close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2358

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2358
(13)
C1
6
(51) H 01L 21/306
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
КРЕМНЕВЫХ ПЛАСТИН
(21) Номер заявки: 311
(22) 24.05.1993
(46) 30.09.1998
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (BY)
(72) Авторы: Баранов И.Л., Тюлин О.В. (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники (BY)
(57)
1. Устройство для электрохимической обработки кремниевых пластин, содержащее емкость для электролита, три
электрода, держатель пластин, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один электрод изготовлен из кремния с
концентрацией основных носителей тока от 1,45⋅1010 см-3 до 9⋅1019 см-3.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электрод изготовлен из кремниевых пластин.
(56)
1. JP, 55-28427, А1, МПК Н O1L 21/306, 1980.
2. JP, 58-18776, А1, МПК Н O1L 21/306, 1980.
3. JP, 58-15940, А1, МПК Н O1L 21/306, 1983.
4. JP, 57-51927, А1, МПК Н O1L 21/306, 1982 (прототип).
Устройство относится к области технологии микроэлектроники и может быть использовано для формирования пористого кремния (ПК).
Известно устройство для электрохимической обработки кремниевых пластин, включающее емкость для электролита, первый электрод, второй электрод, которым является обрабатываемая пластина [1]. Недостатком данного устройства является низкая производительность устройства, обусловленная необходимостью нанесения на нерабочую
сторону пластины металлической и защитной пленок для обеспечения электрического контакта к подложке и их удаление после проведения электрохимической обработки, низкое качество электрохимической обработки, вызванное загрязнением рабочей стороны пластины во время снятия покрытий с нерабочей стороны.
Известно устройство для электрохимической обработки пластин, включающее емкость для электролита,
держатель пластин с подпружиненным электродом и эластичным кольцом [2]. Перед электрохимической обработкой устанавливают пластину в держатель, прижимая ее к подпружиненному электроду, подают газ в полость
между эластичным кольцом для фиксации пластины в устройстве, погружают держатель пластин в емкость с
электролитом и проводят электрохимическую обработку пластины.
Недостатком устройства является низкое качество электрохимической обработки, вызванное тем, что контактирование нерабочей стороны пластины с электродом происходит в нескольких точках, а не по всей ее площади, что приводит к неоднородности по толщине обработки на пластине, невозможность одновременной обработки нескольких
пластин, невысокое качество изделий из-за загрязнения необрабатываемой стороны пластины материалом электрода,
с которым она контактировала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является устройство для электрохимической обработки кремниевых пластин, включающее емкость для электролита, держатель пластин, первый, второй, третий электроды, причем третий электрод помещен в диэлектрик и выполнен
в виде цилиндра, охватывающего обрабатываемые пластины [3]. Устройство работает следующим образом.
Пластины размещают внутри держателя пластин, погружают их в емкость с электролитом на основе плавиковой кислоты, прикладывают между первым и вторым электродами, погруженными в электролит первое
напряжение и между первым и третьим электродами второе напряжение, первый и второй электроды выполняют из металла, стойкого к действию плавиковой кислоты (платины, золота).
Данное устройство позволяет устранить некоторые недостатки предыдущих устройств, т.к. позволяет проводить обработку одновременно нескольких пластин без нанесения на необрабатываемую сторону дополнительных покрытий и механического контактирования пластины с электродом. Этому устройству присущи
существенные недостатки: необходимость применять в качестве материалов первого и второго электродов благородные металлы: золото, платину, т.к. они наиболее стойки к действию плавиковой кислоты, либо композиционные материалы. Однако, несмотря на их высокую химическую стойкость происходит растворение
электродов. Это приводит к загрязнению электролита, деталей устройства и обрабатываемых пластин материалом электродов. Загрязнение пластин подобными примесями приводит к ухудшению качества изготавливаемых
полупроводниковых приборов: к увеличению токов утечки р-п переходов, снижение времени жизни неосновных носителей заряда, изменению концентрации основных носителей. Снижается производительность устройства из-за необходимости проведения периодической химической обработки деталей устройства для удаления
осевших на них продуктов растворения электродов. Все это сужает область применения известного устройства
и, в частности, не позволяет использовать его при формировании глубоких легированных областей, используемых при изготовлении высоковольтных полупроводниковых приборов, МОП-транзисторов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение технического результата, заключающегося в улучшении качества изделий путем снижения загрязнения обрабатываемых пластин через
электролит материалом электродов, в частности металлическими примесями, улучшение эксплуатационных
удобств.
