СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H01L21/304 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронной технике и может быть использовано в технологии обработки подложек из кремния для создания на них дискретных приборов и интегральных микросхем.

Известен способ подготовки поверхности пластин кремния, включающий резку слитка на пластины, шлифование и полирование поверхности связанным и свободным абразивом, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны подложек, на которой в результате последующих технологических операций формируются активные области приборов [1]
Недостатки этого способа в том, что, во-первых, при его реализации вблизи рабочей стороны пластин образуются структурные нарушения типа кластеров собственных точечных дефектов и примесей; во-вторых, сохраняется присущая слиточному материалу высокая концентрация фоновых примесей, содержание которых может повышаться из-за взаимодействия с технологическими средами и в процессе механической обработки поверхности, и, в-третьих, из-за большого количества операций механической и химической обработок он является низко производительным.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ подготовки поверхности пластин кремния, включающий резку слитка на пластины, химическое травление нарушенного резкой слоя, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин [2]
Отсутствие в способе [2] операций абразивного шлифования и полирования повышает производительность обработки подложек, а также благодаря этому снижает вероятность введения новых (дополнительных к ростовым) дефектов в материал, предотвращает процессы хрупкого микро- м макроразрушения пластин (в способе [1] чаще всего это происходит на этапе шлифования поверхности после резки), т.е. увеличивает процент выхода годных пластин по сравнению с [1]
Недостаток способа [2] принятого за прототип к заявляемому, в том, что он не позволяет снизить концентрацию дефектов-кластеров и фоновых примесей вблизи рабочей стороны пластин. Образование примесно-дефектных кластеров наиболее интенсивно происходит при химико-механическом полировании (ХМП) поверхности вследствие взаимодействия собственных точечных дефектов кремния, возникающих в зоне обработки, между собой и атомами легирующих и фоновых (например, углерод) примесей. Из-за высокой подвижности вакансий и собственных междоузельных атомов кремния глубина слоя с кластерами в несколько раз превышает толщину структурно разупорядоченного (аморфизированного) приповерхностного слоя, который обычно удаляют при последующем химико-динамическом полировании (ХДП). Наличие кластеров и примесей вблизи рабочей стороны кремниевых пластин приводит к появлению структурных нарушений в создаваемых на следующих операциях эпитаксиальных, диэлектрических и металлических пленках, что оказывает негативное влияние на электрические и функциональные свойства формируемых приборов.

Технический результат снижение концентрации дефектов и примесей вблизи рабочей стороны пластин кремния.

Поставленная задача достигается тем, что в способе подготовки поверхности пластин кремния, включающем резку слитка на пластины, химическое травление нарушенного резкой слоя, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин, после химико-механического полирования на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2-5 раз превышающей глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя, а последующее химико-динамическое полирование проводят в водном растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5-2 раза большую толщины слоя пористого кремния.

Новой, не обнаруженной при анализе патентной и научно-технической литературы совокупностью признаков в заявляемом способе является то, что после химико-механического полирования на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2-5 раза превышающей глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя, а последующее химико-динамическое полирование проводят в водном растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5-2 раза большую толщины слоя пористого кремния. Последовательная реализация указанных признаков является существенной для достижения поставленной задачи изобретения снижения концентрации дефектов и примесей вблизи рабочей стороны пластин кремния.

Технический результат при использовании заявляемого способа достигается благодаря тому, что сформированный анодной обработкой в растворе фтористоводородной слой кислоты пористого кремния, имеющий толщину, в 2-5 раз превышающую глубину нарушенного при ХМП слоя, аккумулирует в себе удаляемые затем при ХДП дефекты (аморфизированную зону и примесно-дефектные кластеры) от полирования, не внося новых структурных нарушений в материал. Кроме того, в процессе формирования пористого кремния и последующего его стравливания в растворах КОН или NaOH (которое проводится при температуре 40-80^oC), а также дополировывания поверхности монокристаллического кремния таким образом, чтобы общий съем материала составлял слой, в 1,5-2 раза больший толщины пористого кремния, обеспечивают в совокупности эффективное снижение вблизи рабочей стороны подложек концентраций простейших точечных дефектов, включая фоновые примеси (геттерирование слоем пористого кремния) и кластеров. Одновременно при этом вследствие малых (приблизительно 1-2 мкм/мин) скоростей травления в КОН или NaOH формируется высококачественная рабочая поверхность подложек.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. После резки слитка на пластины с заданной кристаллографической ориентацией, очистки и отмывки поверхности проводят ХМП в суспензиях аэросила, двуокиси циркония или цеолита рабочей стороны. После отмывки пластины размещают в электролитической ячейке с электролитом на основе 10-48%-ного раствора фтористоводородной кислоты. Пластины кремния служат анодом, а катодом пластины из платины. Через ячейку пропускают постоянный электрический ток плотностью 10-20 мА/см² и формируют на рабочей стороне подложек слой пористого кремния толщиной, в 2-5 раза превышающий глубину нарушенного при ХМП слоя. Толщину структурно нарушенного слоя для данных режимов и условия обработки (тип суспензии, режимы полирования и т.п.), а также данного типа материала (марки кремния) определяют предварительно экспериментально любым из известных методов (электронная микроскопия, металлография, рентгеноструктурный анализ и т.д.) или используют результаты опубликованных исследований [2] Затем пластину с рабочей стороны подвергают химико-динамическому полированию в подогретом до 40-80^oC растворе КОН или NaOH с концентрацией 40-60% используя для этого устройства типа "Колокольчик", "Конус" или их аналоги [2] При ХДП наряду с удалением слоя пористого кремния осуществляют и суперфинишное полирование монокристаллической подложки. Общая толщина удаляемого слоя должна в 1,5-2 раза превышать толщину слоя пористого кремния. После полирования, отмывки и сушки поверхности пластины передают на следующие технологические операции формирования активных областей приборов или интегральных микросхем.

