Способ очистки поверхности кремниевых пластин Советский патент 1979 года по МПК H01L21/302 

., . - I

Изобретение относится к области полуроводниковой технологии и может быть спользовано в производстве полупроводниковыхприборов и интегральных схем для одготовкиповерхности перед последующим эпйтйксиональным наращиванием полупроводниковых пленок на кремниевую подложку или перед нанесением тонкого диэлектрического покрь1тия.

Известен способ очистки поверхности монокристалличёского кремния высокотемпературным прогревом в Сверхвысоком .вакууме, который позволяет получать чистую поверхность, свободную также от частиц карбида кремния, путем прогрева .при температурах 1200°С и выше 1.

Однако при более низких температурах удалить кристаллиты карбида кремния эти.м способом нельзя..

Известен также способ очистки поверхности кремниевых пластин, включающий окисление поверхности пластин и термообработку в сверхвысоком вакууме 2. Окисление поверхности проводят в кислороде при давлении 10 торр и температуре более 1200°С.

Указанным способом нельзя получить поверхность гладкой из-за травления поверхности кремния кислородом. Кро.ме того, не обеспечивается очистка поверхности от Кристаллитов kapбидa кремния с плотностыо их распределения по поверхности менее . при температу-ре прогрева ниже 1200°С, хотя присутствие частиц карбида кремния препятствует в дальнейшем бездефектному росту энитаксиальиых плС нок и приводит к образованию дефектов в тонких диэлектрических слоях, наращиваемых на очищаемую поверхность.

Прогревы выше 1200°С, когда крнсталлиты SIC удаляются с поверхности кремн 1я, могут также существенно изменять концентрацию основной легирующей примеси поверхности по сравнению с объемной, что часто дает отрицательный эффект. Более того, ввиду значительного диффузионного размытия, такой высокотемпературной очистке нельзя подвергнуть.кристалл, который имеет на поверхности участки с разным легированием.

