Способ изготовления полупроводниковых пластин кремния

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления полупроводниковой пластины кремния, включающий последовательное формирование на нерабочей стороне подложки монокристаллического кремния с полированной рабочей стороной пленки оксида кремния толщиной 1-8 и пленки поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм, отличающийся тем, что пленку оксида кремния формируют путем последовательной обработки подложки в едином технологическом цикле сначала во фторсодержащей плазме в течение 30-150 с, далее в плазме аргона в течение 10-60 с, а затем в плазме кислорода в течение времени, необходимого для получения пленки требуемой толщины. Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов. В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полупроводниковой пластины. Параметры исходной пластины во многом предопределяют технические характеристики и выход изготавливаемых приборов. Важнейшим показателем качества полупроводниковых пластин является их устойчивость к процессам дефектообразования в процессе формирования активной структуры. Этот параметр отражен практически во всех нормативных документах, определяющих технические требования к полупроводниковым пластинам 1-3. Вначале полупроводниковые подложки изготавливали путем резки монокристалла кремния на пластины толщиной, обеспечивающей необходимую механическую прочность,после чего их подвергали химическому травлению для удаления нарушенного слоя 4. Недостатки полученных пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой поверхности выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры полу 15319 1 2012.02.28 проводниковых приборов служат источником возникновения кристаллографических дефектов в приповерхностном объеме пластины. Они приводят к генерации дислокаций, дефектов упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формируемых переходов и увеличивают токи их утечки. Это не позволяет получить приборы приемлемого уровня качества. Важным фактором, влияющим на дефектность рабочей поверхности пластины, является также наличие неконтролируемых загрязнений как в материале пластины, так и в технологических средах, используемых в производстве приборов. Неконтролируемые примеси накапливаются вблизи рабочей поверхности пластины и приводят к образованию дополнительных дефектов, которые также значительно ухудшают электрические характеристики получаемых приборов. Известен способ изготовления полупроводниковых пластин кремния, включающий ориентирование слитка кремния в плоскости реза, резку слитка на пластины в заданном кристаллографическом направлении, удаление нарушенного слоя химическим травлением и финишную полировку поверхности пластины 5. Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливаемых приборов за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Однако проблема неконтролируемых загрязнений этим не решается. На сегодняшний день подавляющее большинство пластин получают из монокристаллов кремния, выращенного методом Чохральского. В качестве загрязняющих примесей такие пластины содержат преимущественно кислород и углерод. Воздействие на пластину разнообразных технологических сред при различных температурах, контакт с технологической оснасткой, изготовленной из различных материалов, приводят к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. Особенностью распределения этих загрязнений по объему пластины является то, что они концентрируются в приповерхностных областях. Их растворимость в кремнии сильно зависит от температуры. При нагреве от комнатной температуры до 1000 она повышается на несколько порядков. При последующем охлаждении пластин растворимость резко падает и фактическая концентрация примесей начинает превышать предельную растворимость, в результате чего образуются преципитаты, представляющие собой микроскопические выделения второй фазы. Плотность таких выделений достигает 106 см-2 и более. В результате ухудшаются характеристики изготавливаемых приборов и снижается выход годных изделий. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом является способ изготовления полупроводниковых кремниевых пластин, включающий формирование на нерабочей стороне полированной подложки монокристаллического кремния толщиной 300-1000 мкм сначала пленки оксида кремния толщиной 1-8 путем ее термического окисления, а затем пленки поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм с размером зерна 0,1-0,4 мкм 6. Пленка поликристаллического кремния поглощает (геттерирует) неконтролируемые примеси вследствие большого количества ненасыщенных химических связей на границах раздела ее зерен. В процессе термообработки при изготовлении полупроводниковых приборов неконтролируемые примеси диффундируют из материала подложки в область геттера и осаждаются там. Пленка оксида кремния играет барьерную роль и служит для предотвращения эпитаксиальной рекристаллизации поликристаллического кремния. Однако в то же время она является и барьером для диффузии неконтролируемых примесей из объема монокристаллической подложки в поликристаллическую пленку. Поэтому даже незначительное увеличение ее толщины сверх требуемого номинала приводит к затруднению диффузии примесей и заметной потере геттерирующих свойств. Недостатком