INTRINZIČNO GETRANJE iN INŽENIRING DEFEKTOV
M. Maček
VLSI
1. UVOD
Pol prevod niške tehnologije, še zlasti izdelava integralnih vezij (IV], doživljajo v zadnjih nel<aj letih nesluten razmah. Število integriranih aktivnih elementov se Je v drugi polovici 80. let povzpelo še do nedavno komaj slutenega obsega in znaša pri spominskih vezjih že krepko prek 1 miljona. Tudi vezja po naročilu sledijo temu trendu, seveda v nekoliko manjši meri; po drugi strani pa se postavljajo za ta vezja, zlasti še za analogna, vedno hujše omejitve glede nekaterih drugih parametrov.
Vzporedno z zniževanjem dimenzije načrtovanih elementov so se ustrezno nižale debeline diele-ktričnih plasti in globine spojev, kar je postavilo oblikovalce procesov pred nove, do nedavnega slabo poznane probleme zanesljivosti tankih oksidov in p-n spojev.
,Že iz zgodovinskih časov je dobro poznan vpliv kristalnih defektov v substratu in to tako onih prisotnih vstartnem materialu (pri današnji kvaliteti Si rezin skoraj nepomembno), kakor tudi tistih, ki nukleirajo in rastejo med termičnim procesiranjem, na izpien vezij ter na kvaliteto in zanesljivost tankih dielektričnih plasti p-n spojev in na življenjske čase nosilcev nabojev Škodljivi so seveda samo tisti defekti, ki leže v osiromašenem področju aktivnih gradnikov integriranega vezja, to je na določenem delu površine rezine. Shematično je pozicija neškodljivih in škodljivih kristalnih defektov za LSI in VLSI proces prikazan na sliki 1.
Po drugi strani pa je tudi poznano, da imajo lahko defekti locirani v notranjosti, na hrbtni strani in tudi na čelni strani izven osiromašenih področij aktivnih elementov, pozitiven vpliv in se izkoriščajo za getranje, ki Je lahko:
INTRINZIČNO pri katerem izkoristimo defekte nastale med termičnim procesiranjem (pre-cipitati SiOx, dislokacijske zanke in napake zloga) v notranjosti rezine kot mesta za getranje neželenih kovinskih nečistoč.
EKSTRINZIČNO ko getramo nečistoče na namerno ustvarjene defekte na čelni ali hrbtni strani (difuzija fosforja, mehanski defekti „soft damage", implantacija Ar na hrbtno stran, lasersko pre-taljevanje hrbtne strani rezin, depozicija Si3N4 ...).
® if < I - I - t ....
ra ra-O'ö [23 ca «.fr?--. ^fl---
c^' ö ö a ü tf


