СПОСОБ ГЕТТЕРИРОВАНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ МАТЕРИАЛЕ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/322 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Известны способы геттерирования в полупроводниковых материалах, основанные на внесении структурных нарушений в поверхностный слой полупроводниковых пластин и в последующем термическом отжиге указанных пластин. Структурные нарушения в материал полупроводниковых пластин при этом вводят путем абразивной обработки их поверхностного слоя [1] либо посредством создания в пластине акустической вибрации воздействием на ее поверхностный слой сферическими вольфрамовыми шариками [2] Полученные при этом однородные нарушения на обработанной стороне пластины позволяют обеспечить сток подвижных дефектов в процессе последующей высокотемпературной обработки, что увеличивает выход годных приборов с пластин.

Основной недостаток указанных способов геттерирования в полупроводниковом материале заключается в трудности обеспечения воспроизводимости рабочих параметров пластины, а значит и последующего стабильного получения заданных электрических характеристик полупроводникового материала. Кроме того, необходимость в указанных способах операции высокотемпературного (850-800^oC) термического отжига пластин при проведении процесса геттерирования по предлагаемой способами методике диктует выполнение операций геттерирования в полупроводниковом материале лишь на начальном этапе изготовления полупроводниковых приборов, т. е. для получения исходного материала для изготовления полупроводниковых изделий.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ геттерирования в полупроводниковом материале, согласно которому вначале в подготовленную поверхность полупроводниковой пластины проводят имплантацию ионов нейтрального вещества, после чего осуществляют термический отжиг пластин. Имплантацию ионов при этом проводят с обратной стороны пластины при энергии ионов порядка 300 кэВ и дозой примерно 10¹⁶см^-2. Оптимальная же температура отжига определяется для каждого конкретного случая и, как правило, составляет не ниже 800^oC [3]
Физика процессов при геттерировании известным способом заключается в том, что в процессе проведения первой операции, т. е. имплантации в поверхностный слой полупроводниковой пластины ионов вещества, по всему следу движения ионов образуется значительное количество дефектов в кристаллической решетке вещества пластины, которые становятся стоками быстро диффундирующих примесей [4] Высокотемпературная выдержка обработанной ионами пластины, очевидно, ведет к созданию определенных условий для сбора геттерируемых дефектов на сформированных таким образом стоках.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что геттерирование в полупроводниковом материале по нему может быть выполнено так же, как и в описанных выше аналогах, лишь на начальном этапе подготовки полупроводниковых пластин к изготовлению на них изделий. Указанный факт объясняется наличием в способе высокотемпературной операции отжига, которая может быть выполнена при температуре в пластинах порядка 850^oC. Последнее препятствует проведению геттерирования материала в пластинах с готовыми или даже частично выполненными на них структурами изделий.

Кроме того, поскольку имплантацию ионов в известном способе проводят в тыльную сторону полупроводниковой пластины, то последующая операция термического отжига требует повышенных временных и энергетических затрат, что в значительной мере повышает стоимость готовой продукции.

Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Для достижения указанной цели, в способе геттерирования в полупроводниковом материале в виде пластины, включающем имплантацию ионов в поверхностный слой пластины и последующий термический отжиг пластин, после проведения операции имплантации ионов пластины подвергают обработке импульсным магнитным полем, а последующую операцию термического отжига осуществляют при температуре 200-300^oC в течение 30-15 мин. Причем имплантацию ионов осуществляют путем облучения поверхности пластины α-частицами, которую проводят с лицевой стороны пластины.

По данным, которыми располагают заявители, им неизвестны источники информации, в которых был бы раскрыт комплекс признаков, указанных в отличительной части формулы изобретения. В то же время, предложенное техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Следовательно, можно сделать вывод, что данное техническое решение соответствует критериям, предъявляемым к изобретению.

Физическим обоснованием способа является установленный авторами факт, по которому дополнительное воздействие на кристалл импульсным магнитным полем приводит к распаду примесно-дефектных комплексов в объеме кристалла и диффузии продуктов этого распада к поверхности с образованием новых дефектных комплексов в приповерхностном слое. При этом поверхность бездислокационного кристалла является основным стоком для подвижных дефектов, индуцированных импульсной магнитной обработкой. Роль предварительного (перед магнитной обработкой) облучения кристалла заряженными частицами имплантируемых ионов заключается в создании нарушенного слоя на поверхности кристалла.

Причем, использование для создания такого нарушенного слоя высокоэнергетичных a-частиц сводится к тому, что в отличие от тяжелых ионов a-частицы такой нарушенный слой создают не по всей длине пробега, а индуцируют его преимущественно в слое, расположенном на определенной глубине от поверхности пластины, соответствующей концу пробега a-частиц, т.е. там, где имеют место основные энергетические потери при торможении a-частиц в веществе кристалла [5] Указанная глубина может быть обеспечена заданием энергии используемых для обработки поверхности пластины a-частиц. Использование же для этой цели более тяжелых ионов в прототипе приводило к тому, что такой нарушенный слой индуцировался непосредственно в поверхностном слое и по всему слою от начала до глубины проникновения имплантируемых тяжелых ионов. При облучении же поверхности полупроводниковой пластины a-частицами по предлагаемому способу появляется возможность создания "захороненного" на некоторой глубине такого нарушенного слоя. Последнее обусловлено тем, что генерация радиационных дефектов в кристалле при имплантации в него высокоэнергетических a-частиц происходит локально и преимущественно на глубине, соответствующей концу пробега, т. е. там, где имеют место основные энергетические потери при торможении их в веществе кристалла. В частности, при использовании для этой цели a-частиц с энергией 5 МэВ, глубина такого нарушенного слоя в кристалле кремния составляет 25 мкм, что значительно превышает толщину приповерхностной активной области кристалла, используемой для формирования приборных структур. Последний факт позволяет обработку a-частицами производить непосредственно с лицевой стороны пластины со сформированными на ней структурами приборов.

