Член-корреспондент НАН Беларуси, д.т.н.,профессор Л.И. Гурский,

д. т. н.,с. н. с. В.А. Зеленин¹, инженер Л.П. Ходарина¹

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Белоруссия

¹ Физико-технический институт НАН Беларуси

Взаимодиффузия атомов кремния и алюминияв контактных окнах интегральных микросхем

Рассмотрены процессы взаимодифузии атомов, протекающие на границе раздела Si/Al при термообработке структур Si/SiO₂/Al. Показано, что атомы кремния, диффундируя по границам зерен пленки алюминия, преодолевают значительные расстояния от контактных окон. Так, при термообработке при 770 К в течение 10 мин площадь контура диффузии атомов кремния в пленку алюминия на 2 порядка превышала площадь вскрытого в SiO₂ окна. Предварительное легирование пленки алюминия кремнием (0,5-1,5 мас. %) не оказывает заметного влияния на скорость диффузии атомов кремния.

Показано, что на границе раздела Si/Al происходит замещение разрывающих связи с кристаллической решеткой атомов кремния атомами алюминия. На основании известных представлений о строении идеальных (001), (110) и (111) поверхностей монокристалла кремния, о распределении и связях поверхностных атомов с кристаллической решеткой разработана компьютерная модель процесса формирования ямок на различных поверхностях кремния. В основу модели положено то обстоятельство, что при удалении с идеальной поверхности монокристалла одного или нескольких атомов часть оказавшихся на вновь образованной поверхности атомов, вследствие обрыва связей с удаленными, менее прочно связана с решеткой. Программа позволяет выявлять и в автоматическом режиме удалять менее прочно связанные с решеткой атомы.

Проведенный с помощью разработанной программы анализ процесса формирования ямок показал, что в случае удаления атомов, расположенных вблизи дна ямки, обязательно появляется, по крайней мере, один слабосвязанный атом. Его удаление приводит к появлению следующего, также слабосвязанного атома. В случае удаления атомов, расположенных вблизи исходной поверхности пластины, цепочки слабосвязанных атомов более короткие. Их удаление заканчивается формированием ямки стабильной конфигурации, все поверхностные атомы которой прочно связаны с кристаллической решеткой. Скорость взаимодифузии атомов кремния и алюминия контролируется при этом стадией разрыва связей атомов кремния с кристаллической решеткой. На поверхности (111) кремния ямки стабильной конфигурации в плане имеют форму треугольника.

Установлено, что в треугольном контуре ямки, сторона которого содержит п атомов, общее количество поверхностных атомов равно сумме последовательных чисел от 2 до п-1, т. е.

S_n =[ 2 + (п - 1)]× п / 2. (1)

При количестве поверхностных атомов в контуре ямки на исходной поверхности 3п отношение всех поверхностных атомов ямки, принадлежащих нижележащим плоскостям к поверхностным атомам ямки, принадлежащим исходной поверхности, составляет

S_n : 3п = (п + 1) / 6. (2)

Полученное выражение свидетельствует о том, что глубина ямки будет увеличиваться на величину одного расстояния между плоскостями (111) решетки кремния при увеличении длины стороны основания ямки примерно на 6 - 7 расстояний между плоскостями (110) решетки. Именно при соблюдении этого условия количества поверхностных атомов ямки, принадлежащих каждой плоскости, и вероятности начала процесса в каждой из них выравниваются.

Исследовано влияние кристаллографической ориентации окон прямоугольной формы на процессы формирования ямок при термообработке структур Si/SiO₂/Al. Установлено, что при ориентации длинной стороны окон вдоль направления [11] в плоскости (111) кремния формирующиеся при температурах до 673 К ямки выступают за контур окна, образуя примыкающие к длинным его сторонам фигуры в виде равнобедренной трапеции или треугольника. При ориентации окон вдоль направления [10] контуры формирующихся треугольных ямок всегда выходят за пределы окон только в направлении [2], что полностью соответствует результатам, полученным методом моделирования.

В случае регулярного расположения окон уход ямок за их контуры более выражен у окон, расположенных в крайних рядах регулярных структур. Меньшие скорости формирования ямок в окнах, расположенных в центральных рядах структур, свидетельствует о диффузионном контроле протекающих процессов, т. е. о том, что скорости формирования ямок ограничиваются стадией отвода атомов кремния по границам зерен пленки алюминия. Поскольку отвод атомов кремния от окон, расположенных в центральных рядах, затруднен, то и скорости образования ямок в них снижаются.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования и установлены основные закономерности влияния ориентации окон в SiO₂ на конфигурацию и скорость формирования ямок на поверхности кремниевых пластин при термообработке структур Si/SiO₂/Al. Учет полученных результатов при проектировании топологии кремниевых интегральных микросхем с глубиной залегания p-n переходов менее 1 мкм позволит повысить их термостабильность и надежность.

Литература:

1.Патент РБ № 8451 от 29.05.06 г. С.Ф.Сенько, В.А.Зеленин, В.А.Емельянов, А.И.Белоус. Способ резки слитков кремния на пластины. Заявка №.а20030504 от 10 июня 2003 г. МПК 7 H01L 21/304, 21/302, B28D 5/02.