат (погрешность контроля превышает 100). Таблицаат Е, кэВ/100,Кремниевая пластина КЭФ-4.5 после шлифовки поверхности 1 10 7 3 8,9 0,2 2,2 2 25 15 7 9 0,2 2,2 3 45 18 10 9,1 0,2 2,2 4 8 5 7 7 0,5 7,1 5 47 15 12 10 0,4 4.0 6 Прототип 9 0,5 5,5 Кремниевая пластина КЭФ-4.5 после финишной полировки поверхности 7 10 7 3 0,29 0,015 5,2 8 25 15 7 0,3 0,015 5,0 9 45 18 10 0,31 0,015 4,8 10 8 5 2 0,2 0,04 20 11 25 22 12 0,4 0,03 7,5 12 Прототип Не измер. 1,0 100 Таким образом, предлагаемый способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины в сравнении со способом прототипа позволяет повысить точность измерений более чем в 2 раза и обеспечивает расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев за счет воспроизводимого,автоматического определения границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния. Источники информации 1. Луфт Б.Д. Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников. Москва Радио и связь, 1982. - С. 16-18. 2.950-98.1999, . 10.05,. - . 315. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.