прототипа является сложность обеспечения требуемой толщины пленки оксида кремния. Кремний является химически достаточно активным элементом и быстро окисляется при хранении на воздухе с образованием пленки оксида толщиной до 25 , что значительно превышает требуемый номинал. Кроме того, для обеспечения требуемой чи 2 15319 1 2012.02.28 стоты процессов получения оксида кремния и поликристаллического кремния пластины необходимо подвергать химической обработке в растворах, содержащих перекись водорода, например перекисно-аммиачном. При этом на поверхности пластин также образуется пленка оксида кремния толщиной до 25 , что недопустимо при использовании прототипа. В связи с этим прототип предполагает проведение контролируемого окисления поверхности пластин при температуре 400 С непосредственно после обработки в растворе плавиковой кислоты без проведения их химической отмывки, что приводит к сильному дополнительному загрязнению пластин. В процессе проведения дальнейших технологических операций по формированию активной структуры полупроводниковых приборов эти загрязнения растворяются в материале пластины и приводят к образованию дефектов на ее рабочей поверхности, несмотря на наличие достаточно эффективной геттерирующей области. Таким образом, недостатком прототипа также является низкая устойчивость полученных пластин к дефектообразованию за счет невозможности обеспечения чистоты процессов формирования геттерирующей области, что влечет внесение дополнительных загрязнений. Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин к дефектообразованию за счет обеспечения чистоты процессов формирования геттерирующей области. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления полупроводниковой пластины кремния, включающем последовательное формирование на нерабочей стороне подложки монокристаллического кремния с полированной рабочей стороной пленки оксида кремния толщиной 1-8 и пленки поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм,пленку оксида кремния формируют путем последовательной обработки подложки в едином технологическом цикле сначала во фторсодержащей плазме в течение 30-150 с, далее в плазме аргона в течение 10-60 с, а затем в плазме кислорода в течение времени, необходимого для получения пленки требуемой толщины. Сущность заявляемого технического решения заключается в полном удалении оксида кремния, образовавшегося в результате проведения химобработки и при хранении пластин на воздухе, и последующем окислении чистой поверхности кремния в плазме кислорода. Процессы химической отмывки полупроводниковых пластин кремния основаны на окислении загрязнений и переводе их в раствор. Для этих целей в настоящее время наиболее широко используются обработка в растворах на основе смеси серной кислоты и перекиси водорода (кислота Каро) и перекисно-аммиачном растворе. Окисление загрязняющих примесей сопровождается также окислением поверхности полупроводниковой пластины с образованием защитной оксидной пленки. При отмывке пластин в перекисно-аммиачном растворе происходят конкурирующие процессы окисления поверхности кремния перекисью и растворения образовавшегося оксида щелочью. Поверхностный слой оксида кремния при отмывке непрерывно обновляется, но его толщина при этом сохраняется в зависимости от режимов обработки на уровне 5-25 . Загрязнения, адсорбированные на поверхности оксида, при этом переходят в раствор вместе с поверхностным слоем оксида. Таким образом, в процессе химической отмывки пластин, обеспечивающей требуемую их чистоту, на поверхности кремния образуется оксидная пленка. При хранении кремниевых пластин на воздухе толщина образующейся оксидной пленки также не превышает 25 . Оксид кремния является химически достаточно инертным материалом, что создает дополнительные преимущества по сравнению с прототипом, например, при адсорбции загрязняющих примесей. Обработка подложки в плазме фторсодержащего газа приводит к полному удалению пленки оксида кремния толщиной до 25 , образовавшейся в процессе химической отмывки пластин и при их хранении на воздухе, за счет ее травления радикалами фтора. Поверхность кремниевой подложки при этом обнажается, но остается достаточно насыщенной фтором. Наличие этого фтора создает затруднения при получении барьерной оксидной пленки требуемой толщины, поскольку образование оксида сопровождается его неконтролируемым травлением остатками фтора. В связи с этим промежуточная обработка в плазме аргона обеспечивает полное удаление остатков фтора как с поверхности пластин,3 15319 1 2012.02.28 так и из реакционной камеры. Последующая обработка пластин в плазме кислорода обеспечивает контролируемое окисление и получение оксида кремния заданной толщины. Формирование барьерного оксида кремния заявляемым способом позволяет проводить необходимую химическую отмывку пластин и делает их некритичными к срокам и условиям хранения, т.