Способ изготовления полупроводниковых кремниевых структур с геттером

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР С ГЕТТЕРОМ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Сенько Сергей Федорович(72) Автор Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Сенько Сергей Федорович(57) Способ изготовления полупроводниковых кремниевых структур с геттером, включающий формирование эпитаксиальных структур на кремниевой пластине в процессе газофазной эпитаксии с последующим их термическим окислением, отличающийся тем,что в процессе газофазной эпитаксии предэпитаксиальный отжиг осуществляют в атмосфере водорода с добавкой хлористого водорода с длительностью проведения 5-30 мин.(56)1797403 1, 1995. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. Книга 1. - М. Мир. 1984.2134467 1, 1999.1422904 1, 1995.5397903 , 1995.232138 1, 1986. Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам геттерирования быстродиффундирующих примесей в кремнии, и может быть использовано при изготовлении кремниевых полупроводниковых приборов всех классов. Известны способы геттерирования с помощью формирования на обратной стороне пластин слоев примесно-силикатных стекол 1. Общим недостатком этих способов является то, что при формировании стекол используется высокая температура, что приводит к образованию преципитатов примесей до формирования геттера. Извлечь примесь из образовавшегося преципитата очень трудно, поэтому указанные способы имеют низкую эффективность. Известны способы геттерирования примесей в кремнии, включающие имплантацию в нерабочую сторону пластины ионов с дозами 1019-1020 ион/м 2 и энергией 50-200 кэВ и последующую термообработку при 1170-1270 К в течение 0,5-6 ч. Формирующиеся в результате ионной имплантации радиационные дефекты в кристаллической решетке кремния являются стоками для быстродиффундирующих примесей, что приводит к снижению их концентрации в активных областях пластины 2. 6541 1 Недостатки этих способов связаны главным образом с малой толщиной ионно-имплантированных слоев, обуславливающей сравнительно небольшие геттерирующую емкость и радиус геттерирования. При последующей термообработке также происходит отжиг радиационных дефектов и их эпитаксиальная рекристаллизация, что также снижает эффективность геттерирования. Кроме того, эти процессы, в том числе и аналоги, указанные выше, требуют проведения дополнительных операций по формированию геттера, что повышает трудоемкость и снижает производительность формирования структур. Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ изготовления полупроводниковых кремниевых структур с геттером, включающий последовательное легирование поверхности полупроводниковой пластины углеродом и кислородом, предэпитаксиальное газовое травление в атмосфере водорода с добавкой хлористого водорода и эпитаксиальное наращивание слоев кремния. Для формирования геттерирующей области далее проводят термообработку в окислительной атмосфере (сухой кислород) при температуре 1200 С в течение 1 часа 3. По сути, данный способ является одной из модификаций процесса внутреннего геттерирования, поскольку включает следующие стадии формирование центров зарождения преципитатов (ионное легирование и предэпитаксиальный отжиг), формирование (эпитаксия) чистой от центров зарождения преципитатов приповерхностной области (эпитаксиальная пленка), формирование преципитатов в объеме пластины (термообработка в окислительной атмосфере, совмещенная с процессами последующего термического окисления пластин при изготовлении полупроводниковых приборов). Недостатком способа является то, что процесс формирования геттера требует проведения большого количества технологических операций две операции ионного легирования, операции термообработки, вспомогательные и контрольные операции. Это требует значительных трудовых затрат, т.е. данный способ характеризуется высокой трудоемкостью. Задачей изобретения является снижение трудоемкости за счет совмещения технологических операций. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления полупроводниковых кремниевых структур с геттером, включающем формирование эпитаксиальных структур на кремниевой пластине в процессе газофазной эпитаксии с последующим их термическим окислением, в процессе газофазной эпитаксии предэпитаксиальный отжиг осуществляют в атмосфере водорода с добавкой хлористого водорода с длительностью проведения 5-30 мин. Заявляемый способ отличается от прототипа совмещением технологических операций формирования геттера с технологическими операциями формирования структуры полупроводниковых приборов. Предлагаемое совмещение технологических операций позволяет снизить трудоемкость формирования геттера. По существу, формирование геттера является совмещенным с технологическим процессом изготовления полупроводниковых приборов, т.е. его трудоемкость практически равна нулю, т.к. увеличение времени предэпитаксиального отжига в атмосфере водорода и хлористого водорода до 5-30 мин очень мало по сравнению с длительностью цикла эпитаксия - окисление (до 10 часов). Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем. Процесс газофазной эпитаксии, как известно 4, включает следующие стадии нагрев, предэпитаксиальный огжиг в смеси водорода и хлористого водорода, эпитаксия, постэпитаксиальный отжиг, охлаждение. Предэпитаксиальный отжиг служит для удаления окисной пленки с поверхности кремния, которая образуется при хранении пластин на воздухе. Т.