close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15471

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/302
H 01L 33/16
(2006.01)
(2010.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ
СТРУКТУР ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: a 20100379
(22) 2010.03.12
(43) 2011.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович
(BY)
BY 15471 C1 2012.02.28
BY (11) 15471
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) ЗИ. С. Технология СБИС. - Москва:
Мир, 1986. - Т. 1. - С. 72-74, 94-102.
JP 2010/037185 A.
JP 2008/022032 A.
(57)
Способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур ориентации (001), включающий наращивание эпитаксиального слоя с заданными характеристиками на монокристаллической кремниевой подложке толщиной t с предшествующим формированием
скрытого слоя заданной топологической конфигурации на данной подложке или без формирования скрытого слоя, отличающийся тем, что перед наращиванием эпитаксиального
слоя на нерабочей стороне подложки формируют ямки квадратной формы или формируют
ямки квадратной формы с невытравленной квадратной центральной частью как одной из
девяти равных частей ямки, или формируют ямки квадратной формы с невытравленной
квадратной центральной частью как одной из девяти равных частей ямки и фрактальной
структурой, образованной формированием в каждой части ямок, кроме центральных, дополнительной невытравленной квадратной центральной части как одной из девяти ее равных частей; причем ямки формируют с глубиной от 0,5 до 1,5 мкм и расстоянием l между
сторонами соседних ямок от 10 до 100 мкм, стороны ямок ориентируют в кристаллографических направлениях типа <100>, а длину стороны выбирают из интервала от 0,2t до
(0,8t –l).
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
BY 15471 C1 2012.02.28
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 выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры полупроводниковых приборов служат источником возникновения кристаллографических
дефектов в приповерхностном объеме пластины. Они приводят к генерации дислокаций,
дефектов упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формируемых p-n-переходов и увеличивают токи их утечки. Это не позволяет получить приборы
приемлемого уровня качества. Важным фактором, влияющим на дефектность рабочей поверхности пластины, является также 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.
Неконтролируемые примеси накапливаются в кремнии начиная уже с момента его выращивания. 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
2
BY 15471 C1 2012.02.28
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 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 (001) к образованию преципитатов примесей.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления кремниевых эпитаксиальных структур ориентации (001), включающем наращивание эпитаксиального слоя с
заданными характеристиками на монокристаллической кремниевой подложке толщиной t
с предшествующим формированием скрытого слоя заданной топологической конфигурации на данной подложке или без формирования скрытого слоя, перед наращиванием эпитаксиального слоя на нерабочей стороне подложки формируют ямки квадратной формы
или формируют ямки квадратной формы с невытравленной квадратной центральной частью как одной из девяти равных частей ямки, или формируют ямки квадратной формы с
невытравленной квадратной центральной частью как одной из девяти равных частей ямки
и фрактальной структурой, образованной формированием в каждой части ямок, кроме
центральных, дополнительной невытравленной квадратной части как одной из девяти ее
равных частей; причем ямки формируют с глубиной от 0,5 до 1,5 мкм и расстоянием l
между сторонами соседних ямок от 10 до 100 мкм, стороны ямок ориентируют в кристаллографических направлениях типа <100>, а длину стороны выбирают из интервала от 0,2t
до (0,8t –l).
Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтролируемых примесей управляемой сеткой дислокаций, индуцированной элементами рисунка
на нерабочей стороне ЭС при формировании активных элементов приборов.
Поглощение неконтролируемых примесей дислокациями известно давно. Это явление
обусловлено высокой концентрацией ненасыщенных химических связей на дислокациях.
Однако методы управления характеристиками дислокационной структуры в настоящее
время развиты слабо. Настоящее техническое решение основано на явлении самоформи-
3
BY 15471 C1 2012.02.28
рования дислокационной сетки за счет фрактального характера рисунка на нерабочей стороне ЭС.
Формирование различных технологических слоев, в частности оксидных, и использование высоких температур при изготовлении полупроводниковых приборов за счет различия коэффициентов линейного термического расширения (клтр) формируемых слоев и
кремния приводит к возникновению на границе ямок высоких механических напряжений.
