close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14926

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/02 (2006.01)
H 01L 21/302 (2006.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ
КРЕМНИЕВОЙ ПЛАСТИНЫ ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: a 20091365
(22) 2009.09.24
(43) 2011.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси " (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович
(BY)
BY 14926 C1 2011.10.30
BY (11) 14926
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии
наук Беларуси " (BY)
(56) BY 7946 C1, 2006.
RU 2035802 C1, 1995.
SU 1762689 A1, 1999.
JP 1175742 A, 1989.
JP 2007194232 A, 2007.
JP 1138723 A, 1989.
JP 2000082648 A, 2000.
(57)
Способ изготовления полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (001),
включающий ориентирование слитка кремния в плоскости реза, резку слитка на пластины, удаление нарушенного слоя и финишную полировку поверхности пластины до толщины t, отличающийся тем, что после полировки на нерабочей поверхности пластины
вдоль, по меньшей мере, одного из кристаллографических направлений типа <100> формируют риски или рекристаллизацию в виде параллельных линий с шагом d, выбранным
из интервала (0,2…0,6)t, проводят термическую обработку при температуре 800-1200 °С в
течение 10-180 мин в окислительной атмосфере, после чего удаляют образовавшийся диоксид кремния травлением.
Фиг. 1
BY 14926 C1 2011.10.30
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 пластинам [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, которые декорируются неконтролируемыми примесями,
что снижает напряжение пробоя формируемых p-n-переходов и увеличивает токи их утечки.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом, является
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 существующие процессы изготовления пластин, в том числе и прототип, на сегодняшний день не
обеспечивают отсутствие механических повреждений на торце пластин. Формирование
фаски на пластинах 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
BY 14926 C1 2011.10.30
Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость пластин к дефектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов.
Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин ориентации (001) к образованию линий скольжения.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления полупроводниковой
кремниевой пластины ориентации (001), включающем ориентирование слитка кремния в
плоскости реза, резку слитка на пластины, удаление нарушенного слоя и финишную полировку поверхности пластины до толщины t, после полировки на нерабочей поверхности
пластины вдоль, по крайней мере, одного из кристаллографических направлений типа
<100> формируют риски или рекристаллизацию в виде параллельных линий с шагом d,
выбранным из интервала (0,2...0,6)t, проводят термическую обработку при температуре
800-1200 °С в течение 10-180 мин в окислительной атмосфере, после чего удаляют образовавшийся диоксид кремния травлением.
Сущность заявляемого технического решения заключается в блокировании роста линий скольжения сеткой дислокаций, формируемой контролируемыми нарушениями.
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), (10 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 термообработки 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 контролируемых 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. Дислокации, генерируемые на торце пластины под действием термомеханических напряжений, скользят в
плоскостях (110) и (1 1 0) в направлении середины пластины. При этом они на своем пути
встречают дислокации, расположенные в одной из плоскостей (101), (10 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 направ3
BY 14926 C1 2011.10.30
лений - [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.
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 d. Дальше дислокации не прорастают. Это расстояние не должно превышать толщину пластины t. 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
d ≤ 0,6t. Минимальное значение шага повреждений определяется долей объема пластины,
которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является d = 0,2t, 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.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-2.
4
BY 14926 C1 2011.10.30
На фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение полученной пластины 1 ориентации (001) толщиной t в плоскости (100). Механические нарушения 2 шириной а и глубиной b выполнены в направлении [100], которое перпендикулярно плоскости чертежа, с
шагом d. Плоскости скольжения дислокаций (011) и (0 1 1), генерируемые этими нарушениями, расположены под углом 45° к поверхности пластины и образуют три уровня взаимного блокирования e 1 , e2 и e3. Влияние размеров a и b зон 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 пластине, изготовленной в соответствии с заявляемым способом, обнаружена только одна еле заметная линия, возникшая в
результате генерации дислокаций в области контакта пластины с технологической оснасткой эпитаксиального реактора, в то время как на пластине-прототипе их очень много,
причем их генерация наблюдается практически по всему периметру пластины.
Заявляемый способ был реализован следующим образом.
Для исследований использовали слитки кремния марки 100 КЭС 0,01 ориентации
(001). При помощи рентгеновской установки УРС-60И слитки ориентировали в плоскости
реза и выполняли на нем базовые срезы в плоскости (110). Затем выполняли маркировочные срезы. Далее слитки приклеивали к графитовой оправке и устанавливали на станок
для резки слитков полупроводниковых материалов на пластины "Алмаз-6М". После резки
с пластин снимали фаску и травили их в 70 % растворе едкого натра для удаления нарушенного слоя. Затем проводили полировку пластин. Толщина t полученных пластин составила 450 мкм. Отсюда оптимальными значениями шага d 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. Термообработку пластин
проводили в сухом кислороде на установке АДС6-100. Режимы обработки приведены в
таблице. По окончании термообработки с пластин удаляли образовавшийся диоксид
кремния.
Оценку устойчивости пластин к образованию линий скольжения проводили путем нанесения на нее эпитаксиальной пленки 8КЭФ4,5 на установке эпитаксиального наращивания
УНЭС-2ПК-А. Долю площади, занимаемой на пластинах линиями скольжения, определяли
светотеневыми методами [6]. Далее 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
5
BY 14926 C1 2011.10.30
уровне снижения плотности дислокаций и дефектов упаковки. Использование запредельных режимов изготовления пластин не позволяет решить поставленную задачу в полной
мере.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость пластин к дефектообразованию.
Влияние режимов изготовления пластин на их устойчивость к дефектообразованию
Вид
Площадь,
мехаШаг Темперазанимае- ПлотВремя
№ ниче- Направление линий тура обмая ли- ность деобработПримечание
п/п ских нарушений наруше- работки,
ниями фектов,
ки, мин
наруний, мкм
скольжесм-2
°C
шений
ния, %
1
Коробление
50
1000
60
10
3×102
пластин
1
2
90
1000
60
5
6×10
3
[100]
200
1000
60
5
5×101
4
270
1000
60
5
5×101
Риски
5
Высокая
350
1000
60
15
2×
×103
дефектность
6
200
1000
60
3
4×101
[100] + [010]
7
Высокая
350
1000
60
10
1×103
дефектность
8
Коробление
50
1000
60
10
9×101
пластин
1
9
90
1000
60
5
3×10
10 Рекри[100]
200
1000
60
5
2×101
сталли11
270
1000
60
5
6×101
зация
12
Высокая
350
1000
60
15
2×103
дефектность
13
[100] + [010]
200
1000
60
3
3×101
14
Коробление
200
700
60
15
5×103
пластин
1
15
200
800
60
5
4×10
16
200
1200
60
5
3×101
17
Загрязнение
200
1250
60
10
6×102
пластин
18
Неполная
Риски
[100]
200
1000
5
20
релаксация
1×103
напряжений
1
19
200
1000
10
5
5×10
20
200
1000
180
5
5×101
21
Большая
200
1000
250
10
2×102 длительность
процесса
22
Высокая
Прототип
25
5×103
дефектность
6
BY 14926 C1 2011.10.30
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.А. Технология производства полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1968. - С. 46.
5. ПатентРБ 7946, 2006.
6. С.Ф. Сенько. Особенности формирования изображений дефектов при контроле поверхностей методом оптической топографии // Микроэлектроника. - 2003. - Т. 32. - № 6. С. 448-458.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
408 Кб
Теги
by14926, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа