СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР Российский патент 1997 года по МПК H01L21/26 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Одна из проблем технологии создания современных изделий микроэлектроники низкий процент выхода годных, одной из причин которого являются кристаллографические дефекты в компонентах полупроводниковых структур. Наличие дефектов может приводить как к появлению брака непосредственно в технологическом цикле, так и инициировать деградационные процессы и внезапные отказы при эксплуатации приборов. Для предотвращения или снижения вероятности этих явлений используются различные технологические приемы управления концентрациями и спектром дефектов в полупроводниковых структурах, в том числе обработки корпускулярным или ионизирующим излучениями.

Известен способ (1) изготовления полупроводниковых структур путем их облучения с нерабочей стороны, т.е. со стороны, на которой не будут создаваться активные элементы прибора, ионами средних энергий, дозами, близкими или превышающими дозу аморфизации материала структур. Применение этого способа, например, при изготовлении кремниевых эпитаксиальных структур, позволяет снизить плотность остаточных дефектов в сопрягающих слоях, уровень механических напряжений, обусловленных дефектами, а также уменьшить разброс по структурно-чувствительным свойствам в пределах партии однотипных композиций. Недостаток способа [1] в том, что при его реализации используют достаточно тяжелые ионы (начиная с ионов бора), создающие термодинамически устойчивые при комнатных температурах радиационные нарушения, для устранения которых требуются высокотемпературные отжиги. Последние в случае гетероструктур (например, металл-полупроводник) могут приводить к возникновению новых дефектов, прежде всего на границах раздела из-за различия в коэффициентах герметического расширения сопрягающихся материалов. Второй недостаток этого способа необходимость использования дорогостоящей ускорительной техники, требующей значительных энергозатрат.

Перечисленных недостатков лишен способ радиационной обработки полупроводниковых структур [2] наиболее близкое техническое решение к заявляемому. Согласно [2] для модификации свойств полупроводников используют способ, включающий облучение структур с нерабочей стороны потоком альфа-частиц от радиационного источника излучения и регистрацию с рабочей стороны до и после облучения какого-нибудь физического параметра, чувствительного к наличию в структуре кристаллографических дефектов (например, электрических, оптических, механических и т.п. характеристик материалов), а также последующую выдержку структур после облучения в нормальных условиях при комнатной температуре.

Достоинства способа [2] отсутствие операции отжига после облучения, так как легкие альфа-частицы создают преимущественно простейшие точечные дефекты, и низкие энергозатраты (лишь для обеспечения вакуумирования рабочей камеры) за счет использования радиационного источника.

Недостаток способа [2] в том, что при его реализации не регламентируются режимы (прежде всего доза) облучения, не учитывается связь режимов и степень дефектности структуры, которая оценивается по контролируемому физическому параметру. Этот же недостаток и у последующей операции в способе [2] - выдержки образцов после облучения в нормальных условиях. Третий недостаток способа непрерывный режим облучения (набора дозы), сопровождающийся комплексообразованием в подсистеме простейших радиационных дефектов, т.е. появлением остаточной дефектности, не исчезающей в ходе релаксационных процессов и оказывающей негативное влияние на параметры структур и формируемых на их основе полупроводниковых приборов. В совокупности перечисленные недостатки обуславливают низкий процент выхода годных структур из-за существенного разброса (дисперсии) их параметров.

Технический результат изобретения снижение дисперсии их параметров, зависящих от степени дефектности материалов компонентов структуры.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления полупроводниковых структур, включающем облучение структур с нерабочей стороны потоком альфа-частиц от радиоизотопного источника излучения и регистрацию с рабочей стороны до и после облучения какого-либо физического параметра, чувствительного к наличию в структуре кристаллографических дефектов, а также выдержку структур после облучения в нормальных условиях при комнатной температуре, структуры облучают периодически с частотой из миллигерцевого диапазона с равными полупериодами облучение необлучение, повторяя их до стабильности фиксируемого параметра, а после облучения структуры выдерживают в нормальных условиях до полного прекращения релаксационных процессов, обуславливающих изменение регистрируемого параметра облученных структур.

Новым в изобретении является то, что структуры облучают периодически с частотой из миллигерцевого диапазона с равными полупериодами облучение-необлучение, повторяя их до стабилизации фиксируемого параметра, а после облучения структуры выдерживают в нормальных условиях до полного прекращения релаксационных процессов, обуславливающих изменение регистрируемого параметра облученных структур.

Перечисленные признаки не обнаружены при анализе известных способов изготовления полупроводниковых структур по материалам патентной и научно-технической литературы, что свидетельствует о новизне и изоретательском уровне заявляемого технического решения.

