Виды поверхностных загрязнений и дефектов

Наличие на планарной поверхности полупроводниковой подложки различных загрязнений приводит к резкому снижению процента выхода годных изделий.

Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-химическим свойствам и характеру их взаимодействия с основными полупроводниковыми материалами, на которых они находятся [4].

По физико-химическим свойствам загрязнения могут быть органические, неорганические, солевые, ионные, механические и др.

По характеру взаимодействия с материалом подложки загрязнения делят на физически и химически адсорбированные.

К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения и пр.), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции.

Среди всех видов загрязнений особое внимание следует уделять органическим загрязнениям, так как они при нагревании разлагаются и выделяют газообразные вещества (кислород, оксид и диоксид углерода, пары воды и др.), которые в значительной степени ухудшают последующие технологические процессы (диффузии, эпитаксии, осаждения защитных диэлектрических пленок и др.).

К химически адсорбированным загрязнениям в первую очередь следует отнести различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности полупроводниковых подложек, а также катионы и анионы химических веществ.

Наиболее распространённым видом дефекта является наличие сквозных отверстий (пор) в Si₃N₄ и SiO₂.

Кристаллографические дефекты. Чистота и совершенство материала подложек особенно важны для предотвращения образования таких дефектов в эпитаксиальных слоях. Несмотря на предосторожности, предпринимаемые при очистке подложки перед эпитаксиальным ростом, на её поверхности остаются механические нарушения, островки SiO₂, пылинки и другие загрязнения.

Эти загрязнения влияют различным образом: увеличивают или уменьшают скорость роста или зарождения ступенек, становятся причиной образования зародышей структурных несовершенств, замедляют движение ступенек по поверхности слоя и обуславливают появление дислокаций. Оказавшись замурованными в кристаллическую решётку слоя, поверхностные загрязнения вызывают появление деформаций. Таким образом, загрязнения оказывают существенное влияние на появление дислокаций, ямок травления, дефектов упаковки, выступов или пирамид, конусов и поликристаллических областей.

Наиболее распространёнными дефектами в монокристаллическом кремнии являются краевые дислокации [5], образование которых вызывается несовершенством расположения атомов в локализованных областях кристалла. Схема краевой дислокации в решётке кремния показана на рисунке 2.1.

Точки пересечения линий — это отдельные атомы. Атомы, находящиеся в обычной кристаллографической плоскости, соединены прямыми линиями. Искажение решётки в плоскости B вызывается тем, что ряд атомов AB заканчивается на B. Если ниже плоскости рисунка располагаются другие плоскости, в точности похожие на первую (показанную), то нижний край атомной плоскости (часть которой есть AB) будет представлять собой линию, перпендикулярную плоскости рисунка. Эта линия называется краевой дислокацией. Дислокации могут действовать как центры осаждения инородных атомов или примесей, которые присутствуют в решётке кремния. Эти примеси движутся к дислокациям, так как при этом происходит уменьшение деформации решётки вокруг дислокаций. Образующиеся таким образом области с повышенным содержанием примесей ухудшают электрические характеристики приборов.

Если поверхность подложки была тщательно очищена, число дислокаций в растущем слое и подложке будет практически одинаковым. При использовании хорошо очищенных подложек с низкой плотностью дислокаций вредное влияние дислокаций можно свести к минимуму.

Другими часто встречающимися дефектами эпитаксиальных слоёв являются дефекты упаковки. Рост монокристаллического эпитаксиального слоя состоит из зарождения центров кристаллизации, присоединения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое целое. Если какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он служит исходной точкой развития дефекта упаковки, ибо окружающие его атомы в процессе последующего роста также будут сдвинуты относительно многоатомных слоёв всего объёма. Дефекты упаковки на поверхности эпитаксиального слоя образуют плоские фигуры в виде равносторонних или равнобедренных треугольников, квадратов, прямых линий, незамкнутых треугольников и квадратов. Иногда образуются сложные формы: комбинации треугольников и линий, квадратов и линий. В конце каждой линии присутствует дислокация. Форма дефектов упаковки зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. В слоях, выращенных на подложках, которые ориентированы по плоскости (111), дефекты упаковки проявляются в виде равносторонних треугольников и отдельных углов. На слоях с ориентацией (110) возникают равнобедренные треугольники, на плоскости (100) — квадраты и их комбинации.

Холмики, или пирамиды, появляются во многих формах. Дефект может либо иметь единственную наивысшую или наинизшую точку в центре, либо состоять из двух пирамид или даже из одной. Часто с этими выступами связаны дефекты упаковки. Предполагается, что причины образования выступов и дефектов упаковки связаны с наличием примесей. При максимальной концентрации примесей эпитаксиальный слой оказывается полностью покрытым пирамидами и конусами, и при дальнейшем наращивании плёнка становится поликристаллической.

Вследствие термических упругих напряжений, возникающих из-за неоднородного распределения температуры по толщине и площади пластины, появляются линии скольжения. При температурах наращивания упругие напряжения оказываются достаточными для генерации дислокаций и их миграции, которая сопровождается пластическим течением кристалла и образованием линии скольжения. Если при пластической деформации на поверхности возникают ступеньки, то при наращивании эпитаксиального слоя на них могут образовываться дефекты упаковки. При достаточно высоких термических напряжениях генерация и движение дислокаций, образование линий скольжения и дефектов упаковки происходит в течение всего процесса наращивания.