(a)
LSI
/


'-V

Q i
^ i		1 1
✓	----	
4P		
^ / r		
Lil		1
(b)
VLSI
LSI

x^j-nzj
(c)
Slika 1: Efekt defektov v substratu na VLSI (a) in na LSI (b) vezju. Defekti, označeni s puščico, sekajo osironnašeno področje in prispevajo k puščanju. Efekt defektov, označenih z dvojno puščico, je odvisen od globine spoja, kar vidimo na sliki c.
Po drugi strani lahko z defekti v notranjosti tudi kontrolirano zmanjšujemo življenjske čase nosilcev naboja in na ta način povečujemo odpornost
proti „latch-up" efektu
(11)
2. VPLIV DEFEKTOV NA IZPLEN IN ZANESLJIVOST VEZIJ
Najdirektnejši vpliv defektov na izpien opazimo zaradi zvijanja rezin (warp) po termičnih operacijah in s tem povezanim odklonom površine rezine od idealne fokal ne ravnine med postopkom preslikave. Za sodobne projekcijske poravnalnike nekako velja, da Je maksimalna dovoljena devi-acija manjša od ~2.5xDmin Posledica prekomernega zvijanja se tako pokaže v nekvalitetni preslikavi (moščenja, neodprti kontakti ..) in s tem povezanimi defekti v SUPERSTRUKTURI vezja, kar ima vpliv na funkcionalne napake, prekomerno porabo itd., ali pa v obliki defektov v SUBSTRATU zaradi njegove plastične deformacije, kar se
lahko odraža vfunkcionalnih odpovedih, povečani porabi in v slabši zanesljivosti. Odpornost rezin nasproti zvijanju je odvisna v največji meri od koncentracije intersticijalnega kisika (večja ko je koncentracija, večja je odpornost), od deleža spre-cipitiranega kisika (^2,13,14)^ ^^ n^iikrostrukture defektovv notranjosti, vedno večjo pomembnost pa dobiva tudi nadzor nad koncentracijo dušika in ogljikasaj se s povečano koncentracijo dušika povečuje odpornost rezin na zvijanje. Na sliki 2 so prikazane eksperimentalno dobljene krivulje za prepustno napetost („yield stress") in precipi-tacijo kisika in FZ rezine dopirane z dušikom, ki nam zgornje navedbe najlepše komentirajo.
AMNEALING DURATION (h)
Slika 2: Eksperimentalne krivulje za po-pustno napetost „yield stress" in precipita-oijo kisika kot funkcija popuščanja na 1050°C in različno koncentracijo interstlcio-nalnega kisika (D: 9E17 in C: 5.5E17/cm®). NF2 pomeni z dušikom (5.4E15/om®) dopiran FZ silicij.
Vendar na splošno velja, da se da s pazljivim načrtovanjem termičnih operacij zvijanje skorajda preprečiti, držati se je potrebno le dovolj nizkih temperatur vlaganja in izviačenja rezin, ki naj ne presegajo 850°C, kakor so predlagali Andrews in soavtorji Navedena temperatura se tudi lepo ujema s temperaturo 800°C na kateri se Si razine začno plastično deformirati
Defekti v substratu zanimivi s stališča poivod-niških tehnologij se delijo na točkaste defekte (in-tersticijali, vakance, kemijske primesi), linijske (ra-
zno vrsto dislokaclj In njihovih kompleksov), ploskovne (napake zloga) in na volumske pod katerimi zajemamo vse vrste precipitatov, ki pa so v bistvu gruče bolj, ali manj urejenih intersticialnih defektov.
Kristalni defekti so sami po sebi v določeni meri električno aktivni, njihova škodljivost pa se močno poveča z dekoracijo s težkimi kovinami (glej na primer Defekti lahko povzroče trenutno odpoved vfunkcionalnem smislu ali pa povzroče preveliko porabo določenega vezja, oz. povzroče poznejšo odpoved. Vzrok leži v lokaliziranih generacijskih tokovih, če defekti leže v osiromašenem področju ali pa v povečanem reverznem toku zaradi pojava lokalno okrepljenih difuzij („diffusion spikes").
3. INŽENIRING DEFEKTOV
Kot je že bilo omenjeno, so defekti lahko škodljivi in neškodljivi, oz. celo koristni. Zato se je v zadnjem času razvila posebna veda, tako imenovani INŽENIRING DEFEKTOV. Njegova vodilna ideja Je na osnovi poznavanja tvorbe in vplivov defektov doseči optimalno defektno strukturo substrata, ki bo zagotavljala:
BREZDEFEKTNO POVRŠINSKO PLAST, oz. denudirano cono (DZ) globine 2-3x večje od največje globine osiromašenih področij kar znaša tipično okrog 20 (im za sodobne procese CMOS. V njej naj ne bo ne precipitatov kisika, kakor tudi ne ostalih kristalnih defektov.
OPTIMALNO KONCENTRACIJO IN STRUKTU-
RO DEFEKTOV v notranjosti rezine
(19.20.21)
ka-
terega namen je optimizirati možnost internega getranja pri optimalni odpornosti rezin na zvijanje. Zahtevi po čim boljšem getranju in odpornosti proti zvijanju sta si namreč nasprotni pa tudi zahteva po lepo denudirani površini je mnogokrat v nasprotju z željo po čim uspešnejšem getranju in je potrebno poiskati kompromis med nasprotujočimi si zahtevami. Primer dobro načrtovane defektne strukture notranjosti rezine s pozitivnim vplivom na izplen je prikazan na sliki 3.
Preden pa se lahko lotimo inženiringa defektov si moramo razčistiti osnovne pojme o najvažnejših intrinzičnih in ekstrizičnih defektih v Si kristalu, pomembnih s stališča inžineringa defektov, kakor tudi na delovanje in zanesljivosti vezij. Defekti so lahko točkasti, linijski (razne oblike dislokacije), ploskovni (tipičen primer so napake zloga), ali pa volumski, od katerih so najpogostejši razni pre-cipitati, oz. gruče točkastih defektov.