Предложенный способ реализовали следующим образом.

Обрабатываемые полупроводниковые структуры размещали в рабочей камере установки, содержащей источник альфа-излучения на основе радионуклида полония -210 (энергия альфа-частиц 4,5 МэВ) или плутония 238 (энергия альфа-частиц до 5,5 МэВ). Структуры над источником излучения располагали таким образом, чтобы поток альфа-частиц падал на нерабочую, без активных элементов прибора сторону. Между облучаемой структурой и источником находилась специальная заслонка (экран), с помощью которой осуществляли периодическое прерывание потока альфа-частиц, падающих на поверхность образцов. Далее производили вакуумирование рабочей камеры до давления остаточных газов 0,01-0,1 Па. Затем путем периодического открывания и перекрывания с помощью заслонки активной поверхности источника осуществляли облучение структур. При этом длительности полупериодов открытый закрытый источник альфа-частиц выдерживали одинаковыми, задавая их в интервале 50-500 с, что соответствует миллигерцевому диапазону частот изменения циклов облучение необлучение. Конкретное численное значение частоты изменения циклов выбрали по результатам предварительных измерений на структурах-спутниках, идентичных с обрабатываемыми. Полную длительность обработки структур, включающую периодическое облучение и последующую выдержку в нормальных условиях, определяли непосредственно на каждом из этих этапов по результатам измерений какого-либо физического параметра, значения которого зависят от степени дефектности структуры. В качестве таких параметров можно использовать практически любые электрические характеристики материала (поверхностное и объемное электросопротивление, концентрацию и подвижность носителей заряда, их время жизни и т.п.), оптические (показатель преломления, коэффициенты поглощения), механические (микротвердость, остаточная деформация, коэффициенты поглощения), механические (микротвердость, остаточная деформация кристаллической решетки) и другие свойства структур. Выбор конкретного параметра или параметров для данного типа структур проводили предварительно при обработке структур-спутников. Однако эта процедура, как показывают результаты многочисленных исследований, не является обязательной операцией, поскольку любая из используемых в исследовательской практике или производственном контроле структур физическая характеристика оказывается чувствительной к степени их дефектности. Регистрацию физического параметра осуществляли до начала обработки, во время облучения и после его прекращения в процессе выдержки структур при нормальных условиях. При этом периодическое радиационное воздействие прекращали при достижении значений фиксируемого параметра стационарных (не зависящих от длительности облучения) значений. Аналогично при выдержке облученных структур в нормальных условиях время стабилизации этого параметра, свидетельствующее о завершении релаксационных процессов, означает завершение второго этапа обработки структур по заявляемому способу. После этого структуры передавали на последующие операции технологического маршрута изготовления полупроводниковых приборов данного типа.

Положительный эффект при реализации способа достигается благодаря тому, что:
осуществляется индивидуальная обработка структур, каждая из которых облучается конкретной дозой альфа-частиц и выдерживается в течение конкретного времени после облучения в соответствии с изменениями измеряемого физического параметра, характеризующего индивидуальную степень дефектности данной структуры;
периодическое облучение в миллигерцевом диапазоне с равными полупериодами циклов облучение необлучение подавляет процессы образования нестабильных комплексов дефектов с большими временами релаксации, что, во-первых, снижает степень дефектности структур и, во-вторых, сокращает длительность выдержки структур после облучения;
выдержка облучаемых структур в нормальных условиях при комнатной температуре в течение определенного для каждой структуры времени полностью предотвращает возникновение кристаллографических нарушений, обусловленных различием упруго-пластических свойств компонентов обрабатываемых структур.

В совокупности только перечисленные факторы без учета дополнительных сопутствующих позитивных процессов (например, пространственное разделение потоков неравновесных вакансий и собственных междоузельных атомов, возникающих при облучении) приводят к повышению выхода годных полупроводниковых структур за счет уменьшения их дефектности.

