СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01L21/322 

Предлагаемое изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и касается преимущественно технологий изготовления кремниевых пластин-подложек.

Как известно, наличие в подложках структурных дефектов и фоновых примесей (прежде всего углерода и кислорода, а также быстродиффундирующих атомов металлов Au, Cu, Fe и др.) в существенной мере ухудшает электрофизические, функциональные и надежностные характеристики сформированных на них дискретных приборов и интегральных микросхем. Поэтому в технологии микроэлектроники широко используются различные методы геттерирования - очистки или снижения концентрации дефектов и фоновых примесей как в подложках, так и в активных областях приборов [1].

Известны способы обработки пластин монокристаллического кремния, включающие создание на нерабочей стороне структурно нарушенных слоев путем механического, лазерного, ионного и т.п. воздействий и последующего высокотемпературного (T > 0,51_m, где T_m - температура плавления кремния 1420^oC) отжига [1]. При такой обработке удается значительно снизить концентрацию дефектов и примесей в подложках и, как следствие, подавить возникновение эпитаксиальных и (или) окислительных дефектов упаковки на последующих технологических операциях.

Недостатком способов [1] является низкая воспроизводимость параметров структурно-нарушенных слоев (глубина, плотность дефектов, однородность их распределения и т.д.), снижающая эффективность геттерирования вследствие неоднородности потоков точечных дефектов, ответственных за очищение подложек от фоновых примесей и кристаллографических нарушений. Кроме того, наличие нарушенных слоев на нерабочей стороне подложек увеличивает вероятность их хрупкого или пластического разрушения на любой из технологических операций, т.е. снижает выход годных.

Наиболее близким способом обработки пластин монокристаллического кремния к заявляемому является способ [2], включающий нанесение на нерабочую сторону подложки геттерирующего слоя поликристаллического кремния (толщиной до 5 мкм) и последующий отжиг при температурах эпитаксиального наращивания или окисления кремния, т.е. при T > 0,5 T_m. Способ [2] позволяет частично очищать подложки от нежелательных примесей и снижает концентрацию эпитаксиальных и окислительных дефектов упаковки в кремнии. Недостаток способа [2] в том, что при его реализации необходимо защищать рабочую сторону подложки при нанесении поликремния и термообработках для того, чтобы не внести неконтролируемых нарушений в приповерхностные области, в которых затем будут создаваться активные элементы приборов. Другой недостаток в том, что поликристаллический кремний наносится на нерабочую сторону подложек как и в других методах геттерирования с помощью металлических или диэлектрических пленок [1] ), что в силу диффузионного характера процесса геттерирования облабляет эффект очистки от примесей и дефектов областей подложек, прилегающих к их рабочей стороне. Вследствие низкой эффективности геттерирования по способу [2] вблизи рабочей стороны подложек сохраняются примесно-дефектные зоны, обуславливающие неоднородное изменение электрофизических характеристик кремния вдоль поверхности, на которой формируются активные элементы приборов (электрическое сопротивление, время жизни носителей заряда и т.д.). Наконец, недостатком способа [2] является проведение высокотемпературных обработок после нанесения поликремния, создающего механические напряжения в структуре, способные при повышенных температурах инициировать локальную пластическую деформацию (например, вблизи частиц второй фазы) как в объеме подложки, так и вблизи рабочей поверхности.

Техническим результатом является повышение однородности распределения электрофизических характеристик подложек вдоль их рабочей стороны за счет снижения концентраций структурных дефектов и фоновых примесей в приповерхностной области.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки пластин монокристаллического кремния, включающем нанесение на одну из сторон пластин геттерирующего слоя и отжиг в вакууме или инертной атмосфере, в качестве геттерирующего слоя используют моноокись германия, которую в виде пленки толщиной 1,0-2,5 мкм наносят на рабочую сторону пластин, отжигают структуру в течение 3-5 ч при температуре из интервала 700-800 K, а затем пленку удаляют любым из известных способов, например химическим травлением.