Целью изобретения является улучшение качества очистки поверхности за счет исключения процесса травления. Указанная цель достигается тем, что перед окислением производят прогрев пластин в сверхвысоком вакууме при парциальных давлениях кислорода и воды ItP -lб торр и температуре 900-1100°С в течение 4-15 мин, окисление проводят при д:авлении кислорода 0,1 -10,0 торр и температуре 850- 1100°С в течение 2-8 мин до получения окисной пленки толщиной 25-40 А и термообработку в сверхвысоком вакууме проводят при температуре 1000-И 00°С. в течение 4-20 мин. . Сущность способа заключается в том, что во время первого прогрева с поверхности кремния удаляются летучие компоненты, которые остались после стандартной химической обработки, в том числе и естест венный окисел. Низкие парциальные давленйя кисЛорОда и паров воды обеспечивают сохранение гладкой исходной поверхности при прогреве. Углёродсодержащие компоненты после испарения естественного окисла связываются в Кристаллы карбида кремния. Время прогрева 4-15 мин. Последующее окисление, производимое при (, в течение 2-8 мин после запуска в камеру сухого кислорода до давления 0,1-10.0 торр обеспечивает как окис ление карбида кремния, так и образование сплошной пленки двуокиси кремния тОлщиной 25-40 А. Пленки тоньше 25 А не обеспШвают полного окислений частиц карбида кремния и не образуют сплошного покрытия поверхности. Пленки толще 40 А требуют суц1ественно большего времени испа рения (до 30 мин), что При 1000-1 Приврдит к нежелательному изменению легировйния Образца вблизи поверхности. ДавЛеййе кислорода экспоненциально зависит от температуры окисление. Величина О, Г торр соответствует температуре 850°С,а 10,0 торр. И00°С. Эти значения выбраны с целью полного подавления реакции травления кремния кислородом и позволяют сохранить рладкость поверхности. Повторный нагрев кристалла кремния при 1000-ПОО°С в течение 4-20 мин, производимый после откачки кислорода И достижения сверхвысокого вакуума с парциальнЬ1Йи давлениями кислорода и воды б торр, обеспечивает испарение с поверхности как окиси кремния, так и продуктов окисления кристаллитов карбида кремния. В результате формйруётся поверхность кремния, состояи ая из атомно-гладких террас, шириной 500-2000 А, разделенных ступенями высотой 10-40 А. При однокрагтном использованйи предлагаемой очистки нрсть частиц карбида кремния составляе1г см. Пример}. Проводился одиократный цикл очистки поверхности кремниевого образца р-типа с удельным сопротивлением 4,5 , вырезанного в форме параллелепипеда толщиной 0,3 мм,щириной 5 мм и длиной 25 мм. По9ле стандартной химической очистки, обычно используемой в планарной технологии, образец помещался в вакуумкуркамеру, которая откачивалась до парциальных давлений по кислороду и воде до 1(J торр. Нагрев до осуществлялся прямым пропусканием тока через образец, закрепленный втанталовомдержателе,После 15-минутного прогрева образец охлаждали до 600°С и напускали в камеру сухой кислород до давления 0,1 торр. Последующее окисление образца проводилось при температуре 850°С в течение 8 мин. При этом на поверхности кремния образовалась пленка SiOj толщиной 25 А. После окисления образец охлаждался до комнатной температуры, камера откачивалась до давления 3-1(Т® торр по кислороду и воде и производился повторный прогрев образца в течение 20 мин при температуре 1000°С. После охлаждения образца и извлече ™ вакуумной камеры был осущест очищен 1ои поверхности с электронографии на отражение, электроиио-микроскопического метода реплик и интерференционной оптической микроско После первого прогрева при 900°С по Данным электронографии и метода реплик на поверхности кремния присутствуют крис аллиты с плотностью распределе по поверхности около 10 см2. На поверхности образца, прошедшего полный цикл очистки, электронографии на отражение и реплики не выявляет присутствие карбидных частиц, а по даИным интерференционной оптической микроскопии их nлotность составил а 5-10 см. Поверхность состойла из атомно-гладких террас шириной примерно 2000 А, разделенных параллельными ступенями высотой 20-30 А. Пример 2. Предварительный отжиг проводили при температуре 1000°С в течение 10 мин при парциальном давлении кислорода и воды торр. После отжига проводили окисление при давлении, кислорода и воды 1,0 торр при 1000С в течение 4 мин. Получалась окисная пленка тол щи ной30. А. После окислеиия образец охлаждался, камера Откачивалась до давления 10 торр по кислороду и воде и производился повторный прогрев образца в течение 10 мин, при 1050°С. Плотность карбидныхчастиц на поверхности кремния составляла 10 см. Пример 3. Предварительный отжиг поверхности проводился при 1100°С в течение 4 мин при давлении 1(Т торр по кислороду и вОде. Окисляли поверхность при парииальном давлении кислорода 10,0 торр и 1100°С в течение 2-х мин. Толщина Окисной пленки 40 А. Возгонку окисла осуществляли при давлениях торр по кислороду и воде, 1100°С. в течение 4 мин. Плотность карбидных частиц на роверхности Использование настоящего способа очистки поверхности кремния обеспечивает снижение температур тепловой обработки кристаллов кремния на 100-300°С, что, позволяет упростить способ при сохранении концентрации основной легирующей смеси в приповерхностном слое кремния, близкой к объемной. Способ пригоден также для очнсткн образцов, имеющих неоднородные области легирования, например р-н-переходы. Кроме того, повышенное Давление кислорода в вакуумной камере при окислении препйтствует травлению поверхности кремния кислородом. В результате поверхность образца после очистки остается гладкой, пригодной для получения сверхтонких однородных эпитаксиальных полупроводниковых и -аморф ных диэлектрических слоев. Формула изобретения Способ очистки поверхности кремниевых пластин, включающий окисление поверхности пластин и термообработку в сверхвысоком вакууме, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества очистки поверхности за счет исключения процесса травлерия, перед окислением производят прогрев в сверхвысоком вакууме при парциал ьных давлениях кислорода и воды 1(Р -10 торр и температуре 900-1100°С в течение 4- 15 мин, окисление проводят при давлении кислорода 0,,0 торр и температуре 850-1100°С в течение 2-8 мин до поличения окисной пленки толщиной 25- 40 А и термообработку в сверхвысоком вакууме проводят при температуре 1000-ПОО С в течение 4-20 мин. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Henderson R. С. J. AppI Phys, 42, Л97, р, 1208. 2. Боонстра А. Поверхностные свойства германия и кремния, М., «Мир, 1970, с. 120, (прототип).