СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК Российский патент 1997 года по МПК H01L21/302 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам обработки поверхности пластин-подложек и может быть использовано в производстве подложек для изготовления интегральных схем и дискретных полупроводниковых приборов.

Одна из проблем технологии изготовления подложек получение пластин с высоким качеством рабочей (т.е. на которой формируют затем активные области полупроводниковых приборов) поверхности и с минимальной концентрацией структурных дефектов при отсутствии внутренних механических напряжений. Наличие последних повышает вероятность образования дефектов как на этапе подготовки подложек, так и на последующих операциях эпитаксии, легирования, окисления и т.п.

Известен способ изготовления подложек, преимущественно кремниевых и германиевых, включающий резку слитков на пластины, механическое шлифование и полирование, очистку поверхности от следов обработки, а также отжиг, который проводят после этих операций в диапазоне температур, значения которых ниже температуры начала пластической деформации материала пластин, но превышают 350^oC [1] Проведение отжига после различных этапов механической обработки в способе [1] обеспечивает частичную релаксацию остаточных упругих напряжений за счет перестройки дефектов в структурно-нарушенных слоях и одновременно может снижать плотность дефектов.

Недостаток данного способа в том, что он применим только к материалам, имеющим достаточно высокую температуру начала пластической деформации (более 350^oC. Его нельзя использовать, например, для изготовления подложек из антимонида галлия или антимонида индия, имеющих низкие температуры плавления (712 и 525^oC соответственно) и вследствие этого низкий температурный предел пластичности. Кроме того, для полупроводниковых соединений отжиг при температурах выше 350^oC может сопровождаться нарушением стехиометрического состава материала подложек.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является широко используемый в технологии способ подготовки полупроводниковых подложек, включающий механическое шлифование и полирование отрезанных от слитка пластин, очистку их поверхности от следов обработок в различных средах с использованием ультразвука, стимулирующего процесс очистки, и химико-механическое полирование (ХМП) рабочей стороны подложек [2] Иногда в зависимости от технологии изготовления данного типа полупроводниковых изделий в качестве финишной операции применяют химико-динамическое полирование рабочей стороны подложек.

Недостаток способа в том, что при финишном химико-механическом полировании в приповерхностном слое подложек возникают структурные нарушения, которые могут проникать на значительные глубины и не удаляются при последующем химико-динамическом травлении. Это, прежде всего, кластеры точечных дефектов и примесей (легирующих и фоновых), глубина залегания которых сравнима с диффузионной длиной пробега собственных междоузельных атомов и (или) вакансий в полупроводника и может достигать 10-30 мкм. На последующих технологических операциях кластеры служат центрами зарождения дефектов упаковки (окислительных, эпитаксиальных), генераторами дислокационных петель или источниками неравновесных точечных дефектов, трансформирующих структуру подложек, а в конечном счете, влияющих на электрофизические свойства подложек и создаваемых на них приборов, обуславливая деградацию и нестабильность их функциональных параметров.

Технический результат от реализации изобретения повышение качества подложек за счет снижения концентрации структурных дефектов.

Это достигается тем, что в способе подготовки полупроводниковых подложек, включающем механическое полирование и очистку поверхности с использованием ультразвука, химико-механическое полирование рабочей стороны подложек, после механического полирования и очистки поверхности на рабочей стороне подложек путем селективного или анизотропного химического травления на глубину нарушенного слоя формируют микрорельеф и обрабатывают подложки ультразвуком в течение 2,5-3,0 ч в деионизированной воде, а затем не позднее, чем через сутки проводят химико-механическое полирование для удаления микрорельефа на рабочей стороне подложек.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

После механической полировки поверхности пластин алмазными пастами типа АСМ (как правило, финишную механическую полировку рабочей стороны заканчивают пастами АСМ-1 или АСМ-0,5) и очистки поверхности от остатков абразива, клеящих мастик, минеральных компонентов и т.п. которую проводят, в частности, и с использованием ультразвука, подвергают селективному или анизотропному химическому травлению для создания на рабочей стороне микрорельефа. При этом глубина химического травления должна быть не меньше толщины нарушенного полированием слоя. Далее пластины размещают в кассетах и обрабатывают ультразвуком в деионизированной воде в стандартных ультразвуковых моечных установках, например, типа УЗМУ-1 при частоте 44 кГц. Длительность обработки выбирают из интервала 2,5 3,0 ч (150 180 мин). Отметим, что очистку после полирования проводят обычно в течение 3 5 мин, после этого не позднее, чем через сутки подложки подвергают химико-механическому полированию с рабочей стороны, например, суспензиями микропорошков диоксида кремния, циркония и т. п. и сполировывают микрорельеф. Далее после очистки от следов химико-механического полирования в зависимости от требований технологии проводят химико-динамическое полирование рабочей стороны.

