СПОСОБ ГЕТТЕРИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК КРЕМНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01L21/322 H01L21/265 

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии изготовления дискретных приборов и интегральных схем для очистки (геттерирования) исходных подложек и структур на основе монокристаллического кремния от фоновых примесей и дефектов.

Известен способ [1] геттерирующей обработки кремниевых структур, включающий формирование на нерабочей стороне пластин (т.е. на стороне, где впоследствии не будут создаваться активные области приборов) структурно нарушенного слоя, например путем абразивной, лазерной или ионно-лучевой обработками поверхности, и последующий высокотемпературный (до 1473 K) отжиг в инертной или окислительной атмосферах. Структурно нарушенный слой на нерабочей стороне пластин во время отжига служит геттером для фоновых примесей и неравновесных собственных точечных дефектов материала.

Недостатком известного способа [1] является низкая воспроизводимость результатов геттерирования вследствие неоднородности строения нарушенных слоев, значительного, как правило, неконтролируемого, разброса их толщин и возникновения новых структурных нарушений, активируемого высокими температурами и дефектами в геттере, введенными абразивной, лазерной или ионной обработками.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ геттерирующей обработки подложек кремния, включающий осаждение на нерабочую сторону подложек слоя поликристаллического кремния и термообработку, которую обычно совмещают с высокотемпературными технологическими операциями окисления, эпитапсии или диффузии [2]. Поликристаллический кремний осаждают путем разложения при повышенных температурах (900 - 1100 K) кремнийсодержащих паров, например силана, четыреххлористого кремния и др. Последующую геттерирующую обработку проводят при температурах 1100 - 1400 K. По результатам геттерирования способ [2] более эффективен по сравнению с [1], поскольку процесс формирования поликремния хорошо контролируем и воспроизводим.

Недостаток способа [2] в том, что для геттерирования слоями поликремния используют высокотемпературную обработку, при которой одновременно с процессами удаления фоновых примесей и собственных точечных дефектов активируются и процессы образования новых дефектов на исходных (ростовых или технологических) структурных нарушениях. Эти два конкурирующих между собой процесса обуславливают, с одной стороны, очищение подложек, например от быстродиффундирующих фоновых примесей, а с другой, возникновение и рост окислительных или эпитаксиальных дефектов упаковки на микродефектах (кластерах) вблизи рабочей стороны пластин. Несмотря на то, что способ [2] обеспечивает снижение концентрации таких вторичных дефектов в прогеттерированных пластинах по сравнению с негеттерированными, этот эффект оказывается незначительным и уровень остаточной дефектности после высокотемпературной обработки в пластинах сохраняется достаточно высоким, что неприемлемо для современных полупроводниковых приборов, в частности для схем большой степени интеграции.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эффективности геттерирующей обработки за счет снижения концентрации остаточных дефектов в кремниевых подложках.

