Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (111)

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ КРЕМНИЕВАЯ ПЛАСТИНА ОРИЕНТАЦИИ (111)(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) Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (111) круглой формы с полированной рабочей поверхностью и толщиной , обеспечивающей необходимую прочность,отличающаяся тем, что на нерабочей поверхности вдоль, по меньшей мере, одного из кристаллографических направлений 110 содержит механические нарушения в виде параллельных линий с шагом , выбранным из интервала (0,30,9). 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 15359 1 2012.02.28 практически во всех нормативных документах, определяющих технические требования к полупроводниковым пластинам 1-3. Вначале полупроводниковые приборы изготавливали с использованием в качестве исходного материала кремниевых пластин круглой формы с толщиной, обеспечивающей необходимую механическую прочность, с шероховатой рабочей поверхностью 4. Такие пластины изготавливают обычно путем химического травления нарушенного слоя, образующегося в процессе резки слитка кремния на пластины. Недостатки рассматриваемой конструкции пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой поверхности при проведении высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры полупроводниковых приборов служат источником возникновения кристаллографических дефектов в приповерхностном объеме пластины, что не позволяет получить приборы приемлемого уровня качества. Формирование технологических слоев на таких пластинах приводит к тому, что неровности поверхности выступают в роли концентраторов механических напряжений. Это приводит к генерации дислокаций, дефектов упаковки и линий скольжения, которые декорируются неконтролируемыми примесями,что снижает напряжение пробоя формируемых переходов и увеличивает токи их утечки. Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является полупроводниковая пластина круглой формы с полированной рабочей поверхностью и срезами на краю пластины, один из которых основной (базовый) 5. Основной (базовый) срез служит для автоматизации процессов ориентации пластины при выполнении различных технологических операций, например фотолитографии. Дополнительные срезы на краю пластины являются маркировочными и позволяют различать пластины различных типономиналов. Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливаемых приборов за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Однако существующие процессы изготовления пластин на сегодняшний день не обеспечивают отсутствие механических повреждений на торце пластин. Использование закругления (фаски) также не позволяет в полной мере решить эту проблему. Одним из наиболее широко используемых типов пластин являются пластины ориентации (111). Изготовление приборов на таких пластинах включает операции эпитаксии,окисления и т.д. Эпитаксия проводится на начальном этапе формирования структуры полупроводниковых приборов. Качество проведения этой операции предопределяет выход и характеристики годных приборов. Одной из особенностей процесса эпитаксии является наличие высоких температурных градиентов в процессе роста эпитаксиальной пленки. Совокупность высоких температурных градиентов и механических повреждений на торце пластин приводит к интенсивной генерации линий скольжения, которые растут от края пластины к ее середине в рабочую область. Эти линии представляют собой ступеньки на поверхности пластины и располагаются в строго определенных кристаллографических направлениях. Для пластины ориентации (111) это направления типа 112. Линии скольжения насыщены дислокациями и дефектами упаковки с очень высокой плотностью(более 105 см-2). В зависимости от количества дефектов на торце пластины и режимов эпитаксии линии скольжения зачастую могут занимать до 50 площади пластины и более. Наличие дефектов и ступенек на поверхности пластин приводит к невозможности получения в этих областях годных приборов. Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость пластин к дефектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов. Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин ориентации (111) к образованию линий скольжения. Поставленная задача решается тем, что полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (111) круглой формы с полированной рабочей поверхностью и толщиной , обеспечивающей необходимую прочность, на нерабочей поверхности вдоль, по меньшей мере,2 15359 1 2012.02.28 одного из кристаллографических направлений 110 содержит механические нарушения в виде параллельных линий с шагом , выбранным из интервала (0,3-0,9). Сущность заявляемого технического решения заключается в блокировании роста линий скольжения сеткой дислокаций, формируемой контролируемыми механическими нарушениями. Рост линий скольжения под действием термомеханических напряжений в процессе эпитаксии и их проникновение в рабочую область пластины происходит за счет скольжения постоянно генерируемых на торце пластины дислокаций. Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются кристаллографические плоскости типа 111 и 110. Для пластины ориентации (111) плоскости типа 111 расположены под углами 10 (т.е. параллельно поверхности, в данном случае это плоскость ( 1 1 1 ), находящаяся в двойниковой ориентации по отношению к рабочей поверхности) и 27032 к плоскости пластины, а плоскости типа 110 расположены под углами 390 (т.е. перпендикулярно поверхности, а именно плоскости (1 1 0),(10 1 ) и (01 1 и 43516 (а именно плоскости (110), (101) и (001 к поверхности пластины. В случае наличия неконтролируемых нарушений на поверхности пластины и ее торце генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях, расположенных перпендикулярно поверхности пластины, т.к. энергия образования этих дислокаций минимальна. Именно это наблюдается при росте линий скольжения. Наличие контролируемых нарушений на обратной стороне пластины в одном из направлений 1 1 0 , 10 1 или 01 1 позволяет сформировать сетку дислокаций в строго определенных кристаллографических плоскостях, а именно в плоскостях (110) и (11 1 ), (101) и (1 1 1) или (011) и( 1 11) попарно, соответственно выбранному кристаллографическому направлению. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях в данном случае энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие от механических нарушений изгибающие моменты перпендикулярны линиям нарушений. Эти плоскости наклонены к поверхности пластины и пересекаются на некотором расстоянии от ее поверхности опять-таки в плоскости ( 1 1 1 ) (или в плоскости (111), что то же самое), которая также является плоскостью скольжения. Пересечение рассматриваемых плоскостей скольжения приводит к блокированию дислокаций, скользящих в пересекающихся плоскостях с образованием дислокационных полупетель, закрепленных концами на обратной стороне пластины. Дислокации, генерируемые в плоскостях (1 1 0), (10 1 ) и (01 1 ) под действием термомеханических напряжений в области дефектов на торце пластины, скользят по направлению к центру пластины. На своем пути они встречают дислокации, генерируемые контролируемыми нарушениями и расположенные в плоскостях (110), (11 1 ), (101), (1 1 1),(011), ( 1 11) , и блокируются ими с образованием дислокационных полупетель, закрепленных одним концом на торце пластины, а другим - на обратной стороне пластины. Скольжение дислокаций переходит в другую кристаллографическую плоскость, рост линии скольжения прекращается. В итоге рабочая поверхность пластины сохраняет высокое первоначальное качество. На поверхности пластины ориентации (111) механические нарушения в соответствии с заявляемым техническим решением могут быть сформированы, по крайней мере, в одном из трех равнозначных кристаллографических направлений - 1 1 0 , 10 1 или 01 1. В случае формирования механических нарушений в двух или трех направлениях одновременно эффективность блокирования роста линий скольжения соответственно повышается. Выбор количества направлений осуществляют исходя из особенностей формируемой активной структуры (например, толщины эпитаксиальной пленки), режимов эпитаксии и т.п. 3 15359 1 2012.02.28 Если контролируемые нарушения выполнены вдоль одного из направлений типа 112,дислокации генерируются преимущественно в одной из соответствующих конкретно выбранному направлению плоскостей (1 1 0), (10 1 ) и (01 1 ), перпендикулярных плоскости(111), и при последующих операциях беспрепятственно достигают рабочей поверхности пластины, усиливая тем самым рост линий скольжения. Требования по шагу расположения линий механических нарушений продиктованы следующими обстоятельствами. Образование дислокационных полупетель происходит при пересечении плоскостей скольжения дислокаций. В рассматриваемом случае блокирование скольжения дислокаций происходит при пересечении одновременно трех плоскостей скольжения. Экспериментально установлено, что практически все дислокации блокируются на глубине, соответствующей пересечению плоскостей скольжения 110 с плоскостями 111 от соседних линий нарушений. Глубину залегания области блокированияили ее расстояние от обратной стороны пластины можно определить из выражения 42(1)24 Отсюда при подстановке значений углов получим(2)0,94 . Для предотвращения прорастания дислокаций на рабочую поверхность пластины необходимо соблюдение условия(3). Отсюда следует, что шаг нарушенийдолжен соответствовать выражению(4) 0,94 Экспериментально установлено, что влияние размеров зоны повреждения на глубину дислокационной структуры не превышает допусков на разброс толщины пластины. Учет этих размеров достигается ужесточением требований по шагу(5)0,9. Минимальное значение шага повреждений определяется долей объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является 0,3, при котором примерно треть объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения шага приводят к возникновению коробления пластин вследствие высокой плотности формируемых дислокаций в относительно небольшой области пластины. Эта область действует как дополнительный слой с другими физико-механическими характеристиками. Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 - 2. На фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение заявляемой пластины 1 ориентации (111) толщинойв плоскости (1 1 0). Механические нарушения 2 ширинойи глубинойвыполнены в направлении 1 1 0 , которое перпендикулярно плоскости чертежа, с шагом . Плоскости скольжения дислокаций (110) и (11 1 ), генерируемые этими нарушениями, расположены под углами 27032 и 43516 к поверхности пластины. Уровни линий их пересечения 1 и 2 параллельны поверхности пластины. Поскольку эти уровни соответствуют пересечению одновременно трех плоскостей скольжения (110),(11 1 ) и ( 1 1 1 ), то скольжение дислокаций, генерируемых нарушениями на обратной стороне пластины, полностью блокируется на первом уровне 1. Поскольку размерыизон нарушений значительно меньше шага , их влияние на глубину формируемой дислокационной структуры, как видно из фиг. 1, невелико. Полученная дислокационная структура действует следующим образом. Дислокации на краю пластины генерируются в плоскости (1 1 0), которая перпендикулярна поверхности 4 15359 1 2012.02.28 пластины и расположена в плоскости чертежа. Очевидно, что при их скольжении к середине пластины они неминуемо встречаются с дислокациями, генерируемыми контролируемыми нарушениями обратной стороны, и замыкаются на обратной стороне пластины с образованием полупетли. Выход дислокаций на рабочую сторону пластины практически невозможен вследствие их блокирования пересечением трех плоскостей скольжения одновременно на уровне 1. Снижение шага механических нарушений приводит к увеличению плотности формируемой дислокационной структуры и повышению вероятности их блокирования. На фиг. 2 приведены светотеневые изображения поверхности заявляемой пластины (а) и пластины-прототипа (б) после испытания на устойчивость к образованию линий скольжения. Линии скольжения 1 видны как набор полос различной интенсивности, распространяющихся от края пластины к ее середине. Они принадлежат кристаллографическим направлениям 11 2 , 1 21 и 2 11 , которые расположены друг по отношению к другу под углом 60, что предопределяет наблюдаемую картину. На заявляемой пластине обнаружено только незначительное количество данных дефектов на краю, в то время как на пластине-прототипе они занимают значительную площадь, причем их генерация наблюдается практически по всему периметру пластины. Испытания пластин на устойчивость к образованию линий скольжения проводили следующим образом. Для испытаний использовали пластины типа 100 КЭС 0,01 ориентации (111) и толщиной 450 мкм. Отсюда оптимальными расчетными значениями шага нарушений являются значения от 135 до 405 мкм. С учетом возможностей оборудования эти значения были округлены до 140 и 410 мкм соответственно. Механические нарушения нерабочей поверхности формировали путем нанесения рисок алмазным резцом на установке скрайбирования пластин типа Алмаз. Шаг и направления нарушений приведены в таблице. Пластины окисляли в сухом кислороде в течение 3 часов при температуре 1200 С, затем с них удаляли образовавшийся диоксид кремния и наносили эпитаксиальную пленку 12 КЭФ 4,5 на установке эпитаксиального наращивания УНЭС-2 ПК-А. Затем светотеневыми методами 6 на пластинах определяли долю площади, занимаемой линиями скольжения. После этого пластины подвергали травлению в травителе Сиртла для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне. Плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли суммарно методом оптической микроскопии при увеличении 250 х. Результаты контроля приведены в таблице. Влияние характеристик нарушений на устойчивость пластин к дефектообразованию Шаг линий Площадь, зани- ПлотностьНаправление Примечание нарушений, маемая линиями дефектов,п/п нарушений скольжения,см-2 мкм 70 10 3102 1 Коробление 2 140 5 4101 3 1 1 0 250 5 2101 4 410 5 6101 5 550 15 1103 100 5 9101 6 Коробление 1 1 010 11 7 250 5 210 250 5 2101 8 1 1 010 19 Высокая дефектность Высокая дефектность 15359 1 2012.02.28 Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического решения площадь, занимаемая линиями скольжения, снижается с 25 до 5 при общем уровне снижения плотности дислокаций и дефектов упаковки. Нанесение рисок в направлении 11 2 значительно усиливает рост линий скольжения на рабочей поверхности. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость пластин к дефектообразованию. Источники информации 1. .035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 2. .035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 3. .035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 4. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов. - М. Энергия, 1968, - С. 46. 5. Патент РБ 1188, МПК 701 21/302, 2003 (прототип). 6. Сенько С.Ф. Особенности формирования изображений дефектов при контроле поверхностей методом оптической топографии // Микроэлектроника. - 2003. - Т. 32. -6. С. 375-385. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6