Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (111)

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КРЕМНИЕВАЯ ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ОРИЕНТАЦИИ(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) Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (111), содержащая монокристаллическую кремниевую подложку толщинойсо сформированным на рабочей поверхности эпитаксиальным слоем требуемой толщины или со сформированными на рабочей поверхности скрытым слоем заданной топологической конфигурации и эпитаксиальным слоем требуемой толщины, 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 показате 15361 1 2012.02.28 лем их качества является устойчивость к процессам дефектообразования в процессе формирования активной структуры. Вначале полупроводниковые приборы изготавливали с использованием в качестве исходного материала кремниевых пластин круглой формы с толщиной, обеспечивающей необходимую механическую прочность, с шероховатой рабочей поверхностью 1. 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 приводит к тому, что неровности поверхности пластины выступают в роли концентраторов механических напряжений. Это приводит к генерации дислокаций, дефектов упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формируемых переходов и увеличивают токи их утечки. Дополнительным фактором, влияющим на дефектность рабочей поверхности пластины, является 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. В связи с этим наибольшее распространение для изготовления полупроводниковых приборов получили кремниевые пластины круглой формы с толщиной, обеспечивающей необходимую прочность, и полированной рабочей поверхностью 2, 3. Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливаемых приборов за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Однако проблема неконтролируемых загрязнений этим не решается. Кроме того, постоянный рост требований к техническим характеристикам изготавливаемых приборов привел к необходимости использования в качестве исходного материала для их изготовления эпитаксиальных структур. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом, является эпитаксиальная структура, представляющая собой кремниевую подложку толщиной,обеспечивающей необходимую прочность, с заданными электрофизическими характеристиками, на рабочей поверхности которой сформирована монокристаллическая пленка кремния с электрофизическими характеристиками, существенно отличающимися от характеристик пластины. Используемые толщины эпитаксиальных слоев для формирования активной структуры не превышают, как правило, величину 15 мкм. При этом эпитаксиальная структура в своем составе часто содержит сформированные в объеме исходной подложки скрытые слои, которые могут быть сплошными или содержать рисунок требуемой топологической конфигурации 4. Кристаллографическая ориентация эпитаксиальной пленки при этом соответствуют кристаллографической ориентации исходной пластины. Одним из наиболее широко используемых типов подложек являются монокристаллические пластины ориентации (111), получаемые из кремния, выращенного методом Чохральского, и содержащие в качестве загрязняющих примесей преимущественно кислород и углерод. Процесс эпитаксиального наращивания пленок кремния основан на термическом разложении силанов при высокой температуре в атмосфере водорода. Очистка поверхности от собственного оксида кремния перед наращиванием эпитаксиальной пленки обычно проводится с добавкой хлористого водорода. В процессе проведения эпитаксиального наращивания технологические газы, в данном случае водород и хлористый водород, неизбежно контактируют с металлической технологической оснасткой с образованием летучих гидридов и хлоридов металлов, из которых изготовлена оснастка. 15361 1 2012.02.28 Это приводит к дополнительному неконтролируемому загрязнению растущей эпитаксиальной пленки металлами. Рассматриваемая совокупность конструктивных элементов эпитаксиальной структуры и технологии их формирования обуславливает чрезвычайно низкую ее устойчивость к дефектообразованию в процессе дальнейшего формирования активных элементов полупроводниковых приборов. Это связано с тем, что, с одной стороны, структура насыщена неконтролируемыми примесями различного типа и происхождения. С другой стороны,значительное различие в электрофизических свойствах и методах получения материала исходной пластины и эпитаксиальной пленки, наряду с малой толщиной пленки по отношению к исходной пластине, приводит к накоплению основной части этих примесей в эпитаксиальной пленке. В процессе формирования активной структуры полупроводниковых приборов эти примеси приводят к интенсивному дефектообразованию на поверхности эпитаксиальной пленки в виде преципитатов. Они представляют собой микроскопические выделения второй фазы в поверхностном слое эпитаксиальной пленки в результате превышения концентрации примесей ее предельной растворимости. Плотность таких выделений достигает 106 см-2 и более. В результате ухудшаются характеристики изготавливаемых приборов и снижается выход годных изделий. Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию в процессе формирования активных элементов полупроводниковых приборов. Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости эпитаксиальных структур ориентации (111) к дефектообразованию. Поставленная задача решается тем, что кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (111), содержащая монокристаллическую кремниевую подложку толщинойсо сформированным на рабочей поверхности эпитаксиальным слоем требуемой толщины или со сформированными на рабочей поверхности скрытым слоем заданной топологической конфигурации и эпитаксиальным слоем требуемой толщины, 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). Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтролируемых примесей сеткой дислокаций, формируемой контролируемыми механическими нарушениями. Наличие на нерабочей стороне эпитаксиальной структуры контролируемых нарушений в заданном кристаллографическом направлении предопределяет формирование в ее объеме сетки дислокаций с управляемыми характеристиками. Дислокации характеризуются наличием большого количества оборванных химических связей, в связи с чем на них эффективно осаждаются неконтролируемые примеси. Неконтролируемые примеси диффундируют в процессе формирования активной структуры полупроводниковых приборов в область сетки дислокаций и захватываются ею. Концентрация неконтролируемых примесей в эпитаксиальной пленке снижается, а выделения второй фазы исчезают. В результате характеристики изготавливаемых приборов улучшаются, а выход годных возрастает. 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 3 15361 1 2012.02.28 генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях, расположенных перпендикулярно поверхности пластины, т.к. энергия образования этих дислокаций минимальна. Однако это недопустимо, т.к. генерируемые в таком случае дислокации беспрепятственно достигают рабочей поверхности и приводят к браку изготавливаемых приборов. 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. На поверхности эпитаксиальной структуры 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 плотность генерируемой дислокационной структуры возрастает, эффективность захвата неконтролируемых примесей повышается. Выбор количества направлений осуществляют исходя из особенностей формируемой активной структуры(например, толщины эпитаксиальной пленки), режимов эпитаксии и т.п. 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, что не позволяет решить поставленную задачу. 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 эпитаксиальной структуры необходимо соблюдение условия(3). Отсюда следует, что шаг нарушенийдолжен соответствовать выражению 15361 1 2012.02.28 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 фигурой, где схематически изображено поперечное сечение заявляемой эпитаксиальной структуры в плоскости (1 1 0) . Эпитаксиальная структура содержит кремниевую подложку 1 ориентации (111) толщинойс механическими нарушениями 2 ширинойи глубиной , выполненными в направлении 1 1 0 ,которое перпендикулярно плоскости чертежа, с шагом . На рабочей стороне подложки сформированы скрытый слой 3 и эпитаксиальный слой 4. Плоскости скольжения дислокаций (110) и (11 1 ) , генерируемые нарушениями 2, расположены под углами 27032 и 43516 к поверхности подложки. Уровни линий их пересечения 1 и 2 параллельны поверхности подложки. Поскольку эти уровни соответствуют пересечению одновременно трех плоскостей скольжения (110), (11 1 ) и ( 1 1 1 ) , то скольжение дислокаций, генерируемых нарушениями на обратной стороне подложки,полностью блокируется на первом уровне 1. Поскольку размерыизон нарушений значительно меньше шага , их влияние на глубину формируемой дислокационной структуры, как видно из фигуры, невелико. Снижение шага механических нарушений приводит к увеличению плотности формируемой дислокационной структуры. Полученная дислокационная структура действует следующим образом. Распределение концентрации неконтролируемых примесей по объему эпитаксиальной структуры определяется их растворимостью в различных областях этой структуры. При этом растворимость неконтролируемых 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 сетки дислокаций наибольшим количеством оборванных химических связей в кремнии располагает приповерхностная область эпитаксиальной пленки, в которой формируется активная структура полупроводникового прибора. Наличие дислокационной сетки с высокой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значительному увеличению растворимости неконтролируемых примесей в объеме подложки, 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 перемещаются по всему объему структуры. При охлаждении структур концентрация неконтролируемых примесей перераспределяется в соответствии с существующей в объеме пластины плотностью ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области сформированной дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в приповерхностной области, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются в объеме подложки, а рабочая поверхность структуры остается чистой. Отсутствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой эпитаксиальной структуры обеспечивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности структуры не образуются. Таким образом, устойчивость эпитакси 5 15361 1 2012.02.28 альной структуры к образованию кристаллографических дефектов в процессе изготовления активных элементов полупроводниковых приборов значительно возрастает. Испытания эпитаксиальных структур на устойчивость к образованию дефектов проводили следующим образом. Для испытаний использовали эпитаксиальные структуры двух типов - однослойные и структуры со скрытым слоем. При изготовлении однослойных структур использовали подложки типа 100 КЭС 0,01 ориентации (111) и толщиной 450 мкм. На рабочей поверхности подложек на установке эпитаксиального наращивания УНЭС-2 ПК-А формировали эпитаксиальную пленку типа КДБ 3,0 толщиной 5 мкм. При изготовлении структур со скрытым слоем использовали подложки 100 КДБ 0,3 ориентации (111) и толщиной 450 мкм. Скрытый слой -типа проводимости толщиной 6 мкм получали путем ионного легирования пластин сурьмой дозой 250 мкКул/см 2 и энергией 100 кэВ с последующей активацией примеси термообработкой. Затем на рабочей поверхности подложек формировали эпитаксиальную пленку типа КДБ 10 толщиной 10 мкм. Расчетные значения шага нарушений, полученные на основании толщины исходной подложки, составили 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. Для оценки устойчивости полученных эпитаксиальных структур 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 структур. Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей, а также плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли методом оптической микроскопии при увеличении 250. Результаты контроля приведены в таблице. Влияние характеристик нарушений на устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию Тип Шаг линий Плотность Плотность Плотность Приме Направление струкнарушений, микроде- дислокаций, дефектов чание п/п нарушений мкм фектов, см-2 тур см-2 упаковки, см-2 однокороб 1 1 0 1 100 3103 2101 нет слойление 2 1 2 ные 140 510 110 нет 2 1 3 250 110 210 нет 4 410 3102 1101 нет высокая 5 600 5103 4103 1102 дефектность короб 1 1 010 16 100 5103 3101 нет ление 2 1 7 250 510 110 нет 8 3101 нет 250 6102 1 1 010 1 высокая 01 19 600 7102 4103 1102 дефектность высокая 11 2 2 5 3 10 250 110 510 410 дефектность 6 15361 1 2012.02.28 Продолжение таблицы Тип Шаг линий Плотность Плотность Плотность Приме Направление струкнарушений, микроде- дислокаций, дефектов чание п/п нарушений-2 тур мкм фектов, см см упаковки, см 250 1102 2101 нет 11 со 1 1 0 12 скры- 1 1 010 1250 5102 1101 нет тым высокая 13 слоем 600 3102 5103 5101 дефектность 1 1 010 114 250 2102 3101 нет 01 1 высокая 5 2 2 15 прототип 310 210 110 дефектность Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического решения плотность микродефектов, обусловленная наличием неконтролируемых примесей,уменьшается по сравнению с прототипом примерно на 3 порядка. Использование запредельного значения шага нарушений приводит к увеличению плотности дислокаций на рабочей стороне структур или же их короблению. Нанесение рисок в направлении 11 2 значительно увеличивает плотность дислокаций и дефектов упаковки на рабочей стороне структур. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию. Источники информации 1. Гаврилов Р.А. Технология производства полупроводниковых приборов. - М. Энергия, 1968. - С. 46. 2. Патент РБ 1188, МПК 701 21/302, 2003. 3. Карбань В.И., Кой П., Рогов В.В., Хофман Х. и др. Обработка полупроводниковых материалов / Под ред. Новикова Н.В., Бертольди В. - Киев Наукова думка, 1982. - С. 256. 4. Технология СБИС В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М. Мир, 1986. С. 72-124 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7