-






Slika 3: a) primer močno dekorirane napake zloga v procesu CMOS; b) primer heksagonalnega preoipitata obdanega z dekoriranimi dislokaoijami v istem procesu c) presek rezine z lepo razvito DZ in optimalno defektno strukturo za določen
bipolarni proces.
3.1. Točkasti defekti
V	skladu s termodinamiko so v kristalu vedno prisotni točkasti defelrti v obliki lastnih intersticial-nih atomov in praznin-vakanc. Njihova koncentracija je odvisna od tehnologije vlečenja kristala in poznejših termičnih obdelav, manifestirajo se kot tako imenovani A, B in D „swirl" defekti' \ ki pa so v bistvu gruče točkastih defektov z volumsko naravo.
V	kristalu obstaja med točkastimi defekti ter-modinamsko ravnovesje. Defekti med seboj namreč reagirajo z naslednjo reakcijo
I + V = O (perfektna krist. mreža) (1)
Vedno pa velja, da kljub zunanjim ali notranjim peilurbacijam kristala ostaja produkt koncentracij CixCv bolj ali manj konstanten. To so bili tako imenovani intrinzični defekti. Poznamo pa tudi eks-trinzične defekte. V to grupo spadajo tisti defekti, ki smo Jih v kristal hote aH nehote vnesli. S stališča zagotavljanja izpiena in zanesljivosti polvodniških tehnologij so najpomembnejši naslednji ekstrin-zični defekti:
KISIK, OGLJIK, DUŠIK, ki so prisotni že v startnem polikristaliničnem materialu aH pa Jih naknadno vnesemo vanj med procesiranjem. Do nedav-
nega je bil njihov pomen (razen kisika) na procesiranje IV še slabo poznan, danes pa jim dajejo veliko pozornost, zaradi njihovih direktnih pozitivnih ali pa tudi negativnih vplivov na lastnosti vezij in izplen.
PREHODNE KOVINE so nezaželene, vendar vedno prisotne ekstrlnzične primesi že v startnem polikristaliničnem materialu, še večjo koncentracijo pa dosežejo med samim vlečenjem kristala in poznejšim procesiranjem. Najpogosteje prisotne kovine so Fe, Ni, Cu in imajo katastrofalne posledice na izplen ter na kvaliteto in zanesljivost p-n spojev in tankih dlelektričnlh plasti.
HALKOGENl ATOMI S, Se, Te povzročajo v Si pojav donorjev, zato so jih v zadnjem času začeli intenzivno raziskovati.
Poleg teh defektov sodijo s stališča fizike med ekstrlnzične defekte tudi dopanti P, As, Sb, B, Ga, vendar pa Jih s stališča tehnologije ne uvrščamo med defekte, saj so nujno potrebni v določenih koncentracijah za delovanje polvodniških elementov.
3.2.	Disiokacije
Današnji Si monokristaii se prodajajo kot brez-dislokacijski. Gostota dislokacij Je torej zelo majhna, oz. jih po zagotovilih proizvajalcev ne bi smelo biti. Vendar prihaja med procesiranjem IV do tvorbe dislokacij v raznih oblikah (pretežno v obliki zank) kot posledica mehanskih napetosti na robu LOGOS strukture, precipitatov SiOx, kot posledica rekristalizacije implantiranih območij in difuzije (12,22) pg disiokacije prostorsko omejene, običajno niso škodljive (vsaj dokler so omejene na neaktivna področja, kot na primer implantacij-ski defekti v ponorjih in izvorih). V primeru, ko pa pride zaradi termičnih napetosti pri temperaturah nad 800°C do plastične deformacije, nastanejo tako imenovane „slip" disiokacije, ki imajo še posebej, če so dekorirane s kovinami in če leže v osiromašenem področju p-n spoja, oz. ga prečkajo, katastrofalne posledice. Znano Je, da jih težko getramo.
3.3.	Napake zloga
Napake zloga (SF) so največji defekti, prisotni v monokristalnem Si, saj dosegajo velikost tudi do 200 (Jim. Nastanejo med termičnimi operacijami, s precipitacijo lastnih intersticlainih atomov in so torej ekstrinzične narave. Intrizične SF nastanejo s precipitacijo vakanc, vendar so do sedaj bile opažene le v epitaksialnih plasteh. Kristalna struktura defektov Je prikazana na sliki 4. S stališča procesiranja pa jih moramo deliti na volumske, ki rastejo v notranjosti rezine in jim za vir intersticialov služijo precipitati kisika ter površinske, oksidacij-sko inducirane, ki rastejo na površini med visoko temperaturnimi oksidacijami zaradi kontaminacije s kovinami ali pa mehanskih poškodb površine in preslabega intrinzičnega getranja. Ločimo jih po izgledu, saj so slednje enakomerne velikosti, medtem ko so volumske različnih velikosti na površini. Slika 5 nam kaže odvisnost rasti volumskih SF in globine denudirane cone. Vidimo, da na temperaturah med 1000 in 1200°C lahko napake rastejo v denudirano cono, zato je potrebno pred operacijami, ki povzroče rast SF, doseči ustrezno globino cone brez kisika. S stališča intrinzičnega getranja so SF v notranjosti rezine zelo zaželene, saj so zelo ugodna mesta za precipitacijo kovin (slika 3a).
3.4.	Precipitati
Precipitati so defekti s katastrofalnimi posledicami za procesiranje, če so na površini rezine v aktivnem področju, saj direktno vplivajo na kvaliteto p-n spojev, tankih oksidov in na življenjske čase. Najpogostejši precipitati v GZ Si so SiOx v
60° C
ESF
ISF
Slika 4: Projekcija (110) ravnine Si mreže z intrinzično (ISF) in ekstrinzično (ESF) napako zloga ter 60° dislokacijo (60°/D),
100 pml 60
V3
20
10
3 S
4
=	1 1	1 1 1 1 1 — P-Si,(t00}, I0ilii10"cm-' t>h, 100 % Op
- /	A,	-a
—		^A \ —
—		\ E
		
