СПОСОБ ГЕТТЕРИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР Российский патент 2001 года по МПК H01L21/322 

Предлагаемое изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии изготовления дискретных приборов и интегральных схем для улучшения электрических параметров эпитаксиальных полупроводниковых слоев приборных структур за счет снижения в них неконтролируемых фоновых примесей, кристаллографических дефектов и механических напряжений.

Известен способ геттерирующей обработки эпитаксиальных слоев кремниевых структур, включающий формирование на нерабочей стороне подложек структурно нарушенного слоя абразивным шлифованием, высокотемпературный отжиг, например, в окисленной атмосфере и эпитаксиальное наращивание приборного слоя на рабочую сторону подложки [1]. Наличие структурно нарушенного слоя геттера на нерабочей стороне подложек во время отжига приводит к удалению из кристалла, в частности, из областей вблизи рабочей стороны, быстродиффундирующих фоновых примесей, неравновесных собственных точечных дефектов и микродефектов (кластеров), т. е. приводит к геттерированию неконтролируемых компонентов примесно-дефектного состава материала подложки. Вследствие этого снижается вероятность образования и накопления нежелательных структурных дефектов и примесей в наращиваемом эпитаксиальном слое, что улучшает его электрофизические характеристики. Недостаток известного способа [1] в том, что структурные нарушения, образующие геттер, обуславливают возникновение в структурах макроскопических механических напряжений, сопровождающихся искривлением структур и, как следствие, увеличением брака на операции литографического формирования топологии активных областей приборов. Кроме того, в процессе эпитаксиального наращивания при повышенных температурах подложки в пленке из-за неконтролируемых вариаций режимов и условий роста возникает пресыщение по собственным точечным дефектам, которое стабилизируется за счет гомо- и гетерогенного (на примесях, например) образования комплексов и кластеров точечных дефектов, не связанных с примесно-дефектным составом подложки. Эти процессы снижают эффективность геттерирования и ухудшают электрофизические параметры эпитаксиальных слоев и выход годных приборов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ геттерирующей обработки эпитаксиальных слоев полупроводниковых структур, включающий аморфизацию структур с нерабочей стороны подложки облучением ионами средних энергий, т.е. ионами с энергией из интервала 10-500 кэВ [2]. Этот способ позволяет управлять величиной механических напряжений и снижать остаточную дефектность эпитаксиальных пленок, в результате чего улучшаются их электрофизические характеристики. Повышение качества эпитаксиальных слоев при реализации способа [2] происходит в результате взаимодействия с исходными структурными нарушениями в пленках потоков неравновесных собственных дефектов и упругих волн, возникающих в зоне торможения ионов, аморфизирующих нерабочую сторону подложек. Применение ионов средних энергий, имеющих малые пробеги в материалах, не создает значительных механических напряжений и не деформирует структуры из-за малых толщин радиационно-нарушенных слоев (< 1 мкм) по сравнению с толщинами стандартных полупроводниковых структур (100-500 мкм).

Недостаток способа [2] - низкая эффективность геттерирования примесей и радиационных дефектов в эпитаксиальных слоях вследствие ослабления амплитуды упругих волн и уменьшения концентрации точечных дефектов за счет поглощения в подложках, особенно в случае, если в качестве последних используются полупроводниковые соединения, например A₃B₅. Поэтому после ионного облучения по способу [2] в эпитаксиальных слоях сохраняется достаточно высокий уровень остаточной дефектности, что неприемлемо для современных полупроводниковых приборов.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эффективности геттерирующей обработки за счет снижения концентрации остаточной дефектности в эпитаксиальных слоях полупроводниковых структур.