Необходимые для реализации заявляемого способа толщины слоев пористого кремния и удаляемого затем динамическим полированием материала были определены авторами экспериментально на подложках кремния марок КДБ-0,005, КДБ-12, КДА-0,06 и КЭС-0,01. Подложки готовили по технологии способа [2] после резки слитков на станке "Алмаз-4" или 24.05 на пластины с ориентацией поверхности [111] или [001] их подвергали двухстороннему ХДП в травителе состава HNO₃(70% ): HF(49% ):CH₃COOH(лед) 5:1:1 на глубину 35±5 мкм. Далее на станке В1М3.105.000 пластины с рабочей стороны химико-механически полировали суспензиями аэросила или двуокиси циркония со съемом слоя толщиной 6±1 мкм. После этого электронографически, по рентгеновским топограммам, на рентгеновском трехкристалльном спектрометре и селективным травлением в хромовом травителе определяли толщину структурно нарушенного слоя, а также глубину, на которой сосредоточены примесно-дефектные кластеры, возникающие при ХМП. Установлено, что на образцах, полированных суспензией аэросила, толщина аморфизированного слоя составляет 1,5-2,2 мкм, а толщина области с кластерами 3-7 мкм. На пластинах, полированных суспензией двуокиси циркония, эти толщины, соответственно, равны 0,1-0,4 мкм и 8-5 мкм. С учетом этих данных на последующем этапе анодной обработки в 30%-ной HF формировали слои пористого кремния различной толщины на рабочей после ХМП стороне пластин. Толщины слоев варьировали от 1 до 25 мкм. Затем пористый кремний динамически сполировывали в 40-60%-ных растворах КОН или NaOH на различную глубину при температуре 60-89^oС. Качество поверхности, степень дефектности и примесный состав приповерхностных слоев вблизи рабочей стороны пластин определяли методами оптической микроскопии, по картинам селективного травления, на рентгеновском трехкристалльном спектрометре и с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) на установке MIQ-256.

Результаты выполненных экспериментов показали следующее.

1. При толщинах слоев пористого кремния, сравнимых или меньших глубины нарушенного ХМП слоя, после ХДП сохраняется высокая концентрация примесно-дефектных кластеров вблизи рабочей стороны кремниевых пластин. Оптимальной толщиной слоя пористого кремния является величина из интервала толщин, в 2-5 раза превышающих глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя. Причем большую толщину пористого кремния (в 5 раз по сравнению с глубиной дефектного слоя) следует использовать в случае материалов с высоким исходным уровнем легирования. Дальнейшее увеличение толщины пористого кремния не целесообразно из-за снижения производительности способа подготовки подложек.

2. Оптимальная толщина слоя, сполировываемого при ХДП, должна быть в 1,5-5 раз больше толщины слоя пористого кремния, поскольку при меньших толщинах не удается получить качественную поверхность подложек при полировании в растворах КОН или NaOH с концентрациями компонентов до 60% и температуре 60-80^oC, а увеличение толщины более чем в 2 раза не оказывает уже влияния на качество поверхности. Кроме того, именно для указанного интервала толщин по масс-спектрам вторичных ионов зафиксирован наибольший эффект геттерирования фоновых примесей (углерод, медь, натрий, калий, кальций, хром, железо) слоем пористого кремния в процессе выращивания и сполировывания последнего.

Позитивные возможности заявляемого способа иллюстрируют следующие примеры его практической апробации.