Поставленная задача решается за счет того, что в заявляемом устройстве для электрохимической обработки
кремниевых пластин, содержащем емкость для электролита, держатель пластин, 3 электрода, по меньшей мере,
один электрод выполняют из кремния с концентрацией основных носителей от 1,45х1010 до 9х1019 см-3. Причем
эти электроды изготовлены из кремниевых пластин. Необходимую площадь электрода получают применением
нескольких пластин.
Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критериям новизны и изобретательского уровня.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем. ПК образуется при анодной электрохимической обработке кремния в электролитах, содержащих фторид-ион или хлорид-ион.
В связи с этим к материалам электродов предъявляются жесткие требования по стойкости к воздействию агрессивной среды, т.к. при растворении электродов происходит перенос их материала в электролит, а затем в ПК, на поверхность пластины. Концентрация материала электродов в электролите увеличивается при увеличении
продолжительности электрохимической обработки в данном электролите, что резко ухудшает качество изделий, снижает воспроизводимость процесса, резко сужает допустимый диапазон дальнейших технологических обработок из-за
проникновения в кремний материалов электрода. В наименьшей степени подвержены растворению электроды, выполненные из благородных металлов: золота, платины. Однако, и их концентрации в электролите достаточно для рез-
BY 2358 C1
кого ухудшения параметров полупроводниковых приборов. При изготовлении электродов из кремниевых пластин,
аналогичных тем, на которых формируется ПК, исключается загрязнение его другими элементами дополнительно к
уже имеющимся в электролите и в обрабатываемой кремниевой пластине. На электроде, являющимся анодом происходит образование ПК, как и на обрабатываемой пластине. При необходимости срок службы анода увеличивают, увеличивая толщину этой пластины, либо соединяя несколько пластин в батарею. При этом снижается плотность тока на
аноде и соответственно скорость роста ПК на нем, что увеличивает срок службы анода.
Минимальное значение концентрации основных носителей в кремнии равно собственной концентрации
носителей в кремнии (1,45х1010 см-3 при температуре 300 К).
Максимальное значение концентрации основных носителей, равное 9х1019 см-3 ограничивается увеличением
содержания легирующих примесей в электролите и обрабатываемой пластине, что снижает воспроизводимость
электрохимического травления, ухудшает качество изделий.
Область применения настоящего изобретения не ограничивается лишь формированием с его помощью
пористого кремния. Оно может быть использовано и для других видов электрохимических обработок, например, электрохимическая полировка, анодное оксидирование, нанесение электролитических покрытий и
т.д.
Устройство электрохимической обработки представлено на фигуре.
Устройство содержит электролитическую ванну 1 с электролитом 2, в который помещены держатели 3, 3'
с токоподводами 4, 4', выполнены из проводящего материала, например, графита, к которым электроды 5, 5',
выполненные из кремниевых пластин, прижимаются уплотнительными кольцами 6, 6' с помощью их резьбового соединения с держателями 3, 3'. Это обеспечивает надежный электрический контакт электродовкремниевых пластин 5,5' с токопроводами 4,4' и изоляцию последних от электролита 2.
В электролит 2 между электродами-кремниевыми пластинами 5, 5' помещен держатель 7, изолирующий от электролита 2 и помещенных в него обрабатываемых кремниевых пластин 9, цилиндрический электрод 8. К кремниевым
пластинам-электродам 5, 5' и цилиндрическому электроду 8 через токоподводы 5, 5' и через изолирующие их от электролита ввода 10 от источников питания 11 и 12 подаются напряжения, обеспечивающие электрохимическую обработку пластин 9. Электролитическая ванна 2, держатели 3,3', уплотнительные кольца 6, 6', держатель 7 и вводы 10
выполнены из химически стойкого диэлектрического материала, например, фторопласта или полихлорвинила.
Такая конструкция обеспечивает быструю замену электродов-кремниевых пластин и надежную изоляцию
токоподводов к ним от воздействия электролита.
Пример 1.
