Способ изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры ориентации (001)

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОЙ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ 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) Способ изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры ориентации (001), включающий формирование на монокристаллической кремниевой подложке толщинойскрытого слоя путем ионного легирования подложки и последующей активации примесей термообработкой и/или эпитаксиального слоя с заданными характеристиками, отличающийся тем, что вначале на нерабочей поверхности подложки вдоль, по меньшей мере, одного из кристаллографических направлений 100 формируют риски в виде параллельных линий с шагом , выбранным из интервала (0,20,6), ширина и глубина которых значительно меньше шага , после чего в случае последующего формирования эпитаксиального слоя проводят термическую обработку при температуре 800-1200 С в течение 10-180 мин в окислительной атмосфере, а затем удаляют образовавшийся диоксид кремния травлением. 15132 1 2011.12.30 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 подложкам 1-3. Вначале полупроводниковые подложки изготавливали путем резки монокристалла кремния на пластины толщиной, обеспечивающей необходимую механическую прочность,после чего их подвергали химическому травлению для удаления нарушенного слоя 4. Недостатки полученных 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, что снижает напряжение пробоя формируемых -переходов и увеличивает 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. 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. 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 способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур, включающий формирование на монокристаллической кремниевой подложке требуемой кристаллографической ориентации скрытого слоя и/или наращивание эпитаксиального слоя с заданными характеристиками 6. Скрытые слои, как следует из 6, получают обычно путем ионного легирования подложки и последующей активации примесей термообработкой, используемые толщины эпитаксиальных слоев для формирования активной структуры не превышают, как правило, величину 15 мкм. При этом скрытые слои могут быть сплошными или содержать рисунок требуемой топологической конфигурации. Кристаллографическая ориентация эпитаксиальной пленки при этом соответствует кристаллографической ориентации исходной подложки, однако ее электрофизические характеристики существенно отличаются от характеристик пластины. 15132 1 2011.12.30 Одним из наиболее широко используемых типов подложек являются монокристаллические пластины ориентации (001), 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. Это приводит к дополнительному неконтролируемому загрязнению растущей эпитаксиальной пленки металлами. Формирование скрытого слоя также предусматривает проведение высокотемпературных технологических операций после контакта пластин с источниками загрязнений, характерных для данного блока операций (например, металлический барабан установки ионного легирования, пары масел, используемых в вакуумных насосах и т.п.), что способствует дополнительному загрязнению подложек. 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 их 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 (001) к дефектообразованию. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры ориентации (001), включающем формирование на монокристаллической кремниевой подложке толщинойскрытого слоя путем ионного легирования подложки и последующей активации примесей термообработкой и/или эпитаксиального слоя с заданными характеристиками, вначале на нерабочей поверхности подложки вдоль,по меньшей мере, одного из кристаллографических направлений 100 формируют риски в виде параллельных линий с шагом , выбранным из интервала (0,20,6), ширина и глубина которых значительно меньше шага , после чего в случае последующего формирования эпитаксиального слоя проводят термическую обработку при температуре 800-1200 С в течение 10-180 мин в окислительной атмосфере, а затем удаляют образовавшийся диоксид кремния травлением. Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтролируемых примесей сеткой дислокаций, формируемой контролируемыми механическими нарушениями. 3 15132 1 2011.12.30 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 количество 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 (001) плоскости типа 111 наклонены к поверхности под углом 5444, плоскости (110) и( 1 1 0 ) перпендикулярны ей, а плоскости (101), ( 10 1 ), (011) и ( 0 1 1 ) наклонены под углом 45. В случае наличия на поверхности пластины неконтролируемых нарушений или нарушений в кристаллографических направлениях 110 и 1 1 0 генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях (110) и ( 1 1 0 ), 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. Плоскости типа 111, пересекающие рассматриваемые кристаллографические плоскости генерации дислокаций под углом 3516, не могут препятствовать прорастанию дислокаций на рабочую поверхность в связи с тем, что они наклонены к поверхности пластины, и энергия образования дислокаций в этих плоскостях выше, чем в плоскостях (110) и (1 1 0 ) . Наличие на нерабочей поверхности пластины механических нарушений в виде параллельных линий в кристаллографическом направлении 100 или 010 приводит к генерации дислокаций в плоскостях (101), (10 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( 10 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. На поверхности эпитаксиальной структуры 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 плотность дислокационной сетки в объеме подложки и эффективность захвата неконтролируемых примесей возрастают. Выбор количества направлений осуществляют исходя из особенностей формируемой активной структуры (например, толщины эпитаксиальной пленки), режимов эпитаксии и т.п. 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 нарушений,находится на расстоянии от поверхности подложки, равном половине расстояния между этими линиями нарушений. 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 наруше 4 15132 1 2011.12.30 ний, 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 подложки . 