_1__	1 1	1 1 1 1 1
6.6
7.3
7.0	7.U-
10''/T [K''} a) LENGTH OF OSF h) DEgTH OF DSNUaeO ZONE
Slika 5: Primerjava dolžine napake zloga in globine denudirane cone za različne
8.2
procesne temperature,
{171
različnih kristalnih strukturah in morfologijah ter precipitati prehodnih kovin. Slednji so v vsakem primeru nezaželeni, medtem ko so precipitati SiOx zelo zaželeni v notranjosti rezine, saj so vir Si lastnih intersticialov in dislokacijskih zank (primer je na sliki 3b). Zato igrajo v inženiringu defektov, oz. intrinzičnem getranju ključno vlogo.
4. KISIK VSI
Kisik je glavna primes v CZ Si kristalih. Njegova koncentracija se giblje od 5E17-1E18 at/cm , izvira pa v glavnem iz direktnega kontakta Si taline in kvarčnega lonca med postopkom vlečenja kristala. Kisik je vgrajen na intersticialnih položajih, kakor nam kaže slika 6, povzeta po Najustreznejša metoda za študij kisika (Oj) v Si je IR spektroskopija, s pomočjo katere je bila tudi določena pozicija intersticialnega Oj na sliki 6, prav tako pa se s to metodo meri koncentracija intersticialnega kisika Topnost kisika opišemo z enačbo:
Cs = Co * exp (-Ea/kT)
(2)
Vrednosti za Co in Ea varirajo od avtorja do av-
torja, naj pogoste Co=Ö.15E22/cm' Craven
e pa se uporabljajo vrednosti in Ea= 1.03 eV, ki jih je določil
<iii>
Slika 6: Shematičen prikaz položaja intersticialnega kisika,
IVled termičnim procesiranjem Si rezine prihaja do treh pojavov:
Na temperaturah pod 1000°C, še zlasti pa pod 800°C, prihaja do NUKLEACIJE to je tvorbe precipitacijskih jeder. Pojav je lahko homogen ali pa hetererogen, odvisno od kvalitete vlečenja kristala. O heterogeni nukleaciji govorimo takrat, kadar so v izviečenem kristalu prisotni defekti (zelo majhni precipitati SiOx, C .:), ki služijo kot mesta za nadaljno precipitacijo. O homogeni pa govorimo tedaj, ko se jedra tvorijo enakomerno med nizkotemperaturnim popuščanjem. Opišemo jo z naslednjo enačbo:
v kateri pomeni
Js(x) = JoD(T)Oi(x,0)TA(-l/2)*exp(-EO/(T(1-T/TS)A2))
(4)
V njej pomeni t - čas popuščanja, to - inkubacijski čas, potreben, da precipitat zraste do kritične velikosti Rc(*) (10) za naslednji postopek, Ts - pomeni temperaturo, na kateri je koncentracija Oi enaka topnosti. Konstanti Jo in Eo sta materialni
konstanti (Jo~7.94E-11 cmKAO.5, Eo~1082 K), (26).
Predstopnjo nukleacije na temperaturah pod 700°C predstavlja tvorba sekundarnih termičnih donorjev, katerih struktura pa danes še ni enolično določena.
Med termičnim procesiranjem na temperaturah nad 1000°C pride do dveh pojavov: DIFUZIJE kisika iz/v rezine(o) in difuzijsko kontrolirane PRE-CIPITACIJE.
Difuzijo kisika opišemo z znano difuzijsko e-načbo, koeficient difuzije pa opišemo z enačbo:
D = Do*exp(-Ea/kT)	(5)
Najpogosteje upoštevamo naslednje vrednosti: Do = 0.07 cm^s in Ea = 2.44 eV vendar pa lahko iz slike 7 vidimo precejšne razlike med izmerjenimi vrednostmi, še zlasti pri temperaturah pod 800°C, za katere se predpostavlja, da je difuzija ojačana vsied difuzije molekularnega kisika
Delež spreclpltiranega kisika v sferičnlh pre-cipitatih, katerim raste velikost skladno s količino precipltirane snovi, opišemo s Hamovo'^^' teorijo" precipitaclje. Velja:
Kot = H(SpA 1/3	(6)
Ko - Je tako imenovana dinamična konstanta
Ko = D(T)3A(l/3)(47rNo)*9(2/3)*((Co-
Cs(T))/Cp)A(l/3),	(7)
pri čemer pomenita Co in Cp koncentraciji precipitanta v matriki in precipitatu. H(x) Je komplicirana funkcija razmerja koncentracij Sp
H(x) = (l/2)ln((xA2-t-x + l)/(xA2-2x4-l))-3 a (l/2)artg((2x-M)/3 a (1/2))+ 0.09068
(8)
Sp(t) = (Co-C(t))/Co-Cs(T)),
(9)
No(x,t) ^ Js(x)(t-to(l-exp(-t/to))
(3)
v katerem pomeni: C(t) - Trenutno koncentracijo precipitanta v matriki, Cs(T) - pa topnost pri temperaturi T.
10
,-s
B
-CS
1Ö
ris
10
-20
1200
t m p» «era t «J re- C®C3 eoo	titJO	S.OO	AOO
__intfl^rncil
friction
"I" rr%ol^c»j lor
X OKygcr-i O2
J Cccilcwl<=it«-el>
__F»r«-cip>ltat«-
growth»
orffS'Ctive'
dtffusivitv
CO Logan B. Pe-ters C'59) _ C25 Gcass «t al. C'80>
Ta kan o iS. r^oKi C 73) Maas C'60) KusHn&r C'72) rvlikKe-lse-n 'C*S2) Waaa «-t al. C'eo> Gaworz€-wski B. Ritte-r Kais«"r et al. < 58} Gaworzewski «t al. C 77, Mu (-81)
Cort>«?tt «rt at. C'6A)
C3)
h-CS)
d?
-
C2> - CD
<JO)
CID
tf~*®-rrr-ial ci « no r ^ _
dicroism
-L.

10	12	tA
Slika 7: Difuznost kisika kot funkcija temperature,
16
Popuščanje Si na temperaturah 650-1150°C povzroči formacijo vrste različnih defektov, kot so paiičasti coesitni precipitati, ploščati amorfni pre-cipitati, napake zloga, dislokacije in razne kompleksnejše strukture. Vsi ti defekti so postali dobro določljivi šele v 80. letih, z uporabo HRTEM, saj je na primer tipična velikost precipitatov SiOx od nekaj do nekaj 100nm. V tabeli 1 so shematično prikazani tipi in morfologija precipitatov za eno, oz. dvostopenjsko popuščanje.
Proces precipitipiranja SiOx povzroči veliko volumsko spremembo približno za faktor 2, kar pomeni, da se morajo na nek način relaksirati napetosti. Zato prične precipitat po določeni količini precipitiranega kisika emitirati intersticialne Si atome v mrežo, oz. absorbirati vakance. V poznejši fazi pa spremlja proces precipitacije emitiranje pri-zmatičnih dislokacijskih zank. Volumske razmere v okolici precipitata so razvidne na sliki 8
4.1. Prehodne kovine
Omenjeno je že bilo, da so v Si kristalu vedno prisotne večje ali manjše koncentracije kovinskih nečistoč. Pretežno so to elementi iz 3d skupine Fe, Cr, Co, Ni in Cu, ki so vgrajeni pretežno na in-tersticialnih mestih, medtem, ko z naraščajočim a-tomskim številom narašča tendenca po zasedbi substicionalnih mest kristalne rešetke. Kovinske
Oxygen
Carbon