к. толщина пленки очень мала, она удаляется очень быстро. Обычно процесс предэпитаксиального отжига проводят в течение 0,5-2 мин. При этом происходит также следующее. Водород вследствие малого размера атома быстро диффундирует в кремний и насыщает его. Соединяясь с кислородом, растворенным в кремнии, он образует воду, которая диффундирует 2 6541 1 к поверхности пластины и испаряется из нее. У поверхности пластин образуется обедненная кислородом, по сравнению с объемом пластины, область. Глубина этой области зависит от времени отжига - чем больше время отжига, тем больше глубина этой области. Это и есть будущая чистая зона. В это время в глубине пластины начинают формироваться кислородные преципитаты. Одновременно растворенные в кремнии загрязняющие примеси восстанавливаются водородом из своих комплексов (из силицидов, оксидов и т.п.) и диффундируют к поверхности пластины как к области с большим количеством ненасыщенных связей. Поэтому необходима постоянная подчистка поверхности кремния. Это достигается с помощью хлористого водорода, входящего в состав газовой смеси для предэпитаксиального отжига. Примеси диффундируют к поверхности, образуют летучие хлориды и уносятся газовым потоком. При последующей эпитаксии, которая также проводится в атмосфере водорода, указанным процессам начинает препятствовать растущая эпитаксиальная пленка. Примеси диффундируют к поверхности структуры, но уже сильно захватываются растущей эпитаксиальной пленкой. Экспериментально установлено, что оптимальным временем предэпитаксиального отжига является 5-30 мин. При меньшем времени не успевает сформироваться чистая зона, а за время более 30 мин, например 40 мин., чистая зона образуется слишком большая, что уменьшает емкость геттера. В процессе последующего окисления окончательно формируется область внутреннего геттера. Насыщающий структуру водород испаряется из пластины. Примеси, высвободившиеся из водородных комплексов, диффундируют вглубь пластины, т.к. концентрация водорода там меньше, и захватываются растущими кислородными комплексами (преципитатами). Температура и время окисления здесь особой роли не играют. Важно только,чтобы температура окисления была выше температуры аутодиффузии водорода из кремния(около 873 К) и время не менее 30 мин. Этим требованиям удовлетворяют практически все процессы окисления кремния. Первое окисление обычно проводится до достижения толщины оксида кремния около 0,1 мкм (данный оксид, как правило, служит маской при травлении меток совмещения в кремнии для фотолитографии). Это требует температуры порядка 1273 К и времени около 1 часа. Таким образом, стадия термообработки кремния в восстановительной атмосфере успешно может быть заменена несколько модифицированным процессом эпитаксии кремния, а стадия термообработки в окислительной атмосфере - окислением кремния при формировании рабочей структуры. Для геттерирования использовали кремниевые пластины марки 100 КЭФ 1,0-100 ЕТО.035.240 ТУ. Эпитаксиальное наращивание проводили на установке УНЭС 2 ПК-А путем разложения дихлорсилана при температуре 1423 К. На пластинах наращивали пленки 8 КЭФ 4,5 со скоростью 0,2 мкм в минуту. В качестве легирующей добавки использовали фосфин. Предэпитаксиальный отжиг проводили в атмосфере водорода с добавкой 0,5 хлористого водорода в едином технологическом цикле с процессом эпитаксии при той же температуре. Последовательность технологических операций при формировании эпитаксиальных структур по предлагаемому способу и способу-прототипу представлена в таблице 1. Режимы предэпитаксиального отжига указаны в таблице 2. Окисление проводили при температурах 1273, 1323 и 1423 К в сухом и влажном кислороде до наращивания оксида кремния толщиной 0,1-0,2 мкм на установке АДС 6-100. Контроль дефектности для определения эффективности геттерирования проводили путем селективного травления структур в травителе Секко в течение 2 минут с последующей оптической микроскопией при увеличении 250 х с помощью микроскопа ММУ-3. Результаты контроля плотности микродефектов приведены в таблице 2. Контроль дефектности для определения эффективности геттерирования проводили путем селективного травления структур в травителе Секко в течение 2 минут с последующей оптической микроскопией при увеличении 250 х с помощью микроскопа ММУ-3. Результаты контроля плотности микродефектов приведены в таблице 2. 3 2. Эпитаксиальное наращивание с отжигом 3. Контроль процесса и измерение параметров эпитаксиальной пленки 4. Химобработка 2. Эпитаксиальное наращивание с отжигом 3. Контроль процесса и измерение параметров эпитаксиальной пленки 4. Химобработка 5. Термическое окисление 6. Контроль процесса 7. Контроль структур. Химобработка 2. Ионное легирование углеродом 3. Ионное легирование кислородом 4. Контроль структур 5. Химобработка 6. Эпитаксиальное наращивание 7. Контроль процесса и измерение параметров эпитаксиальной пленки 8. Химобработка 3. Отжиг в кислороде 4. Контроль структур 5. Химобработка 6. Эпитаксиальное наращивание 7. Контроль процесса и измерение параметров эпитаксиальной пленки 8. Химобработка 9. Термическое окисление 10. Контроль процесса 11. Контроль структур Таблица 2 Время отжига, Температура Среда окисления Плотность микродефектов, см-2 п/п мин окисления, К 1 3 1273 Сухой кислород 3105 2 5 1273 Сухой кислород 5103 3 20 1273 Сухой кислород 4103 4 30 1273 Сухой кислород 5103 5 40 1273 Сухой кислород 4105 6 20 1323 Сухой кислород 2103 7 20 1423 Сухой кислород 2103 8 20 1273 Пары воды 3103 9 20 1423 Пары воды 4103 Из приведенных данных видно, что предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет снизить трудоемкость за счет совмещения технологических операций отжига с процессами эпитаксии и окисления. Дефектность кристаллической структуры изготавливаемых эпитаксиальных структур по предлагаемому способу не выше дефектности структур, изготавливаемых по прототипу. Источники информации 1. Верховский Е.И. Методы геттерирования примесей в кремнии. Часть 1. - ОЭТ, 1981. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4