IT8023526A1 - Procedimento per l'assorbimento di contaminanti, difetti o simili in un corpo semiconduttore - Google Patents

Procedimento per l'assorbimento di contaminanti, difetti o simili in un corpo semiconduttore Download PDF

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Description

D E S C R I Z I O N E
dell'invenzione avente per titolo:
"Procedimento per l'assorbimento di contaminanti, difetti o simili in un corpo semiconduttore"
Riassunto dell'invenzione
I contaminanti contenuti in un wafer semiconduttore, in cui devono essere formati dispositivi quali un circuito'integrato, sono assorbiti da regioni del wafer attivate da un raggio laser. Il raggio laser ? diretto sulla superficie del wafer opposta a quella su cui devono essere formati i dispositivi. L'alimentazione del laser ? controllata in modo tale che la temperatura superficiale della regione del semiconduttore colpita dal raggio laser prima raggiunga il punto di fusione del materiale, ad esempio silicio, e cominci a fondere. Poi, la temperatura della zona fusa aumenta oltre il punto di fusione pur rimanendo al di sotto del punto di ebollizione del materiale del wafer. Si forma una zona fusa surriscaldata. Il risultato ? che l'interfaccia solido-liquido penetra profondamente nel materiale. La zona fusa ? direttamente sotto il raggio laser. Il materiale solidificato si localizza dietro il raggio quando questo si sposta lungo il wafer. Sotto il raggio si forma una depressione, mentre il materiale si solleva dietro il raggio. Questo effetto di depressione del raggio laser fa s? che il raggio penetri relativamente in profondit? nel materiale. La fusione surriscaldata di questo tipo si ? mostrata utile per l?attivazione di centri interni di assorbimento in contrapposizione a danni cristallografici ottenuti con laser ad alta potenza. Questi centri interni di assorbimento, che possono essere complessi di ossigeno o simili, si comportano come siti di assorbimento di impurit? non desiderate durante i successivi trattamenti termici del wafer semiconduttore.
Descrizione dell?invenzione
L'invenzione riguarda i metodi di fabbricazione di circuiti integrati in cui impurit? non desiderate o difetti cristallogra fici sono assorbiti allontanandoli dalle regioni dei dispositivi.
Nella tecnologia dei processi di fabbricazione dei circuiti integrati un fattore economico determinante 6 la resa, cio? la percentuale accettabile del numero totale di chip prodotti.
Spesso, chip sono scartati per il fatto che i dispositivi su di essi non funzionano a causa di correnti di dispersione eccessive. La resa di circuiti integrati complessi ? generalmente di pochi percento. Duo dei principali fattori che influenza la resa ? la presenza di difetti cristallografici nel silicio o negli altri wafer semiconduttori su cui i circuiti integrati sono costruiti. Questi difetti cristallografici sono classificabili in due tipi: i difetti congeniti, quali dislocazioni, mancati impilamenti e grappoli di auto-interstizi e vacanze; e difetti esterni, quali contaminanti di elementi diversi dal substrato semiconduttore. Le dislocazioni sono introdotte dal trattamento ad alta temperatura a causa di condizioni termiche non ideali, vedasi per esempio, K. Morezano e P. S. Glein, J. Appi. Phys. 40, 4104 (1969); S. M. Hu, Appi. Phys. Lett. 22, 261 (1973)), mentre i difetti di impilamento sono introdotti sia durante la crescita epitassiale quando i substrati non sono puliti in modo appropriato (vedasi, come riferim?nto, B. A. Joyce, Rept. Prog. Phys. 37.363-420, 1974), o durante l'ossidazione termica quando il substrrato contiene grappoli di difetti puntiformi che agiscono da punti di nucleazione (vedasi, per esempio, D. J. D. Thomas, Phys. Stat. Solidi 3, 2261 (1963): S. M. Hu, Appi. Phys. Lett. 27, 165 (1976)). I difetti congeniti dovuti alla pulitura, in generale, non sono per nulla dannosi ai fini pratici. Tuttavia essi interagiscono con le impurit? estranee e diventano dannosi. Un esempio ? la formazione di "tubi" di transistor, di solito ritenuti formati da un'intensificazione della diffusione dei droganti di emettitore e subcollettore lungo dislocazioni attraversanti le basi dei transistor (vedasi, per esempio, F. Barson, M. S. Hess e M. M. Boy, J. Electrochem., Soc. 116, 304 (1969); J. H. Plantinga, IEEE Trans. Electron Devices ED-16, 394 (1969)). Un altro esempio ? il ruolo dei grappoli di vacanze/ interstizi, difetti di impilamento, e dislocazioni che agiscono come centri di nucleazioni per la precipitazione di impurit? a diffusione rapida quali il reme (vedasi, per esempio, S. M. Hu e M. R. Poponiak, J. Appi. Phys. 43, 2067 (1972); Phys. Stat.