Пример 1. Слиток кремния марки КДБ-0,005 разрезали на пластины с ориентацией поверхности [111] часть из которых затем обрабатывали по способу-прототипу [2] глубокое двухстороннее ХДП, химико-механическое полирование суспензией аэросила и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин в растворе HNO₃:HF:CH₃COOH 40:1:1. Другую партию пластин обрабатывали по заявляемому способу: после ХМР на рабочей стороне анодной обработкой в 30%-ном растворе HF выращивали слои пористого кремния различной толщины, который затем сполировывали в КОН (60%) при 60^oC на различную глубину. На подготовленных обоими способами пластинах затем методом ВИМС исследовали примесный состав кремния вблизи рабочей стороны, а также плотность примесно-дефектных кластеров, выявляемых селективным травлением в хромовом травителе.

Полученные результаты представлены в табл. 1 и на чертеже. В табл. 1 приведены значения средней по поверхности и дисперсия плотности ямок травления соответствующих кластерам дефектов в зависимости от толщины слоя пористого кремния при постоянной глубине химико-динамически сполированного в КОН слоя, равной 15 мкм. На чертеже показано изменение концентраций, наиболее важных с точки зрения негативного влияния на свойства приборов фоновых примесей в зависимости от толщины слоя, снимаемого при химико-динамическом полировании, и при постоянном значении толщины пористого кремния, равной 30 мкм.

Как видно из представленных данных табл. 1, резкое снижение плотности кластеров наблюдается в случае, когда толщина слоя пористого кремния (ПК) на рабочей стороне составляет 15 мкм, т.е. удвоенное значение, глубины нарушенного после ХМП слоя (приблизительно 7 мкм) (см. выше). С дальнейшим увеличением толщины ПК снижение плотности кластеров, достигая минимума, практически не изменяется. Зависимости концентраций фоновых примесей также достигают минимума и стабилизируют свои значения при съеме материала в процессе ХДП, начиная с толщин 7-10 мкм, и наиболее четко проявляются при толщинах 15-30 мкм (см. фиг. 1). Снижение концентрации кластеров и примесей в приповерхностных слоях кремниевых подложек обусловливает и уменьшение дефектов в материале на последующих технологических операциях. Об этом свидетельствуют данные, приводимые в следующем примере.

Пример 2. На пластинах кремния марки КДБ-12 (001), подготовленных по способу-прототипу (см. выше) и по заявляемому способу: химико-механическое полирование суспензией двуокиси циркония, формирование пористого кремния толщиной 6 и 25 мкм (взяты значения, соответствующие границам толщин пористого кремния по заявляемому способу при глубине нарушенного ХМП слоя, равной 3-5 мкм) и суперфинишное полирование в NaOH (60%) при 65^oC на глубину, соответственно, 12 и 37-38 мкм. Далее пластины обеих партий (12 шт. в каждой) отжигали в течение 1 часа в потоке влажного кислорода при температуре 1420 К. После этого селективным травлением выявляли окислительные дефекты упаковки (ОДУ) вблизи рабочей стороны пластин, плотность которых и дисперсию по поверхности определяли на металлографическом микроскопе МИМ-7.

Полученные результаты приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, заявляемый способ позволяет существенно снизить среднее значение и разброс по поверхности плотности ОДУ благодаря геттерированию примесей и дефектов слоем пористого кремния, а также реализации условий химико-динамического суперфинишного полирования в растворах КОН или NaOH. Снижение плотности окислительных дефектов упаковки, а также концентрации фоновых примесей и, прежде всего, атомов щелочных металлов (фиг. 1) при использовании заявляемого способа обеспечивает повышение выхода годных полупроводниковых структур, изготавливаемых как по КМОП-, так и биполярной технологии.

Таким образом, как показывают результаты практической апробации, применение заявляемого способа обеспечивает достижение поставленной цели изобретения. ТТТ1

Использование: изготовление подложек из монокристаллического кремния для создания на них дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем в микроэлектронике. Сущность изобретения: при изготовлении подложек монокристаллического кремния по известной технологии, включающей резку слитка на пластины, химическое травление и химико-механическое полирование, на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2:5 раз превышающей глубину нарушенного слоя от химико-технического полирования, а последующее химико-динамическое полирование проводят в растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5:2 раза большую толщины слоя пористого кремния. Технический результат - снижение плотности дефектов и примесей в приповерхностных слоях подложек кремния и повышение процента выхода годных. 1 ил., 2 табл.

Способ подготовки поверхности пластин кремния, включающий резку слитка на пластины, химическое травление нарушенного резкой слоя, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин, отличающийся тем, что после химико-механического полирования на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористо-водородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2 5 раз превышающей глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя, а последующее химико-динамическое полирование проводят в водном растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5 2 раза большую толщины слоя пористого кремния.