СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ Российский патент 1999 года по МПК H01L21/322 

Изобретение относится к области микроэлектронной и наноэлектронной технологии производства электронных компонентов, интегральных схем и устройств функциональной электроники.

Известно, что в процессе выращивания кристаллов и пленок, в процессе механической обработки их поверхностей, при проведении высокотемпературных обработок окисления, при ионном легировании полупроводников, а также при различных плазменных и радиационных воздействиях, в объеме и на поверхности твердого тела, а также в объеме и на поверхности тонких пленок возникают разнообразные структурные дефекты, отрицательно влияющие на эксплуатационные характеристики готовых изделий.

Наиболее характерными видами структурных дефектов, проявляющихся в кристаллах и пленках кремния, германия, пьезокварца, арсенида галлия, твердых растворов на основе соединений типа A₃B₅, A₂B₆ и в других материалах, используемых в микроэлектронике и наноэлектронике являются:
- точечные дефекты (атом в междоузлии, вакансия, дивакансия, сочетание вакансии с атомом в междоузлии, инородный атом в узле решетки или в междоузлии);
- линейные дефекты (краевые и винтовые дислокации, линейно протяженные пустоты - треки от частиц высоких энергий);
- поверхностные дефекты (двойникование решетки, границы между зернами в поликристаллах, малоугловые дисклокационные границы, плоские кластеры, микротрещины);
- объемные дефекты (скопление вакансий, объемные кластеры, поры, пустоты, микрораковины, скопление атомов примеси или выделение инородной фазы);
В реальных кристаллах чаще всего наблюдается одновременное сочетание нескольких из перечисленных выше видов дефектов.

В соответствии с теорией электропроводимости полупроводников и металлов, структурные дефекты оказывают существенное влияние на их электрические свойства за счет:
- изменения подвижности носителей заряда вследствие рассеяния их на указанных видах дефектов решетки;
- изменения концентрации носителей заряда вследствие процессов генерации - рекомбинации с участием дефектов решетки и вследствие захвата дефектами свободных носителей заряда;
- перехода от дрейфового механизма электропроводности к прыжковому (туннельному) механизму на границах раздела зерен, в области микротрещин и на других поверхностных дефектах;
- изменения времени жизни носителей заряда за счет интенсивной рекомбинации на дефектах.

Указанные изменения электрических свойств оказывают значительное влияние на многие эксплуатационные параметры полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, инжекционных лазеров, светодиодов, фотоприемных устройств, интегральных схем и других электронных изделий. В частности, происходит изменение обратных токов и пробивных напряжений p-n переходов, коэффициентов усиления по току биполярных и крутизны полевых транзисторов, логических уровней цифровых схем и быстродействия приборов и устройств. В предельных случаях происходит деградация p-n переходов и полный отказ полупроводниковых приборов.

Влияние структурных дефектов проявляется не только в полупроводниковых материалах, но и в металлических элементах полупроводниковых приборов, интегральных схем и устройств функциональной электроники: пленочных проводниках, контактных площадках, пленочных резисторах, пленочных встречно-штыревых преобразователях поверхностных акустических волн и т.п.

Для снижения влияния структурных дефектов в существующей технологии широко применяется способ термического отжига дефектов (см. Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. "Физико-химические основы технологии микроэлектроники", - М.: Металлургия, 1979, стр. 309-327). При этом способе полупроводниковые пластины, содержащие дефекты, подвергают термическому нагреву в печах. В монографии Риссел Х., Руге И. "Ионная имплантация", М., Наука, 1983 г., стр. 23-52 приводятся подробные сведения о создаваемых дефектах в полупроводниковых пластинах при ионном легировании и режимах термического отжига.

Существует и другая разновидность термического способа отжига дефектов с помощью мощных световых импульсов от лазера или с помощью мощных потоков электронов (см. например Двуреченский А.В. и др. "Импульсный отжиг полупроводниковых материалов", М., Наука, 1982 г.). Однако этот способ не нашел широкого применения в основном из-за более высокой стоимости оборудования и низкой производительности.

В обоих разновидностях способа в зависимости от вида дефектов и типа материала температура нагрева всей подложки либо локальная температура обычно задается в диапазоне от 500^oC до 1800^oC (для SiC), а длительность отжига составляет от 20 минут до нескольких часов.

В процессе тепловых колебаний кристаллической решетки элементарные дефекты могут получить энергию, превышающую энергию их активации, в результате чего данный дефект приобретает определенную вероятность аннигиляции. Например, дефект по Френкелю (сочетание вакансии и атома в междоузлии) исчезает, когда междоузельный атом преодолевает энергетический барьер и заполняет вакансию.

Однако способ термического отжига дефектов обладает рядом недостатков:
1. При термическом нагреве до температуры 800^oC - 1100^oC, в полупроводниковом материале помимо отжига дефектов происходят и другие, чаще всего нежелательные процессы (диффузия и испарение примеси, расползание границ гетероструктур, испарение и диссоциация основного материала подложки и т.п.).

2. Подложки, содержащие легкоплавкие элементы, в частности металлические проводники, вообще не могут подвергаться тепловому воздействию, так как это приведет к их полному разрушению.

3. Как известно, спектр тепловых колебаний очень широк (от 0 до 10¹³ Гц) и поэтому процесс термического отжига является хаотическим, случайным, вероятностным. Это приводит к большой длительности процесса отжига.

4. Процесс термического отжига является энергоемким.

5. Способ импульсного термического отжига создает значительную термическую неоднородность и, как следствие, вызывает нежелательные термические напряжения в структуре.

Задачей предлагаемого способа является:
- осуществление процесса устранения дефектов при комнатной температуре, обеспечивающего исключение побочных нежелательных процессов (диффузии и испарения примеси, расползания границ гетероструктур, испарения и диссоциации приповерхностного слоя материала подложки и др.);
- создание возможности устранения дефектов в образцах, содержащих легкоплавкие элементы;
- проведение процесса устранения дефектов за короткое время (до единиц минут) с минимумом энергозатрат;
- исключение возможности появления термической неоднородности и термических напряжений;
- создание возможности устранения дефектов не только после проведения указанных выше технологических операций, но и в ходе их осуществления, например, в ходе вакуумного напыления или эпитаксиального наращивания полупроводниковых, металлических или диэлектрических слоев.

Для решения поставленной задачи, в способе устранения структурных дефектов в твердых телах (в том числе тонких пленках) и на их поверхностях, включающем возбуждение колебаний кристаллической решетки, возбуждают акустические колебания с длинами волн, соизмеримыми с эффективными размерами дефектов, и с энергией, превышающей энергию активации дефектов.

Кроме того, указанные акустические колебания возбуждают воздействием на поверхность твердого тела периодическими сгустками электронов с частотным спектром, соответствующим спектру требуемых для устранения дефектов акустических колебаний.

Кроме того, указанные акустические колебания возбуждают путем помещения пьезопластины в СВЧ-поле.

Кроме того, указанные акустические колебания возбуждают одновременно с формированием пленок.

Возбуждение акустических колебаний указанной длины волны и энергии приводит к устранению дефектов при комнатной температуре, что исключает возникновение побочных процессов и открывает новые возможности для совершенствования технологии и повышения качества изделий.

Возбуждение в твердом теле акустических колебаний с длинами волн, соизмеримыми с размерами дефектов (1-100 нм), можно осуществлять, например, путем воздействия на подложку электронными сгустками, следующими со сверхвысокой частотой. Сгустки могут быть сформированы различным путем, за счет процессов, протекающих как внутри подложки, так и вне ее, например за счет механизма вторично-эмиссионного разряда (Л.В.Гришин, А.А.Дорофеюк, И.А.Коссый, Г. С.Лукьянчиков, М.М.Савченко. "Исследование вторично-эмиссионного СВЧ-разряда при больших углах пролета", Труды ФИАН им. П.Н.Лебедева, т. 92, 1977 г., стр. 82-131) - физического явления, заключающегося в развитии электронной лавины благодаря вторично-эмиссионному размножению первоначальных случайных электронов, совершающих синхронно с полем СВЧ-волны колебательные движения у поверхности подложки. В результате соударения сгустков электронов с подложкой, электроны передают ей свою энергию и импульс, возбуждая тем самым акустические колебания кристаллической решетки (акустические и термоупругие волны) со спектром, соответствующим спектру электронных сгустков.

Воздействие интенсивной акустической волны на твердое тело или пленку способствует упорядочению поверхности и устранению структурных дефектов в приповерхностном слое. Действительно, если длина волны таких колебаний имеет величину порядка характерных размеров дефекта, то будет происходить резонансное поглощение дефектом энергии колебаний решетки. Когда накопленная энергия достигнет величины энергии активации, произойдет ликвидация дефекта. Энергоемкость такого процесса тем ниже, чем точнее соответствует длина волны акустических колебаний характерным размерам дефектов.

Акустические колебания требуемых для отжига дефектов частот могут быть созданы также непосредственно с помощью пьезоэффекта либо в пьезоподложке, либо в слоистых структурах, содержащих пьезослой, путем помещения такой структуры в СВЧ-поле.

На практике дефекты обычно возникают как при осуществлении операций технологической обработки имеющихся образцов твердого тела (окисление, легирование и т.п.), так и при создании новых структур (эпитаксиальное наращивание, вакуумное напыление и т.д.). Устранение возникающих дефектов непосредственно в момент их возникновения в ходе реализации рассматриваемых технологических операций позволило бы значительно улучшить качество получаемых изделий. Однако при обычном термическом отжиге, как правило, не удается совместить температурный режим осуществляемого технологического процесса с требуемым температурным режимом отжига. В то же время, предлагаемый способ отжига путем возбуждения акустических колебаний с длинами волн, соизмеримыми с эффективными размерами дефектов и с энергией, превышающей энергию их активации, возможно применять при температуре, оптимальной для осуществляемой технологической операции.

Примеры реализации способа.

В экспериментальной установке, состоящей из вакуумной камеры и СВЧ-фидера, по которому от СВЧ-генератора подавалась электромагнитная волна, в конце фидера размещалась обрабатываемая подложка, у поверхности которой создавались пороговые условия возбуждения вторично-эмиссионного разряда. СВЧ-генератор работал на частоте 10 ГГц. При этом фазовая ширина сгустков составляла ориентировочно 30 градусов (В.И.Петрунин "Динамика движения электронов в эффекте мультипакции с учетом пространственного заряда, ЖТФ, т. 37, N 12, стр. 2239-2243, 1967 г.), поэтому возбуждаемые сгустками в подложке акустические колебания содержали частоты, спектр которых простирался от 10 до 1000 ГГц, что соответствовало диапазону длин волны в кремнии и арсениде галлия 3-300 нм.

Исследуемые образцы и экспериментальные результаты:
1. На кремниевых пластинах, легированных бором, диффузией фосфора на глубину 0,5 мкм формировались локальные резисторы, имеющие номинальное сопротивление 1 кОм. При воздействии акустическими колебаниями, возбуждаемыми вторично-эмиссионным разрядом при комнатной температуре в течение 0,1 - 0,2 секунды (чистое время воздействия), сопротивление понижалось на 10-15% благодаря уменьшению числа дефектов в диффузионном слое.

2. Указанные в п.1 пластины со сформированными диффузионными резисторами были подвергнуты облучению электронами высокой (3 МэВ) энергии с дозой 10¹⁵ см^-2. Сопротивление резисторов при этом возросло до 10 кОм вследствие резкого увеличения концентрации дефектов. При воздействии акустическими колебаниями, возбуждаемыми вторично-эмиссионным разрядом при комнатной температуре в течение 0,1 - 0,2 секунды сопротивление резисторов практически возвращалось к исходному значению 1 кОм благодаря ликвидации подавляющего количества созданных при облучении дефектов.

3. Пластины кремния дырочного типа с эпитаксиальным слоем n-типа толщиной 5 мкм и удельным сопротивлением 3 кОм/n подвергались ионному легированию фосфором со стороны n-слоя. Энергия ионов составляла 120 кэВ, доза - 10¹⁵ см^-2. Сопротивление эпитаксиального слоя при легировании не изменилось, так как большая часть введенной примеси находилась в неактивном состоянии, а ионно-легированный слой содержал значительное количество дефектов. После воздействия акустическими колебаниями, возбуждаемыми вторично-эмиссионным разрядом при комнатной температуре в течение 0,1 - 0,2 секунды удельное сопротивление эпитаксиального слоя снизилось до 50-60 Ом/n за счет ликвидации дефектов, вызванных ионным легированием, и увеличения активной части примеси.

4. На пластинах полуизолирующего арсенида галлия были сформированы локальные резисторы. После того как пластины были подвергнуты ионному легированию фтором, сопротивление полученных резисторов составляло 10⁷ Ом. После воздействия акустическими колебаниями, возбуждаемыми вторично-эмиссионным разрядом при комнатной температуре в течение 0,1 - 0,2 секунды, сопротивление резисторов снизилось до 10⁴ Ом.

Таким образом, путем возбуждения акустических колебаний с длинами волн, соизмеримыми с эффективными размерами дефектов и с энергией, превышающей энергию их активации, решена задача устранения структурных дефектов в твердых телах и в том числе в тонких пленках при комнатной температуре.

Способ обеспечил:
- исключение побочных нежелательных процессов в твердом теле (диффузии и испарения примеси, расползания границ гетероструктур, испарения и диссоциации приповерхностного слоя подложки, возникновения термической неоднородности и термических напряжений;
- сокращение длительности процесса устранения дефектов в 10 - 20 раз и энергозатрат в 3 - 10 раз;
- создание возможности устранения дефектов в ходе технологических операций вакуумного напыления и эпитаксиального наращивания пленок.

Использование: технология производства электронных компонентов, интегральных схем и устройств функциональной электроники. Сущность изобретения: для устранения структурных дефектов в твердом теле, в том числе пленке, возбуждают акустические колебания с длинами волн, соизмеримыми с эффективными размерами дефектов, и с энергией, превышающей энергию активации дефектов. Техническим результатом изобретения является устранение структурных дефектов в твердых телах при комнатной температуре, что обеспечивает исключение побочных нежелательных процессов диффузии и испарения примеси, расползания границ гетероструктур, испарения и диссоциации приповерхностного слоя подложки, возникновения термической неоднородности и термических напряжений; сокращение длительности процесса и энергозатрат, создание возможности устранения дефектов в ходе технологических операций вакуумного напыления и эпитаксиального наращивания пленок. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ устранения структурных дефектов в твердых телах и на их поверхности, включающий возбуждение в твердом теле колебаний кристаллической решетки, отличающийся тем, что в твердом теле возбуждают акустические колебания с длинами волн, соизмеримыми с эффективными размерами дефектов и с энергией, превышающей энергию активации дефектов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что акустические колебания возбуждают воздействием периодическими сгустками электронов со спектром колебаний, требуемым для устранения дефектов. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в твердом теле возбуждают акустические колебания одновременно с формированием пленок.