Так, при проведении процесса окисления на всей поверхности структур образуется диоксид кремния. После охлаждения структур до комнатной температуры часть оксидной
пленки, находящаяся в углублении подложки, оказывает распирающее действие на стенки
этой ямки. В результате на границах ямок возникают высокие механические напряжения,
величина которых зависит от размеров элемента рисунка и толщины оксидной пленки
(или другого технологического слоя). С увеличением размера ямки и толщины оксидной
пленки эти напряжения возрастают. Это приводит к образованию на границах ямок дислокаций в кремнии. Наличие большого количества регулярно расположенных ямок на нерабочей поверхности структуры приводит к формированию в ее объеме сетки дислокаций,
управляемой параметрами рисунка.
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 ~54°44', плоскости (110) и (1 1 0)
перпендикулярны ей, а плоскости (101), (10 1 ) , (011) и (0 1 1) наклонены под углом 45°.
Стороны топологических элементов на поверхности ЭС ориентации (001) могут быть
выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических направлений - <100>
или <110>. Все остальные направления являются промежуточными. При ориентации сторон ямок в одном из двух возможных направлений типа <110>, а именно в направлениях
[110] и [1 1 0] , генерация и скольжение дислокаций возможны в плоскостях (111), (11 1 ) ,
(1 1 1) , (1 1 1 ) , (110) и (1 1 0) . Однако в связи с тем, что плоскости типа {111} наклонены
к поверхности, энергетически наиболее выгодными плоскостями образования и скольжения дислокаций являются плоскости (110) и (1 1 0) , которые перпендикулярны поверхности пластины. При этом генерируемые дислокации практически беспрепятственно
прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в негодность для формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
При ориентации сторон ямок в одном из двух возможных направлений типа <100>, а
именно в направлениях [100] и [010], генерация и скольжение дислокаций возможны
только в плоскостях (101), (10 1 ) , (011) и (0 1 1) ; которые наклонены под углом 45° к поверхности пластины. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях в данном случае
энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие в процессе формирования технологических слоев изгибающие моменты перпендикулярны сторонам топологических элементов. Плоскости (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1) 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 ЭС. Поскольку генерация дислокаций наблюдается только на границах элементов рисунка, расстояние от точки пересечения рассматриваемых плоскостей
скольжения до поверхности ЭС зависит от размера этого элемента. Поэтому глубина проникновения дислокаций в подложку и характеристики дислокационной структуры в целом
эффективно управляются параметрами рисунка на нерабочей стороне ЭС.
Выбор квадрата в качестве основного элемента рисунка обусловлен тем, что, вопервых, только в этом случае обеспечивается ориентация всех сторон элементов в равнозначных кристаллографических направлениях. Во-вторых, только в этом случае все плоскости скольжения дислокаций (101), (10 1 ) , (011) и (0 1 1) , генерируемые выбранным
4
BY 15471 C1 2012.02.28
элементом рисунка, пересекаются внутри пластины в одной точке с образованием пирамиды, что обеспечивает максимальное взаимное блокирование дислокаций. В случае выбора прямоугольной формы элементов условие по ориентации их сторон соблюдается, но
рассматриваемые плоскости не пересекаются в одной точке, а фигура, образованная ими,
представляет собой обелиск. В этом случае управление глубиной проникновения дислокаций в пластину несколько затрудняется, т.к. их взаимное блокирование ослабевает.
Совокупность плоскостей (101), (10 1 ) , (011) и (0 1 1) скольжения дислокаций, формируемых единичным первичным элементом рисунка (ямкой), образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность плоскостей (101), (10 1 ) , (011) и
(0 1 1) скольжения дислокаций, формируемых четырьмя ближайшими элементами по отношению к рассматриваемому, образует над этой пирамидой дополнительный пирамидальный купол, что усиливает процессы взаимного блокирования дислокаций. Вершины
этих пирамидальных дефектов являются точками концентрации механических напряжений, что приводит к формированию новых элементов дислокационной структуры. Совокупность вершин четырех ближайших пирамид определяет границы основания двух
новых пирамид, одна из которых обращена вершиной вниз, а другая вверх. Поскольку величина механических напряжений в кремниевой подложке по мере удаления от поверхности уменьшается, преимущественная генерация дислокаций протекает во вновь
образованной пирамиде, обращенной вершиной вниз. Грани этой пирамиды являются
продолжением граней близлежащих пирамид, обращенных вершинами вверх, т.е. возникает явление самоформирования дислокационной структуры. Это явление сопровождается
образованием и других новых элементов структуры - дефектов упаковки, которые, в зависимости от локальной плотности дислокаций, могут быть полными или частичными. Эффективность поглощения неконтролируемых примесей дефектами упаковки значительно
выше, чем дислокациями, что обеспечивает качественно новый уровень устойчивости ЭС
к образованию преципитатов примесей на рабочей поверхности.