Интервал частот облучения от 10^-3 до 10^-2 Гц, т.е. полупериодов следования циклов облучение необлучение длительностью из диапазона на 50-500 с, установлен авторами на основании результатов экспериментов по радиационной обработке структур на основе кремния и арсенида галлия. Структуры с нерабочей (без активных областей формируемых приборов) облучали потоком альфа-частиц с энергией 4,5±0,2 МэВ от источника на основе радионуклида полония-210 с удельной поверхностной активностью 4•10⁹ с^-1/см^-2. В зависимости от типа структур в качестве контролируемых физических параметров при облучении и последующей выдержки в нормальных условиях фиксирования электрические характеристики (сопротивление или параметры по вольт-амперным характеристикам), относительное приращение периода кристаллической решетки приповерхностных слоев структур с рабочей стороны, оптические параметры по данным эллипсометрии и пористость диэлектрических слоев. Эксперименты показали, что:
1. Если циклы облучение-необлучение имеют длительность менее 50 с, т.е. частота следования циклов превышает 10^-2 Гц, то для достижения дозы, при которой стабилизируются значения контролируемых физических параметров, необходимо увеличивать длительность облучения по сравнению с обработкой, проводимой на частотах из интервала 10^-3-10^-2 Гц. Это, по-видимому, связано с тем, что при времени одного акта облучения менее 50 с простейшие точечные дефекты, генерируемые в структуре альфа-частицами, не успевают продиффундировать в достаточном количестве до рабочей стороны структур из-за взаимной аннигиляции или поглощения облучаемой поверхностью.

2. При длительностях облучения более 500 с, т.е. частотах обработки ниже 10^-3 Гц, возрастает время выдержки структур после облучения, необходимое для полного прекращения релаксационных процессов и стабилизации значений регистрируемого параметра, соответствующих новому состоянию структуры с меньшей, чем до облучения, дефективностью. Причиной возрастания длительности релаксационных процессов после облучения в режиме низких частот является накопление вблизи облучаемой поверхности достаточно стабильных компонентов радиационных дефектов, имеющих большую энергию активации распада (отжига) по сравнению с дефектами, возникающими при облучении с частотами выше 10^-3 Гц.

Пример 1. Обработка потоком альфа-частиц с энергией 4, 5 МэВ от источника полоний-210 подвергали фотодиоды с барьером Шоттки на основе арсенида галлия, сформированные на эпитаксиальных композициях n-n⁺- типа и содержащие тонкие (не более 12 нм) барьерный светопрозрачный слой золота с рабочей стороны и омический контакт из эвтектики Au-Ge с нерабочей. Толщина структур составляла 250 мкм. Влияние режимов облучения и последующей выдержки при нормальных условиях на параметры фотодиодов фиксировали по изменению сопротивления обратносмешанного барьера Au GaAs при освещении рабочей стороны лампой накаливания (это один из обязательных параметров, которые необходимо контролировать при изготовлении фотодиодов данного типа). Сопротивление определяли по вольт-амперным характеристикам, регистрировавшимся на характериографе TR-4805 с рабочей барьерной стороны при облучении обратной стороны структур.

Часть структур (9 шт.) облучали в непрерывном режиме по способу-прототипу [2] дозой 4,42 • 10¹² см^-2 и затем выдерживали в нормальных условиях в течение трех суток. Другую партию структур обрабатывали по заявляемому способу: на каждой структуре во время облучения и последующей выдержки регистрировали сопротивление барьера и по его изменению выбирали индивидуальную дозу облучения и длительность хранения данной структуры до следующей операции. Длительность полупериодов облучения необлучение задавали из интервала 30-600 с, т. е. частота следования циклов облучения соответствовала диапазону 8,3 •10^-4-1,7•10^-2 Гц.

Исходные структуры имели с точностью 10% среднее сопротивление 1,99 МOм и разброс (выборочную дисперсию) по партии 3,93 МOм. Выход годных фотодиодов до обработки не превышал 37%
После обработки фотодиодов по способу прототипу сопротивление обратносмешанного барьерного сопротивления снизилось до 0,91 Мом, а дисперсия уменьшилась до 0,65 МOм. При этом выход годных увеличился до 44%
Индивидуальная обработка структур по заявляемому способу при облучении с частотой 10^-3-10^-2 Гц снизила сопротивление до 0,57 МOм, а дисперсию его значений по партии до 0,07 МOм с одновременным увеличением выхода годных до 56% Дозы облучения фотодиодов в партии, при которых наблюдалась стабилизация сопротивления изменялись в пределах от 2,8•10¹² до 1,9•10¹³ см^-2. Длительность хранения после облучения варьировала от 18 до 33 ч. Оба последних фактора однозначно указывают на необходимость индивидуальной обработки каждой диодной структуры, обладающей только ей присущей спецификой спектра и концентрации кристаллографических дефектов. Обработка по изобретению, но при частотах следования циклов облучение-необлучение более 10^-2 Гц увеличила дозу облучения, при которой стабилизировалось контролируемое сопротивление, до 5,8•10¹³ см, т.е. почти в 3 раза. Напротив, снижение частоты на величину 10^-3 Гц увеличило длительность необходимого хранения диодов до 672 ч, т.е. в обоих случаях производительность обработки по заявляемому способу резко падает.