SiOz
Volume increose doctor 2)
'=<> I ogglomerotes SiO, A
4
SiC or C ogglomefote
Volume reduction (foclor 2)
if I in supersoturalion ««O co-precipilolipn I ond C
»*C> "B-swirls"
Slika 8: Preprost shematski prikaz volumskih razmer pri precipitaoiji kisika in ogljika,
neöibtüöe povzroče dodaliie tilvuje v atediiii prepovedanega pasu in s tem okrepljeno rekombi-nacijo. Še bolj škodljivo pa delujejo kovinski pre-cipitati v osiromašenem področju. Tipične koncentracije kovin v surovih rezinah, ugotovljene z metodo NNA so okrog 1E13-1E14/cm^, med procesiranjem pa se koncentracija poveča na 1E14-1E16 in tudi več v primeru velike kontaminacije'^®*.
Topnost kovin prikazana na sliki 9 na tipičnih procesnih temperaturah je mnogo nižja od tipičnega nivoja kontaminacije, kar pomeni da so kontaminajiti v prenasičenem stanju in teže k pre-cipitaciji. Še bolj neugodna pa postane zadeva zaradi velike difuzijske konstante intersticialnih kovin. Primer je prikazan na sliki 10 in je zajet iz Istega vira kot topnost. Vidimo, da tipična kovinska primes predifundira globino celotne rezine v nekaj minutah pri zmerni temperaturi 800°C.
4.2. Princip getranja kovinskih nečistoč
V zgodovini procesiranja IV je bilo mnogo razlag getranja kovinskih nečistoč s takoimenovanim ekstrinzičnim načinom, ko mesta za getranje uvedemo na površino ali intrinzičnim, ko izkoristimo lastnosti intersticijalnega kisika oziroma defektov v notranjosti rezine. Vendar kaže, da se izoblikuje nekakšna splošna teorija, ki opiše getranje tako in-tersticijalnih (Fe, Ni, Cu), kakortudi substitucional-nih prehodnih kovin (Au, Rt). Po tej teoriji imajo ne glede na način getranja vodilno vlogo Si lastni in-tersticijali.
Postopek getranja sestavljata v bistvu dve fazi. V prvi fazi uvedemo v kristal intersticiale v zadostni koncentraciji tako, da povzročimo topljenje kovinskih precipitatov, saj vemo da je topnost kovin majhna in so pretežno prisotne v obliki silicidnih precipitatov. V teoriji precipitacije obstaja namreč kritični radij Rc, ki je funkcija temperature T, koncentracije lastnih intersticialov Ci, vakanc Cv, pre-cipitanta P, vrste precjpitirane faze SiyPx in površinske energije a p^ fgj {gQ^yj ^odo pre-cipitati z radijem večjim od Rc na določeni temperaturi rastli, medtem ko se bodo precipitati z radijem manjšim od Rc raztopili, kljub temu, da je topnost za določeno temperaturo presežena. Kritični radij definiramo z enačbo:
Rc = 2a/(EkT/q)ln(CoCv a m/Ci a n)-6,xdE '
(10)
v kateri pomenijo:
E = (1-E')a-3 in pomeni E' - napetost, ki je v idealnem primeru, ko se vse napetosti relaksirajo zaradi emitiranja intersticialov enaka 0.
TM„,|,H,nh|,rC)
1Ü

10 ■

	m f	02	3QJ	mo	ru;	m_	ra,—-li	jO B		P
	(			\ \	\ \					
/	f f\		i		\		\			
1			\ \							-
				\ \	\				\	
			—	\					\	
						■S	\			
										
0.6 0,7 O.B 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
Slika 9: Topnost prehodnih kovin v Si,
Temperatur ("C )
iš
'M	mi	QQ1	2QQ1	QOll	QQJ	ia_jfl	!Q_3	pO , C	00 60
									