Технический результат достигается тем, что в способе геттерирующей обработки эпитаксиальных слоев полупроводниковых структур, включающем аморфизацию структур с нерабочей стороны подложки облучением ионами средних энергий, перед аморфизацией нерабочую сторону структур облучают протонами с энергией, равной энергии ионов при последующем облучении дозой не ниже дозы аморфизации подложки ионным облучением.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в данном способе является то, что перед аморфизацией нерабочую сторону структур облучают протонами с энергией, равной энергии ионов при последующем облучении, и дозой не ниже дозы аморфизации подложки ионным облучением.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что облучение протонами перед аморфизацией нерабочей стороны подложек имплантированных ионов средних энергий создает слой, насыщенный простейшими метастабильными комплексами точечных дефектов, которые диссоциируют (отжигаются) на подвижные компоненты френкелевских пар при последующем облучении этой стороны структур более тяжелыми ионами. Свободные вакансии и собственные междоузельные атомы материала подложки диффундируют к эпитаксиальному слою, где за счет пространственного разделения их потоков полями упругих напряжений на границе раздела пленка-подложка (из-за несоответствия периодов кристаллических решеток сопрягающих слоев) и полями напряжений стабильных дефектов в пленке происходит взаимодействие неравновесных точечных дефектов с исходными нарушениями в эпитаксиальном слое, уменьшающими их концентрацию. То есть протонное облучение увеличивает концентрацию свободных точечных дефектов, ответственных за геттерирование компонентов исходного примесно-дефектного состава пленок. Кроме того, поскольку каждый акт диссоциации или аннигиляции дефектов сопровождается излучением упругих волн, то увеличение концентрации таких волн, увеличение концентрации таких метастабильных дефектов при протонном облучении, естественно, приводит при последующей аморфизации ионной имплантацией к росту амплитуды упругих волн и расширению их частотного диапазона, что расширяет и спектр исходных нарушений в эпитаксиальных слоях, чувствительных к динамическим напряжениям. Это является дополнительным (к потокам неравновесных точечных дефектов) существенным фактором, усиливающим геттерирование. Равенство энергий ионов, аморфизирующих подложку, и протонов обеспечивает пространственное разделение профилей распределения по глубине радиационных дефектов протонной и затем ионной бомбардировкой. Максимум концентрации метастабильных дефектов после протонирования залегает на больших глубинах, чем после облучения ионами тех же энергий. Этим объясняется увеличение концентрации свободных точечных дефектов и амплитуды упругих волн, достигающих эпитаксиальных слоев при аморфизации ионным облучением. Количество точечных дефектов и амплитуда упругих волн, участвующих в геттерировании, сохраняется на достаточно высоком уровне в случае, если доза облучения протонами не меньше, чем доза последующей ионной имплантации. Этим также достигается повышение эффективности геттерирования неконтролируемых примесей и структурных дефектов в эпитаксиальных слоях полупроводниковых композиций.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. После эпитаксиального наращивания пленки или многослойной композиции любым из известных методов (газофазным, жидкостным, молекулярно-лучевым) готовую структуру подвергают облучению потоком протонов со стороны подложки. При этом энергию протонов задают равной энергии того сорта ионов, которые будут затем использованы для аморфизации подложки. Значения энергий и доз аморфизации для большинства типов ионов, используемых в технологии микроэлектроники, известны и протабулированы.

Дозу облучения протонами выбирают такой, чтобы ее величина была не меньше дозы аморфизации для выбранного сорта ионов. После облучения протонами в структуры со стороны подложки проводят имплантацию ионов средних энергий дозами, которые при данной температуре облучения обеспечивают аморфизацию материала, т. е. максимальную для данных режимов и условий облучения концентрацию радиационных дефектов. Целесообразно на этом этапе использовать ионы инертных газов типа неона или аргона. После ионного облучения структуры передают на последующие технологические операции формирования функциональных элементов полупроводниковых приборов в эпитаксиальном слое.

Как будет показано ниже, заявляемый способ геттерирующей обработки применим не только к эпитаксиальным структурам - полуфабрикатам, но и к структурам, в эпитаксиальном слое которых уже сформированы элементы или приборы в целом.

Примеры практической реализации заявляемого способа.

ПРИМЕР 1. Геттерирующей обработке подвергали полученные газотранспортным методом эпитаксиальные кремниевые структуры: пленки КЭФ-1.0 толщиной 6 мкм, выращенные на подложках ЭКЭС-0.01 толщиной 250 мкм с ориентацией поверхности [111] . Геттерирование осуществляли: по способу-прототипу [2] путем аморфизации структур с нерабочей стороны подложек облучением ионами аргона с энергией 40 кэВ и дозой 3.71•10¹⁵ ион/см² при комнатной температуре (доза аморфизации кремния ионами аргона (4-8)•10¹⁴ ион/см²); по заявляемому способу перед аморфизацией ионами аргона структуры со стороны подложки облучали протонами с различными энергиями и дозами, а затем облучали ионами аргона в режимах, указанных выше.

