Полупроводниковая кремниевая пластина

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физикотехнический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Полупроводниковая кремниевая пластина, состоящая из подложки монокристаллического кремния толщиной 300-1000 мкм с полированной рабочей поверхностью, пленки барьерного материала и пленки поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм,расположенных на нерабочей стороне подложки, отличающаяся тем, что в качестве пленки барьерного материала содержит пленку силицида титана или тантала толщиной 80-2000 . 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. 15744 1 2012.04.30 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. Недостатки рассматриваемой конструкции пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой поверхности выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры полупроводниковых 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. Известна полупроводниковая пластина круглой формы с полированной рабочей поверхностью и маркировочными срезами на краю 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 С 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 полупроводниковая кремниевая пластина, состоящая из полированной подложки монокристаллического кремния толщиной 300-1000 мкм, на нерабочей поверхности которой расположены пленка оксида кремния толщиной 1-8 и пленка 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, что заметно снижает эффективность геттерирования. В связи с этим прототип предполагает использо 2 15744 1 2012.04.30 вание максимально тонких слов барьерного оксида кремния вплоть до мономолекулярного (1 ). Однако обеспечение требуемой толщины оксида кремния при необходимом его качестве является очень сложной технической задачей. Это связано с тем, что кремний является химически достаточно активным элементом и быстро окисляется при хранении на воздухе с образованием пленки оксида толщиной 5-25 , что в основном заметно превышает требуемый номинал. Кроме этого, для обеспечения требуемой чистоты процессов получения поликристаллического кремния и последующих технологических операций по формированию активной структуры полупроводниковых приборов пластины необходимо подвергать химической обработке в растворах, содержащих обычно перекись водорода,например в перекисно-аммиачном. При этом на поверхности пластин также образуется пленка оксида кремния толщиной до 25 . В связи с этим прототип предполагает проведение контролируемого окисления поверхности подложек при температуре 400 С непосредственно после обработки в растворе плавиковой кислоты без проведения их финишной химической отмывки. Однако это приводит к сильному дополнительному загрязнению барьерного слоя и получаемых пластин в целом. В процессе проведения дальнейших технологических операций по формированию активной структуры полупроводниковых приборов эти загрязнения растворяются в материале пластины и приводят к образованию дополнительных дефектов на ее рабочей поверхности, несмотря на наличие достаточно эффективной геттерирующей области. Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость пластин к дефектообразованию ввиду низкого качества барьерного слоя. Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин к дефектообразованию за счет улучшения характеристик барьерного слоя. Поставленная задача решается тем, что полупроводниковая кремниевая пластина, состоящая из подложки монокристаллического кремния толщиной 300-1000 мкм с полированной рабочей поверхностью, пленки барьерного материала и пленки поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм, расположенных на нерабочей стороне подложки, в качестве пленки барьерного материала содержит пленку силицида титана или тантала толщиной 80-2000 . Сущность заявляемого технического решения заключается в обеспечении чистоты формируемых слоев и удалении энергетического барьера для диффузии неконтролируемых примесей в область геттера. Силициды тугоплавких металлов , сформированные на поверхности монокристаллической кремниевой подложки, имеют поликристаллическую структуру. По этой причине они являются барьером для эпитаксиальной рекристаллизации поликристаллического кремния (поли-). В то же время они не являются барьером для диффузии неконтролируемых примесей в область геттера, поскольку имеют одинаковую с ними химическую природу - неконтролируемые примеси существуют в кремнии преимущественно в виде силицидов. Выбор из всей совокупности силицидов именно силицида титана или тантала обусловлен следующими факторами. Эти силициды характеризуются высокой адгезией к поверхности кремниевой подложки, в том числе окисленной. В процессе формирования геттера они взаимодействуют с оксидом кремния, образовавшимся на поверхности подложки в результате хранения или химической отмывки, и восстанавливают его до кремния. Образовавшийся оксид титана или тантала легко растворяется в силициде, в результате чего барьер для диффузии неконтролируемых примесей в область геттера в виде оксидной пленки исчезает. Эти силициды создают наименьшие механические напряжения в получаемой пластине. Кроме этого, рассматриваемые силициды образуют самоформирующиеся слои. Это значит, что они не растворяются во всем объеме полупроводниковой подложки,а существуют только в виде локализованного слоя и поэтому не приводят к загрязнению активных областей полупроводниковых приборов. Вдобавок поскольку растворимость 3 15744 1 2012.04.30 силицидов в силицидах практически не ограничена, их использование в качестве барьерного материала позволяет повысить растворимость неконтролируемых примесей в области геттера. Эффективность геттерирования при этом повышается. И, наконец, они химически стойки (за исключением растворов на основе плавиковой кислоты), термостойки, легко доступны, технология их получения в настоящее время хорошо отработана. Таким образом, силициды титана и тантала в отличие от оксида кремния создают не барьер, а дополнительную движущую силу для диффузии неконтролируемых примесей в область геттера. Технологические процессы формирования силицидов титана и тантала на поверхности полупроводниковых кремниевых пластин в настоящее время отработаны достаточно хорошо. Получаемые пленки имеют воспроизводимые электрофизические характеристики. Типовой процесс их формирования включает вакуумное осаждение на поверхность подложки пленки металла и последующую термообработку при относительно невысокой температуре. Пленка оксида кремния, образовавшаяся в результате химической отмывки подложек