Способ изготовления полупроводниковой пластины кремния

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАСТИНЫ КРЕМНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Емельянов Антон Викторович Емельянов Виктор Андреевич Гордиенко Анатолий Илларионович Петлицкий Александр Николаевич Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ изготовления полупроводниковой пластины кремния, в котором на нерабочей стороне подложки из монокристаллического кремния с полированной рабочей стороной сначала формируют пленку оксида кремния толщиной не более 2,5 нм, а затем последовательно осаждают пленку гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 10-100 нм и пленку поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение пленок гидрогенизированного аморфного кремния и поликристаллического кремния проводят в едином технологическом цикле. 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 проч 16226 1 2012.08.30 ность, 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 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. 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 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 способ изготовления полупроводниковых кремниевых пластин, включающий формирование на нерабочей стороне полированной подложки монокристаллическогокремния толщиной 300-1000 мкм сначала пленки оксида кремния толщиной 0,1-0,8 нм 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 16226 1 2012.08.30 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 кремния толщиной до 2,5 нм, что значительно превышает требуемый номинал. Кроме того, для обеспечения требуемой чистоты 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 2,5 нм, 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 на нерабочей стороне подложки из монокристаллического кремния с полированной рабочей стороной сначала формируют пленку оксида кремния толщиной не более 2,5 нм, а затем последовательно осаждают пленку гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 10-100 нм и пленку поликристаллического кремния толщиной 0,15,0 мкм а также тем, что осаждение пленок гидрогенизированного аморфного кремния и поликристаллического кремния проводят в едином технологическом цикле. Сущность заявляемого технического решения заключается в частичном растворении оксида кремния в гидрогенизированном аморфном кремнии с образованием барьерного слоя, легко проницаемого для неконтролируемых примесей. Гидрогенизированный аморфный кремний (-) так же, как и поликристаллический кремний (поли-), является хорошим геттером для неконтролируемых примесей, поскольку характеризуется еще большим количеством ненасыщенных химических связей. Поэтому дополнительное формирование такого слоя между оксидом и поликристаллическим кремнием не снижает эффективность геттерирования. Наличие водорода в его составе приводит к возникновению химического взаимодействия между 2 и - с образованием высокоподвижных функциональных групп -ОН. Эти группы диффундируют вглубь - и далее в поли-, что приводит к уменьшению толщины 2 от 2,5 нм до нескольких ангстрем. Слой 2 толщиной несколько ангстрем, как и в случае прототипа,уже не является препятствием для диффузии неконтролируемых примесей из объема кремниевой подложки в поликристаллическую пленку. Наличие групп -ОН в объеме пленок - и поли- способствует более эффективному связыванию неконтролируемых примесей за счет образования их оксидных комплексов. Аморфная структура и наличие водорода в пленке - препятствуют эпитаксиальной рекристаллизации поли- и способствуют уменьшению размеров его зерен. В резуль 3 16226 1 2012.08.30 тате суммарная площадь межзеренных границ, определяющая эффективность геттерирования, возрастает. Формирование промежуточного слоя - в процессе изготовления пластины позволяет увеличить толщину исходного слоя оксида кремния до 2,5 нм, что обеспечивает возможность проведения ее химической отмывки в процессе изготовления и делает некритичными сроки хранения. В итоге повышается эффективность геттерирования за счет предупреждения дополнительного загрязнения пластин. При хранении кремниевых пластин на воздухе толщина образующейся оксидной пленки также не превышает 2,5 нм. В процессе химической отмывки пластин, например в наиболее широко используемом перекисно-аммиачном растворе, происходят конкурирующие процессы окисления поверхности 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 0,5-2,5 нм. Загрязнения, адсорбированные на поверхности оксида, при этом переходят в раствор вместе с поверхностным слоем оксида. Обеспечение возможности проведения химической отмывки за счет увеличения толщины исходного оксида кремния приводит к повышению чистоты изготавливаемой пластины. Кроме того, оксид кремния является химически достаточно инертным материалом, что создает дополнительные преимущества по сравнению с прототипом. Формирование на поверхности этого оксида промежуточного слоя - приводит к частичному его растворению, в результате чего он становится проницаемым для диффузии неконтролируемых примесей. Осаждение пленок гидрогенизированного аморфного кремния и поликристаллического кремния в едином технологическом цикле приводит к появлению дополнительных преимуществ, обусловленных как общим снижением затрат на изготовление пластин, так и тем фактором, что предотвращение экспозиции пластин со сформированной пленкой гидрогенизированного аморфного кремния воздействию воздуха предотвращает окисление его поверхности и появление дополнительного барьера на его границе с поли-. Данное условие легко реализуемо, поскольку обе рассматриваемые пленки получают путем разложения силанов при пониженном давлении, но при разных температурах. Минимальная толщина гидрогенизированного аморфного кремния определяется его восстанавливающими способностями по отношению к оксиду кремния. При толщине- менее 10 нм, например 5,0 нм, восстановление 2 происходит на недостаточную глубину ввиду нехватки общего количества водорода. Такой оксид все еще является барьером для диффузии примесей. Толщина - более 100 нм, например 200 нм, увеличивает емкость геттера, но приводит к неоправданному увеличению затрат на его формирование. Поскольку скорость роста пленки поли- в несколько раз превышает скорость роста пленки -, для обеспечения требуемой емкости геттера предпочтительнее использовать первую. 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. На нерабочей поверхности подложек последовательно формировали слой оксида кремния обработкой подложек в кислоте Каро при температуре 140 С в течение 5 минут, слой - путем термического разложения моносилана при пониженном давлении при температуре 575 С и слой политолщиной 0,1-5,0 мкм путем термического разложения моносилана при пониженном давлении при температуре 675 С. Слой оксида кремния толщиной, превышающей заявляемую, формировали термическим окислением аналогично прототипу. Слои - и поли 4 16226 1 2012.08.30 формировали как в едином (процесс А), так и в различных (процесс Б) технологических циклах на установке Изотрон-1. Перед нанесением - пластины отмывали в перекисно-аммиачном растворе при температуре 65 С в течение 10 минут. При проведении процесса типа Б дополнительную отмывку перед нанесением поли- не проводили. Толщину оксида кремния определяли на основании времени ее травления, толщину слоя гидрогенизированного аморфного кремния регулировали выбором времени ее осаждения. По окончании процессов 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 х. Результаты контроля приведены в таблице. Влияние режимов изготовления пластины на ее устойчивость к образованию преципитатов примесей Толщина Толщина слоя гидроге Тип подПлотность микслоя оксида низированного аморфТип процесса п/п ложки родефектов, см-2 кремния, нм ного кремния, нм 1 0,5 50 4101 А 2 2,5 50 7100 А 3 3 5,0 50 210 А 2 4 2,0 5 310 А 100 КДБ 10 5 2,0 10 1101 А 1 6 2,0 100 110 А 1 7 2,0 200 510 А 8 прототип 2102 1 9 2,0 10 210 А 0 10 2,0 50 610 А 11 2,0 100 3100 А 1 12 100 КЭФ 4,5 2,0 10 510 Б 13 2,0 50 3101 Б 0 14 2,0 100 710 Б 2 15 прототип 710 Из приведенных данных видно, что формирование дополнительного слоя гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 10-100 нм 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. 16226 1 2012.08.30 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 // 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. 6