Технический результат достигается тем, что в способе геттерирующей обработки подложек кремния, включающем осаждение на нерабочую сторону подложек слоя поликристаллического кремния и термообработку, перед термообработкой поверхность поликристаллического кремния аморфизируют облучением ионами с энергией, для которой глубина проникновения ионов не превышает толщины слоя поликристаллического кремния.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что перед термообработкой поверхность поликристаллического кремния аморфизируют облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя поликристаллического кремния.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что аморфизация ионным облучением поверхности (приповерхностной области) поликристаллического кремния сопровождается генерацией собственных точечных дефектов кремния, мигрирующих в подложку и активирующих процессы геттерирования примесей и дефектов. Геттерирование происходит вследствие диффузии примесей из подложки в слой поликристаллического кремния под действием градиента концентрации радиационных собственных точечных дефектов (прежде всего вакансий), инжектируемых из зоны торможения ионов, распада и неконсервативного перемещения исходных дефектов типа кластеров (микродефектов) или дислокационных петель при взаимодействии с неравновесными вакансиями и междоузельными атомами кремния. Эти два основных процесса геттерирования дополнительно стимулируются во время облучения, в ходе низкотемпературной релаксации и при термообработке действием статических упругих напряжений в системе моно-поликремний-имплантированный слой и полем упругих волн, генерируемых в слое поликристаллического кремния ионами и трансформирующимися структурными дефектами, образующими границы зерен и блоков поликристалла. Протекание этих процессов при облучении приводит к очищению объема и областей, прилегающих к рабочей стороне подложек, от микродефектов, играющих роль центров зарождения частиц новой фазы или дефектов упаковки при последующих высокотемпературных обработках. Более того, при таких обработках происходит отжиг радиационных нарушений в слое поликристаллического кремния, который сопровождается дополнительной генерацией собственных точечных дефектов и упругих волн, усиливающих геттерирование. Поскольку глубина пробега ионов, определяемая их энергией, меньше толщины слоя поликристаллического кремния, то результаты геттерирования не зависят от типа ионов, которые могут быть как нейтральными, так и электрически (химически) активными. При необходимости ионнооблученный поликристаллический слой может быть удален до или после термообработки стравливанием. В зависимости от исходной степени дефектности подложек геттерирование по заявляемому способу может быть ограничено лишь ионным облучением поликристаллического кремния дозами, обеспечивающими его аморфизацию, т.е. максимально возможные для данной комбинации ион-мишень концентрации радиационных дефектов, без последующей высокотемпературной обработки. Это важное преимущество заявляемого способа по сравнению с известными, которое позволяет использовать его в технологии производства приборов с субмикронными проектными нормами. Причем в этом случае возможно осаждение и последующее ионное облучение слоев поликристаллического кремния на рабочую сторону подложки как по всей ее поверхности, так и локально на участках, материал под которыми необходимо очистить от примесей и дефектов.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На нерабочую сторону кремниевых подложек или на ту часть рабочей поверхности, вблизи которой необходимо очистить материал от примесей и дефектов, осаждают слой поликристаллического кремния любым из известных технологических методов, например пиролизом моносилана. Толщину слоя определяют по скорости напыления при заданных режимах процесса или измеряют экспериментально. Далее подложки со стороны слоя поликристаллического кремния облучают ионами с энергиями, обеспечивающими их полное торможение в геттерирующем слое, и дозами, при которых происходит аморфизация поликремния. Соответствующие значения энергий и доз аморфизации для различных типов ионов находят по справочникам или определяют экспериментально. После облучения проводят геттерирующую термообработку подложек в вакууме, инертной или химически активной среде при заданных температуре и длительности. Термообработка также, как и в способе [2], может быть совмещена с операциями технологического маршрута (эпитаксия, окисление). В некоторых случаях, например при локальном геттерировании на рабочей стороне подложек, термообработка после облучения ионами может не проводиться. В зависимости от технологического маршрута слой поликристаллического кремния после геттерирующей обработки может сохраняться на пластинах или удаляться, например травлением в растворах на основе азотной и фтористоводородной кислот.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Исследовали влияние способа геттерирующей обработки пластин кремния марки КДБ-12 (001) толщиной 460 мкм на плотность окислительных дефектов упаковки при отжиге в потоке влажного кислорода при температуре 1420 K в течение 30 минут. Часть пластин перед окислением не подвергалась геттерированию и служила контрольной. Другую обрабатывали по способу-прототипу 2: на нерабочей стороне пиролизом моносилана при температуре 900 K осаждали слой поликристаллического кремния толщиной (0,5 ± 0,1) мкм. При обработке по заявляемому способу на нерабочей стороне пластин осаждали слой поликремния той же толщины и затем проводили облучение ионами аргона с энергией 40 кэВ дозой 1 • 10¹⁶ ион/см², заведомо превышающей дозу аморфизации. Максимальный пробег ионов составляет ~ 0,06 мкм.

Контрольные и прогеттерированные пластины после окисления обрабатывали в хромовом травителе, выявляли дефекты упаковки на рабочей стороне и измеряли их плотность на металлографическом микроскопе. Расчеты средних значений и дисперсии плотности окислительных дефектов упаковки по 15-17 полям зрения микроскопа представлены в таблице.

Как видно из данных таблицы, заявляемый способ почти на два порядка уменьшает плотность окислительных дефектов упаковки (т.е. снижает концентрацию центров зарождения этих дефектов) по сравнению со способом-прототипом. Т.е. технический результат при реализации заявляемого способа достигается.

Литература
1.Лабунов В.А., Баранов И.Л., Бондаренко В.П., Дорофеев А.М. Современные методы геттерирования в технологии полупроводниковой электроники. - Зарубежная электронная техника. - 1983, N 11, с. 3-66.

2. Патент США N 4053335 (прототип).

Использование: в технологии изготовления дискретных приборов и интегральных схем. Технический результат: повышение эффективности геттерирующей обработки за счет снижения концентрации остаточных дефектов в кремниевых подложках. Сущность изобретения: способ включает осаждение на нерабочую сторону подложек кремния слоя поликристаллического кремния и термообработку, перед термообработкой поверхность поликристаллического кремния амортизируют облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя поликристаллического кремния. 1 табл.

Способ геттерирующей обработки подложек кремния, включающий осаждение на нерабочую сторону подложек слоя поликристаллического кремния и термообработку, отличающийся тем, что перед термообработкой поверхность поликристаллического кремния аморфизируют облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя поликристаллического кремния.