Совокупность всех ямок приводит к образованию дислокационной сетки, состоящей
из множества пирамидальных структур. В связи с тем что рассматриваемая дислокационная структура образована первичными элементами рисунка, условно назовем ее структурой первого уровня.
Разделение ямки с размером стороны a на 9 равных частей квадратной формы и оставление центральной части невытравленной приводит к возникновению в ней островка (бугорка) с размером стороны, равным 1/3a. Образуется новый, второй уровень элементов
рисунка, сопровождающийся при формировании активной структуры полупроводниковых
приборов генерацией дислокаций вдоль границ этих элементов. Однако, поскольку линейные размеры островка в 3 раза меньше размеров ямки, глубина проникновения генерируемых им дислокаций в подложку соответственно уменьшается. Совокупность
плоскостей скольжения, генерируемых вновь образованным элементом, также образует
пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность всех вновь образованных элементов приводит к формированию новой совокупности пирамидальных дефектов по всей площади ЭС. Образуется новый, второй уровень кристаллографических
дефектов (дислокации и дефекты упаковки) кремния с глубиной проникновения, определяемой размерами соответствующих им элементов, т.е. 1/3 часть от глубины проникновения дефектов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей элементов рисунка по тому же
правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и оставление центральной части невытравленной) приводит к формированию следующего уровня дислокационной структуры. Глубина его залегания определяется размерами вновь образованных элементов и
составляет 1/3 часть от глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
5
BY 15471 C1 2012.02.28
С каждым новым этапом формирования элементов возникает все новый уровень дислокационной структуры. Фрактальный характер вытравленного рисунка обеспечивает одновременное наличие дефектов различного размера или уровня. Эти уровни существуют
не независимо друг от друга, а активно взаимодействуют друг с другом с образованием
новых элементов дислокационной структуры за счет явления самоформирования. Их взаимодействие обусловлено, с одной стороны, взаимодействием полей механических
напряжений, а с другой стороны, тем, что при пересечении плоскостей скольжения далеко
не все дислокации блокируются. Часть из них прорастает далее вглубь подложки и взаимодействует с дислокациями, генерируемыми другими элементами, сначала близлежащими, а затем и более отдаленными. Генерируемые различными элементами рисунка
плоскости скольжения дислокаций многократно пересекаются друг с другом, и при каждом их пересечении часть дислокаций блокируется. По мере увеличения количества пересечений все большая часть дислокаций блокируется, и с удалением от границы элемента
их плотность падает. В результате такого взаимодействия образуется дислокационная
сеть, плотность которой увеличивается при приближении к нерабочей стороне ЭС, а максимальная глубина проникновения определяется размерами первичных элементов.
Таким образом, регулярное расположение элементов вытравленного рисунка приводит к самоформированию дислокационной структуры в объеме ЭС.
Экспериментально установлено, что максимальная глубина h проникновения дислокаций составляет величину, равную сумме длины стороны первичного элемента рисунка a и
расстояния между ними l, что соответствует удвоенной высоте пирамидальных дефектов.
Эта глубина h не должна превышать толщину подложки t, т.е. (a + l)≤t. В противном случае дислокации достигнут рабочей поверхности пластины и приведут ее в негодность. С
учетом глубины активной структуры (в том числе скрытого слоя) и допусков на разброс
толщины подложки требования по размерам первичного элемента рисунка ужесточаются
до значения (a + l)≤0,8t или a≤0,8t –l.
Минимальное значение длины стороны a первичных элементов определяется долей
объема подложки, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является a = 0,2t, при котором с учетом фактической
величины l примерно четверть объема подложки занята дислокациями. Меньшие значения
a приводят к заметному снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей.