Радиационные дефекты, образованные a-частицами в кристаллах при этом служат центрами преципитации оксидных фаз, облегчая процесс первичного зародышеобразования при воздействии на кристаллы импульсным магнитным полем и индуцированном распаде пресыщенного твердого раствора кислорода в кремнии. Преципитация же оксидных фаз, как известно, является эффективными внутренними геттерами в кремнии.

Отжиг обработанных ионами и импульсным магнитным полем пластин при этом существенно ускоряет процесс сбора продуктов распада исходных примесно-дефектных комплексов, индуцированных магнитным полем. Температура отжига при этом не превышает 300^oC. Интегральный поток a-частиц на поверхность активируемой пластины при этом на несколько порядков ниже дозы ионов, необходимых в способе-прототипе и составляет величину порядка 10⁹-10¹⁰см^-2. Параметры импульсов магнитного поля, используемого для обработки пластин могут также меняться в широких пределах. В частности, величина магнитного поля может быть заключена в пределах 10⁴-10⁶ А/м. При длительности импульсов 1-50 мкс и частоте повторения импульсов 50 Гц время обработки облученных a-частицами полупроводниковых пластин из кремния составляют 30 с.

Термический отжиг пластин согласно способу осуществляют при температуре в интервале 200-300^oC. Длительность термообработки при этом составляет соответственно 30-15 мин. Отжиг необходим для ускорения диффузионных процессов после импульсного магнитного воздействия. Нижняя температурная граница при этом диктуется необходимостью задания достаточно технологичного времени термообработки пластин, обеспечивающей необходимые параметры полупроводникового материала. При дальнейшем снижении температуры термообработки, длительность процедуры отжига неоправданно увеличивается. Верхняя граница температурного интервала отжига лимитируется тем, что при дальнейшем повышении температуры в сформированных структурах становится возможным дополнительная генерация термодоноров, а также могут происходить другие структурные изменения как в веществе полупроводниковой пластины, так и в выполненных на пластинах структурах.

Очевидно, что все операции по геттерированию полупроводникового материала пластин могут быть проведены уже после формирования на этих пластинах готовых приборов, либо после частичного проведения на указанных пластинах операций по формированию соответствующих полупроводниковых приборов.

Предлагаемый способ геттерирования полупроводниковых материалов реализован авторами как на тестовых МОП-структурах, так и на ЧИПах с серийными интегральными схемами. В качестве источника a-частиц использован источник ²¹⁰Po(E_α≈ 5 МэВ) с активностью порядка 3•10⁸ Бк. Облучению подвергались пластины с их лицевой стороны (глубина проникновения ≈ 25 мкм). Влияние геттерирования контролировалось по времени жизни t_д по релаксации нестационарных вольт-фарадных характеристик МОП-структур и по обратным токам переходов исток (сток) подложка активных транзисторов МДП БИС. После проведения вышеуказанных операций по геттерированию наблюдалось увеличение генерационного времени жизни носителей при сохранении значений эффективного заряда в окисле и плотности поверхностных состояний, близких к исходным. Значения τ_д рассчитанные по нестационарным вольт-фарадным характеристикам от исходных 20-30 мкс увеличивалось до 200 мкс, что свидетельствует о достижении запланированных улучшений электрофизических характеристик за счет повышения структурного совершенства полупроводникового материала пластин в процессе геттерирования.

Использование изобретения позволит существенно повысить качество изготавливаемых на пластинах полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Основное преимущество предлагаемого способа при этом состоит в том, что он реализуется при достаточно низких температурах, не превышающих 300^oC. Этот факт позволяет операции геттерирования проводить на финишном этапе формирования изделий на полупроводниковых пластинах, в частности перед их корпусированием. Очевидно, что такое геттерирование является наиболее эффективным с точки зрения качества полупроводниковых приборов, поскольку позволяет устранить дефекты, внесенные в рабочие области прибора, на всех предшествующих этапах его изготовления.

Источники информации.

1. Патент США N 4144099.

2. Патент США N 4018626.

3. J.Appe, Phys, 49, 5188 (1978).

4. Обзоры по электронной технике. Серия 2 "Полупроводниковые приборы". Верховский Е.И. Методы геттерирования примесей в кремнии. М. ЦНИИ "Электроника", 1981, с.30-35.

5. Эстулин И.В. Радиоактивные излучения. М. Физматгиз, 1962, с. 79-93.

Использование: в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Сущность способа заключается в том, что после проведения имплантации ионов в поверхностный слой полупроводниковых пластин их (пластины) подвергают обработке импульсным магнитным полем с последующим термическим отжигом при температуре 200-300^oC в течение 30-15 мин. Причем имплантацию ионов осуществляют путем облучения поверхностного слоя пластины α-частицами, которую проводят с лицевой стороны пластины. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ геттерирования в полупроводниковом материале в виде пластин, включающий имплантацию в поверхностный слой пластины ионов и последующий термический отжиг пластин, отличающийся тем, что после проведения имплантации ионов пластины подвергают обработке импульсным магнитным полем, а последующий термический отжиг осуществляют при температуре 200 300^oС в течение 30 - 15 мин. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что имплантацию ионов осуществляют путем облучения поверхностного слоя пластины α - частицами. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что облучению подвергают лицевую сторону пластины.