close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15059

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/02
H 01L 21/302
(2006.01)
(2006.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ
КРЕМНИЕВОЙ ПЛАСТИНЫ ОРИЕНТАЦИИ (111)
(21) Номер заявки: a 20091421
(22) 2009.10.06
(43) 2011.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси " (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович
(BY)
BY 15059 C1 2011.12.30
BY (11) 15059
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) BY 1188 U, 2003.
RU 2035802 C1, 1995.
SU 1762689 A1, 1999.
JP 1186632 A, 1989.
JP 2007194232 A, 2007.
JP 1138723 A, 1989.
JP 2000082648 A, 2000.
(57)
Способ изготовления полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (111),
включающий ориентирование слитка кремния в плоскости реза, резку слитка на пластины, удаление нарушенного слоя и полировку поверхности пластины до толщины t, отличающийся тем, что после полировки на нерабочей поверхности пластины вдоль, по
меньшей мере, одного из кристаллографических направлений <110> формируют риски в
виде параллельных линий с шагом d, выбранным из интервала (0,3…0,9)t, ширина и глубина которых значительно меньше шага d, 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 15059 C1 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 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 (111). 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 (111) это направления типа <112>. 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 15059 C1 2011.12.30
Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость полученных
пластин к дефектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов.
Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин ориентации (111) к образованию линий скольжения.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления полупроводниковой
кремниевой пластины ориентации (111), включающем ориентирование слитка кремния в
плоскости реза, резку слитка на пластины, удаление нарушенного слоя и полировку поверхности пластины до толщины t, после полировки на нерабочей поверхности пластины
вдоль, по меньшей мере, одного из кристаллографических направлений <110> формируют
риски в виде параллельных линий с шагом, выбранным из интервала (0,3…0,9)t, ширина и
глубина которых значительно меньше шага d, 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 механическими
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 (111) плоскости типа {111} расположены под углами α1 = 0° (т.е. параллельно поверхности, в данном случае это плоскость (1 1 1 ) , находящаяся в двойниковой ориентации по отношению к рабочей
поверхности) и α2 = 70°32' к плоскости пластины, а плоскости типа {110} расположены
под углами α3 = 90° (т.е. перпендикулярно поверхности, а именно плоскости (1 1 0 ) ,
(10 1 ) и (01 1 ) ) и α4 = 35°16' (а именно плоскости (110), (101) и (011)) к поверхности пластины. В случае наличия неконтролируемых нарушений на поверхности пластины и ее
торце генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях, расположенных перпендикулярно поверхности пластины, т.к. энергия образования этих дислокаций
минимальна. Именно это наблюдается при росте линий скольжения. 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.
Дислокации, генерируемые в плоскостях (1 1 0 ) , (10 1 ) и (01 1 ) под действием термомеханических напряжений в области дефектов на торце пластины, скользят по направлению к центру пластины. На своем пути они встречают дислокации, генерируемые
контролируемыми нарушениями и расположенные в плоскостях (110), (11 1 ) , (101), (1 1 1) ,
(011), (1 11) , и блокируются ими с образованием дислокационных полупетель, закрепленных одним концом на торце пластины, а другим - на обратной стороне пластины. Сколь3
BY 15059 C1 2011.12.30
жение дислокаций переходит в другую кристаллографическую плоскость, рост линии
скольжения прекращается. В итоге рабочая поверхность пластины сохраняет высокое первоначальное качество.
На поверхности пластины 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 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. 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, усиливая тем самым рост линий скольжения.
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 блокирования x или ее расстояние от обратной стороны пластины можно определить из выражения:
(1)
d × tgα 4 × tgα 2
x=
.
tgα 2 − tgα 4
Отсюда при подстановке значений углов получим:
(2)
x ≈ 0,94d.
Для предотвращения прорастания дислокаций на рабочую поверхность пластины
необходимо соблюдение условия:
(3)
x ≤ t.
Отсюда следует, что шаг нарушений d должен соответствовать выражению:
t
d≤
.
(4)
0,94
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)
d ≤ 0,9t.
Минимальное значение шага повреждений определяется долей объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является d = 0,3 t, 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, ма4
BY 15059 C1 2011.12.30
лопригодна 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.
На фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение полученной пластины 1 ориентации (111) толщиной t в плоскости (1 1 0 ) . Механические нарушения 2 шириной a и
глубиной b выполнены в направлении [1 1 0] , которое перпендикулярно плоскости чертежа, с шагом d. Плоскости скольжения дислокаций (11 1 ) и (110), генерируемые этими
нарушениями, расположены под углами α2 = 70°32' и α4 = 35°16' к поверхности пластины.
Уровни линий их пересечения x1 и x2 параллельны поверхности пластины. Поскольку эти
уровни соответствуют пересечению одновременно трех плоскостей скольжения (110),
(11 1 ) и (1 1 1 ) , то скольжение дислокаций, генерируемых нарушениями на обратной стороне пластины, полностью блокируется на первом уровне x1. Поскольку размеры a и b зон
нарушений значительно меньше шага d, их влияние на глубину формируемой дислокационной структуры, как видно из фиг. 1, невелико.
Полученная дислокационная структура действует следующим образом. Дислокации на
краю пластины генерируются в плоскости (1 1 0 ) , которая перпендикулярна поверхности
пластины и расположена в плоскости чертежа. Очевидно, что при их скольжении к середине пластины они неминуемо встречаются с дислокациями, генерируемыми контролируемыми нарушениями обратной стороны, и замыкаются на обратной стороне пластины с
образованием полупетли. Выход дислокаций на рабочую сторону пластины практически
невозможен вследствие их блокирования пересечением трех плоскостей скольжения одновременно на уровне x1. Снижение шага механических нарушений приводит к увеличению плотности формируемой дислокационной структуры и повышению вероятности их
блокирования.
На фиг. 2 приведены светотеневые изображения поверхности пластины, полученной в
соответствии с заявляемым способом (а), и пластины, полученной по способу-прототипу
(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. Они принадлежат кристаллографическим направлениям [112 ], [1 21] и
[211] , которые расположены друг по отношению к другу под углом 60°, что предопределяет наблюдаемую картину. На пластине, полученной в соответствии с заявляемым способом, обнаружено только незначительное количество данных дефектов на краю, в то
время как на пластине, полученной по способу-прототипу, они занимают значительную
площадь, 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
(111). При помощи рентгеновской установки УРС-60И слитки ориентировали в плоскости
реза и выполняли на нем базовые и маркировочные срезы. Далее слитки приклеивали к
графитовой оправке и устанавливали на станок для резки слитков полупроводниковых ма5
BY 15059 C1 2011.12.30
териалов на пластины "Алмаз-6M". 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 расчетными значениями шага нарушений являются значения 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. Термообработку пластин проводили в сухом кислороде на установке АДС6-100. Режимы обработки приведены в таблице. По
окончании термообработки с пластин удаляли образовавшийся диоксид кремния.
Испытания пластин на устойчивость к образованию линий скольжения проводили путем нанесения на них эпитаксиальной пленки 12КЭФ4,5 на установке эпитаксиального
наращивания УНЭС-2ПК-A. 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 250х. 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. Нанесение рисок в направлении [11 2 ] значительно усиливает рост линий скольжения на рабочей поверхности.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость пластин к дефектообразованию.
Влияние режимов изготовления пластин на их устойчивость
к дефектообразованию
Площадь, заШаг линий
Время обПлотность
Температура
Направление нарунимаемая ли№ п/п
нарушений,
работки,
дефектов, Примечание
шений
ниями
обработки, °С
мин
см-2
мкм
скольжения, %
Коробление
70
1000
60
10
3x102
1
пластин
1
2
140
1000
60
5
4x10
1
1
0
3
250
1000
60
5
2x101
4
410
1000
60
5
6x101
Высокая
5
550
1000
60
15
1x103
дефектность
6
300
1000
60
3
4x101
1 1 0 + 10 1
Высокая
7
600
1000
60
10
2x103
дефектность
8
300
1000
60
3
9x101
1 1 0 + 10 1 + 01 1
Высокая
9
600
1000
60
5
3x103
дефектность
Высокая
10
300
1000
60
65
5x104
112
дефектность
[ ]
[ ] [ ]
[ ] [ ] [ ]
[ ]
6
BY 15059 C1 2011.12.30
Продолжение таблицы
Площадь, заШаг линий
Время обПлотность
Температура
Направление
нимаемая ли№ п/п
работки,
нарушений,
дефектов, Примечание
нарушений
ниями
обработки, °С
мин
мкм
см-2
скольжения, %
Коробление
300
700
60
15
2х102
11
пластин
12
300
800
60
5
4x101
13
300
1200
60
5
3х101
Загрязнение
14
300
1250
60
10
6x102
пластин
Неполная
110
релаксация
15
300
1000
5
20
1х103
напряжений
1
16
300
1000
10
5
5x10
17
300
1000
180
5
5x101
Большая
18
300
1000
240
10
2x102 длительность
процесса
Высокая
де19
Прототип
25
5х102
фектность
[ ]
Источники информации:
1. ETO.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
2. ETO.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
3. ETO.035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
4. Гаврилов Р.А. Технология производства полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1968. - С. 46.
5. Патент РБ 1188, МПК 7 H 01L 21/302, 2003 (прототип).
6. Сенько С.Ф. 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
1 036 Кб
Теги
by15059, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа