УДК 621.3.049.77.621.373.826

ПИЛИПЕНКО В.А







ПОНОМАРЬ В.Н.







ГОРУШКО В.А.

МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ГЕТТЕРИРОВАНИЯ
БЫСТРОДИФФУНДИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ

УП БЕЛМИКРОСИСТЕМЫ НПО Интеграл,
220108, Беларусь, г. Минск, ул. Корженевского 12, тел.: (0172) 212-37-41,
факс: (0172) 278-28-22, E-mail: office@bms.by

Технология субмикронных интегральных микросхем (ИМС) предъ-
являет высокие требования к различным материалам и прежде всего к
кремнию. Большую роль при этом играет наличие в нем точечных дефек-
тов и загрязняющих примесей, таких как медь, железо, никель хром, на-
трий и др. Это приводит к снижению выхода годных ИМС из-за неконтро-
лируемого процесса дефектообразования в области активных слоев. Ис-
пользование методов геттерирования позволяет снизить проявление этих
негативных явлений. Однако процессы геттерирования имеют низкую
управляемость, обладают недостаточной эффективностью и применитель-
но к технологии субмикронных ИМС недостаточно изучены. Наиболее
перспективным является метод, основанный на использовании непрерыв-
ного лазерного излучения. В данном случае геттерирующий слой создает-
ся в вследствие действия двух факторов: высоких термических напряже-
ний на границе жидкая - твердая фаза и наличия самой жидкой фазы в
области обработки в течение длительного времени при воздействии лазер-
ного излучения. При этом с нерабочей стороны пластины возникают на-
пряжения растяжения, что противоположно эффекту Тваймана, связанно-
му с возникновением напряжений вследствие механических нарушений
кристаллической решетки с нерабочей стороны пластины. Важной особен-
ностью метода лазерного геттерирования является отсутствие обратного
потока быстродиффундирующих примесей из геттерирующего слоя в объ-
ем пластины как при проведении самого процесса, так и последующих
высокотемпературных обработках.
Для моделирования процесса геттерирования рассмотрим основные
явления сопутствующие данному процессу. Обработка непрерывным ла-
зерным излучением нерабочей стороны пластины с плотностью мощности
5,5·105 Вт/см2 и шагом сканирования 200 мкм сопровождается возникно-
вением в кремнии значительных термических напряжений. При после-
дующем длительном высокотемпературном воздействии напряжения ре-
лаксируют с образованием в слое кремния толщиной h*<<h дислокаций и

кислородных преципитатов, которые являются ловушками для примесных
атомов и точечных дефектов. Для простоты будем полагать, что ловушки в
геттерирующем слое и быстродиффундирующие примеси по толщине пла-
стины распределены равномерно, а их концентрации Nло и Ni составляют
соответственно:
Nло = Nл(х, 0), (1)
Niо = Ni(x, 0) I = 1,2,...,n, (2)
Поскольку примесные атомы в первую очередь будут захвачены
ловушками на границе геттерирующий слой-подложка, то их концентра-
ция в этой области быстро уменьшится и при х=h* будет равна
Ni(h*,t) = 0. (3)
Возникший градиент концентрации примеси будет способствовать даль-
нейшей ее диффузии из объема пластины в геттерирующий слой. Данный
процесс в области h*≤х≤ h описывается системой диффузионных уравне-
ний Фика
Ni/t = Di2Ni/x2, I = 1,2,...,n, (4)
Граничное условие при x=h имеет следующий вид:
Ni/xx=h = 0. (5)
Расположим начало системы координат на границе раздела гетте-
рирующий слой-подложка и ось х направим в сторону рабочей поверхно-
сти пластины. Интегрируя выражение (4), получим
h
N
2
i(x,t) = Noi(4Dit)-1/2 {exp[-(x - x) /4Dit] - exp[-(x + x)2/4Dit]}dx. (6)
0
Введем следующие обозначения:
= х/[2(Dit)1/2], (7)
= (h-x)/[2(Dit)1/2], (8)
= (h+x)/[2(Dit)1/2]. (9)
Тогда выражение (6) примет вид


Ni(x,t) = Noi()-1/2 exp(-U)2dU + Noi()-1/2 exp(-U)2dU - Noi()-1/2
-
0

exp(-U)2dU. (10)
0
Проведя интегрирование выражения (10) получим:
Ni(x,t) = Noi[erf + 1/2(erf - erf ). (11)
Подставляя значения , и в выражение (11), имеем
Ni(x,t) = Noi{erf х/[2(Dit)1/2] + 0,5erf (h - x)/[2(Dit)1/2] -

- 0,5erf (h + x)/[2(Dit)1/2]}. (12)
Выражение (12) описывает изменение концентрации быстродиф-
фундирующей примеси в объеме пластины в результате ее диффузии в
геттерирующий слой. Качество эпитаксиальных пленок и ИМС в большой
степени зависит от состояния поверхностного слоя кремния с рабочей сто-
роны пластины, следовательно, в первую очередь необходимо добиваться
уменьшения в нем Ni. Полагая в (11) x=h получаем выражение, описы-
вающее изменение поверхностной концентрации быстродиффундирующей
примеси на рабочей стороне пластины в процессе геттерирования
Ni(h,t) = Noi{erf [h(4Dit)-1/2] - 0,5erf [h(Dit)-1/2]}. (13)
Для расчета температуры и времени необходимых для проведения
процесса геттерирования введем понятие "критерий геттерирования", под
которым будем понимать процесс, в результате которого исходная концен-
трация быстродиффундирующей примеси уменьшается на два порядка:
Ni(h,t)/Noi≤10-2. (14)
Это условие означает, что практически вся загрязняющая примесь из объ-
ема пластины перешла в геттерирующий слой. Расчет, проведенный для
примесных атомов меди согласно выражению (13) с учетом изменения их
коэффициента диффузии от температуры
D =4·10-2exp(-1,0/kT), (15)
показал, что геттерирование целесообразно проводить при температуре
1100 оС и времени не менее 20 мин. Использование более низких темпера-
тур не приводит к полной релаксации термических напряжений с образо-
ванием дислокаций в геттерирующем слое, что уменьшает сток и захват
им быстродиффундирующих примесей.
Геттерирование идет до тех пор, пока выполняется условие:
Niгh*≥Ni(x,t)h, (16)
Это означает, что процесс диффузии примесей в геттерирующий слой
ограничен ее исходной концентрацией в пластине и емкостью геттера.
Если
Noi>N h*/h, (17)
i
то процесс геттерирования идти не будет.
Таким образом, предлагаемая модель позволяет описать процесс ла-
зерного геттерирования и обосновать параметры (температуру и время),
необходимые для эффективной диффузии загрязняющей примеси к гетте-
рирующему слою, что дает возможность получать высококачественные
исходные кремниевые пластины и тем самым снизить дефектность в ак-
тивных областях интегральных микросхем.