Новым, необнаруженным при анализе научно-технической и патентной литературы, в заявляемом способе является то, что в качестве геттерирующего слоя используют моноокись германия (GeO), которую в виде пленки толщиной 1,0-2,5 мкм наносят на рабочую сторону пластин, отжигают структуру в течение 3-5 ч при температуре из интервала 700-800 K, а затем пленку удаляют любым из известных способов, например химическим травлением.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается тем, что:
геттерирующая пленка моноокиси германия наносится на рабочую сторону пластин, а это обеспечивает очистку от дефектов и примесей тех областей кристалла, в которых на последующих операциях будут создаваться активные элементы приборов:
геттерирующие свойства моноокиси германия обусловлены ее метастабильностью, а переход в стабильное состояние при повышенных температурах (GeO ---> GeO₂) сопровождается, во-первых, вытягиванием атомов кислорода из приповерхностных слоев кремния и, во-вторых, генерацией собственных точечных дефектов в подложке, прежде всего вакансии, которые способствуют диссоциации примесно-дефектных скоплений и диффузии примесей и неравновесных дефектов в геттер;
низкие температуры (< 0,5 T_m) последующего отжига препятствуют возникновению и развитию пластической деформации, т.е. не приводят к увеличению дефектности подложек;
слои GeO(GeO₂) после стравливания не оставляют рельефа на рабочей поверхности (в отличие, например, от слоев поликристаллического кремния), качество которой сохраняется на уровне, достигнутом при финишном химико-механическом или химико-динамическом полировании;
повышению эффективности геттерирования способствуют также аморфная структура пленок GeO, являющаяся емким стоком для примесей и дефектов, и упругие напряжения в системе Si-Ge(Ge), обусловленные различиями в коэффициентах термического расширения и кристаллографическом строении пленки и подложки.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На рабочую сторону прошедших стандартную обработку поверхности кремниевых подложек методом вакуумного термического испарения наносят пленку моноокиси германия толщиной 1,0-2,5 мкм. При этом температура подложек составляет 470 ± 20 K. Далее структуры Si - GeO отжигают в вакууме или потоке инертного газа при температуре из диапазона 700-800 K в течение 3 - 5 ч. После отжига геттерирующую пленку стравливают любым из известных методов, например химическим травлением в растворе H₃PO₄: HNO₃ : CH₃COOH : H₂O. Затем после стандартных операций очистки и обезжиривания подложки передают на последующие технологические операции (окисление, эпитаксия и т.д.).

Режимы обработки кремниевых пластин по заявляемому способу установлены авторами экспериментально на основании результатов исследований процессов геттерирования примесей и дефектов в кристаллах, выращенных методов Чохральского и имевших различный тип и величину электропроводности. Исследовались пластины с ориентацией поверхности (III) и (001), толщиной 350 - 420 мкм, прошедшие стандартную абразивно-химическую подготовку поверхности с финишным химико-динамическим полированием рабочей стороны. Слой моноокиси германия различной толщины наносили термическим испарением порошка GeO на рабочую сторону подложек, подогретых до 470 ± 20 K, в вакууме (10^-5 мм рт ст.) на установке УВН-71 П-3. После напыления пленок структуры отжигали в вакууме (10^-4 - 10^-3 мм рт ст.) с варьированием температуры и длительности. Перед исследованиями геттерирующую пленку стравливали в растворе H₃PO₄ : HNO₃ : CH₃COOH : H₂O. Последствия геттерирующей обработки фиксировали измерениями поверхностного электрического сопротивления пластин четырехзондовым методом на установке АМЦ - 1467, регистрацией ИК - спектров поглощения на установке Specord - M 80, а также металлографическими исследованиями поверхности после селективного травления пластин в хромовом травителе.

Эксперименты показали следующее.

1. Независимо от марки кремния, кристаллографической ориентации и толщины пластин эффект геттерирования по данным измерений электросопротивления начинает проявляться при толщинах пленок GeO 0,5-1,0 мкм и термообработках в течение 1,5-2 ч при 700-720 K. Однако при таких режимах обработки не было обнаружено заметных изменении в ИК-спектрах и картинах селективного травления поверхности.

2. Значительное (в 5-6 раз) снижение разброса значений поверхностного электросопротивления пластин, уменьшение на 10-60% пиков ИК-поглощения, характерных для кислорода, углерода и фаз SiO₂ и SiC в кремнии, а также уменьшение на 2-3 порядка плотности выявляемых селективным травлением кластеров происходит при нанесении на рабочую поверхность пластин пленок толщиной 1,0-5,5 мкм и термообработках в течение 3-5 ч при температурах из диапазона 700-800 K.

3. Использование пленок моноокиси германия толщиной более 2,5 (-0,1) мкм оказалось нецелесообразным вследствие их частичного разрушения и отслаивания от подложек.

4. При температурах отжига ниже 700 K даже при больших длительностях (до 10 ч) эффект геттерирования выражен слабо, а на низколегированных кристаллах не проявляется вовсе. При температурах выше 800 K наблюдается локальное разрушение геттерирующей пленки.

