Способ подготовки поверхности пластин кремния

 

Использование: изготовление подложек из монокристаллического кремния для создания на них дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем в микроэлектронике. Сущность изобретения: при изготовлении подложек монокристаллического кремния по известной технологии, включающей резку слитка на пластины, химическое травление и химико-механическое полирование, на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2:5 раз превышающей глубину нарушенного слоя от химико-технического полирования, а последующее химико-динамическое полирование проводят в растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5:2 раза большую толщины слоя пористого кремния. Технический результат - снижение плотности дефектов и примесей в приповерхностных слоях подложек кремния и повышение процента выхода годных. 1 ил., 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронной технике и может быть использовано в технологии обработки подложек из кремния для создания на них дискретных приборов и интегральных микросхем.

Известен способ подготовки поверхности пластин кремния, включающий резку слитка на пластины, шлифование и полирование поверхности связанным и свободным абразивом, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны подложек, на которой в результате последующих технологических операций формируются активные области приборов [1] Недостатки этого способа в том, что, во-первых, при его реализации вблизи рабочей стороны пластин образуются структурные нарушения типа кластеров собственных точечных дефектов и примесей; во-вторых, сохраняется присущая слиточному материалу высокая концентрация фоновых примесей, содержание которых может повышаться из-за взаимодействия с технологическими средами и в процессе механической обработки поверхности, и, в-третьих, из-за большого количества операций механической и химической обработок он является низко производительным.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ подготовки поверхности пластин кремния, включающий резку слитка на пластины, химическое травление нарушенного резкой слоя, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин [2] Отсутствие в способе [2] операций абразивного шлифования и полирования повышает производительность обработки подложек, а также благодаря этому снижает вероятность введения новых (дополнительных к ростовым) дефектов в материал, предотвращает процессы хрупкого микро- м макроразрушения пластин (в способе [1] чаще всего это происходит на этапе шлифования поверхности после резки), т.е. увеличивает процент выхода годных пластин по сравнению с [1] Недостаток способа [2] принятого за прототип к заявляемому, в том, что он не позволяет снизить концентрацию дефектов-кластеров и фоновых примесей вблизи рабочей стороны пластин. Образование примесно-дефектных кластеров наиболее интенсивно происходит при химико-механическом полировании (ХМП) поверхности вследствие взаимодействия собственных точечных дефектов кремния, возникающих в зоне обработки, между собой и атомами легирующих и фоновых (например, углерод) примесей. Из-за высокой подвижности вакансий и собственных междоузельных атомов кремния глубина слоя с кластерами в несколько раз превышает толщину структурно разупорядоченного (аморфизированного) приповерхностного слоя, который обычно удаляют при последующем химико-динамическом полировании (ХДП). Наличие кластеров и примесей вблизи рабочей стороны кремниевых пластин приводит к появлению структурных нарушений в создаваемых на следующих операциях эпитаксиальных, диэлектрических и металлических пленках, что оказывает негативное влияние на электрические и функциональные свойства формируемых приборов.

Технический результат снижение концентрации дефектов и примесей вблизи рабочей стороны пластин кремния.

Поставленная задача достигается тем, что в способе подготовки поверхности пластин кремния, включающем резку слитка на пластины, химическое травление нарушенного резкой слоя, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин, после химико-механического полирования на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2-5 раз превышающей глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя, а последующее химико-динамическое полирование проводят в водном растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5-2 раза большую толщины слоя пористого кремния.

Новой, не обнаруженной при анализе патентной и научно-технической литературы совокупностью признаков в заявляемом способе является то, что после химико-механического полирования на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2-5 раза превышающей глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя, а последующее химико-динамическое полирование проводят в водном растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5-2 раза большую толщины слоя пористого кремния. Последовательная реализация указанных признаков является существенной для достижения поставленной задачи изобретения снижения концентрации дефектов и примесей вблизи рабочей стороны пластин кремния.