								_C_u	
									
						C?"			
		X	\						
									
		■v S			\	sAg			
					Ii	\			
			\				v		
		b,		\					
—1									
		\	\						
	1			\					____
0,6 0.7 0.8 0,9 1.0 1,1 1,2
JiLOiL (,<-')
Slika 10: Difuzijski koeficienti raznih elementov iz 3d skupine v Si.
n, m - število emitiranih intersticialov in absor-biranih val<anc.
Co, Ci, Cv- relativno koncentracijo C/C(T) pre-cipitanta, Intersticijalov in vakanc, ki imajo ravnotežno vrednost Ci, v(T).
)x, d - sta strižni modul in linearna neskladnost matrike in precipitata.
q - gostota precipitata SiyPx.
Reakcija namreč poteka po naslednji enačbi:
Si(matr.) + Pi ^SiyPx + nSi,i	(11)
v kateri je volumska sprememba, oz. število emitiranih intersticialov n v idealnem primeru enako:
n = y/x(C(Si,matr)/C(Si,SiyPx)-l) (12)
Vidimo, da injekcija lastnih intersticijalov (bodisi iz notranjosti zaradi rasti precipitatov, bodisi od zunaj zaradi ekstrinzičnega getranja) povečuje kritični radij, če je volumska sprememba n večja od O (SiOa, CuSi, Fe(1,3)Si, Ni(1,2 3)Si) in zmanjšuje, če je manjša (NiSia, FeSia) ^^^ . Na srečo pa oba poslednja slllcida z nO, ki rasteta ob presežku Si Intersticialov precipitirata v območju z visoko koncentracijo Intersticialov (v bližini SiOx precipitata, močno s fosforjem, ali bromom dopirane plasti).
Mehanizem'getranja substitucijskih prehodnih kovin (Au, Pt) je nekoliko drugačen. Pri njih dosežemo z visoko koncentracijo lastnih Si intersticialov s tako Imenovano „klick-out" reakcijo:
Si,i + Au,s <•■> Au,i
(13)
pretvorbo substitucljske (večinske) v Interstlci-alno kovino, ki ima mnogo večjo difuzijsko konstanto (razlika znaša okrog 5 velikostnih razredov!). Na ta način omogočimo difuzijo zlata na s fosforjem močno dopirana področja rezine, ki so hkrati tudi izvor Intersticialov, kjer se veže s kompleksom fosfor-vakanca
Pri optimiziranju intrinzičnega getranja lahko sledimo dvema fazama:
HITRI PRECIPITACUl kisika na startu umazanega procesnega koraka, pri čemer tvegamo, da povečamo nukleacljo defektov zaradi difuzije intersticialov generiranih med precipitacijo v aktivno območje na površini in s tem povezanim zmanjšanjem popustne napetosti, kar lahko privede do plastične deformacije na robovih LOGOS struktur in difuzijskih front, kar lahko v končni meri izplen celo poslabša.
POSTOPNI PERCIPITACiJI v kontroliranem obsegu skozi celoten proces, ki izgleda bolj obetavna. Seveda pa smo pri optimizaciji omejeni s procesnimi koraki in se vedno ne da doseči optimalne postopne percipitacije, kar je običajno primer pri tipičnih procesih CMOS, kjer se večina precipitacije izvrši med difuzijo p otoka, ki je edini res visokotemperaturni korak s temperaturo večjo od 1100°C. Na sliki 11 a je prikazana odvisnost izplena od količine sprecipitiranega kisika za nek bipolarni proces, medtem ko je na sliki 11b shematično prikazan efekt precipitacije.
5 10 15 20 25 AMOUNT OF PRECIPITATED OXYGEN (ppm)
ffiCHCAJC JN AMIXIN Of GfTtgRIMQ SINKS
I ?!

.LDCAt. R6C>UCT^O^^Sp MSCHÄNtCAL STRiNGTH DISLOCATION aiNtXXI
&p mscmy&i&OQHvaBn
Slika 11: Izboljšave izplena z uporabo intrinzičnega getranja v bipolarnem procesu kot funkcija sprecipitiranega kisika za hitro ( + ) in za postopno (o) precipitirajoč material; b) shematični prikaz vpliva količine sprecipitiranega kisika na izplen,
' 5. STANJE V ISKRI MIKROELEKTRONIKI
V zadnjem pol leta smo se v naši tovarni začeli načrtno ukvarjati z uvajanjem filozofije inženiringa defektov v obstoječe in predvidene procese. Prvi rezultati raziskave precipitacije kisika za določen proces so bili prikazani že na MIEL v Zagrebu meseca maja. Upam pa, da bodo končni rezultati vsaj tako dobri, če ne še boljši kot rezultati ekstrinzičnega getranja, ki ga že uspešno uporabljamo za specialne produkte.

»i«Exa~ X i. j««»