Размер элементов следующего уровня, на которые затем разделяют первичные элементы, определяется размером первичного элемента. Так, каждый квадрат, представляющий собой первичный элемент, в соответствии с заявляемым техническим решением
может быть разделен ровно на 9 равных частей квадратной формы, из чего следует, что
длина стороны вновь образованного элемента (а именно невытравленного островка) составляет 1/3a. Повторное разделение каждой из оставшихся восьми частей ямки опятьтаки на 9 равных частей квадратной формы и оставление центральных вновь образованных частей невытравленными приводит к образованию восьми новых островков с длиной
стороны (1/3)2a. В целом длину стороны элемента можно выразить как an = (1/3)(n-1)a, где n порядковый номер уровня элемента, причем для первичного островка n = 1, для элементов
второго уровня n = 2 и т.д. Минимальный размер элементов рисунка при этом, в принципе,
ограничен только возможностями технологического оборудования. Однако, как показывает практика, для решения поставленной в данном случае задачи достаточно, как правило,
до трех уровней вновь образованных элементов. Внешний вид структур различного уровня приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка при этом не зависит
от количества уровней элементов, поскольку осуществляется в едином технологическом
цикле.
Расстояние l между первичными элементами рисунка определяется размерами зоны
упругого влияния, возникающей в результате нанесения на нерабочую сторону подложки
технологического слоя. Максимальные механические напряжения вносятся в структуру
6
BY 15471 C1 2012.02.28
элементами максимального размера. Поэтому первичные элементы рисунка являются, с
одной стороны, инициирующими процесс дефектообразования, а с другой - ограничивающими прорастание дислокаций на рабочую сторону. Если расстояние l между первичными элементами составляет величину менее 10 мкм, например 5 мкм, механические
напряжения, индуцируемые этими элементами, активно взаимодействуют друг с другом с
образованием сплошного поля напряжений. Величина градиента этого поля на границе
раздела элементов, инициирующая генерацию дислокаций, оказывается слишком маленькой для того, чтобы дислокации проникли в пластину на глубину, достаточную для образования дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не только по
краю элемента, но и внутри его. Дислокационная структура оказывается неуправляемой.
Увеличение расстояния l между первичными элементами до значения свыше 100 мкм,
например 200 мкм, приводит к невозможности взаимодействия полей напряжений, вносимых соседними элементами рисунка. В результате дислокационная структура формируется по островковому принципу внутри разделенных между собой пирамид. Процессы
самоформирования обрываются на границе этих пирамид, единая устойчивая структура не
образуется.
Выбор в качестве источника дислокаций неровностей поверхности в виде чередующихся ямок глубиной 0,5-1,5 мкм на нерабочей стороне подложки обусловлен тем, что в
процессе эпитаксии используется крайне агрессивная среда на основе газообразного хлористого водорода. Все известные материалы, используемые в технологии изготовления
полупроводниковых приборов, являются по отношению к нему нестойкими. Кремний тоже нестоек по отношению к хлористому водороду и подвергается травлению в процессе
эпитаксии. Однако скорость травления кремния одинакова на поверхности пластины и на
дне ямки. Поэтому этот микрорельеф поверхности в процессе эпитаксии сохраняется.
Дислокационная структура для обеспечения поглощения неконтролируемых примесей
формируется в течение технологического цикла изготовления активных элементов. Этим
фактором, в первую очередь, определяется минимальная глубина ямок, образующих рисунок на нерабочей поверхности пластины. Механические напряжения, возникающие в
результате формирования технологических слоев, на нерабочей стороне структуры должны превышать напряжения, вносимые этими слоями на рабочей поверхности. Тогда генерируемая сетка дислокаций на нерабочей стороне пластины всегда будет "работать на
опережение", все вновь вносимые неконтролируемые загрязнения будут успевать поглощаться растущей сеткой дислокаций. Небольшая глубина ямок, например 0,3 мкм, в течение цикла изготовления активных элементов полупроводниковых приборов не позволяет
получить плотную дислокационную структуру в связи с тем, что многократное окисление
пластин и удаление оксида кремния приводит к сглаживанию изначально вертикальных
стенок ямок. Они становятся пологими, что не обеспечивает возникновения распирающих
механических напряжений требуемого уровня. Большая глубина ямок, например 2 мкм,
приводит к затруднениям при очистке поверхности эпитаксиальной структуры. Проникновение реактивов в уголки ямок затруднено. Там накапливаются остатки фоторезиста,
технологических слоев и т.п. В результате эти ямки превращаются в источник загрязнения
эпитаксиальной структуры.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-6.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение формируемого рисунка на нерабочей
стороне эпитаксиальной структуры, состоящее из первичных элементов в виде ямок квадратной формы с длиной стороны a и расстоянием между ними l. На фиг. 2 приведено
изображение рисунка, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго уровня путем разделения первичных ямок на 9 равных квадратных частей
и оставления центральной части невытравленной с образованием бугорка с длиной стороны 1/3a. На фиг. 3 приведено изображение рисунка, состоящее из первичных элементов, в
которых сформированы элементы второго и третьего уровней. На фиг. 4 приведено изоб7
BY 15471 C1 2012.02.28
ражение рисунка, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы
второго, третьего и четвертого уровней. На фиг. 5 приведено схематическое изображение
элемента дислокационной структуры, образованной плоскостями скольжения {110} дислокаций, генерируемых первичным элементом рисунка. Для наглядности этот элемент
приведен в координатах XYZ и вписан в куб, представляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической решетки кремния, а плоскости скольжения выделены заливкой. На фиг. 6 схематически изображено сечение однослойной ЭС в плоскости (100),
изготовленной в соответствии с заявляемым способом, после формирования на ее рабочей
стороне активных элементов. Дислокационная структура в объеме ЭС сформирована в результате релаксации механических напряжений, внесенных рисунком, приведенным на
фиг. 3, и соответствует виду AA*. На фиг. 6 приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая подложка толщиной t, 2 - эпитаксиальный слой, 3 - активные элементы
полупроводниковых приборов, 4 - вытравленные ямки на нерабочей стороне подложки с
невытравленными островками 5. Жирными линиями обозначены плоскости скольжения
дислокаций, генерируемые краями элементов рисунка и пересекающиеся друг с другом с
образованием пирамиды, основанием которой является элемент рисунка (ямка или островок). Тонкими линиями обозначены остальные плоскости скольжения. Из фиг. 6 видно,
что глубина проникновения дислокаций, генерируемых первичным элементом, размер которого максимален, составляет h1 = (a + l), глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом второго уровня, составляет h2 = (a/3 + l), глубина проникновения
дислокаций, генерируемых элементом третьего уровня, составляет h3 = (a/9 + l) и т.д.
Максимальная глубина проникновения дислокаций в пластину h не превышает величины
h1. Области генерации дислокаций, соответствующие их самоформированию, выделены
заливкой. Сравнительный анализ структуры этих областей со структурой областей, образованных непосредственно элементами рисунка (выделено жирными линиями), показывает их идентичность. Как видно из фиг. 6, эти области способствуют своеобразной сшивке
всей дислокационной структуры, что заметно повышает ее эффективность и устойчивость.
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную организованную структуру, состоящую из множества взаимно проникающих пирамид, образованных плоскостями скольжения (101), (10 1 ) , (011) и (0 1 1) , причем плотность
дислокаций увеличивается при приближении к нерабочей стороне ЭС.
Первой термической обработкой при изготовлении активных областей полупроводниковых приборов является, как правило, окисление. Образование диоксида кремния на нерабочей стороне приводит к возникновению распирающих напряжений, действующих на
стенки ямок. Релаксация этих напряжений протекает через структурно-фазовые превращения в диоксиде кремния и образование дислокаций в кремниевой подложке эпитаксиальной структуры. Ориентация сторон ямок обеспечивает образование дислокаций в
заданных кристаллографических плоскостях в соответствии с описанными выше механизмами. Постоянный рост дислокационной структуры по мере увеличения количества
термообработок обеспечивает поглощение все увеличивающегося количества неконтролируемых примесей. Экспериментально установлено, что основа дислокационной сетки
формируется уже при первой термообработке эпитаксиальных структур. Дальнейшие
термообработки приводят к развитию ее структуры и повышению плотности за счет самоформирования все новых плоскостей скольжения дислокаций.
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 кремнием. 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
8
BY 15471 C1 2012.02.28
химических связей в кремнии располагает приповерхностная область структуры, в которой формируются активные элементы полупроводникового прибора. Наличие дислокационной сетки с высокой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к
значительному увеличению растворимости неконтролируемых примесей в объеме структуры, где их влияние на характеристики изготавливаемых приборов практически исключено. В процессе термообработки при формировании активных элементов
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 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 структуры, а ее рабочая поверхность
остается чистой. Отсутствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности
эпитаксиальной структуры обеспечивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на
рабочей поверхности не образуются. Таким образом, устойчивость эпитаксиальных структур к образованию кристаллографических дефектов в процессе изготовления активных
элементов полупроводниковых приборов значительно возрастает.
Заявляемый способ изготовления эпитаксиальных структур ориентации (001) реализовали следующим образом.
При изготовлении однослойных структур (ОЭС) использовали подложки типа
100 КЭС 0,01 ориентации (001) и толщиной 450 мкм. При изготовлении структур со скрытым слоем (ЭСС) использовали подложки 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщиной 450
мкм. Скрытый слой n+-типа проводимости глубиной 6 мкм получали путем ионного легирования пластин сурьмой дозой 250 мкКул/см2 и энергией 100 кэВ с последующей активацией примеси термообработкой. Расчетными значениями размера a первичного
элемента являются величины от 0,2t = 90 мкм до (0,8t –l) = 350 мкм. Рисунок на нерабочей
стороне эпитаксиальной структуры формировали следующим образом. Стандартными методами фотолитографии формировали фотомаску, состоящую из диоксида кремния и фоторезиста. После травления пленки диоксида кремния проводили плазмохимическое
травление кремния на заданную глубину. Затем удаляли фоторезист, остатки диоксида
кремния и проводили эпитаксиальное наращивание кремния на рабочей стороне пластин
на установке УНЭС-2ПК-А. Для структур со скрытым слоем формировали эпитаксиальную пленку типа КЭФ 4,5 толщиной 12 мкм, а для однослойных структур формировали
пленку типа КЭФ 4,5 толщиной 8 мкм. Характеристики полученных структур 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.
9
Влияние характеристик рисунка на нерабочей стороне на устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию
№
п/п
0,3
0,5
1,0
1,5
2,0
1,0
1,0
1,0
1,0
Размер пер- Расстояние
Количество
вичного
между перуровней
элемента, вичными элеэлементов
мкм
ментами, мкм
250
50
3
250
50
3
250
50
90
250
350
600
250
250
50
50
50
50
10
50
5
10
50
100
200
3
3
1,0
1,0
250
1,0
250
50
1,0
1,0
250
250
50
50
3
3
3
3
3
1
2
3
4
5
3
3
Прототип
Плотность дефектов на рабочей стороне
Тип эпиОриентация
пластины, см-2
таксиальсторон эленых
дефектов
ментов
дислокаций
микродефектов
структур
упаковки
ОЭС
<100>
3×103
5×103
7×101
5×101
ОЭС
<100>
3×101
4×101
2×102
5×101
ОЭС
<100>
5×103
3×101
2×102
ОЭС
<100>
2×101
5×101
5×103
5×101
2×101
ОЭС
<100>
2×101
1×101
2
1×10
3×101
ОЭС
<100>
5×101
5×101
2×103
ОЭС
<100>
3×101
4×102
5×103
2×101
5×101
ОЭС
<100>
7×101
3×101
3×101
2×101
ОЭС
<100>
4×103
5×102
1
5×101
5×10
6×101
5×101
ОЭС
<100>
2×101
1×101
3×101
3×101
1×101
1×101
ОЭС
<110>
8×106
4×103
1
ЭСС
<100>
5×101
4×10
3
2
1×10
5×105
5×10
Примечание
фиг. 1
фиг. 2
фиг. 3
фиг. 4
BY 15471 C1 2012.02.28
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Глубина
рисунка,
мкм
BY 15471 C1 2012.02.28
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. Ориентация сторон
элементов рисунка в направлениях типа <110> приводит к значительному повышению
плотности дислокаций и дефектов упаковки на рабочей стороне пластин. Использование
запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере решить поставленную задачу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет, по сравнению с прототипом, повысить устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию.
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.Л. 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 // 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).
Фиг. 1
Фиг. 2
11
BY 15471 C1 2012.02.28
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
803 Кб
Теги
by15471, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа