Способ обработки кремниевых подложек

 

Использование: при изготовлении высококачественных пластин-подложек из монокристаллического кремния. Технический результат способа - повышение однородности распределения электрофизических характеристик кремниевых подложек вблизи их рабочей стороны. Сущность изобретения: способ включает электрохимическое формирование на одной из сторон подложек слоя пористого кремния, обработку подложек и удаление пористого кремния. Пористый кремний формируют на рабочей стороне подложек и затем аморфизируют поверхность пористого кремния облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя пористого кремния. Последующее удаление облученного пористого кремния проводят путем химико-динамического полирования в кислотном травителе. 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано для изготовления высококачественных пластин-подложек из монокристаллического кремния, предназначенных для создания дискретных приборов и интегральных схем.

Известен способ [1] обработки кремниевых подложек, улучшающий их структурное совершенство за счет уменьшения концентрации фоновых примесей и кристаллографических дефектов, который включает формирование на нерабочей стороне подложек (т. е. на стороне, где впоследствии не будут создаваться области приборов) структурно нарушенного слоя, например, путем абразивной, лазерной или ионно-лучевой обработки, и последующий высокотемпературный (1073 - 1473 K) отжиг в инертной или окислительной атмосферах. Структурно нарушенный слой на нерабочей стороне подложек является геттером для неконтролируемых фоновых примесей и дефектов, очищающим от них объем пластин во время отжига.

Недостаток известного способа [1] - низкая воспроизводимость результатов геттерирования вследствие неоднородности строения нарушенных слоев и значительного разброса по типам и концентрациям дефектов в геттерирующем слое, вводимых механической, лазерной или ионно-лучевой обработками. Кроме того, при реализации способа [1] трудно контролировать толщину нарушенных слоев на нерабочей стороне пластин, что также снижает воспроизводимость по качеству подложек после операции геттерирования.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ обработки кремниевых подложек [2], включающий формирование на нерабочей стороне пластин анодной обработкой в растворе фтористоводородной кислоты слоя пористого кремния, высокотемпературный отжиг в инертной атмосфере, окисление пористого кремния и удаление окисленного пористого кремния. Слой пористого кремния при отжиге в инертной атмосфере служит геттером для фоновых примесей (главным образом металлических), которые, попадая в него, затем после окисления удаляются вместе с окисленным пористым слоем. Преимуществом способа [2] по сравнению с [1] является более высокая степень контролируемости процесса анодной обработки, а следовательно, и более высокая воспроизводимость подложек после геттерирования пористым кремнием по качеству.

Недостаток способа [2] состоит в том, что при его реализации слой пористого кремния формируют на нерабочей стороне пластин и поэтому для повышения эффективности очищения от примесей и дефектов областей, прилегающих к рабочей поверхности, за счет диффузионного "отсасывания" на глубины, соизмеримые с толщиной кристалла, необходимо проводить весьма длительные отжиги при повышенных температурах. Это приводит к появлению новых, более стабильных кристаллографических дефектов, например, дислокаций из-за термоупругих напряжений, т.е. в конечном счете к снижению эффективности геттерирования. Последнее проявляется чаще всего в неоднородности распределения электрофизических свойств вблизи рабочей стороны кремниевых подложек. Кроме того, на всех операциях, используемых в способе [2], начиная с этапа формирования слоя пористого кремния, в процессе последующих термообработок и удаления (чаще всего химического) окисленного слоя пористого кремния происходит ухудшение качества рабочей поверхности, в частности из-за селективного термического или электрохимического образования ямок и бугорков на дефектах в материале подложки.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение однородности распределения электрофизических характеристик кремниевых подложек вблизи их рабочей стороны за счет увеличения эффективности геттерирования и снижения концентрации структурных дефектов и фоновых примесей.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки кремниевых подложек, включающем электрохимическое формирование на одной из сторон подложек слоя пористого кремния, обеспечивающего подвижность примесей и дефектов, обработку подложек и удаление пористого кремния, пористый кремний формируют на рабочей стороне подложек и затем аморфизируют поверхность пористого кремния облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя пористого кремния, а последующее удаление облученного пористого кремния проводят путем химико-динамического полирования в кислотном травителе.

Новым, не обнаруженным при анализе научно-технической и патентной литературы в заявляемом способе является то, что пористый кремний формируют на рабочей стороне подложек и затем аморфизируют поверхность пористого кремния облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя пористого кремния, а последующее удаление облученного пористого кремния проводят путем химико-динамического полирования в кислотном травителе.

Технический результат достигается благодаря тому, что геттерирующий слой пористого кремния формируют анодной обработкой в растворителе фтористоводородной кислоты непосредственно на рабочей стороне пластин, к которой прилегают приповерхностные области материала, предназначенные для создания активных элементов приборов, т.е. областей, в которых за счет геттерирования должна быть существенно снижена концентрация фоновых примесей и дефектов. Непосредственный контакт (а не через толщину пластины как в способах [1, 2]) геттерирующего слоя и очищаемых от примесей и дефектов приповерхностных областей подложек обеспечивает более эффективное геттерирование вследствие малости диффузионного расстояния для неконтролируемых примесей и неравновесных собственных точечных дефектов до слоя пористого кремния. Процесс очистки начинается в момент начала анодных реакций, приводящих к образованию пористого кремния, и сопровождается возникновением механических напряжений и вакансионных потоков, инициирующих и стимулирующих геттерирование. Эффект геттерирования дополнительно усиливается при ионном облучении подложек со стороны пористого кремния за счет роста механических напряжений и концентрации вакансий, обусловливающих диффузию примесей и дефектов к слою геттера, а также вследствие стимулирующего этот процесс действия упругих волн, возникающих при торможении ионов в пористом кремнии. Сами внедряемые ионы не оказывают влияния на физико-химические свойства кремния, поскольку их энергию выбирают такой, чтобы глубина проникновения ионов в пористый кремний не превышала толщину слоя последнего. Наилучший эффект геттерирования при облучении достигается при дозах внедряемых ионов, соответствующих дозе амортизации пористого кремния, т.е. дозе, при которой структура пористого кремния становится нечувствительной к облучению, а механические напряжения и концентрация вакансий, имплантируемых из зоны торможения ионов, перестают зависеть от дозы облучения (выходом на "насыщение"). Последующее химико-динамическое полирование рабочей стороны подложек в кислотных травителях удаляет слой пористого кремния, в котором находятся прогеттерированные примеси, и одновременно улучшает качество поверхности подложек, т.е. уменьшает микрорельеф рабочей стороны. В отличие от способа [2] заявляемый способ не требует высокотемпературных обработок, ухудшающих структуру объема подложек. Однако если по технологическому маршруту изготовления данного типа приборов такие обработки необходимы, то заявляемый способ не ограничивает ни их количество, ни режимы их проведения.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На подложках кремния, прошедших стандартную абразивную и химическую подготовку поверхности, на рабочей стороне путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты по известной методике [2] формируют слой пористого кремния, толщину которого и пористость контролируют режимами анодирования и концентрацией HF в электролите; при необходимости (в случае слаболегированных кристаллов или образцов n-типа проводимости) при анодировании используют дополнительную подсветку реакционной поверхности. После получения слоя пористого кремния известной толщины подложки подвергают облучению ускоренными ионами с рабочей стороны по всей поверхности. При этом тип ионов может быть произвольным, однако энергию их выбирают такой, чтобы максимальный пробег ионов в пористом кремнии не превышал толщину его слоя. Дозу облучения задают равной или превышающей дозу аморфизации пористого кремния. Необходимые энергию ионов и дозу облучения определяют либо расчетным путем (с учетом меньшей плотности пористого материала по сравнению с монокристаллом), либо экспериментально на подложках-спутниках, изготовленных из той же партии, что обрабатываемые пластины. После облучения рабочую сторону подложек полируют для удаления облученного слоя пористого кремния и получения высококачественной поверхности в кислотных растворах, например, в травителях на основе кислот HNO₃-HF-CH₃COOH. Затем подготовленную подложку передают на последующие технологические операции маршрута изготовления дискретных приборов или интегральных схем.

Эффективность заявляемого способа иллюстрируют следующие примеры его реализации и апробации.

Пример 1. Несколько партий подложек (по 10 шт. в каждой) кремния марки КДБ-0,005, ориентации (III), толщиной 350 мкм обрабатывали по способу-прототипу [2] и заявляемому способу.

При обработке по способу-прототипу на нерабочей стороне подложек анодной обработкой в растворе 25%-ной фтористоводородной кислоты формировали слои пористого кремния толщиной 1,3 и 10 мкм. Далее подложки с различной толщиной пористого кремния отжигали в течение 120 мин в потоке осушенного азота при температуре 1270К, а затем окисляли в атмосфере сухого-влажного-сухого кислорода при 1170 К до полного превращения пористого кремния в диоксид кремния, который после этого стравливали в растворе 48%-ной фтористоводородной кислоты.

При обработке по заявляемому способу слои пористого кремния в тех же режимах и условиях анодной обработки формировали на рабочей стороне подложек. Толщина слоев также составляла 1, 3 и 10 мкм. Затем подложки со стороны пористого кремния облучали на ускорителе ИЛУ-3 ионами Ar⁺ с энергиями 40 и 100 кэВ (пробег ионов аргона с такими энергиями в пористом кремнии не превышает 0,2 мкм) дозой 9,9·10¹⁵ ион/см², превышающей дозу амортизации почти на порядок величины. После облучения рабочую сторону подложек подвергали химико-динамическому полированию в травителе состава (об. ч.): HNO³ : HF : CH₃COOH = 40 : 1 : 1 на установке ХДП типа "Колокольчик".

После геттерирующих обработок обоими способами на рабочей стороне подложек четырехзондовым методом измеряли поверхностное электрическое сопротивление с погрешностью не хуже ±3%. Результаты измерений представлены в таблице 1 в виде средних по каждой подложке и по партии однотипных пластин значений и дисперсии величины сопротивления по исследуемой поверхности.

На каждой подложке измерения выполнялись не менее чем в 8-10 точках поверхности.

Из данных табл. 1 видно, что заявляемый способ позволяет существенно снизить как средние значения поверхностного сопротивления, так и разброса этой характеристики по поверхности подложек. Это следует из сопоставления величин, привеленных в поз. 3.2, 3.3, 3.5, 3.6, 3.8, 3.9 с исходными данными (поз. 1) и результатами, полученными на подложках, обработанных по способу-прототипу (поз. 2, 2.1, 2.2, 2.3). Из табл. 1 видно также, что формирование пористого кремния на рабочей стороне, т.е. по заявляемому способу, приводит к улучшению электрофизических параметров (за счет инжекции вакансий во время формирования пористого кремния) даже без облучения (поз. 3.1, 3.4, 3.7). Облучение же существенно усиливает эффект геттерирования.

Пример 2. На подложках, прошедших обработку в режимах, указанных в примере 1, окислением в потоке влажного кислорода при T=1420K выращивали слой диоксида кремния толщиной 0,18 - 0,20 мкм. Далее после обработки пластин в селективном травителе Сиртла на микроскопе Neofot-30 анализировали картину селективного травления рабочей стороны подложек и оценивали плотность кластеров и окислительных дефектов упаковки. Расчеты средних значений и дисперсии по поверхности плотности дефектов упаковки проводили по 10 - 15 полям зрения микроскопа. Полученные данные представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что заявляемый способ обеспечивает более эффективное геттерирование исходных дефектов в подложках, являющихся центрами зарождения окислительных дефектов упаковки, чем известный способ-прототип.

Таким образом, технический результат - повышение однородности (т.е. снижение дисперсии по рабочей поверхности) электрофизических характеристик кремниевых подложек за счет увеличения эффективности геттерирования и снижения концентрации структурных дефектов и фоновых примесей при реализации заявляемого способа - достигается.

Литература 1. Современные методы геттерирования в технологии полупроводниковой электроники/ В. А. Лабунов, И. Л. Баранов, В. П. Бондаренко, А.М.Дорофеев/ /Зарубежная электронная техника, 1983, N 11, с. 3-66.

2. Пористый кремний в полупроводниковой электронике /В.А.Лабунов, В.П. Бондаренко, В.Е.Борисенко/ /Зарубежная электронная техника/, 1978, N 15, с. 3-48.

Формула изобретения

Способ обработки кремниевых подложек, включающий электрохимическое формирование на одной из сторон подложек слоя пористого кремния, обеспечивающего подвижность примесей и дефектов, обработку подложек и удаление пористого кремния, отличающийся тем, что пористый кремний формируют на рабочей стороне подложек и затем аморфизируют поверхность пористого кремния облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя пористого кремния, а последующее удаление облученного пористого кремния проводят путем химико-динамического полирования в кислотном травителе.

РИСУНКИ

Рисунок 1