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 влияние размеров зоны повреждения на глубину дислокационной структуры не превышает допусков на разброс толщины пластины. Учет этих размеров 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. Термическая обработка предназначена для релаксации внесенных механических напряжений и формирования дислокационной сетки в объеме пластин. Наличие окислительной атмосферы необходимо для интенсификации процессов формирования дислокационной структуры, а также предохранения рабочей поверхности пластин от высокотемпературной эрозии. Температура обработки менее 800 С, например 700 С, малопригодна в связи с тем, что процесс релаксации внесенных механических напряжений при этой температуре протекает слишком медленно, и образование дислокаций затруднено. Температура обработки более 1200 С, например 1250 С, приводит к быстрой кристаллизации используемой для проведения процесса кварцевой оснастки и загрязнению пластин образующейся кварцевой пылью. Время обработки определяется преимущественно типом формируемых структур, например толщиной формируемой эпитаксиальной пленки, и может составлять от 10 до 180 мин. Время менее 10 мин, например 5 мин,недостаточно для полной релаксации внесенных механических напряжений. Время процесса более 180 мин, например 240 мин, использовать нецелесообразно в связи с ростом затрат без получения дополнительных преимуществ. Поскольку в процессе термообработки на пластинах вырастает диоксид кремния, требуется проведение вспомогательной операции по его удалению, например, в растворе на основе плавиковой кислоты. При формировании в составе эпитаксиальной структуры скрытого слоя для активации внедренной в подложку примеси требуется проведение термообработки. Эта термообработка при заявляемой последовательности операций совмещена с термообработкой по формированию дислокационной сетки, т.к. для протекания обоих процессов требуются одинаковые условия. Это позволяет сократить технологический цикл изготовления эпитаксиальных структур за счет совмещения основной операции термообработки и нескольких вспомогательных операций по отмывке подложек и их контролю. Заявляемое техническое решение поясняется фигурой, где схематически изображено поперечное сечение заявляемой эпитаксиальной структуры в плоскости (100). Эпитаксиальная структура содержит кремниевую подложку 1 ориентации (001) толщинойс механическими нарушениями 2 ширинойи глубиной , выполненными в направлении 100,которое перпендикулярно плоскости чертежа,шагом . На рабочей стороне подложки сформированы скрытый слой 3 и эпитаксиальный слой 4. Плоскости скольжения дислокаций (011) и ( 0 1 1 ), генерируемые механическими нарушениями, расположены под углом 45 к поверхности подложки и образуют три уровня взаимного блокирования 1, 2 и 3. Поскольку размерыизон нарушений значительно меньше шага , их влияние на глу 5 15132 1 2011.12.30 бину 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 эпитаксиальной 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. При изготовлении однослойных структур использовали подложки типа 100 КЭС 0,01 ориентации (001) и толщиной 450 мкм. При изготовлении структур со скрытым слоем использовали подложки 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщиной 450 мкм. Расчетные значения шага нарушений, полученные на основании толщины исходной подложки, составили от 90 до 270 мкм. Механические нарушения нерабочей поверхности формировали путем нанесения рисок алмазным резцом на установке скрайбирования пластин типа Алмаз. Шаг и направления нарушений приведены в таблице. При изготовлении однослойных эпитаксиальных структур подложки с нанесенными на них нарушениями подвергали термообработке, режимы которой указаны в таблице. Для получения эпитаксиальных структур со скрытым слоем толщиной 6 мкм поверхность подложек сначала легировали сурьмой дозой 250 мкКул/см 2 и энергией 100 кэВ, а затем проводили термообработку в сухом кислороде при температуре 1200 С в течение 600 мин. При этом одновременно формировались дислокационная структура в объеме подложки и скрытый слой-типа на рабочей поверхности пластины. Затем со всех пластин удаляли образовавшийся диоксид кремния, после чего на установке эпитаксиального наращивания УНЭС-2 ПК- на рабочей поверхности подложек 100 КЭС 0,01 формировали эпитаксиальную пленку типа КЭФ 4,5 толщиной 8 мкм, а на рабочей поверхности подложек 100 КЭФ 4,5 со скрытым слоем формировали эпитаксиальную пленку типа КЭФ 4,5 толщиной 12 мкм. 15132 1 2011.12.30 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. 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. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию. Влияние режимов формирования структур на их устойчивость к дефектообразованию Примечание ПлотШаг линий Температу- Время тер- Плотность Плотность Направление ность наруше- ра термооб- мообработ- микродедефектов упанарушений-2 дислоканий, мкм работки, С ки, мин фектов, см ковки, см-2 ций, см-2 50 1100 60 нет Коробление 1101 8102 1 2 90 1100 60 210 нет 210 1 2 100 150 1100 60 510 нет 510 1 2 270 1100 60 110 нет 110 3 3 400 1100 60 310 5101 Высокая дефектность 5 х 10 4 2 2 500 1100 60 210 410 Высокая дефектность 610 100010 2 2101 200 1100 60 нет 310 1102 200 700 60 нет Коробление 7103 1 2 200 800 60 110 нет 310 1 2 200 1200 60 110 нет 210 2 3 510 200 1250 60 5102 Высокая дефектность 710 100 2 4 200 1000 5 310 нет Высокая дефектность 510 1 2 210 200 1000 10 нет 210 1 2 110 200 1000 180 нет 210 2 200 1000 240 3101 нет Велико время обработки 210 Совмещение операций термо 100 200 1200 600 3101 нет 2102 обработки Совмещение операций термо 200 1200 600 1101 нет 5102 обработки 100010 3 2 2 500 1200 600 910 110 Высокая дефектность 110 5 2102 Прототип 8101 Высокая дефектность 310 15132 1 2011.12.30 Источники информации 1. .035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 2. .035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 3. .035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая. 4. Гаврилов Р.А. 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 от 23.12. 2005 // Официальный бюллетень. Изобретения, полезные модели, промышленные образцы. -2 (49). - 2006.04.30. С. 126. 6. Технология СБИС В 2-х кн. Книга 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.