109

4.7 ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ

Диэлектрические пленки двуокиси кремния (SiO2), применяемые при производстве БИС, используются:

¾для получения маскирующего окисла сквозь специально сформированные окна, в которые проводят диффузию примесей в кремний;

¾как источник диффузии в кремний, для чего слой двуокиси кремния легируют примесями;

¾как подзатворный диэлектрик МОПили МНОП-транзисторов;

¾для электрической изоляции шин одна от другой;

¾для общей поверхностной изоляции полностью изготовленной БИС. Нитрид кремния (SiN4) применяется в МДП ИС как подзатворный диэлек-

трик, как маска для выполнения таких технологических операций, как диффузия различных примесей и окисление кремния, для общей поверхностной изоляции полностью изготовленной БИС.

Дефекты ухудшают электрические и изоляционные свойства диэлектрических слоев, вызывая отказ ИС или их потенциальную ненадежность.

Дефекты различных типов часто вводятся во время изготовления или нанесения диэлектрических пленок или проведения связанных с этими процессами технологических операций (подготовка поверхности и фотолитография). Эти дефекты могут быть объединены в две основные группы:

¾локализованные дефекты структуры и состава;

¾химические и физические нелокализованные дефекты.

4.7.1Локализованные дефекты структуры и состава диэлектрических слоев

Загрязнения (пыль, продукты реакции) в газовых потоках или на поверхности подложки при проведении технологической операции изготовления диэлектрического слоя приводят к образованию в последнем пустот, пятен тонкого, диэлектрика, частичных или сквозных пор, бугорков.

110

Пузырьки газа, которые могут создаваться во время пиролитического осаждения в присутствии зародышевых загрязняющих частиц, могут ослаблять диэлектрическую прочность окисла, образовывать поры в окисле.

Причиной образования локализованных дефектов служит реакция инородных частиц или микрокристаллов с твердым телом (подложкой, диэлектриком).

При определенных условиях окислы и стекла могут расстекловываться в локальных областях, поражая при этом целостность пленки и снижая ее диэлектрическую прочность.

Топографический рисунок на подложке, покрываемой диэлектрической пленкой, может служить причиной дефектов в наносимой пленке (пятна тонкого диэлектрика поверх острых кромок, разрыв пленки в углах у основания крутых ступенек), что приводит к электрическим замыканиям в ИС.

4.7.2 Химические и физические нелокализованные дефекты

Химическое несовершенство диэлектрической пленки заключается в отклонениях состава пленки от стехиометрического, неправильном процентном соотношении компонентов, присутствии дополнительных компонентов в двойных или многокомпонентных материалах, загрязнении поверхности диэлектрической пленки, приводящей к проводимости поверхности.

Неправильный состав бывает причиной появления аномальной толщины, может чрезмерно увеличить напряжение в различных диэлектрических слоях, вызвать плохую адгезию, повышенную гигроскопичность в случае большой концентрации бора или фосфора в соответствующих стеклах. Для фосфора критичная концентрация в окисле - в пределах 3-5%. Все это становится причиной изменения и ухудшения таких важных механических и электрических свойств пленки, как тепловое расширение, объемное и поверхностное сопротивление, диэлектрическая прочность, изменение плотности заряда, появление токов утечки и др. Частая причина дефектообразования - остаточные напряжения в диэлектрических пленках. Термическое расширение - главный фактор, определяющий величину и характер остаточных напряжений на границе раздела между слоями диэлектрика, на границе раздела между диэлектриком и металлизацией, на гра-

111

нице раздела между диэлектриком и кремниевой подложкой. Наличие остаточных напряжений приводит к образованию трещин в диэлектрических пленках.

Многие исследования посвящены вопросу дефектности диэлектрических слоев, при этом введено понятие дефектности, или сплошности, покрытия (число пор на единицу площади), характеризующее маскирующую способность пленок при диффузии примесей. Пониженная сплошность защитных пленок приводит к неконтролируемому проникновению диффузанта в те участки кристалла, которые должны быть защищены от него, что вызывает брак, обычно обнаруживающийся только после завершения формирования планарных структур на пластине.

Определен допустимый предел пористой дефектности покрытий (0,2 мм-2 или 20 см2), выше которого защитные свойства пленок резко снижаются.

Установлено, что макродефекты типа пор образуются в окисле непосредственно при его росте в процессе термического окисления кремния. На структурных дефектах поверхности подложки (металлургического происхождения или в результате механических повреждений) и в области локальных химических загрязнений резко изменяется кинетика роста окисла, что приводит к зарождению сквозных пор. Сквозные поры типа трещин могут появляться и при охлаждении пластин после окисления, ввиду повышенного уровня механических напряжений в окисле, обусловленных несоответствием коэффициентов термического расширения подложки и покрытия.

Наличие пор ухудшает свойства окисла и с точки зрения его электрической и механической прочности, что становится наиболее заметным на заключительных этапах изготовления ИС: при формировании контактной системы, скрайбировании и термокомпрессионном присоединении выводов. Увеличение токов утечки при формировании контакта алюминиевого слоя с кремнием происходит в результате попадания алюминия в сквозные поры при его напылении или выжигании.

При внешнем механическом воздействии, скрайбировании, ломке пластин и термокомпрессионном присоединении выводов возникают новые и развиваются уже имеющиеся трещины. Вследствие этих процессов неизбежно возникает проводимость по порам и повышается вероятность электрического пробоя по

112

внутреннему дефекту в окисле. Изменение степени дефектности окисных слоев в зависимости от некоторых технологических факторов показано в табл. 22.

Таблица 22 Изменение распределения пор в окисле в результате проведения основных технологических операций

Данные о степени пористости различных диэлектрических пленок на кремниевых подложках представлены в табл. 23. Лучшей сплошностью обладает термический окисел кремния. Окислы кремния, получаемые другими методами, и пленки нитрида кремния характеризуются значительным количеством сквозных пор. При создании двухслойных диэлектрических систем, например, формированием дополнительного слоя свинцово-силикатного стекла сплошность та кого покрытия резко улучшается, даже в том случае, если исходный окисел обладал высокой пористостью.

113

Таблица 23 Степень пористости диэлектрических пленок на кремниевых подложках

Как говорилось выше, повышение внутреннего напряжения в диэлектрических слоях приводит к возникновению дефектов в этих слоях.

Укажем меры, способствующие снижению внутренних напряжений в диэлектрических слоях, полученных на кремниевых подложках:

¾при уменьшении скорости охлаждения с 200 до 1 °С/мин происходит уменьшение напряжений в 2 раза;

¾окисление во влажном кислороде дает меньшее напряжение, чем в сухом;

¾введение в растущую пленку SiO2 атомов бора или фосфора уменьшает напряжение примерно в 2 раза, а введение атомов свинца позволяет выращивать практически ненапряженные слои;

¾напряжение падает с уменьшением толщины пленки так, что участки с SiO2, прилегающие к границе, оказываются под меньшими деформациями;

¾снижение температуры процесса нанесения пленки снижает термические напряжения в пленке;

¾окисление пластин кремния, имеющих различные ориентации (100) и (111), не дает разницы в уровне напряжений.