На пластинах кремния марки КЭФ-90 (концентрация основных носителей тока 5х1013 см-3) с кристаллографической ориентацией (111) диаметром 100 нм формировали ПК толщиной 90-100 мкм на нерабочей
стороне пластины анодной обработкой в 24% масс. Растворе плавиковой кислоты при плотности тока 10-30
мА.см2 в устройстве, описанном в прототипе с анодом и катодом из платиновой проволоки площадью 40 см2
каждый (прототип). Электролит готовили разбавлением исходной 48% масс. плавиковой кислоты квалификации ОС.×.275 (ТУ 6-09-3401-88) деионизованной водой марки А2. ПК формировали на 15 пластинах (по 5
пластин в загрузке). После формирования ПК пластины промывались в проточной деионизованной воде в
течение 30 мин., затем перекисно-соляном растворе, сушились на центрифуге. После этого проводилось измерение количества примеси платины в контрольных пластинах. Затем на рабочую сторону пластин наносили
защитный слой SiO2 толщиной 0,6 мкм плазмохимическим осаждением, проводили диффузию фосфора последовательно при температурах 950°С 40 мин. И 1100°С 1 час, снимали оксид кремния в растворе плавиковой кислоты и формировали стандартными методами высоковольтные п-р-п транзисторы. Толщину ПК
контролировали на сколах пластин с помощью растрового электронного микроскопа JSM-840. Концентрацию
пластины на поверхности пластин определяли на установке САМЕСА ims4f. Влияние загрязнения пластин платиной оценивали по величине статического коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером (h217) при напряжении на коллекторе 10В и токе коллектора 0,2 А с помощью тестера Л2-56А. Измерение
проводили по пяти точкам на каждой пластине и определяли среднее значение для каждой загрузки пластин.
Полученные результаты приведены в табл.1.
Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве анода использовали пластины кремния марки КЭФ-90 с
кристаллографической ориентацией (111), диаметром 100 мм, толщиной 550 мкм с нанесенным на нерабочую сторону слоем алюминия толщиной 1 мкм.
Пример 3. То же, что в примере 1, только в качестве анода и катода использовали пластины кремния
марки КЭФ-90 с кристаллографической ориентацией (111), диаметром 100 мм, толщиной 550 мкм с нанесенным на нерабочую сторону слоем алюминия толщиной 1мкм.
Пример 4. На пластинах кремния по ЕТ0.035.578 ТУ КЭФ-4,5 (концентрация основных носителей 2х1015 см-3)
с кристаллографической ориентацией (100), диаметром 100 мм, толщиной 460 мкм формировали с нерабочей стороны ПК толщиной 40-45 мкм анодной обработкой в 24% масс. растворе плавиковой кислоты при плотности тока
1-8 мА/см2. Последовательно формировали ПК на 15 пластинах (по 5 пластин в одной группе). Электролит готовили разбавлением исходной 48% масс плавиковой кислоты квалификации ОС.Ч.27-5 (ТУ 6-09-3401-88) деионизо3
BY 2358 C1
ванной водой марки А2. Анодную обработку проводили в устройстве, описанном в прототипе. В качестве анода и
катода использовали кремниевые пластины по ЕТО.035.154 ТУ с концентрацией основных носителей 1,45х1010
см-3, кристаллографической ориентацией (100) диаметром 100 мм, толщиной 400 мкм. На нерабочую сторону пластин-электродов напыляли слой алюминия толщиной 1,0 мкм.
После формирования ПК пластины промывали в деионированной воде в течение 30 мин. и сушили на центрифуге. Затем стандартными методами формировали конфигурацию областей кармана, выполняли подлегирование областей кармана бором ионным внедрением (доза 2 мкКл/, энергия 30 КЭВ). Отжигом при температуре
1200°С в течение 8 часов формировали области карманов р-типа проводимости и одновременно осуществляли
геттерирование быстро диффундирующих примесей из объема пластины в ПК.
Стандартными приемами изготавливали тестовые п и р-канальные активные транзисторы с шириной и
длиной канала соответственно 20 мкм и 5 мкм. Качество транзисторов оценивали по величине порогового
напряжения транзистора при напряжении на стоке 5В и токе стока 100 мА, измерением на тестере Л256А.
Измерение проводили по пяти точкам на каждой пластине и определяли среднее значение для каждой
загрузки пластин. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Пример 5. То же, что и в примере 4, только в качестве пластин-электродов использовали кремний с концентрацией основных носителей 2х1015 см-3 при температуре 300 К (КЭФ-4,5).
Пример 6. То же, что и в примере 4, только в качестве пластин-электродов использовали кремний с концентрацией основных носителей 4х1015 см-3 (КДБ-4,5).
Пример 7. То же, что и в примере 4, только в качестве пластин-электродов использовали кремний с концентрацией основных носителей 9х1019 см-3 (КЭФ 0,0008).
Пример 8. То же, что и в примере 4, только в качестве пластин-электродов использовали кремний с концентрацией основных носителей 2х1020 см-3 (КЭФ 0,0004).
Из табл. 1 видно, что применение предлагаемого технического решения позволяет изготавливать транзисторы с
воспроизводимыми параметрами, причем эффект в заявляемом устройстве достигается и при использовании кремния
только в качестве анода, использование прототипа с анодом и катодом из платины приводит к загрязнению этим металлом пластин, резко снижает время жизни не основных носителей заряда, что проявляется в уменьшении величины
параметра h219, а повторное проведение процесса формирования ПК в том же электролите приводит к потере усилительных свойств структуры и утечкам р-п переходов. Это связывается с загрязнением пластин платиной.
Существенным недостатком прототипа является необходимость проведения химической обработки устройства после проведения каждого процесса формирования ПК в смеси азотной и соляной кислот и замены
электролита (на это требуется 1 ч. 40 мин.).
В предлагаемой конструкции устройства замену пластины, являющейся анодом производят после проведения 3 процессов (на это требуется 10 мин.) и нет необходимости проводить химическую обработку устройства, замену электролита, что позволяет существенно увеличить производительность устройства. При
необходимости более редкой замены пластины-анода целесообразно увеличить ее толщину.
Из табл. 2 видно, что применение в качестве пластин-электродов кремния с концентрацией основных носителей от 1,45х1010 см-3 до 9х1019 см-3 позволяет сформировать МОП-транзисторы с воспроизводимым значением порогового напряжения, что подтверждает отсутствие загрязнения поверхности пластин примесями с
пластин-электродов, а при концентрации основных носителей в пластинах-электродах больше 9х1019 см-3 наблюдается сдвиг порогового напряжения тестовых транзисторов, что связано с легированием поверхности рабочих пластин фосфором. Проведение последовательно трех процессов формирования ПК в примере 7
приводит к нарастающему сдвигу пороговых напряжений.
Таким образом, предлагаемое устройство для электрохимической обработки кремниевых пластин обеспечивает следующие преимущества перед известным.
1. Улучшение качества изделий за счет снижения загрязнения обрабатываемых пластин материалом электродов, в частности металлами.
2. Повышение производительности устройства за счет уменьшения времени, необходимого на обслуживание устройства.
3. Исключение из конструкции устройства благородных металлов путем замены их на кремний с концентрацией основных носителей от 1,45х1010 до 9х1019 см-3 включительно.
4
BY 2358 C1
Таблица 1
Пример
Загрузка
Концентрация Pt
в ПК, ат/см3
Концентрация Pt на рабочей
стороне пластины, ат/см 3
1
2
(2-6)1017
(8-12)1017
(8-10)1017
(5-10)1018
3
(9-15)1017
(4-9)1019
2
1
2
3
<1015
<1015
<1015
<1015
<1015
<1015
50
51
50
3
1
2
3
<1015
<1015
<1015
<1015
<1015
<1015
52
50
51
Прототип
1
Концентрация основных
носителей в кремний, см3
1,45х1010
H219
1-3
утечки, ВАХ транзистора отсутствуют
-I-
Таблица 2
Порогое напряжение транзистора, В
п-канальный
р-канальный
0,77
0,83
0,76
0,81
0,75
0,81
Пример
№ загрузки
4
1
2
3
5
1
2
3
2х1015
0,78
0,77
0,75
0,82
0,80
0,83
6
1
2
3
4х1015
0,76
0,75
0,78
0,81
0,79
0,80
7
1
2
3
9х1019
0,76
0,74
0,78
0,81
0,78
0,82
8
1
2
3
2х1020
0,43
0,21
-0,07
1,11
1,35
1,64
Cоставитель Л.С. Зайкова
Редактор Т.А. Лущаковская
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
151 Кб
Теги
патент, by2358
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа