Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Исследование нарушений структуры кремния, возникающих при химико-механическом полировании

Диссертация: Исследование нарушений структуры кремния, возникающих при химико-механическом полировании
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В работе изучалась одна из составляющих процесса ХМПсиловое воздействие на поверхность пластин наночастиц диоксида кремния. Такое локальное воздействие переводит некоторую массу кремния в более высокое энергетическое состояние. Последующие реакции — взаимодействие с водой и щелочью и переход образовавшихся соединений кремния в раствор дополняют процесс съема поверхностных слоев. Результаты… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ НА СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
    • 1. 1. Факторы, влияющие на чистоту и качество поверхности пластин кремния
    • 1. 2. Абразивный износ, связанный с процессами хрупкого разрушения при механической обработке
    • 1. 3. Абразивный износ, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности, при химико-механическом полировании
    • 1. 4. Влияние дефектов структуры на электрические параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем
    • 1. 5. Постановка задач исследований
  • ГЛАВА 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ. .38 2.1. Рентгеновские методы исследования дефектов структуры в объеме и приповерхностных слоях полированных пластин кремния
    • 2. 2. Просвечивающая электронная микроскопия дефектов
    • 2. 3. Методика определения нарушенного слоя с помощью измерения механической прочности
    • 2. 4. Метод непрерывного вдавливания индентора. Основы метода и возможности применения в микроэлектронике
    • 2. 5. Выводы
  • ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И КАЧЕСТВА ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ В ПЛАСТИНАХ КРЕМНИЯ
    • 3. 1. Исследование приповерхностных слоев методами рентгеновской топографии
    • 3. 2. Исследование приповерхностных слоев методами просвечивающей электронной микроскопии
    • 3. 3. Исследование остаточных нарушений с помощью метода непрерывного вдавливания индентора
    • 3. 4. Определение остаточных внутренних напряжений в приповерхностном слое кремния на стадии съема при
    • 3. 5. Разработка атомного механизма процесса ХМП
    • 3. 6. Химические реакции в процессе ХМП
    • 3. 7. Выводы
  • ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
    • 4. 1. Использование неразрушающих рентгеновских методов исследования дефектов структуры для корректировки технологии производства пластин кремния большого диаметра
    • 4. 2. Механическая прочность утоненных с обратной стороны пластин кремния с приборными структурами

Исследование нарушений структуры кремния, возникающих при химико-механическом полировании (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В современном полупроводниковом производстве тенденция увеличения диаметра кремниевых пластин, используемых для изготовления СБИС и ССИС, продолжает оставаться одним из наиболее существенных элементов увеличения производительности и снижения цены изделия, приведенной к одному квадратному сантиметру кристалла. Это достигается за счет увеличения числа кристаллов на пластине с увеличением ее диаметра [1], снижения минимального топологического размера элементов памяти и, соответственно, увеличения емкости динамической оперативной памяти запоминающего устройства (ДОЗУ) [2].

По прогнозам специалистов [3, 4] в производстве интегральных схем основным материалом ближайшего десятилетия будет оставаться кремний. Увеличение объема выпуска кремниевых пластин в ближайшее время будет обеспечиваться в основном за счет выпуска пластин кремния диаметром 150 мм, 200 мм и 300 мм с перераспределением объема выпуска в пользу последних. Требования к качеству пластин кремния большого диаметра определяются в основном применением проекционных методов прецизионной микролитографии субмикронных размеров, используемой для создания СБИС и ССИС. По мере уменьшения размеров элементов и увеличения степени интеграции СБИС, сопровождающихся уменьшением толщины подзатворного диэлектрика до нескольких нанометров, структура приповерхностного слоя границы раздела и поверхности пластин кремния начинают оказывать определяющее влияние на характеристики подзатворного диэлектрика [46, 51].

Целью настоящей работы являлось: сформулировать представления о структуре приповерхностных слоев в пластинах кремния после химико-механического полирования.

В первой главе проведен аналитический обзор литературных данных о процессе химико-механического полирования и о влиянии дефектов структуры на электрические параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе формулируются основные требования к методам исследования приповерхностных слоев пластин кремния. Разрабатывается комплексный подход к исследованию приповерхностных слоев, основанный на сочетании методов рентгеновской топографии, просвечивающей электронной микроскопии, а также метода непрерывного вдавливания индентора.

В третьей главе приводятся результаты комплексного исследования приповерхностных слоев кремниевых пластин различными взаимодополняющими методами. Разрабатывается алгоритм расчета нормальных напряжений, действующих в области контакта наночастицы с поверхностью кремния, и относительного пересыщения межузельными атомами кремния в области контакта. Предлагается разработанная на основе этого алгоритма качественная модель формирования нарушенных слоев при проведении процесса химико-механического полирования.