Контроль качества эпитаксиальных слоев до и после геттерирования проводили по результатам рентгеновских измерений деформации кристаллической решетки эпитаксиального слоя, фиксировавшейся на трехкристальном рентгеновском спектрометре, а также по плотности эпитаксиальных дефектов упаковки в пленках после окисления структур в потоке влажного кислорода при 1120^oC в течение 30 минут. Дефекты упаковки выявляли селективным травлением образцов в хромовом травителе и их плотность подсчитывали по количеству ямок травления усреднением по 17-20 полям зрения металлографического микроскопа Neophot - 32 при стравливании эпитаксиального слоя на глубину 2.5-3 мкм. Наряду со средними значениями деформации кристаллической решетки в эпитаксиальном слое оценивалась дисперсия этих параметров по поверхности структур, характеризующая степень однородности примесно-дефектного состава пленки до и после различных геттерирующих обработок.

Результаты измерений представлены в таблице 1.

Из данных таблицы 1 видно, что применение геттерирующей обработки по способу-прототипу [2] уменьшает как деформацию кристаллической решетки эпитаксиального слоя, так и плотность окислительных дефектов упаковки в нем. Однако эти изменения лежат практически в пределах доверительного интервала погрешностей измерений. Наиболее существенное улучшение структурного совершенства эпитаксиальных пленок наблюдается на образцах, облученных перед аморфизацией протонами с энергией 40 кэВ и дозами (3.71-4.56)•10¹⁵ ион/см², т. е. в режимах реализации заявляемого способа.

ПРИМЕР 2. На эпитаксиальных структурах n+-n-GaAs (001) толщиной 100 мкм по стандартной технологии формировали полевые транзисторы с барьером Шоттки. Часть структур была контрольной, а две другие обрабатывали по способу-прототипу (облучение со стороны подложки ионами аргона с E = 90 кэВ дозой 1•10¹⁶ ион/см²) и по заявляемому способу с предварительным облучением подложки протонами с E = 90 кэВ и дозой 1•10¹⁶ ион/см². После обработки на структурах методами вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик измеряли профиль концентрации и подвижности носителей заряда в канале транзисторов (n-слой). Без обработки подвижность электронов составляла в среднем 3600-3800 см²/(В с), после обработки по способу-прототипу 3800-4200 см²/(В с), а после обработки по заявляемому способу 4470-4900 см²/(В с). Профиль распределения электронов по глубине после обработки по заявляемому способу стал более резким: градиент концентрации по толщине эпитаксиального слоя увеличился в среднем на 30%. После обработки по способу-прототипу в приделах точности измерений изменения профиля носителей заряда не обнаружено. Кроме того, при измерениях фоточувствительности транзисторных структур в видимом диапазоне длин волн обнаружено увеличение чувствительности на образцах, обработанных по заявляемому способу в 5-6 раз. Это имеет явное практическое значение для создания фотоприемников и фотореле на структурах на основе полупроводниковых соединений.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает достижение технического результата.

ЛИТЕРАТУРА
1. Бурмистров А. Н. , Пекарев А.И., Ушаков А.С., Чистяков Ю.Д. Влияние механической обработки нерабочей стороны кремниевой подложки на плотность дефектов. //Сб. "Активируемые процессы технологии микроэлектроники". Таганрог. Изд. ТРТИ, 1978, Вып. 8, с. 91-102.

2. Павлов П.В., Пашков В.И., Скупов В.Д. Влияние обработки ионами средних энергий на внутренние механические напряжения в эпитаксиальных структурах. //Электронная техника, Сер. 7, ТОПО, 1980, с. 24-26 (прототип).

Использование: в технологии изготовления дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем. Техническим результатом способа является повышение эффективности геттерирующей обработки за счет снижения концентрации остаточной дефектности. Сущность: в способе геттерирующей обработки, включающем аморфизацию полупроводниковых структур с нерабочей стороны подложки облучением ионами средних энергий, перед аморфизацией нерабочую сторону структур облучают протонами с энергией, равной энергии ионов при последующем облучении и дозой не ниже дозы аморфизации подложки ионным облучением. 1 табл.

Способ геттерирующей обработки эпитаксиальных слоев полупроводниковых структур, включающий аморфизацию структур с нерабочей стороны подложки облучением ионами средних энергий, отличающийся тем, что перед аморфизацией нерабочую сторону структур облучают протонами с энергией, равной энергии ионов при последующем облучении, и дозой не ниже дозы аморфизации подложки ионным облучением.