Способ обработки кремниевых подложек

 

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов и может быть использовано для изготовления пластин-подложек из монокристаллического кремния, предназначенных для создания дискретных приборов и интегральных микросхем. Техническим результатом заявляемого способа является повышение структурного совершенства кремниевых подложек за счет увеличения эффективности геттерирования и снижения в них концентрации ростовых и технологических микродефектов. В способе обработки кремниевых подложек, включающем электрохимическое формирование слоя пористого кремния, облучение его ионами и последующее удаление этого слоя, перед ионным облучением подложки упруго деформируют изгибом так, чтобы их рабочая сторона была вогнутой, а последующее ионное облучение и удаление пористого кремния осуществляют одновременно путем ионно-плазменного травления. 1 табл.

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

Известен способ [1] обработки кремниевых подложек, снижающий содержание в них фоновых примесей (главным образом, атомов металлов), ухудшающих электрофизические свойства кремния, который включает в себя формирование на нерабочей стороне (т.е. на стороне, где впоследствии не будут создаваться активные области приборов) пластин электрохимической обработкой в растворе фтористо-водородной 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 нежелательных примесей, которые, попадая в него, затем после окисления удаляются вместе с окисленным пористым кремнием.

Недостаток способа [1] в том, что при его реализации слой пористого кремния формируют на нерабочей стороне подложек и поэтому для повышения эффективности очистки от примесей областей, прилегающих к рабочей стороне, необходимо проводить длительные отжиги при повышенных температурах. Это приводит к образованию новых, термодинамически более стабильных кристаллографических дефектов типа дислокаций, дислокационных петель и частиц второй фазы. Кроме того, при обработке по способу [1] не удается существенно снизить концентрацию ростовых и технологических микродефектов (кластеров собственных точечных дефектов кремния и примесей) вблизи рабочей стороны подложек, которые также негативно влияют на электрофизические характеристики материала и приборов, изготавливаемых на его основе.

Наиболее близким техническим решением является способ обработки кремниевых подложек [2], включающий электрохимическое формирование на рабочей стороне подложек слоя пористого кремния, аморфизацию поверхности пористого кремния облучением ионами с энергией, при которой глубина проникновения ионов не превышает толщину слоя пористого кремния, и последующее удаление облученного пористого кремния путем химико-динамического полирования в кислотном травителе. Благодаря непосредственному контакту (а не через толщину пластины, как в способе [1] ) геттерирующего слоя пористого кремния и подложки в способе [2] достигается большая эффективность очистки от фоновых примесей и микродефектов приповерхностных областей подложек по сравнению со способом [1]. Кроме того, способ [2] не требует высокотемпературных обработок, сопровождающихся неконтролируемым повышением дефектности подложек.

Недостаток способа [2] в том, что при его реализации в кремниевых подложках преимущественно растворяются микродефекты без примесных (коттрелловских) атмосфер, поскольку концентрации неравновесных собственных точечных дефектов (главным образом вакансий), генерируемых ионами, оказывается недостаточно для рассасывания атмосфер даже при дозах облучения порядка критической дозы аморфизации кремния. Значительная часть точечных дефектов поглощается нарушениями структуры пористого кремния и не достигает подложки. Поэтому способ [2] имеет ограниченный ресурс по концентрации растворяемых микродефектов на уровне (0,5 - 1,0)•10⁴ см^-2 с дисперсией по поверхности до 2•10² см^-2. Такие подложки не удовлетворяют требованиям по степени остаточной дефектности, необходимым для создания современных приборов с субмикронными топологическими размерами элементов, например, на структурах "кремний на изоляторе" (КНИ).

Техническим результатом заявляемого способа является повышение структурного совершенства кремниевых подложек за счет увеличения эффективности геттерирования и снижения в них концентрации ростовых и технологических микродефектов.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки кремниевых подложек, включающем электрохимическое формирование на рабочей стороне подложек слоя пористого кремния, облучение его ионами и последующее удаление этого слоя, перед ионным облучением подложки упруго деформируют изгибом так, чтобы их рабочая сторона была вогнутой, а последующее ионное облучение и удаление пористого кремния осуществляют одновременно путем ионно-плазменного травления.

Новым, не обнаруженным при анализе научно-технической и патентной литературы, в заявляемом способе является то, что перед ионным облучением подложки упруго деформируют изгибом так, чтобы их рабочая сторона была вогнутой, а последующее ионное облучение и удаление пористого кремния осуществляют одновременно путем ионно-плазменного травления.

Технический результат достигается благодаря тому, что одновременное облучение ионами и удаление слоя пористого кремния при ионно-плазменном травлении сопровождается генерацией неравновесных собственных точечных дефектов и упругих волн, взаимодействие которых с микродефектами в подложке приводит к растворению последних. При этом в отличие от процессов при реализации способа [2], где точечные дефекты частично поглощаются нарушениями структуры слоя пористого кремния и не достигают подложки, в заявляемом способе потоки таких дефектов усиливаются по мере ионного стравливания пористого кремния. Упругий изгиб подложек вогнутостью с рабочей стороны во время ионного травления дополнительно усиливает вакансионные потоки, ответственные за растворение микродефектов, в том числе и окруженных примесными атмосферами, поскольку они эффективно рассасываются по диффузионно-дрейфовому механизму при пересыщении кристалла вакансиями.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На подложках кремния, прошедших стандартную абразивную и химическую подготовку поверхности, на рабочей стороне, путем электрохимической обработки в водном или водно-спиртовом растворе фтористо-водородной кислоты формируют слой пористого кремния, толщину которого контролируют либо по режимам анодной обработки, либо эллипсометрическими измерениями или любым другим известным методом [1]. Затем структуру с пористым кремнием упруго деформируют изгибом таким образом, чтобы рабочая сторона стала вогнутой. Деформирование осуществляют любым из известных способов: осесимметричным изгибом в устройствах типа пуансон - матрица; трех- или четырехточечным изгибом; нанесением на нерабочую сторону подложек пленок из материалов с механическими свойствами и коэффициентами термического расширения, отличными от аналогичных параметров кремния; неравноценной по степени дефектности и различной по толщине нарушенных слоев обработкой поверхности нерабочей стороны пластин (механический геттер) и т. д. Величину упругой деформации контролируют по стреле прогиба или путем измерений на рентгеновском дифрактометре. При групповой обработке однотипных подложек деформацию достаточно определить на пластинах-спутниках и затем на них же контролировать параметры подложек после ионно-плазменного травления. Деформированные пластины затем подвергают ионно-плазменному травлению с рабочей стороны до полного удаления слоя пористого кремния. Такую обработку проводят, например, в плазме аргона с энергией ионов до 1 кэВ при стандартных технологических режимах [3] . После снятия деформации и контроля параметров подложек, прежде всего качества поверхности рабочей стороны, их передают на следующие операции технологического маршрута изготовления приборов.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Две партии подложек (по 14 шт. в каждой) кремния марки КДБ - 0,005 (111) толщиной 350 мкм обрабатывали по способу-прототипу [2] и заявляемому способу. На всех пластинах на рабочей стороне после химико-динамического полирования анодной обработкой в растворе 25%-ной фтористо-водородной кислоты формировали слой пористого кремния толщиной 10±1 мкм. При обработке по способу-прототипу подложки со стороны пористого кремния облучали на ускорителе ИЛУ-3 ионами аргона с энергией 40 кэВ дозой 1•10¹⁶ ион/см, а затем пористый кремний химико-динамически удаляли в травителе состава HNO₃: HF: CH₃COOH = 40:1:1 (об. части).

Подложки, обрабатывавшиеся по заявляемому способу, после анодной обработки деформировали осесимметричным изгибом в устройстве, состоящем из пуансона и матрицы, позволявшем варьировать не только величину прогиба подложек, но и знак деформации рабочей стороны (вогнутость или выпуклость). Прогиб контролировался многооборотным индикатором типа МИГ - 1. Деформированные структуры обрабатывали со стороны пористого кремния до полного его стравливания в плазме аргона с энергией ионов 0,2 кэВ при плотности мощности в разряде 4,5 Вт/см². Температура образцов во время обработки не превышала 40^oC. Скорость травления составляла 0,45 мкм/мин.

Микродефектность подложек, обработанных по способу [2] и заявляемому способу, исследовали методом селективного травления в растворе Сиртла. По картинам травления на микроскопе Neophot-32 определяли среднюю по 15 полям зрения плотность микродефектов и дисперсию по поверхности образцов на глубинах 2 и 10 мкм от поверхности (от границы раздела пористый - монокристаллический кремний). Результаты измерений представлены в таблице.

Как видно из таблицы, заявляемый способ позволяет более чем на порядок величины уменьшить как среднее значение плотности микродефектов, так и дисперсию их по поверхности. Причем наибольший эффект достигается в случае, когда ионно-плазменному травлению подвергается вогнутая сторона подложек с пористым кремнием.

Таким образом, технический результат - повышение структурного совершенства кремниевых подложек за счет увеличения эффективности геттерирования и снижения в них концентрации ростовых и технологических микродефектов - при реализации заявляемого способа достигается.

Литература 1. Пористый кремний в полупроводниковой электронике / В.А. Лабунов, В.П. Бондаренко, В.Е. Борисенко // Зарубежная электронная техника, 1978, N 15, с. 3-48.

2. Способ обработки кремниевых подложек / В.Д. Скупов, В.А. Перевощиков, В. Г. Шенгуров. // Патент Российской Федерации, N 2120682, опубл. 20.10.98. Бюл. N 29.

3. Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.Н. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур. М.: Радио и связь, 1983, 128 с.

Формула изобретения

Способ обработки кремниевых подложек, включающий электрохимическое формирование на рабочей стороне подложек слоя пористого кремния, облучение его ионами и последующее удаление этого слоя, отличающийся тем, что перед ионным облучением подложки упруго деформируют изгибом так, чтобы их рабочая сторона была вогнутой, а последующее ионное облучение и удаление пористого кремния осуществляют одновременно путем ионно-плазменного травления.

РИСУНКИ

Рисунок 1