Полупроводниковая кремниевая пластина

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(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) Полупроводниковая кремниевая пластина, содержащая подложку из монокристаллического кремния толщиной 300-1000 мкм с полированной рабочей поверхностью и с последовательно нанесенными на нерабочей стороне подложки пленкой оксида кремния и пленкой поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм, отличающаяся тем, что содержит пленку гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 10-100 нм, расположенную между упомянутыми оксидом кремния толщиной не более 2,5 нм и поликристаллическим кремнием. 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 16227 1 2012.08.30 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 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, приводит 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 0,1-0,8 нм 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 гет 2 16227 1 2012.08.30 тера 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 2,5 нм,что значительно превышает требуемый номинал. Кроме того, 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 перекись водорода, например перекисно-аммиачном. При этом на поверхности пластин также образуется пленка оксида кремния толщиной до 2,5 нм. 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 пластин к дефектообразованию за счет невозможности обеспечения чистоты геттерирующей области, что влечет внесение дополнительных загрязнений. Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин к дефектообразованию за счет обеспечения чистоты геттерирующей области. Поставленная задача решается тем, что полупроводниковая кремниевая пластина, содержащая подложку из монокристаллического кремния толщиной 300-1000 мкм с полированной рабочей поверхностью и с последовательно нанесенными на нерабочей стороне подложки пленкой оксида кремния и пленкой поликристаллического кремния толщиной 0,1-5,0 мкм, содержит пленку гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 10100 нм, расположенную между упомянутыми оксидом кремния толщиной не более 2,5 нм и поликристаллическим кремнием. 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 присутствие 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 -. 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 - в объеме пленок - и поли- способствует более эффективному связыванию неконтролируемых примесей за счет образования их оксидных комплексов. 16227 1 2012.08.30 Аморфная структура и наличие водорода во вновь введенной пленке а- препятствуют эпитаксиальной рекристаллизации поли- и способствуют уменьшению размеров его зерен. В результате суммарная площадь межзеренных границ, определяющая эффективность геттерирования, возрастает. Использование промежуточного слоя - в составе заявляемой пластины позволяет увеличить толщину исходного слоя оксида кремния до 2,5 нм, что обеспечивает возможность проведения ее химической отмывки в процессе изготовления, делает некритичными сроки хранения, что в целом повышает 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 перекисноаммиачном 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. За счет этого и обеспечивается повышение чистоты изготавливаемой пластины. Кроме того, оксид кремния является химически достаточно инертным материалом, что создает дополнительные преимущества по сравнению с прототипом. Расположенный на поверхности этого оксида слой - частично растворяет его, в результате чего он становится проницаемым для диффузии неконтролируемых примесей. 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. Заявляемое техническое решение поясняется фигурой, где схематически изображено поперечное сечение заявляемой пластины. Пластина состоит из кремниевой подложки 1,на нерабочей стороне которой расположены слой оксида кремния 2, слой гидрогенизированного аморфного кремния 3 и слой поликристаллического кремния 4. Начальная толщина слоя оксида кремния до формирования слоя - составляет величину исх, а после его формирования вследствие растворения поверхностной части слоя - кон. 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 слоев аморфного 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 подвижность и свободно пе 4 16227 1 2012.08.30 ремещаются 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 в - и 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 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. Повышение концентрации загрязнений на границе раздела оксида с кремниевой подложкой приводит к возникновению дополнительного энергетического барьера для диффузии неконтролируемых примесей из глубины подложки, в результате чего эффективность геттерирования снижается. Конструкция заявляемой пластины позволяет проводить химическую обработку подложки при нанесении слоя оксида, в результате которой все возможные дополнительные загрязнения удаляются с поверхности пластины. Последующее формирование слоя - приводит к уменьшению толщины слоя оксида от исх до кон, что предупреждает образование энергетического барьера для диффузии неконтролируемых примесей в область геттера. Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого технического решения обеспечивает повышение эффективности геттерирования неконтролируемых примесей за счет исключения дополнительных загрязнений. 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 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 поли толщиной 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 формировали в едином технологическом цикле на установке Изотрон-1. Перед нанесением этих слоев пластины отмывали в перекисно-аммиачном растворе при температуре 65 С в течение 10 минут. Толщину слоя оксида кремния определяли на основании времени его травления, толщину слоя гидрогенизированного аморфного кремния регулировали выбором времени его осаждения. 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. 16227 1 2012.08.30 Влияние конструктивных особенностей пластины на ее устойчивость к образованию преципитатов примесей Толщина слоя гидроге Толщина слоя оксиПлотность микТип подложки низированного аморфп/п да кремния, нм родефектов, см-2 ного кремния, нм 1 0,5 50 4101 2 2,5 50 7100 3 5,0 50 2103 4 2,0 5 3102 100 КДБ 10 5 2,0 10 1101 6 2,0 100 1101 7 2,0 200 5101 8 прототип 2102 9 2,0 10 2101 10 2,0 50 6100 100 КЭФ 4,5 11 2,0 100 3100 12 прототип 7102 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. Из приведенных данных видно, что введение 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. 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 от 09.09.2003 / С.Ф.Сенько, В.А.Зеленин, В.А.Емельянов,А.И.Белоус. Полупроводниковая кремниевая пластина. МПК 701 21/302 // Официальный бюллетень. Изобретения, полезные модели, промышленные образцы. -4 (39). 2003.12.30. - С.322. 6.5189508. . 23, 1993.,,..,.(прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6