5. Для указанного диапазона температур оптимальной является длительность отжига 3-5 ч. При меньших временах геттерирование недостаточно эффективно, а длительность более 5 ч практически не оказывает влияние на уже сформировавшийся в результате геттерирования примесно-дефектный состав пластин в приповерхностной области.

Таким образом, на основании экспериментальных данных, реализация заявляемого способа дает позитивный результат при условии, что в качестве геттерирующего слоя используют моноокись германия, которую в виде пленки толщиной 1,0 - 2,5 мкм наносят на рабочую сторону кремниевых пластин, отжигают структуры в течение 3-5 ч при температуре из интервала 700-800 K, а затем пленку стравливают.

Пример 1.

Пластины кремния марки КДБ-2 с ориентацией поверхности (III) толщиной 350 ± 10 мкм, прошедшие стандартную механическую и химическую обработку с финишным химико-динамическим полированием рабочей стороны, подвергали обработке:
по способу-прототипу [2] с нанесением на нерабочую сторону слоев поликристаллического кремния толщиной 0,8-2,0 мкм силановым методом;
по заявляемому способу.

При обработке по способу-прототипу пластины с поликремнием отжигали в вакууме при 1370 K в течение 5 ч.

При обработке по заявляемому способу варьировали толщины пленок моноокиси германия, нанесенные на рабочую сторону, длительность и температуру последующего отжига. После отжига пленки удаляли в растворе H₃PO₄ : HNO₃ : H₂O.

После геттерирования на пластинах обеих партий четырехзондовым методом измеряли поверхностное электросопротивление на рабочей стороне. Результаты измерений в виде средних значений сопротивления и дисперсии по 10 точкам поверхности представлены на фиг. 1-3. Точность измерений сопротивления была не хуже - 3%.

На фиг. 1 и 2 показано изменение среднего значения и дисперсии электросопротивления в зависимости от толщины геттерирующих слоев для структур с поликремнием (кривая 1) и моноокисью германия (кривые 2-5). Видно, что при использовании способа-прототипа как средняя величина, так и дисперсия возрастают при отжиге, что означает увеличение концентрации термических дефектов в этих структурах, обусловленных, в частности, распадом твердых растворов кислорода и углерода в кремнии. Напротив, обработка по заявляемому способу слабо влияет на среднее значение сопротивления, но существенно снижает разброс этого параметра по рабочей поверхности пластин (кривые 3 и 4). Увеличение или уменьшение температуры отжига при постоянной длительности подавляет эффект геттерирования (кривые 2 и 5).

На фиг. 3 приведены кривые зависимости дисперсии электросопротивления от длительности отжига при различных температурах структур с пленкой моноокиси германия толщиной 2 мкм. Видно, что эффект геттерирования проявляется только при длительностях термообработки 3-5 ч для температурного интервала 700-800 K.

Пример 2.

Обработку пластин кремния КЭФ - 4 с ориентацией поверхности (001) толщиной 400 ± 10 мкм по способу- прототипу [2] и заявляемому способу применяли перед операцией высокотемпературного окисления. Режимы и условия обработки аналогичны описанным в примере 1. Окисление пластин после геттерирования и удаления пленки GeO проводили в потоке влажного кислорода при 1420 K в течение 1 ч. После окисления пластины травили в хромовом травителе и на микроскопе МИМ-7 определяли плотность окислительных дефектов упаковки на рабочей стороне пластин. Результаты измерений усреднены по 10 полям зрения микроскопа и дисперсия плотности дефектов по поверхности пластин приведены в табл. 1.

Использование: в области производства полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: для повышения однородности распределения электрофизических характеристик подложек вдоль их рабочей стороны за счет снижения концентраций структурных дефектов и фоновых примесей в приповерхностной области на рабочую сторону пластины монокристаллического кремния наносят моноокись германия в виде пленки толщиной 1,0 - 2,5 мкм, отжигают структуру в течение 3 - 5 ч при температуре 700 - 800 К, а затем пленку удаляют химическим травлением. 1 табл. 3 ил.

Способ обработки пластин монокристаллического кремния, включающий нанесение на одну из сторон пластин геттерирующего слоя и отжиг структуры в вакууме или инертной атмосфере, отличающийся тем, что в качестве геттерирующего слоя используют моноокись германия, которую в виде пленки толщиной 1,0 - 2,5 мкм наносят на рабочую сторону пластин, отжигают структуру в течение 3 - 5 ч при температуре из интервала 700 - 800 К, а затем пленку удаляют химическим травлением.