6SO >00 -yso ÖOO Ö50 900 9SO 1OOO
«iBBAXX jp« xr C «a c c. Xoojp:» 90* <äi.sl.o<;«i«.2.«»rt ai.E>oX4»s
VarAjrUc
SSXon9A«£.A<9i cHi. ta X oc A tiJL on Xoopa H«BXAq|or%AX s>arl.amAt:i.o Xoopss
Oc:t:A>^«»c51r-AX SlO.
p KT <» d p X t; dR C.« «s
<®>
mrn&mXX	Xiaos»sa
Tabela 1: Tipični defekti nastali med eno in dvostopenjskim popuščanjem Si kristala. Velikost pike je sorazmerna gostoti
defektov.
6. LITERATURA
1.	A. Goetzberger, W. Shockley, J. Appl. Phys., 31, 1821 (1960)
2.	L, Jastrzebski, IEEE Trans. Electron Devices ED-29, No. 4, 475 (1982)
3.	K. Yamabe, K. Taniguchi, IEEE Journal of Solid State Circuits, SC-20, No. 1, 343 (1985)
4.	J.O. Borland, Proceedings 2nd Int. Autumn Meeting GADEST, 360, Garzau, DDR, October 1987
5.	S.P. Murarka, T.E. Seidel, J.V. Dalton, J.M. Dishman, M.H. Read, J. Electrochem, Soc., 127, No, 3, 716 (1980)
6.	M. Maček, Proceedings 2nd Int. Autumn Meeting GADEST, 357, Garzau, DDR, October 1987
7.	J.M, Hwang, D.K. Schroder, A.M. Goodman, IEEE Electron Devices Letters, EDL-7, No, 3, 172 (1986)
8.	M. Kittler, H. Richter, W, Seifert, Proceedings ESSDERC 87, 343, Bologna, Italy 1987
9.	N, Inoue, J. Osaka, K. Wada, J. Electrochem. Soc., 129, 2780 (1982)
10.	N. Inoue, J. Osaka, K. Wada, Semiconductor Silicon 1981, ed. H.R, Huff, R.J. Kriegler, Y, Takeishi, (J. Electrochem. Society, NJ, 1981), p 282 .
11.	J.O. Borland, T. Deacon, Solid State Tehnology 27, 123 (1984)
12.	L. Jastrzebski, R. Soydan, J. McGinn, R, Kleppinger, M, Blumenfeld, G. Gillespie, N. Armour, B, Goldsmith, W. Henry, S. Vecrumba, J. Electrochem. Soc., 131, 2944 (1984)
13.	Ghang-Du Lee, P.J. Tobin, J, Electrochem. Soc., 133, 2147 (1986)
14.	0, Glaeys, J, Vanhllemont, Proceedings 2nd Int. Autumn Meeting GADEST, 3, Garzau, DDR, October 1987
15.	H.U. Habermeier, Proceedings 2nd Int. Autumn Meeting GADEST, 72, Garzau, DDR, October 1987
16.	J.M. Andrews, S. Muller, G.A. Rozgony, VLSI Science and Technology 1982, Edt. C.J. Dell OcgW.M. Bullis, The Electrochem. Soc. Softboun Proceedings Series, Princeton. NJ (1982)
17.	W. Zulehner, D. Huber, Crystals, 8, pi31, Springer-Verlag Berlin
18.	D. Huber, osebno obvestilo
19.	R.B, Swaroop, Solid State Technology, 27, 177 (1984)
20.	L. Jastrzebski, R. Soydan, J. McGinn, J. Electrochem. Soc., 131, 2944 (1984)
21.	M. Poiignano, G.F. Cerofolini, Proceedings ESSDERC 87, 335, Bologna, Italy 1987
22.	C. Claeys, J. Vanhllemont, H. Bender, Proceedings 2nd Int. Autumn Meeting GADEST, 130, Garzau, DDR, October 1987
23.	W. Kaiser, P.H. Keck, C.F. Lange, Phys. Rev. 101,1264 (1956)
24.	ASTMF121-79
25.	R.A. Craven, Semiconductor Silicon 1981, ed. H.R. Huff, R.J. Kriegler, Y. Takeishi, (Electrochem. Society, NJ, 1981), p 225
26.	M. Pagani, W. Huber, Proceedings ESSDERC 87,339, Bologna, Italy 1987
27.	J.C, Mikkelsen Jr., Appl. Phys. Lett., A 40, 336 (1982)
28.	U. Goesele, T.Y. Tan, Appl. Phys. Lett., A28, 79 (1982)
29.	P.P. Schmidt, C.\N. Pearce, J, Electrochem. Soc,, 128, 631 (1981)
30.	F.S. Ham, J. Phys, Chem. Solids, 6, 335 (1958)
31.	E.R. Weber, Appl, Phys. Lett., A 30, 1, (1983)
32.	G. Bronner, J. Plummer, Proceedings ESSDERC 87, 557, Bologna, Italy 1987
33.	A. Ourmazd, W, Schroeter, Appl. Phys. Lett., 45 (7), 781 (1984)
34.	D. Lecrosnier, J. Paugam, G. Peious, F. Richou, M. Salvi, J. Appl. Phys,, 52 (8), 5090(1981)
Mag. Marjan Maček ISKRA MIKROELEKTRONIKA LJUBLJANA, Stegne 15d