к. толщина образующегося при этом оксида уже не влияет на толщину получаемого барьерного слоя. В результате качество получаемых пластин и эффективность геттерирования примесей возрастают за счет обеспечения требуемой чистоты проведения технологических процессов. Время обработки пластин во фторсодержащей плазме определяется временем удаления оксида кремния, образовавшегося в результате проведения химической отмывки. За время менее 30 с, например 10 с, оксид кремния удаляется не полностью, в результате чего финишная толщина барьерного слоя оказывается выше требуемой. Проведение этого процесса в течение времени более 150 с нецелесообразно в связи с тем, что дополнительные преимущества при этом отсутствуют. В качестве рабочего газа при этом могут быть использованы любые реагенты, применяемые для плазмохимического травления пленок на основе оксида кремния. Обработка пластин в плазме аргона менее 10 с, например 5 с, не обеспечивает полного удаления остатков фтора из реакционной камеры, в результате чего толщина барьерного слоя оксида кремния оказывается невоспроизводимой. Обработка в течение более 60 с,например 90 с, несмотря на увеличение затрат, дополнительных преимуществ не дает. Режимы обработки в плазме кислорода в каждом конкретном случае необходимо подбирать опытным путем, т.к. скорость окисления кремния зависит от давления кислорода,мощности ВЧ-разряда, температуры подложки, ее удельного сопротивления и ряда других факторов. Контролируемым параметром в данном случае является только толщина полученного барьерного оксида кремния. В качестве рабочего газа при этом может быть использован как чистый кислород, так и его смесь с аргоном. Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого технического решения обеспечивает повышение эффективности геттерирования неконтролируемых примесей за счет исключения дополнительных загрязнений. Заявляемый способ реализовали следующим образом. Для испытаний использовали подложки типа 100 КДБ 10 ориентации (111) и подложки 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) толщиной 450 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию неконтролируемых примесей. Подложки отмывали сначала в кислоте Каро при температуре 140 С в течение 5 мин, а затем в перекисноаммиачном растворе в течение 10 мин при температуре 65 С. После промывки пластин в воде и сушки проводили формирование барьерного оксида кремния путем последовательной плазмохимической обработки на установке 08 ПХО 100 Т-004 сначала в плазме 4,затем в плазме аргона и далее в плазме кислорода. Режимы обработки приведены в таблице. Толщину пленки барьерного оксида кремния определяли на основании времени ее травления в соответствии с предварительными калибровочными данными. Затем формировали пленку поликристаллического кремния требуемой толщины путем термического разложения моносилана при пониженном давлении при температуре 675 С на установке Изотрон-1. После этого удаляли все слои с рабочей поверхности полученных пластин. При изготовлении пластин в соответствии с прототипом исходные подложки после химической отмывки обрабатывали в растворе плавиковой кислоты, затем термически окисляли до достижения требуемой толщины оксида, после чего наносили пленку поликристаллического кремния. Для оценки устойчивости пластин к дефектообразованию их окисляли в сухом кислороде в течение 3 часов при температуре 1200 С на установке АДС 6-100. Затем с них удаляли образовавшийся диоксид кремния и подвергали травлению в травителе Сиртла для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне пластин ориентации (111) 4 15319 1 2012.02.28 и в травителе Секко для пластин ориентации (001). Плотность микродефектов, отражающих устойчивость пластин к дефектообразованию и эффективность геттерирования неконтролируемых примесей, определяли методом оптической микроскопии при увеличении 250. Результаты контроля приведены в таблице. Влияние режимов изготовления пластины на ее устойчивость к образованию преципитатов примесей Время травле- Время обра- Расчетная толщина Плотность Тип ния в плазме ботки в плазме слоя оксида микродефектов,п/п подложки 4, с аргона, с кремния,см-2 1 10 15 5102 2 30 6100 3 60 30 5 2101 4 150 1101 5 240 5 5101 6 100 КДБ 10 5 5-10 1102 7 10 3101 60 5 8 60 4101 9 120 7 2101 10 60 30 20 5102 11 прототип 4102 12 30 10 1 5100 13 60 30 5 2101 100 КЭФ 4,5 14 150 60 8 2101 15 прототип 6102 Из приведенных данных видно, что формирование барьерного слоя оксида кремния путем последовательной плазмохимической обработки во фторсодержащей атмосфере,аргоне и кислороде обеспечивает значительное повышение устойчивости пластин к дефектообразованию. Увеличение времени обработки как в плазме 4, так и в плазме аргона дополнительных преимуществ не дает. Использование запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере решить поставленную задачу. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет, по сравнению с прототипом,повысить эффективность геттерирования и устойчивость пластин к дефектообразованию. Источники информации 1. ЕТО.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 2. ЕТО.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 3. ЕТО.035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 4. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов. - М. Энергия, 1968. - С. 46. 5. Сенько С.Ф., Зеленин В.А., Емельянов В.А., Белоус А.И. Способ изготовления полупроводниковых пластин кремния. Патент 7946 от 23.12.2005 // Официальный бюллетень. Изобретения, полезные модели, промышленные образцы. -2 (49). - 2006.04.30. - С. 126. 6.5189508. . 23, 1993.,,..,.(прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5