Solidi (a) 18, KS (1973)), e altre impurit? a diffusione rapida quali ferro, nichel, oro, ecc.
Gi? nel 1960, era stato riconosciuto che i precipitati di impurit? a rapida diffusione quali rame, ferro, nichel, ecc. possono agire nel senso di ricombinare/generare coppie di elettroni-buche, portando correnti inverse di dispersione eccessivamente alte. Ci? riconosciuto, Goetzberger e Shockley (J. ?ppi. Phys. 31, 1831 (I960)) suggerirono per primi l'uso di strati di vetro silicato drogato con boro o fosforo per assorbire queste dannose impurit? (vedasi anche S. W, Ing., Jr., ed al. J. Electrochem. Soc. 110, 553 (1963)).
Mano a mano che il trattamento dei circuiti integrati diventa pi? complesso e lungo, i cambiamenti delle contaminazioni durante le fasi di lavorazione diventano sempre pi? signi ficativi. L'affidarsi all'alta purezza dei wafer di partenza e alla pi? meticolosa pulizia non ? pi? privo di rischi. Pertanto, sono stati proposti altri tipi di assorbimento. Questi comprendono la diffusione di fosforo o boro nei wafer di silicio, per esempio vedasi M. R. Poponiak, W.?. Keenan e R. 0* Schwanker, in Semiconductor Silicon/1973, H. R. Huff e S.R. Burges, editori, p. 701, Electroch?mical Society Softbound Symposium Series, Princeton, N.,J.; R. L. Meek, T. E, Seidel e A. G* Cullis, J.
Electrochem. Soc. 122, 786 (1975); J. L. Lambert e M. Reese, Solid-State Electron. 11, 1055 (1968); modifiche meccaniche sul retro dei wafer, vedasi per esempio E. J. Metz, J. Electrochem. Soc. 112, 420 (1965) e J. E. Lawrence Brevetto statunitense n.
3.905.162, 16 settembre, 1975; impiantamento di ioni, vedasi per esempio T. M. Buck, K. A. Pickar, J. M. Poste e C. M. Hsieh, Appi. Phys. Lett. 20, 485 (1972); Appi. Phya. Lett. 22, 238 (1973) e "Impact Sound Stressing for Semiconductor Devices", brevetto statunitense n. 4.018. 626 concesso il 10 aprile 1977 a G. Schvuttke ed altri. Tutti questi metodi comportano, in un modo o nell'altro, la generazione di certi disordini nei substrati.
Questi disordini, le modifiche meccaniche in particolare, possono spesso propagarsi, attraverso i wafer di silicio, nelle zone dei dispositivi attivi a meno che si effettuino successivi trattamenti termici in condizioni estremamente idealizzate che spesso non possono essere ottenute?
Questi danni sono inoltre spesso difficili da quantificare e da controllare. Nel caso di danni prodotti dall'impiantamento di ioni, gli strati danneggiati sono spesso troppo poco profondi e possono facilmente essere rimossi durante trattamenti successivi, quali l'ossidazione e l'attacco. Inoltre, trattamenti termici non appropriati possono spesso stabilizzare tali difetti da impiantamento, rendendo la successiva procedura di trattamento termico difficile da ottimizzare e adattare
Il brevetto USA 4018626 di Schwuttke e altri e il brevetto USA 4069068 di Beyer a altri suggeriscono l'uso di un laser a scopi di assorbimento delle contaminazioni. Il brevetto USA 4131487 di Pearce e altri ? diretto all'uso di un raggio laser ad alta energia di potenza sufficiente a vaporizzare il materia le semiconduttore e produrre un danno reticolare e sollecitazio ni nel wafer semiconduttore. Entrambi questi brevetti richiedono la produzione di danni reticolari che agiscano da siti di assor bistento.
