СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТРУКТУР "КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ" Российский патент 2002 года по МПК H01L21/784 

Предлагаемое изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании структур "кремний на сапфире", предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных схем, стойких к воздействию дестабилизиоуещих факторов, например к радиации.

Известен способ обработки структур "кремний на сапфире", включающий нанесение пленки кремния на сапфировую подложку, например пиролизом моносилана, и последующий высокотемпературный отжиг в газовой среде для снижения остаточной дефектности гетероэпитаксиальных слоев, негативно влияющей на электрофизические параметры пленок и изготавливаемых на них приборов [1]. Отжиг длительностью от нескольких минут до часов проводят при температурах из диапазона 1100-1250^o С.

Недостаток способа [1] в том, что при высокотемпературном отжиге наряду с частичным уменьшением концентрации структурных дефектов в кремниевых пленках происходит их неконтролируемое легирование атомами алюминия из сапфировой подложки. В положении замещения в решетке кремния алюминий является акцептором и создает в пленке слой с р- типом проводимости, который в случае материала n- типа может привести к нежелательной компенсации исходной проводимости и снижению подвижности носителей заряда, т.е. к ухудшению и невоспроизводимости электрических характеристик приборных областей структур "кремний на сапфире".

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ обработки гетерогенных композиций кремний-диэлектрик, используемый при изготовлении структур кремний-пленка диоксида кремния [2]. Этот способ включает в себя нанесение пленки диоксида кремния на кремниевую подложку и циклическую низкотемпературную обработку структур в жидком азоте, чередующуюся через 30-60 с с выдержкой при комнатной температуре в жидкой среде, в качестве которой используют этанол, а также измерения показателя преломления пленки во время обработки, при достижении которым постоянного значения обработку прекращают. Низкотемпературная обработка структур кремний-диоксид кремния по способу [2] позволяет увеличить процент выхода годных за счет снижения дефектности пленки. Его применение для обработки структур "кремний на сапфире" не приводит к неконтролируемому легированию пленок кремния на сапфировых подложках, поскольку при низких температурах (78-300 К) вероятность диссоциации комплексов Al₂O₃ на составляющие - исчезающе мала.