Пример 2. Обрабатывали кремниевые эпитаксиальные структуры: пленки КЭФ - 1,0 толщиной 6 мкм на подложках ЭКЭС 0,01 толщиной 250 мкм. Ориентация структур совпадала с кристаллографическим направлением (111). Структуры со стороны подложки облучали альфа-частицами от полониевого источника. Результаты облучения и последующей выдержки структур в нормальных условиях фиксировали по изменению остаточной деформации кристаллической решетки эпитаксиального слоя, измерявшейся по методике [1] на рентгеновском трехкристальном спектрометре. Точность измерений деформаций была не хуже ±1,2•10^-6 отн. ед.

Исходные структуры имели деформацию эпитаксиального слоя в среднем по партии (24 шт.) на уровне 16,6•10^-6 отн. ед. а дисперсию - 27•10^-6 отн. ед. После облучения по способу прототипу в непрерывном режиме дозой 1,33•10¹³ см^-2 (наибольшая из доз, приводимых в [2]) и выдержки при нормальных условиях в течение 4 суток. Величина средней деформации по партии составляла 12,5•10^-6 отн. ед. а дисперсия ее значений снижалась до 24•10^-6 отн. ед.

Обработка структур по заявляемому способу при периодическом облучении с частотой из интервала 10^-3-10^-2 Гц и индивидуальными дозами облучения от 6•10¹² до 1•10¹³ см^-2 с последующей выдержкой в диапазоне 24-55 ч привела к уменьшению средней деформации эпитаксиальных пленок до 7,8•10^-6 отн. ед. а дисперсии до 11,7•10^-6 отн. ед.

В соответствии с зафиксированными значениями дисперсии значений остаточной деформации пленок после обработки увеличился и выход годных структур: от 89% для исходных до 83% для обработанных по способу-прототипу и до 100% по изобретению.

Пример 3. Обработке подвергали структуры кремний КДБ-10-пленка термического диоксида кремния толщиной 23±3 нм. Ориентация подложек совпадала с (001), толщина не превышала 220 мкм.

Облучение структур проводили со стороны подложки, а влияние облучения и последующей выдержки фиксировали по изменениям показателя преломления пленки диоксида кремния на эллипсометре ЛЭФ-601 и пористости диэлектрика электрохимический метод как разрушающий использовали на финишном этапе обработки для контроля эффективностей способа, после того как стабилизировались значения показателя преломления.

Исходные структуры имели в среднем по партии показатель преломления 1,310±0,007 с надежностью 0,95 и пористость 61 пор/см² с разбросом от структуры к структуре до ±17 пор/см².

После облучения альфа-частицами от полониевого источника в непрерывном режиме по способу-прототипу дозой 1,44•10¹³ см^-2 и выдержке в течение 48 ч показатель преломления увеличился до 1,330-0,007, а пористость снизилась до 53 пор/см² с дисперсией до 11 пор/см².

Индивидуальная обработка структур по изобретению с периодическим облучением структур в диапазоне 10^-3-10^-2 Гц дозами 7,2•10¹²-1,00•10³ см^-2 последующей выдержкой при комнатной температуре в течение 30-48 ч увеличила коэффициент преломления до 1,478±0,007 (что близко к теоретическому пределу плотных пленок диоксида кремния), а плотность пор при этом снизилась в среднем по партии до 16,7 пор/см² при дисперсии 4 пор/см².

Таким образом, как показывают результаты практической апробации, заявляемый способ более эффективен по сравнению с известными техническими решениями.

Использование: в технологии микроэлектроники, в частности, при изготовлении дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность изобретения: производят периодическое облучение структур с нерабочей стороны потоком альфа-частиц от радиоизотопного источника излучения с частотой из миллигерцевого диапазона с равными полупериодами облучение-необлучение и производят регистрацию с рабочей стороны до и после облучения одного из физических параметров, чувствительного к наличию в структуре кристаллографических дефектов, при этом циклы облучение- необлучение повторяют до стабилизации фиксируемого параметра, а после облучения структуры выдерживают в нормальных условиях до полного прекращения релаксационных процессов.

Способ изготовления полупроводниковых структур, включающий облучение структур с нерабочей стороны потоком альфа-частиц от радиоизотопного источника излучения и регистрацию с рабочей стороны до и после облучения одного из физических параметров, чувствительного к наличию в структуре кристаллографических дефектов, и последующую выдержку структур в нормальных условиях при комнатной температуре, отличающийся тем, что структуры облучают периодически с частотой из миллигерцового диапазона с равными полупериодами облучение необлучение, повторяя их до стабилизации регистрируемого параметра, а после облучения структуры выдерживают в нормальных условиях до полного прекращения релаксационных процессов.