Uno scopo dell'invenzione ? pertanto quello di creare un metodo per l'assorbim?nto dei contaminanti, difetti o simili da parte di uno delle superfici maggiori del corpo semiconduttore in cui il danneggiamento meccanico, come tale, non ? utilizzato. Centri di assorbimento sono formati mediante l'uso di un raggio laser a potenza controllata in modo tale che il raggio laser possa aumentare la temperatura superficiale del corpo semiconduttore, in corrispondenza del punto di incidenza del raggio, fino al punto di fusione del materiale semiconduttore, -ma al di sotto del punto di ebollizione del materiale semiconduttore.
Il raggio laser ? quindi spostato sulla superficie cosicch? l'interfaccia solido-liquido penetra profondamente nel materiale semiconduttore formando una depressione al di sotto del raggio laser mentre il materiale si innalza dietro il raggio, la Superficie maggiore a cui il raggio laser ? applicato S preferibilmente il lato del corpo opposto a quello su cui sono formati i dispositivi a circuito integrato. Tuttavia, ? possibile e a volte consigliabile utilizzare come superficie il lato del corpo in cui devono essere formati i dispositivi semiconduttori. Con questa ultima alternativa, quando il corpo semiconduttore contiene molti difetti e errori di impilamento, il metodo presente pud essere efficace per ridurre questi difetti ed errori di impilamento nella superficie su cui, per esempio, devono essere formati dispositivi a celle solari.
I disegni mostrano quanto segue.
La fig. 1 ? una topografia ai raggi X di un wafer di silicio inciso con un raggio laser a alta energia.
La fig.. 2 ? una microfoto grafia di certe linee di fig. 1, incise dal laser, dopo trattamenti termici.
La fig. 3 ? ini1illustrazione schematica del metodo della presente invenzione.
La fig. 4 ? una sezione trasversale de11*interfaccia fusio ne-base solida presa perpendicolarmente al percorso del raggio mostrato in fig. 3 in fase d? stato costante.
La figura 5 mostra una topografia ai raggi X di un wafer di silicio con molti passaggi laser secondo la presente invenzione.
La fig. 6 ? una microfotografia di una effettiva passata laser eseguita sul wafer di silicio di fig. 5 secondo la presente invenzione.
Le figg. 7 e 8 sono microfotografie di un wafer..di silicio avente dislocazioni ed errori di impilamento.
La fig. 9 ? una microfotografia del wafer di silicio delle figg. 7 e 8 dopo che il metodo della presente invenzione fu applicato al detto wafer.
Con riferimento specifico alle figg. 1 e 2, ? mostrata una struttura nota per l'assorbimento di difetti a laser ad alta potenza. Un laser ad alta potenza ? spostato attraverso un wafer semiconduttore, ad esempio di silicio. L?energia 3 cosi alta che il materiale ? vaporizzato e un taglio viene ricavato nel wafer. La profondit? del taglio dipende dalla potenza di alimentazione. Il rapido raffreddamento del taglio a seguito della rimozione del raggio laser, introduce piccole fessure nel materiale.
Trattamenti/ termici successivi, durante la lavorazione, generano dislocazioni nel materiale. Queste dislocazioni sono utili come meccanismo di assorbimento nei wafer di silicio per migliorare la vita dei portatori minoritari nei wafer di silicio. La topografia ai raggi X di fig. 1 mostra un wafer inciso in cui le linee o tagli incisi sono chiaramente visibili. E' estremamente critico controllare la potenza in entrata del laser in modo da evitare che tali dislocazioni scorrano fino al lato opposto del wafer su cui devono essere formati dispositivi a circuito integrato. La fig. 2 ? una microfotografia di due di dette linee, mostrate in fig. 1 in cui le dislocazioni prodotte dal danneggiamento da parte del laser si propagano al lato frontale del wafer. Questo effetto di dislocazione provoca una degradazione della vita dei portatori minoritari in un condensatore MOS (linea circolare in fig. 2)'. Questo ? il problema cui si ? alluso nei paragrafi precedenti.
La presente invenzione pu? essere compresa con riferimento alle figg. 3 e 4 in cui viene utilizzata una potenza all'entrata del laser pi? bassa e pi? controllata che non produce la struttura con danni di dislocazione descritta nel paragrafo preceden te..Un corpo o wafer semiconduttore 10, in cui devono essere formati dispositivi quali circuiti integrati, ha un raggio laser 11 diretto sulla sua superficie. La potenza di entrata del laser ? controllata in modo che la temperatura superficiale della regione del wafer o corpo semiconduttore, a cui ? applicato il raggio laser 11, raggiunga prima il punto di fusione del materiale e la fusione inizi nella zona liquida 12. La temperatura nella zana fusa 12 sale oltre la temperatura di fusione, ma si mantiene al disotto della temperatura di ebollizione del materiale del Corpo. Si forma una zona fusa surriscaldata. Il risultato ? che l'interfaccia solido-liquido 13 penetra profondamente nel materiale semiconduttore 10. La zona fusa 12 ? localizzata direttamente sotto il raggio laser 11. Il materiale solidificato 14 ? localizzato immediatamente dietro il raggio laser 11 quando il raggio si sposta lungo il wafer nella direzione della freccia 15. Sotto il raggio 11 si forma una depressione mentre il materiale si solleva dietro il raggio laser come mostrato in fig. 3. Questo effetto di depressione prodotto dal raggio laser fa si che il raggio penetri relativamente in pr?' fondita nel materiale. Una sezione trasversale della zona 12 e del wafer 10 presa perpendicolarmente al percorso del raggio nella fase di stato costante ? mostrata in fig. 4.
Si ? trovato che una zona fusa surriscaldata di questo tipo ? molto utile per l?attivazione di centri interni di assorbimento. Tali centri, per esempio, sono presenti nel silicio, particolarmente quando il wafer contiene complessi di ossigeno. La fig. 4'illustra schematicamente il principio di questo effetto. Se questi complessi di ossigeno sono attivati da impulsi laser termici, essi crescono per costituire centri interni.
Nella fig. 5 ? mostrata una topografia ai raggi X di un wafer di silicio con molte scansioni laser sulla sua superficie, ogni scansione essendo a una distanza reciproca di 0,5 mm. Si noti che questo tipo di fusione e solidificazione superficiale non introduce alcun difetto cristallografico. Pertanto le scan sioni laser non sono visibili nella topografia. Ci? ? l'opposto della situazione discussa in relazione alle scansioni laser ad alta potenza illustrate nelle figg. 1 e 2. Una microfotografia di una scansione con laser a bassa potenza effettuata su silicio secondo la desiderata configurazione ? mostrata in fig. 6.
La fase finale del metodo della presente invenzione ? l'applicazione di calore per effettuare il movimento dei difetti, contaminanti o simili verso i centri di assorbimento intei: ni. La fase di riscaldamento pub essere una fase di riscaldamento distinta da qualsiasi altro successivo trattamento del corpo semiconduttore. Alternativamente, quando i centri di assorbimento sono formati nel semiconduttore prima di tutte o della maggior parte delle fasi di fabbricazione dei circuiti integrati, la fase ad alta temperatura pu? essere semplicemente costituita dalle fasi di trattamento richieste per la formazione dei circuiti integrati. Per esempio, l'ossidazione del silicio ? normalmente usata nella formazione dei circuiti integrati e comporta temperature da 970?C a 1000*C. Il deposito epitassiale richiede temperature di oltre 1000*C. La ricottura dopo il deposito di alluminio comporta temperature di 400*C.
Per quanto si pud comprendere al momento, il principio dell'assorbimento mediante la formazione di zone fuse surriscal date con ?'uso di un laser a potenza controllata comporta almeno due diversi meccanismi di assorbimento. Il primo meccanismo comporta l'attivazione di centri interni di assorbimento median te l'uso d? parametri laser ottimizzati per attivare nel silicio, ad esempio, centri contenenti complessi di ossigeno. Con l'uso di questa tecnica ? preferibile applicare il laser al lato posteriore del wafer o corpo di silicio quando le strutture a circuito integrato devono essere formate sul lato frontale del corpo o wafer semiconduttore. Deve essere compreso che il metodo ? utile nella fabbricazione di transistor bipolari, dispositivi transistori ad effetto di campo del tipo ossido metallicosemiconduttore, o simili. Il secondo meccanismo di assorbimento comporta la dissoluzione dei difetti cristallografici. Questo meccanismo ? particolarmente valido quando il corpo semiconduttore ha una superficie che contiene molti errori di impilamento e altri difetti. Il risultato del processo di formazione di una zona fusa surriscaldata su tale superficie ? uno strato superficiale privo di difetti che ? creato dalla dissoluzione dei difetti cristallografici nella zona fusa seguita dalia risolidificazione.
La tecnica di dissoluzione dei difetti cristallografici ? particolarmente utile per migliorare l'efficienza delle celle solari semiconduttrici. Ad esempio, nella fabbricazione di celle solari al silicio, si usa comunemente silicio di basso costo. Tale silicio presenta normalmente un'elevata densit? di difetti cristallografici, quali confini dei grani, dislocazioni e geminati e un'alta concentrazione di impurit? metalliche. La formazione di zone fuse surriscaldate pud essere usata per deattivare i confini dei grani, per dissolvere le dislocazioni e gli errori di impilamento. Cos? il processo sopra descritto pud essere utilizzato per migliorare l'efficienza delle celle solari. In aggiunta, il detto processo pud essere usato per adattare il profilo della concentrazione dei droganti di un.corpo semiconduttore prima della formazione del dispositivo a cella solare*
Le condizioni preferite per il processo di formazione di una zona fusa surriscaldata mediante laser, sono nel caso di un laser Nd : YAG :
La densit? di energia pu? essere alquanto aumentata al diminuire delle dimensioni del punto
Il miglioramento della qualit? del corpo o wafer semicondottore pud essere valutato in relazione alla caratteristica di durata dei portatori minoritari. La durata dei portatori minoritari nel silicio ? misurata usando un condensatore KOS.
La durata ? determinata in base alla risposta del transitorio C - T (capacit?-tempo) dei dispositivi KOS come ? descritto, per esempio, da W. S. Fahrner e altri in J. Electrochem. Soc. 123, 100 (1976). L'efficienza del processo a fusione surriscaldata mediante laser pu? essere valutata comparando le durate dei portatori minoritari in una met? del wafer trattata con laser rispetto l?altra met? del wafer non trattata. Cid e illustrato nella Tabella I.
La Tabella I mostra la distribuzione della durata per la met? trattata con laser e la met? non trattata. Per la met? non trattate, la resa in durate superiori a 1 ?s ? del 18,2%? Per la met? trattata la resa sale all'82,9%. La durata media aumenta da 0,57 ys per la parte non trattata fino a 298 ys per la parte trattata?
L'uso dell'assorbimento con laser per dissolvere i difetti cristallografici e migliorare cos? la durata dei portatori minoritari S illustrato nella Tabella II.
La tabella II mostra che la durata dell*esempio 1 ? molto bassa e.attorno a 0,01 ?s nell'area che non ? stata trattata col processo di fusione surriscaldata e indicata in tabella con densit? di energ?a 0.
La bassa durata deriva dall'alta densit? di dislocazione e difetti di impilamento nello strato impiantato con ioni durante il processo MOS. I campioni erano wafer di silicio (100) drogati con boro a 2 ?/cm. Questi campioni furono poi impiantati con argo a 30 Kev con il dosaggio indicato in tabella II.
Le figg. 7 e 8 mostrano dislocazioni e difetti di impilamento tipici nei wafer impiantati con ioni prima del processo d? fusione surriscaldata mediante laser .
Le aree nell'esempio 1, che sono state trattate col processo di fusione surriscaldata mediati te laser mostrano un sostanziale aumento nella durata dei portatori minoritari. Le durate hanno valori di 4,54 e 7,35 ?s per le aree trattate con densit? di energia di 4,3 e 4,7 J/cm , rispettivamente.
Ci? mostra che il processo di fusione surriscaldata mediante laser provoca un aumento della durata dei portatori minoritari di circa 500 volte rispetto alle aree non trattate, il miglioramento dipende dalla formazione di uno strato impiantato 1 privo di difetti generato dalla formazione delle zone fuse surriscaldate.
La fig. 9 ? una microfotografia della superficie di silicio dopo il processo di fusione surriscaldata mediante laser.