Технический результат при реализации предлагаемого способа достигается благодаря тому, что возбуждающая упругие волны в кристалле ультразвуковая обработка пластин с развитым микрорельефом, создающим локальные достаточно высокие поля статических упругих напряжений, приводит к диссоциации примесно-дефектных комплексов, которые возникли в кристалле во время выращивания или на последующих этапах механической обработки (резка, шлифование, полирование и т. д.) и являются эффективными центрами зарождения (конденсации) кластеров при химико-механическом полировании. Уменьшение концентрации таких центров в приповерхностной (где значительно влияние напряжений от микрорельефа) области существенно снижает количество кластеров дефектов вблизи рабочей стороны пластин при химико-механическом полировании. Важным для получения положительного эффекта является соблюдение короткого промежутка времени хранения пластин между операциями ультразвуковой обработки и химикомеханическим полированием. Это необходимо для того, чтобы в течение межоперационного хранения в кристалле вновь за счет релаксационно-диффузионных процессов не произошло образование примесно-дефектных центров зародышей кластеров.

Режим и условия обработки по предлагаемому способу были определены экспериментально на подложках кремния (марка КДБ-20(III)) и антимонида индия (марка ИСЭ-0"в"(001)), как на материалах с сильно разливающимися физико-механическими свойствами. Перед обработкой ультразвуком пластины полировали пастой АСМ-1 на станке ВIМЗ.105.000 для удаления нарушенного слоя от предшествующих операций. Далее после очистки от следов полирования рабочую сторону пластин кремния травили в растворе Сиртла CrO₃:HF 1:2 на глубину 2,0 2,5 мкм, а пластины антимонида индия в растворе состава HNO₃:HF:CH₃COOH 2:1:1 на глубину 20 22 мкм. Затем пластины обрабатывали ультразвуком на установке УЗМУ-1 в деионизированной воде. Варьировали длительность обработки. После этого рабочую среду пластин химико-механически полировали на станке ВIМ3.105.000 суспензией аэросила до полного удаления микрорельефа после селективного травления. Время межоперационного хранения пластин изменялось от нескольких часов до 5 сут.

Структурное совершенство приповерхностных слоев после химико-механического полирования пластин контролировали по величине остаточной деформации кристаллической решетки вблизи рабочей стороны, которую измеряли на рентгеновском трехкристальном спектрометре. Эталонами служили химико-динамически полированные и отожженные кристаллы кремния и антимонида индия. Эксперименты показали:
на пластинах без обработки ультразвуком после ХМП деформация (средняя по партии 10 шт.) составляла, соответственно, (1,3±0,2)10^-5 отн. ед. для Si и (4,4±0,6)10^-5 отн.ед.для InSb;
на обработанных ультразвуком пластинах с микрорельефом на рабочей стороне после ХМП зафиксировано уменьшение деформации, которая становится нулевой (в пределах точности измерений ±1,1•10^-6 отн. ед.) при длительности воздействия ультразвуком на пластины InSb-150 160 мин, а для кремния 160 180 мин;
при длительности хранения пластин между обработкой ультразвуком и ХМП более 24 30 ч эффект уменьшения остаточной деформации ослабевает, а в ряде случаев на подложках антимонида индия ненулевая деформация сохраняется и после воздействия ультразвуком в течение 6 ч.

Таким образом, в качестве рабочих режимов следует брать обработку ультразвуком в течение 2,5 3,0 ч, а длительность хранения подложек до ХМП не более суток.

Эффективность предлагаемого способа подтверждают и результаты его практической апробации.

Пример 1. Подложки кремния марки КЭФ-7,0 (III) окисляли в потоке влажного кислорода при 1420 К в течение 30 мин, а затем на них определяли плотность окислительных дефектов упаковки путем травления в растворе Сиртла и анализа на микроскопе МИИ-7.

До окисления одну партию подложек готовили по способу прототипу. Другую по предлагаемому способу: после полирования алмазной пастой АСМ-1 в травителе Сиртла формировали микрорельеф на глубину 2,5 3,0 мкм, обрабатывали ультразвуком, а затем химико-механически сполировывали микрорельеф суспензией аэросила.

Результаты измерений плотности окислительных дефектов упаковки (ОДУ) как среднее и дисперсия по поверхности 5 пластин, обработанных в одинаковом режиме, представлены в табл.1.