Недостаток способа [2] в том, что с его помощью нельзя снизить дефектность пленок кремния на сапфире. Это связано с негативным влиянием дополнительного (к естественному) слоя диоксида кремния, образующегося во время цикла нагрев-охлаждение, прежде всего, из-за конденсации влаги из окружающей атмосферы по поверхности кремния, сопровождающей релаксационные процессы перестройки структурных нарушений в подложке, возбуждаемые при циклической термообработке.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение качества приборных слоев кремния структур "кремний на сапфире" за счет снижения их дефектности.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки структур "кремний на сапфире", включающем нанесение пленки кремния на сапфировую подложку и циклическую низкотемпературную обработку структур в жидком азоте, чередующуюся через 30-60 с с выдержкой при комнатной температуре в жидкой среде, а также измерения показателя преломления пленки во время обработки, в качестве жидкой среды для нагрева структур до комнатной температуры используют водный раствор фтористо-водородной кислоты, после выдержки в котором кроме показателя преломления пленки измеряют показатель преломления подложки и обработку прекращают тогда, когда наиболее медленно изменяющийся из показателей преломления достигает постоянного значения.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно технической литературы, в заявляемом способе является то, что в качестве жидкой среды для нагрева структур до комнатной температуры используют водный раствор фтористо-водородной кислоты, после выдержки в котором кроме показателя преломления пленки измеряют показатель преломления подложки и обработку прекращают тогда, когда наиболее медленно изменяющийся из показателей преломления достигает постоянного значения.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что:
- удаление слоя диоксида кремния, образующегося при обработке, подавляет канал дополнительного образования новых дефектов и неконтролируемой перестройки исходных дефектов в пленке кремния, обусловленный термоупругими напряжениями на границе раздела кремний - диоксид кремния в каждом цикле охлаждение - нагрев;
- измерение показателя преломления подложки позволяет контролировать скорость протекания в ней процессов перестройки дефектов ( исходных нарушений структуры монокристалла сапфира и внесенных при обработке поверхности пластин ), активированных циклической термообработкой и оказывающих влияние на дефектность пленок через динамические поля упругих напряжений;
- прекращение термоциклической обработки в момент, когда наиболее медленно изменяющийся из показателей преломления пленки или подложки достигает постоянного значения обеспечивает стабильность достигнутого структурного совершенства пленок вследствие завершения релаксационных процессов перестройки дефектов как в пленке, так и в сапфировой подложке.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Любым из известных способов, например пиролизом моносилана [1], наращивают эпитаксиальную пленку кремния с заданными кристаллографической ориентацией, ( обычно [001]), типом проводимости и толщиной на сапфировой монокристаллической подложке, также имеющей определенную кристаллографическую ориентацию. Далее на эллипсометре проводят первое измерение показателей преломления кремниевой пленки и сапфировой подложки. После этого структуры подвергают циклической низкотемпературной обработке путем погружения их в сосуд Дьюара с жидким азотом, выдержки в течение 30-60 с и переноса в сосуд с водным раствором (до 49% по массе) фтористо-водородной кислоты, находящимся при комнатной температуре, выдержке в течение 30-60 с и следующего охлаждения в жидком азоте. В ходе выполнения термообработки периодически перед новым циклом охлаждения на структурах измеряют показатели преломления пленки и подложки. Интервал между такими измерениями может составлять 10-15 мин, а сама процедура измерений, например, на цифровом лазерном эллипсометре ЛЭФ-601 не превышает 3-5 мин, что не оказывает существенного влияния на производительность по заявляемому способу. По результатам измерений определяют, какой из показателей преломления, пленки или подложки, изменяется медленее с увеличением длительности термоциклирования. Обработку прекращают тогда, когда этот медленно меняющийся показатель преломления после очередного цикла охлаждение-нагрев сохранит свое значение (в пределах точности эллипсометрических измерений), зафиксированное на предшествующем этапе измерений. При групповой обработке структур "кремний на сапфире" с одинаковыми параметрами слоев описанная процедура может быть выполнена предварительно на отдельных контрольных образцах, на которых определяется необходимая длительность обработки, используемая затем при обработке всей партии. После циклической низкотемпературной обработки структуры поступают на следующие операции технологического маршрута изготовления приборов.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Три партии структур "кремний на сапфире", представляющие собой пленки кремния n- типа проводимости толщиной 0,6 мкм с ориентацией [001], выращенные силановым методом на подложках сапфира с ориентацией [0112] толщиной 540 мкм. Одну партию структур обрабатывали по способу [1] путем отжига в атмосфере азота при температуре 1100^oС в течение 10 мин, вторую партию обрабатывали по способу-прототипу [2], т.е. циклической низкотемпературной обработкой с нагревом структур до комнатной температуры в сосуде с этанолом и обработку завершали при достижении показателем преломления пленки кремния постоянного значения. Третью партию структур обрабатывали по заявляемому способу: при термоциклировании нагрев структур до комнатной температуры проводили путем их погружения в 49%-ный раствор фтористо-водородной кислоты, измеряли показатель преломления пленки и подложки на эллипсометре ЛЭФ-601 в процессе обработки и завершали обработку после того, как наиболее медленно изменявшийся показатель преломления достигал постоянной величины. Структуры второй и третьей партий обрабатывали с выдержкой в жидком азоте, равной выдержке в жидкой среде. Длительность выдержки составляла 40±10 с.