La tabella II mostra anche la durata dei portatori minoritari per dei gruppi (esempi 2 - 6) con dosaggio di ioni impiantati di 1014 - 1016 ioni/cm2. La durata dei portatori minoritari di questi esempi, misurata con la tecnica MOS C - t dopo 11impiantamento, ma prima del trattamento di fusione ? molto bassa e nella gamma 0,001 - 0,002 ?s. Ci? deriva dalla generazione di dislocazioni e di difetti di impilamento nello strato impiantato con ioni come mostrato nelle figg. 7 e 8.
Questo gruppo di campioni ? quindi sottoposto al processo di fusione surriscaldata mediante laser con densit? di energia compresa fra 3,4 e 4,7
2
J/cm . Lo stato iniziale di questi campioni ? diverso da quello dell'esempio 1.
Nell'esempio 1 lo stato iniziale ? uno strato superficiale amorfo dovuto ai danneggiamenti dell'impiantamento. D'altra parte, lo stato Iniziale per gli esempi 2 - 6 ? uno strato superficiale ad
alta densit? di dislocazioni ed errori di impilamento generati dai danneggiamenti dell'impiantamento ionico durante il trattamento ad alta temperatura del processo di fabbricazione MOS?
Come indicato in tabella 1, le aree trattate con il processo di fusione surriscaldata hanno, in generale, una durata della vita dei portatori minoritari, circa 100 volte superiore a quella delle aree non trattate (indicate con densit? di energia zero).
Mentre ? stata illustrata e descritta una forma di realizzazione particolare dell'invenzione, deve essere compreso che non si intende limitarsi alla particolare forma e metodo qui descritti e si riserva il diritto a tutte le modifiche e cambiamenti

Claims (10)

R I V E N D I C A Z I O N I
1. Processo per assorbire contaminanti, diletti o slmili su di una delle superfici maggiori di un corpo semiconduttore comprendente le ?asi di dirigere un raggio laser su detta superficie di detto corpo, controllare la potenza di detto raggio l?ser in modo che detto raggio laser aumenti la temperatura superficiale oltre il punto di fusione del materiale semiconduttore ma al di sotto della temperatura di ebollizione del materiale semiconduttore, spostare detto raggio laser su detta superficie in modo che l'interfaccia solido-liquido penetri profondamente nel materiale semiconduttore formando una depressione al di sotto di detto raggio laser mentre il materiale si innalza dietro detto raggio laser, riscaldare detto corpo semiconduttore ad una temperatura e per un tempo sufficiente ad assorbire detti contaminanti in centri di assorbimento.
2. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui detto semiconduttore ? silicio.
3. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui detta superficie maggiore ? il lato del corpo semiconduttore opposto a quello su cui devono essere formati i dispositivi a circuiti integrati.
4. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui detta superficie maggiore ? il lato del corpo semiconduttore su cui devono essere formati i dispositivi semiconduttori.
5. Processo secondo la rivendicazione 4 in cui detti dispositivi sono celle solari al silicio.
6. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui detto spostamento di detto raggio laser provoca l'attivazione di centri interni di assorbimento spostati al disotto della superficie su cui il detto raggio laser ? spostato.
7. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui la distanza fra le linee di spostamento del raggio laser ? compresa fra circa 0,1 e circa 4 mm.
8. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui detto semiconduttore ? silicio e la densit? di energia fornita da detta potenza ? compresa fra 2
circa 5 e 10 J/cm .
9. Process? secondo la rivendicazione 1 in cui d?tto laser ? un laser neod?mio-YAG con una lunghezza d'onda di 1,06 ?m.
10. Processo secondo la rivendicazione 9 in cui detto semiconduttore ? silicio, la distanza fra le linee di spostamento di detto raggio laser ? compresa fra circa 0,5 e 4 mm e la densit? di energia fornita da detta potenza ? compresa fra circa 5 e 10 J/cm 2
IT23526/80A 1979-11-13 1980-07-18 Procedimento per l'assorbimento di contaminanti,difetti o simili in un corpo semiconduttore IT1150028B (it)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/093,485 US4257827A (en) 1979-11-13 1979-11-13 High efficiency gettering in silicon through localized superheated melt formation

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