Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (001)

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ КРЕМНИЕВАЯ ПЛАСТИНА ОРИЕНТАЦИИ (001)(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 (001) круглой формы с полированной рабочей поверхностью и толщиной , обеспечивающей необходимую прочность,отличающаяся тем, что на нерабочей поверхности вдоль, по крайней мере, одного из кристаллографических направлений типа 100 содержит механические нарушения в виде параллельных линий с шагом , выбранным из интервала 0,2-0,6.(56) 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 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. 61482010.04.30 Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использована 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 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(001). 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 (001) это направления 110 и 1 1 0 . 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. 2 61482010.04.30 Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость пластин к дефектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов. Задачей заявляемой полезной модели является повышение устойчивости пластин ориентации (001) к образованию линий скольжения. Поставленная задача решается тем, что полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (001) круглой формы с полированной рабочей поверхностью и толщиной , обеспечивающей необходимую прочность, на нерабочей поверхности вдоль, по крайней мере,одного из кристаллографических направлений типа 100 содержит механические нарушения в виде параллельных линий с шагом , выбранным из интервала 0,2-0,6. Сущность заявляемого технического решения заключается в блокировании роста линий скольжения сеткой дислокаций, формируемой нарушенным слоем. 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 (001) плоскости типа 111 наклонены к поверхности под углом 55, плоскости (110) и (1 1 0 ) перпендикулярны ей, а плоскости (101), ( 1 0 1 ), (011) и ( 0 1 1 ) наклонены под углом 45. Энергетически наиболее выгодными плоскостями образования и скольжения дислокаций в данном случае являются плоскости (110) и ( 1 1 0 ), которые перпендикулярны поверхности. В связи с этим линии скольжения на поверхности пластины ориентации (001) образуют характерную картину в виде набора параллельных линий, лежащих в направлениях типа 110. Наличие на нерабочей поверхности пластины механических нарушений в виде параллельных линий в заявляемом кристаллографическом направлении с определенным шагом в процессе формирования полупроводниковой структуры приводит к развитию конкурирующего процесса генерации дислокаций в плоскостях (101), (1 0 1 ), (011) и ( 0 1 1 ), которые наклонены к поверхности под углом 45. 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. Плоскости (101) и ( 1 0 1 ), (011) и ( 0 1 1 ) попарно перпендикулярны друг другу,поэтому генерируемые в этих плоскостях дислокации блокируют друг друга в точках их пересечения с образованием дислокационных полупетель, закрепленных концами на обратной стороне пластины. Дислокации, генерируемые на торце пластины под действием термомеханических напряжений, скользят в плоскостях (110) и ( 0 1 1 ) в направлении середины пластины. При этом они на своем пути встречают дислокации, расположенные в одной из плоскостей (101), ( 1 0 1 ), (011) и ( 0 1 1 ), 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 (001) механические нарушения в соответствии с заявляемым техническим решением могут быть сформированы, по крайней мере, в одном из двух взаимно перпендикулярных и равнозначных кристаллографических направлений - 100 или 010. В случае формирования механических нарушений в обоих 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 61482010.04.30 Требования по шагу расположения линий механических нарушений продиктованы следующими обстоятельствами. Образование дислокационных полупетель происходит при пересечении плоскостей скольжения дислокаций. Линия пересечения плоскостей скольжения дислокаций, генерируемых от соседних линий механических повреждений,находится на расстоянии от поверхности пластины, равном половине расстояния между этими линиями повреждений. Совокупность линий пересечения плоскостей скольжения дислокаций, образующихся от соседних линий механических нарушений, образует своеобразный уровень, располагающийся на расстоянии от поверхности пластины, равном половине шага между линиями нарушений. Совокупность линий пересечения плоскостей скольжения дислокаций, образующихся от каждой второй линии механических нарушений, образует уровень, расположенный на расстоянии от поверхности пластины, равном шагу между линиями повреждений и т.д. Основным требованием к формируемой сетке дислокаций является отсутствие их прорастания на рабочую поверхность пластины. Экспериментально установлено, что образование дислокационных полупетель полностью завершается на третьем уровне пересечения плоскостей скольжения, т.е. на расстоянии,равном 1,5 шага . Дальше дислокации не прорастают. Это расстояние не должно превышать толщину пластины . Поскольку вносимые механические нарушения поверхности также характеризуются некоторыми размерами, хотя и довольно малыми по сравнению с толщиной пластины, это требование несколько ужесточается. Экспериментально установлено, что учет размеров зоны повреждения достигается при соблюдении соотношения 0,6. Минимальное значение шага повреждений определяется долей объема пластины,которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является 0,2, 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 (001) толщинойв плоскости (100). Механические нарушения 2 шириной а и глубинойвыполнены в направлении 100, которое перпендикулярно плоскости чертежа, с шагом . Плоскости скольжения дислокаций (011) и ( 0 1 1 ), генерируемые этими нарушениями, расположены под углом 45 к поверхности пластины и образуют три уровня взаимного блокирования 1, е 2 и е 3. Влияние размеров а изон нарушений на глубину формируемой дислокационной структуры, как видно из фиг. 1, незначительно. Полученная дислокационная структура действует следующим образом. Дислокации на краю пластины генерируются в плоскостях (110) и ( 1 1 0 ), которые перпендикулярны поверхности пластины и расположены под углом 45 к плоскости чертежа. Очевидно, что при их скольжении к середине пластины они неминуемо встречаются с дислокациями, генерируемыми нарушениями обратной стороны, и замыкаются на обратной стороне пластины с образованием полупетли. Выход дислокаций на рабочую сторону пластины практически невозможен вследствие наличия минимум трех уровней их блокирования. 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. На заявляемой пластине обнаружена только одна еле заметная линия, возникшая в результате генерации дислокаций в области контакта пластины с технологической оснасткой эпитаксиального реактора, в то время как 4 61482010.04.30 на пластине-прототипе их очень много, 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 (001) и толщиной 450 мкм. Отсюда оптимальными значениями шага нарушений являются значения от 90 до 270 мкм. Механические нарушения нерабочей поверхности формировали путем нанесения рисок алмазным резцом на установке скрайбирования пластин типа Алмаз, а также путем рекристаллизации поверхности сфокусированным лазерным лучом на установке скрайбирования ЭМ-210. Шаг нарушений приведен 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 8 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. Результаты контроля приведены в таблице. 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. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость пластин к дефектообразованию. Влияние характеристик нарушений на устойчивость пластин к дефектообразованию Шаг линий нарушений,мкм высокая дефектность высокая дефектность коробление пластин высокая дефектность высокая дефектность Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6