В четвертой главе дается описание практической реализации результатов работы для исследования дефектов структуры и корректировки технологии производства пластин кремния.

В конце диссертации приведены основные выводы.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Комплекс исследований нарушений структуры кремния, возникающих при проведении процесса ХМП;

2. Алгоритм расчета нормальных напряжений, действующих в области контакта наночастицы с поверхностью кремния, и относительного пересыщения межузельными атомами кремния в области контакта;

3. Качественная модель образования нарушенных слоев в пластинах кремния при проведении процесса химико-механического полирования;

4. Комплекс методик для исследования нарушений структуры в приповерхностных слоях кремниевых пластин.

Общие выводы.

1. Структура поверхностного слоя подложки, прошедшей стадию предварительного полирования, является аморфно-кристаллической, а после стадии финишного полирования аморфной. Толщина этих слоев составляет 0,1ч-0,3 мкм и 0,02-Ю, 03 мкм, соответственно. Разрешающая способность использованных средств визуализации — не хуже 0,1 мкм для метода рентгеновской топографии при скользящих углах падения и 0,19 нм для просвечивающей электронной микроскопии с прямым разрешением решетки.

2. Образование аморфной фазы, не обладающей дальним порядком, обусловлено значительным пересыщением по межузельным атомам кремния. Ее возникновение связано с локальным воздействием больших сжимающих напряжений (до 300 МПа) и высокой моментной температуры (Т ~ 600°С) в области контакта наночастиц с поверхностью кремния.

3. Качественно модель формирования аморфной фазы подтверждается корреляцией результатов измерений параметров структуры (разупорядоченности структуры и глубины нарушений) с расчетами механических свойств и остаточных внутренних напряжений приповерхностных слоев.

4. Следствием результатов исследований явилось практическое использование разработанных методик выявления возникающих при ХМП пластин кремния нарушений структуры и их глубины для факультативного контроля пластин, а также для получения утоненных пластин со сформированными структурами. Акты об использовании результатов прилагаются к диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Подложки кремния являются началом длинного пути превращения кремния в интеллектуальный продукт. Их качество, в том числе свойства приповерхностных слоев подложек, во многом определяют возможности достижения поставленной цели.

Информация о нарушениях поверхностных слоев кремния, возникающих при проведении процесса ХМП подложек в действующем производстве, была получена при исключительном благоприятствовании и поддержке ведущих сотрудников ОАО «Элма», Институтов Кристаллографии и Машиноведения РАН, ГИРЕДМЕТ, а также сотрудников МИТХТ. Это позволило не только существенно дополнить картину явлений, происходящих при этом виде обработки, но и дает надежду на повышение качества и выхода годных в производстве ИС.

В работе изучалась одна из составляющих процесса ХМПсиловое воздействие на поверхность пластин наночастиц диоксида кремния. Такое локальное воздействие переводит некоторую массу кремния в более высокое энергетическое состояние. Последующие реакции — взаимодействие с водой и щелочью и переход образовавшихся соединений кремния в раствор дополняют процесс съема поверхностных слоев. Результаты исследования изложены ниже как общие выводы.

Показать весь текст

Список литературы

  1. К., Орликовский А. Технологии СБИС. Основные тенденции развития. Часть 1. Электроника: Наука, технология, бизнес — 1996, № 5−6, с.3−11.
  2. К., Орликовский А. Технологии СБИС. Основные тенденции развития. Часть II. Электроника: Наука, технология, бизнес 1997, № 1, с.3−14.
  3. Ю.Д., Пекарев А. И., Бурмистров А. Н. Производство кремниевых подложек для больших интегральных схем // Зарубежная электронная техника. 1986, вып.4, с.72−80.
  4. М. Watanabe. Technical trends in large diameter silicon wafers // Solid State Technology 1991, No. 3, pp. 69−73.
  5. Ю.А., Литвинов Ю. М., Фаттахов Э. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982 — 240 с.
  6. К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Пер. с англ. М.: Мир, 1984 — 475 с.
  7. В.О. Kolbessen, Н.Р. Strank. Analysis electrical effects and prevention of process induced defects in silicon integrated circuits // In «ULSI electronics microstructure science». 1995, v. 12, Ch. 4, pp. 143−222.
  8. K. Akamatsu, T. Nakamura, N. Arakawa. Mirror polishing of Si-wafers // J. Jap. Appl. Soc. Precis. Eng. 1989., v. 55, No. 6, pp. 10 851 090.
  9. R. Jairath, A. Pant, T. Mallon, B. Withers, W. Krusel. Linear planarization for CMP // Solid State Technology 1996, No. 10, pp. 107−114.
  10. K.E. Puttick, L.C. Whitemore, C.L. Chao, A.E. Gu. Transmission electron microscopy of nanomachined silicon crystals // Philosoph. Mag. 1994, v. 64, No. 1, pp. 91−103.
  11. С.Ф., Приходько A.B., Соколов Ю. В. Низкотемпературные образования фазы Si IV при индентировании поверхности кремния // Укр. физ. журн. 1990, т. 35, № 10, с. 1537−1542.
  12. R.W. Cahn. Metallic solid silicon // Nature 1992, v. 357, No. 6380, pp. 645−646.
  13. D.R. Clarke, M.C. Kroll, P.D. Kirchner, R.F. Cook, B.J. Hockey. Amorfization and conducivity of silicon and germanium induced by identation // Phys Rev. Lett. 1988, v. 60, No. 21, pp. 2156−2159.
  14. S. Johansson, J.A. Schweitz, K.P. Lagerlof. Surface defects in polished silicon studied by cross-sectional transmission electron microscopy // J. Amer. Ceram. Soc. 1989, v. 72, No. 7, pp. 11 361 139.
  15. K. Minowa, K. Sumino. Stress-induced amorphization of a silicon crystal by mechanical scratching // Phys. Rev. Lett. 1992, v. 69, No. 2, pp. 320−322.
  16. J.C. Morris, D.L. Callagan, J. Kulik, J.A. Patten, R.O. Scattergood. Origins of ductile regime in single-point diamond turning of semiconductors // J. Amer. Ceram. Soc. 1995, v. 78, No. 8, pp. 2015−2020.
  17. G.M. Pharr, W.C. Oliver, D.S. Harding. New evidance for pressure induced phase transformation during the indentation of silicon // J. Matter. Res. 1991, v. 6, No. 6, pp. 1129−1130.
  18. T.Shibata, A. Ono, K. Kurihara, E. Makino, M. Ikeda. Cross-section transmission electron microscope observations of diamond-turned single-crystal silicon surface // Appl. Phys. Lett. 1994, v. 65, No. 20, pp. 2553−2555.
  19. С.И., Алехин В. П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. — 224с.
  20. М.A. El Khanaki, М. Chaker, М.Е. O’Hern, W.C. Oliver. Linear dependence of both the hardness and the elastic modulus of pulsed laser deposited a-SiC-films upon their Si-C bond density // J. Appl. Phys. 1997, v. 82, No. 9, pp. 4310−4318.
  21. C.W. Liu, B.T. Dai, C.F. Yeh. Characterization of the chemical-mechanical polishing process based on nanoindentation measurement of dielectric films // J. Electrochem. Soc. 1995, v. 142, No. 9, pp. 3098−3103.
  22. W.T. Tseng, C.W. Liu, B.T. Dai, C.F. Yeh. Effects of mechanical characteristics on the chemical-mechanical polishing of dielectric thin films // Thin Solid Films 1996, v. 290−291, pp. 458−463.
  23. A.G. Evans, T.R. Wilshaw. Quasi-static solid particle damage in brittle solids. I. Observation, analysis and implications. // Acta Metallurgica 1976, v. 24, No. 10, pp. 939−956.
  24. D.J. Watts, A.F.W. Willoughby. Indentation fracture in the Ini. x GaxAsyPi.y/InP system and its effect of microhardness anisotropy characteristics // J. Mater.Sci. 1998, v. 23, No. 1, pp. 272−280.
  25. I.J. McColm. Ceramic hardness. Plenum Press