или при их хранении, при этом растворяется за счет реакции восстановления. Образующиеся на поверхности силицидов в результате химической отмывки окисные слои легко растворяются в объеме пленки при дальнейшем нанесении поликристаллического кремния. Таким образом, использование силицидов титана или тантала в качестве материала барьерного слоя обеспечивает возможность проведения химической отмывки, в результате чего чистота барьерного слоя значительно повышается. Повышение чистоты, в свою очередь, обеспечивает и снижение уровня дефектности получаемых пластин. Минимальная толщина пленки силицида металла определяется восстанавливающими способностями металла по отношению к оксиду кремния. Основным методом получения силицидов является напыление пленки металла и последующая термообработка. При этом толщина образующегося силицида составляет примерно 1,6 толщины пленки металла. При толщине силицида менее 80 , например 50 , что соответствует толщине исходной пленки металла около 30 , восстановление 2 происходит не полностью ввиду нехватки количества атомов металла. Барьер для диффузии примесей на границе подложки и геттера сохраняется. Кроме того, существующие методы получения пленок металлов не обеспечивают их требуемой сплошности и равномерности при толщинах менее 50 . Толщина силицида более 2000 , например 3000 , приводит к заметному короблению пластин ввиду значительных механических напряжений, вносимых такой пленкой. Заявляемое техническое решение поясняется фигурой, где схематически изображено поперечное сечение заявляемой пластины. Пластина состоит из кремниевой подложки 1,на нерабочей стороне которой расположены барьерная пленка силицида титана или тантала 2 и пленка поликристаллического кремния 3. Заявляемая пластина обеспечивает геттерирование неконтролируемых примесей следующим образом. Распределение концентрации примесей по объему пластины определяется их растворимостью в различных областях этой пластины. При этом растворимость примесей в значительной мере определяется возможностью образования химической связи с материалом пластины. С увеличением количества ненасыщенных (оборванных) химических связей вероятность образования связи между загрязняющей примесью и кремнием возрастает, т.к. уменьшается энергия активации их взаимодействия. При отсутствии геттерирующей области наибольшим количеством оборванных химических связей в кремнии располагает приповерхностная область пластины, в которой формируется активная структура полупроводникового прибора. Наличие пленок силицида тугоплавкого металла и поликристаллического кремния с высокой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значительному увеличению растворимости неконтролируемых примесей в области геттера, где их влияние на характеристики изготавливаемых приборов практически исключено. В процессе термообработки при формировании активной структуры полупроводникового прибора неконтролируемые примеси приобретают высокую подвиж 4 15744 1 2012.04.30 ность и свободно перемещаются по всему объему пластины. При охлаждении структур концентрация неконтролируемых примесей перераспределяется в соответствии с существующей в объеме пластины плотностью ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области геттера на несколько порядков превышает их плотность в приповерхностной области, неконтролируемые примеси практически полностью осаждаются ви поли-, а рабочая поверхность пластины остается чистой. Отсутствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой пластины обеспечивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не образуются. Формирование барьерной оксидной пленки в соответствии с прототипом непосредственно после обработки в плавиковой кислоте приводит к адсорбции на поверхности подложки дополнительных загрязнений, которые при последующих операциях растворяются в кремнии с образованием дополнительных дефектов как в области геттера, так и на рабочей поверхности пластины. Использование в качестве барьерного слоя силицида тугоплавкого металла позволяет проводить полный цикл химической отмывки подложек перед формированием геттера, в результате чего все возможные дополнительные загрязнения удаляются с поверхности пластины. Кроме этого, заявляемый барьерный слой в отличие от прототипа является абсолютно прозрачным для диффузии примесей, что заметно повышает эффективность геттерирования. Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого технического решения обеспечивает повышение эффективности геттерирования за счет обеспечения чистоты барьерного слоя и его прозрачности для диффузии неконтролируемых примесей. Испытания заявляемых пластин на устойчивость к образованию преципитатов неконтролируемых примесей проводили следующим образом. Для испытаний использовали подложки типа 100 КДБ 10 ориентации (111) и подложки 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) толщиной 44020 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию неконтролируемых примесей. На нерабочей поверхности подложек последовательно формировали барьерный слой силицида титана или тантала путем магнетронного напыления и последующей термообработки и слой поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм путем термического разложения моносилана при пониженном давлении при температуре 675 С. Перед нанесением этих слоев пластины отмывали сначала в кислоте Каро, а затем в перекисно-аммиачном растворе при температуре 65 С в течение 10 минут. В завершение с рабочей поверхности пластин удаляли все нанесенные слои и проводили финишную химическую отмывку. 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. Характеристики полученных пластин приведены в таблице. 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) 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. Из приведенных данных видно, что использование в качестве барьерного слоя силицида титана или тантала толщиной 80-2000 обеспечивает значительное повышение устойчивости пластин к дефектообразованию. Использование запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере решить поставленную задачу. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость пластин к дефектообразованию. 5 15744 1 2012.04.30 Влияние конструктивных особенностей пластины на ее устойчивость к образованию преципитатов примесейп/п Тип подложки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 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. Патент РБ 1188, МПК 7 01 21/302, 2003. 6. Патент США 5189508, 1993. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6