Как видно из данных табл.1, предлагаемый способ позволяет существенно понизить плотность ОДУ по сравнению с контрольной партией при использовании рабочих режимов (3 и 5). Увеличение длительности межоперационного хранения подложек до ХМП снижает эффективность способа (4 и 6). Повышение времени обработки ультразвуком слабо влияет на плотность ОДУ (7) по сравнению с верхней границей рабочего диапазона (6). Физическая причина снижения плотности ОДУ состоит в том, что при подготовке подложек по предлагаемому способу в них под действием упругих волн, возбуждаемых в кристаллах ультразвуком, и неоднородного статического поля механических напряжений, связанного с микрорельефом, происходит разрушение (диссоциация) примесно-дефектных комплексов, которые при ХМП служат центрами появления кластеров, а они, в свою очередь, зародышами для окислительных дефектов упаковки.

В этих экспериментах была обнаружена также геттерирующая способность предлагаемого способа. Методом вторичной ионной масс-спектрометрии на образцах после ХМП без обработки ультразвуком были зафиксированы следующие примеси: Na в концентрации 2•10¹⁷, K 6•10¹⁶ и C - 4,4•10¹⁶ см^-3. На пластинах, обработанных ультразвуком в течение 180 мин после ХМП микрорельефной рабочей стороны (которая и служила геттером) содержание этих примесей, соответственно, составили Na - 1,7•10¹⁶, К 3•10¹⁶ см^-3, а углерод в приповерхностной области (до глубин 5 7 мкм) не был обнаружен, т.е. его концентрация оказалась ниже предела чувствительности метода (≈6•10¹⁵ см^-3).

Пример 2. Пластины арсенида галлия марки АГЧП-8(001) обрабатывали по способу-прототипу и предлагаемому способу: после полирования алмазной пастой АСМ-0,5 подложки с рабочей стороны травились в анизотропном травителе состава H₂O₂: HNO₃ 1:3 на глубину 7 10 мкм, обрабатывались ультразвуком и затем химико-механичеки полировались суспензией аэросила. После этого на рентгеновском трехкристальном спектрометре измерялась остаточная деформация кристаллической решетки вблизи рабочей стороны. Точность измерений была не хуже ±7•10^-7 отн.ед. Результаты измерений приведены в таб. 2.

Как видно из табл. 2, при реализации предлагаемого способа в рабочих режимах (3-5 и 7-9) удается снизить величину остаточной деформации кристаллической решетки вблизи рабочей стороны подложек как в среднем по поверхности, так и от пластины к пластине (включая разброс по одной пластине - дисперсии).

Уменьшение длительности обработки ультразвуком или увеличение времени межоперационного хранения подложек ухудшает их качество (2, 6, 10). Увеличение длительности обработки ультразвуком оказывает слабое воздействие на дефектность (11). В этих экспериментах, кроме того, была определена глубина нарушенного слоя, которая на подложках, подготовленных по способу-прототипу после ХМП составила 3 5 мкм (усреднение по поверхности 6 пластин при послойном стравливании), а на подложках, обработанных по предлагаемому способу (длительность ультразвукового воздействия 180 мин, время хранения до ХМП 10 ч) 1,5 2,5 мкм. Это еще одно доказательство эффективности предлагаемого способа, как технологического метода подготовки подложек для создания приборов на основе эпитаксиальных структур.

Использование: производство подложек для изготовления интегральных схем и дискретных полупроводниковых приборов. Способ подготовки полупроводниковых подложек включает механическое полирование и очистку поверхности с использованием ультразвука, химико-механическое полирование рабочей стороны подложек. После механического полирования и очистки поверхности на рабочей стороне подложек путем селективного или анизотропного химического травления на глубину нарушенного полированием слоя формируют микрорельеф и обрабатывают подложки ультразвуком в течение 2,5-3,0 ч в деионизованной воде, а затем не позднее, чем через сутки проводят химико-механическое полирование для удаления микрорельефа на рабочей стороне подложек. 2 табл.

Способ подготовки полупроводниковых подложек, включающий механическое полирование и очистку поверхности подложек с использованием ультразвука, химико-механическое полирование рабочей стороны подложек, отличающийся тем, что после механического полирования и очистки поверхности на рабочей стороне подложек путем селективного или анизотропного химического травления на глубину нарушенного полированием слоя формируют микрорельеф и обрабатывают подложки ультразвуком в течение 2,5 3,0 ч в деионизованной воде, а затем не позднее чем через сутки проводят химико-механическое полирование для удаления микрорельефа на рабочей стороне подложек.