  26. Ю.А., Никаноров С. П. Упругие свойства и силы связи кристаллов с решеткой алмаза и сфалерита. ФТТ 1984, т. 26, в. 11, с. 3224−3232.
  27. С.С., Литвинов Ю. М. Вязкость и поверхностная энергия разрушения монокристаллов ГГГ и арсенида галлия // Тез. докл. V Республиканской конференции «Физика разрушения» г. Черновцы 1985 г., с. 127−129.
  28. Ю.М. Трещиностойкость полупроводниковых соединений АШВУ: влияние ионности и металлизации связей // Тез. докл. VI Всесоюзной конференции «Физика разрушения» г. Киев-1989, с. 26−27.
  29. M.D. Dory, R.H. Dauskardt, A. Kaut, R.O. Ritchie. Fracture of synthetic diamond // J. Appl. Phys. 1995, v. 78, No. 5, pp. 30 833 088.
  30. Yu.V. Milman, B.A. Galanov, S.I. Chugunova. Plasticity characteristic obtained through hardness measurement // Acta metall mater. 1993, v. 41, No. 9, pp. 2523−2532.
  31. Y. Kondo, A. Tsukuda, A. Takada, S. Okada. Grinding forces and elastic recovery in ceramic materials // J. Amer. Ceram. Soc. 1994, v. 77, No. 6, pp. 1653−1654.
  32. A. Krell, P. Blank. Advances in the grinding efficiency of sintered alumina abrasives // J. Amer. Ceram. Soc. 1996, v. 79, No. 3, pp. 763−769.
  33. И.Г., Аюпов Б. М., Журавлев B.H., Гибнер Я. И. Ультрадисперсные системы для финишной полировки // Электронная промышленность 1996, в. 1, с. 56−57.
  34. М.В., Стасова О. М., Калякина Т. М. Химико-механическая полировка завоевывает прочное положение в технологии микроэлектроники. // Зарубежная электронная техника 1996, в. 3−4, с. 53−77.
  35. Р. Jairath, I. Farkas, S.K. Huand, M. Steell, S.M. Tseng. Chemical-mechanical polishing // Solid State Technology 1994, No. 7, pp. 7177.
  36. C.W. Liu, B.T. Dai, W.T. Tseng, C.F. Yeh. Modelling of the wear mechanism during chemical-mechanical polishing // J. Electrochem. Soc. 1996, v. 143, No. 2, pp. 716−721.
  37. S.R. Runnels. Feature-scale fluid-based errosion modeling for chemical-mechanical polishing // J. Electrochem. Soc. 1994, v. 141, No. 7, pp. 1900−1904.
  38. И.В. Трение и износ. М.: Машгиз, 1962. — 383с.
  39. Н. Mikoshiba, N. Nishio, Т. Matsumoto, Н. Kikuchi, Т. Kitano and Н. Kaneko. Defect Engineering in Semiconductor Growth and Device Technology // Material Research Society 1992, p. 629.
  40. Sun S. Kim and W. Wijaranakula // J. Electrochem. Soc. 1994, v. 141, p. 1872.
  41. T. Nitta, T. Ohmi, Y. Ishihara, A. Okita, T. Shibata, J. Sugiura and N. Ohwada // J. Appl. Phys. 1990, v. 67, p. 7404.
  42. К. Miyoshi, К. Terashima, Y. Muramatsu, N. Nishio, T. Murotani, S. Saito // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1997, v. В 127/128, pp. 68−81.
  43. M. Hirose, M. Hiroshima, T. Yasaka, S. Miyazaki // J. Vac. Sci. Technol. 1994, v. 12 A, p. 1864.
  44. M. Niwa, T. Kouzaki, K. Okada, M. Udagawa, R. Sinclair // Jpn. J. Appl. Phys. 1994, v. 33, p. 388.
  45. M. Depas, A. Crossley, B. Vermeire, P.W. Mertens, C.J. Sofield, M.M. Heyns // In: Proc. of the 26th IEEE Semicond. Interf. Specialists Conference -1995, Charleston.
  46. R.I. Hedge, M.A. Chonco, P.J. Tobin // J. Vac. Sci. Technol. 1994, v. 14 B, p. 3299.
  47. M. Houssa, T. Nigam, P.W. Mertens, M.M. Heyns // Solid-State Electronics 1999, v. 43, pp. 159−167.
  48. A.M., Александров П. А., Имамов P.M. Рентгенодифракционная диагностика субмикронных слоев. М., Наука 1989,152 с.
  49. В.Ф. Отчет по НИР «Разработка неразрушающей рентгенотопографической методики оценки структурного совершенства тонких мембранных композиций». М., ГИРЕДМЕТ -1994,51 с.
  50. С.В. Совершенствование изоляции и уменьшение токовых утечек в структурах СБИС. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1997, 123 с.
  51. Пух В. П. Прочность и разрушение стекла. Л.: Наука, 1973.
  52. К. McGuire, S. Danyluk, T.L. Baker, J.W. Rupnow, D.McLanghlin. The influence of backgrinding on the fracture strength of 100 mm (111) p-type silicon wafers // J. Mater. Sci. 1997, v. 32, No. 14, pp. 1017−1024.
  53. Л.Д., Пугачев Г. С. Измерение прочности листового стекла на гибкой пластине. // Заводская лаборатория 1967, т. 33, № 12, с. 1572−1574.
  54. Ю.А., Кузьмин А. А., Фаттахов Э. А., Шевченко Г. Я. Установка для испытаний на прочность полупроводниковых материалов. // Заводская лаборатория 1973, т. 39, № 8, с. 10 131 014.
  55. W.C. Oliver, G.M. Pharr: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displasement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. 1992, v. 7, No. 6, pp. 15 641 583.
  56. G.M. Pharr, W.C. Oliver: Measurement of thin film mechanical properties using nanoindentation // MRS Bulletin 1992, v. 17, No. 7, pp. 28−33.
  57. M. Sakai: Energy principle of the indentation-induced inelastic surface deformation and hardness of brittle materials // Acta metall. Mater. -1993, v. 41, No. 6, pp. 1751−1758
  58. Y. Ogita, Y. Hosoda, М. Miyazaki. Mirror-polishing residual damage characterization in the subsurface of Si wafers using N2-laser /mm-wave photoconductivity amplitude technique // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1997, v. 477, pp. 209−214.
  59. X. Zhang, Y.Y. Zhang, Y. Zohar, S. Lee. Investigation on subsurface damage in silicon wafers // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1997, v. 442, pp. 199−204.
  60. Y. Ogita, H. Shinohara, Т. Sawanobori, M. Kurokawa. Silicon wafer subsurface characterization with blue-laser/microwave an UV-laser/millimeter-wave photoconductivirty techniques // Proc. SPIE -1998, v. 3509, pp. 65−73.
  61. C.M. Cheng, Y.T. Cheng. On the initial unloading slope in indentation of elastic-plastic solids by the indenter with an axisymmetric smooth profile // Appl. Phys. Lett. 1997, v. 71, No. 18, pp. 2623−2625.
  62. Y.T. Cheng, C.M. Cheng. Scaling approach to conical indentation in elastic-plastic solids with work hardering // J. Appl. Phys. 1998, v. 84, No. 1284−1291.
  63. Y.T. Cheng, C.M. Cheng. Relationships between hardness elastic modulus and the work indentation // Appl. Phys. Lett. 1998, v. 73, No. 5, pp. 614−616.
  64. S. Suresh, A.E. Giannakopoulos. A new method for estimating residual stresses by instrumented sharp indentation // Acta mater. -1998, v. 46, No. 16, pp. 5755−5767.
  65. Ю.И., Тюрин А. И., Михеев А.А.: Исследование динамики дефектов структуры полупроводниковых материалов методом наноиндентирования // Международная конференция по росту и физике кристаллов. Москва, МИСиС, 1998, с. 172.
  66. С.П., Гудьер Дж.: Теория упругости. Москва, Наука, 1979−560 с.
  67. Алехин В.П.: Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. Москва, Наука, 1983 280 с.
  68. Т. Okino, Т. Shimosaki, R. Takaue. Self-interstitials in silicon // Jap. J. Appl. Phys. Pt. 1 — 1997, v. 36, No. l 1, pp. 6591−6594.
  69. V.H. Bulsara, Y. Ahn, S. Chandrasekar, T.N. Farris. Polishing and lapping temperatures // Trans. ASME J. Tribology 1997, v. 119, No. l, pp. 163−170.
  70. J. Vedde, P. Gravessen. The fracture strength of nitrogen doped silicon wafers // Material Science and Engeneering 1996, В 36, pp. 246 250.
  71. С. McHatton, C.M. Gumbert. Elimination backgrinding defects with wet chemical etching // Solid State Technology 1998, v. 41, No. 11, pp. 85−90.-
  72. Annual Book of ASTM Standards, 1999, v. 10.05, ASTM F 950−98, pp. 315−319.
  73. T. Ikeda, N. Miyazaki, K. Kudo, K. Amita, H. Yakiyama. Failure estimation of semiconductor chip during wire bonding process // Trans. ASME. J. of Electron. Pack. 1999, v. 121, No. 2, pp. 85−91.
  74. A.C. Макаров, С. А. Неустроев, Ю. М. Литвинов, М. Ю. Литвинов. Атомный механизм процесса химико-механического полирования пластин кремния // Известия ВУЗов. Электроника. -2000, № 3, с.34−37.
  75. УТВЕРЖДАЮТриложение 1 Зам. ген. директора по производству1. А.А. Кузьмин-2000 г. 1. Актоб использовании результатов диссертационной работы Макарова Антона Сергеевича «Исследование нарушений структуры, возникающих при химико-механическом полировании»
  76. УТВЕРЖДАШриложение 2 Генеральный директор2000 г. 1. Н.И. Марков1. Актоб использовании результатов диссертационной работы Макарова Антона Сергеевича «Исследование нарушений структуры, возникающих при химико-механическом полировании»
  77. Вед. инж.-технолог ООО «Эл:1. A.M. Дьячков/
Заполнить форму текущей работой

На отлично!