Влияние обработок на качество и дефектность структур регистрировали:
- по окончательному значению показателя преломления пленок и коэффициентам поглощения ими лазерного излучения длиной волны 0,63 мкм, которые связаны с примесно-дефектным составом кремния;
- по величине остаточных механических напряжений в пленках, измерявшихся на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4 на Fe k_α - излучении по отражениям [004]. Отрицательный знак напряжения соответствует сжатию пленки кремния.

Результаты измерения представлены в таблице, где наряду со средними значениями параметров приведены дисперсии по 10 точкам поверхности кремниевых пленок.

Как видно из данных таблицы, высокотемпературный отжиг по способу [1] увеличивает показатель преломления, что свидетельствует об уменьшении концентрации структурных дефектов типа дислокации или дефектов упаковки в пленках.

Это подтверждается и результатами рентгеновских измерений, свидетельствующими о снижении уровня остаточных напряжений и формировании более однородной структуры эпитаксиальных слоев кремния, на что указывает уменьшение дисперсии по поверхности структур показателя преломления и механических напряжений. Однако увеличение коэффициента поглощения и дисперсии его значения в пленках, обработанных по способу [1], означает, что при высоких температурах в эпитаксиальный слой произошла диффузия алюминия из подложки, т.е. ухудшились ее электрические характеристики.

Обработка по способу [2] слабо повлияла на параметры кремниевых пленок, хотя и проявила основную позитивную тенденцию термоциклирования при низких температурах : увеличение показателя преломления и снижение коэффициента поглощения и механических напряжений.

Наиболее эффективной оказалась обработка по заявляемому способу, после которой, с одной стороны, по показателю преломления и упругим напряжениям, а также по их дисперсиям, результаты близки (а точнее, лучше), чем данные, полученные после высокотемпературного отжига по способу 1. Однако, в отличии от последнего, после обработки по заявляемому способу произошло не увеличение, а существенное уменьшение коэффициента поглощения, что свидетельствует не только о снижении концентрации протяженных структурных дефектов, но и металлических примесей (прежде всего, алюминия) в пленках, в частности, за счет их обратной диффузии в сапфировую подложку.

Таким образам, технический результат заявляемого способа - повышение качества приборных слоев кремния структур "кремний на сапфире" за счет снижения их дефектности - достигнут.

Литература
1. Палатник Л.С., Папиров И.И. Эпитаксиальные пленки. - М., Наука, 1971. - С.164-171.

2. Патент РТ 2128382, МПК Н 01 L 21/316 / Способ изготовления структур кремний - пленка диоксида кремния // Скупов В.Д., Смолин В.К.

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании структур "кремний на сапфире", предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных схем, стойких к воздействию дестабилизирующих факторов, например к радиации. Сущность изобретения: в способе обработки структур "кремний на сапфире", включающем нанесение пленки кремния на сапфировую подложку и циклическую низкотемпературную обработку структур в жидком азоте, чередующуюся через 30-60 с c выдержкой при комнатной температуре в жидкой среде, а также измерения показателя преломления пленки во время обработки, в качестве жидкой среды для нагрева структур до комнатной температуры используют водный раствор фтористо-водородной кислоты, после выдержки в котором кроме показателя преломления пленки измеряют показатель преломления подложки и обработку прекращают тогда, когда наиболее медленно изменяющийся из показателей преломления достигает постоянного значения. Технический результат: повышение качества приборных слоев кремния структур "кремний на сапфире" за счет снижения их дефектности. 1 табл.

Способ обработки структур "кремний на сапфире", включающий нанесение пленки кремния на сапфировую подложку и циклическую низкотемпературную обработку структур в жидком азоте, чередующуюся через 30-60 c с выдержкой при комнатной температуре в жидкой среде, а также измерения показателя преломления пленки во время обработки, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды для нагрева структур до комнатной температуры используют водный раствор фтористо-водородной кислоты, после выдержки в котором кроме показателя преломления пленки измеряют показатель преломления подложки и обработку прекращают тогда, когда наиболее медленно изменяющийся из показателей преломления достигает постоянного значения.