Технический результат при использовании заявляемого способа достигается благодаря тому, что сформированный анодной обработкой в растворе фтористоводородной слой кислоты пористого кремния, имеющий толщину, в 2-5 раз превышающую глубину нарушенного при ХМП слоя, аккумулирует в себе удаляемые затем при ХДП дефекты (аморфизированную зону и примесно-дефектные кластеры) от полирования, не внося новых структурных нарушений в материал. Кроме того, в процессе формирования пористого кремния и последующего его стравливания в растворах КОН или NaOH (которое проводится при температуре 40-80^oC), а также дополировывания поверхности монокристаллического кремния таким образом, чтобы общий съем материала составлял слой, в 1,5-2 раза больший толщины пористого кремния, обеспечивают в совокупности эффективное снижение вблизи рабочей стороны подложек концентраций простейших точечных дефектов, включая фоновые примеси (геттерирование слоем пористого кремния) и кластеров. Одновременно при этом вследствие малых (приблизительно 1-2 мкм/мин) скоростей травления в КОН или NaOH формируется высококачественная рабочая поверхность подложек.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. После резки слитка на пластины с заданной кристаллографической ориентацией, очистки и отмывки поверхности проводят ХМП в суспензиях аэросила, двуокиси циркония или цеолита рабочей стороны. После отмывки пластины размещают в электролитической ячейке с электролитом на основе 10-48%-ного раствора фтористоводородной кислоты. Пластины кремния служат анодом, а катодом пластины из платины. Через ячейку пропускают постоянный электрический ток плотностью 10-20 мА/см² и формируют на рабочей стороне подложек слой пористого кремния толщиной, в 2-5 раза превышающий глубину нарушенного при ХМП слоя. Толщину структурно нарушенного слоя для данных режимов и условия обработки (тип суспензии, режимы полирования и т.п.), а также данного типа материала (марки кремния) определяют предварительно экспериментально любым из известных методов (электронная микроскопия, металлография, рентгеноструктурный анализ и т.д.) или используют результаты опубликованных исследований [2] Затем пластину с рабочей стороны подвергают химико-динамическому полированию в подогретом до 40-80^oC растворе КОН или NaOH с концентрацией 40-60% используя для этого устройства типа "Колокольчик", "Конус" или их аналоги [2] При ХДП наряду с удалением слоя пористого кремния осуществляют и суперфинишное полирование монокристаллической подложки. Общая толщина удаляемого слоя должна в 1,5-2 раза превышать толщину слоя пористого кремния. После полирования, отмывки и сушки поверхности пластины передают на следующие технологические операции формирования активных областей приборов или интегральных микросхем.

Необходимые для реализации заявляемого способа толщины слоев пористого кремния и удаляемого затем динамическим полированием материала были определены авторами экспериментально на подложках кремния марок КДБ-0,005, КДБ-12, КДА-0,06 и КЭС-0,01. Подложки готовили по технологии способа [2] после резки слитков на станке "Алмаз-4" или 24.05 на пластины с ориентацией поверхности [111] или [001] их подвергали двухстороннему ХДП в травителе состава HNO₃(70% ): HF(49% ):CH₃COOH(лед) 5:1:1 на глубину 355 мкм. Далее на станке В1М3.105.000 пластины с рабочей стороны химико-механически полировали суспензиями аэросила или двуокиси циркония со съемом слоя толщиной 61 мкм. После этого электронографически, по рентгеновским топограммам, на рентгеновском трехкристалльном спектрометре и селективным травлением в хромовом травителе определяли толщину структурно нарушенного слоя, а также глубину, на которой сосредоточены примесно-дефектные кластеры, возникающие при ХМП. Установлено, что на образцах, полированных суспензией аэросила, толщина аморфизированного слоя составляет 1,5-2,2 мкм, а толщина области с кластерами 3-7 мкм. На пластинах, полированных суспензией двуокиси циркония, эти толщины, соответственно, равны 0,1-0,4 мкм и 8-5 мкм. С учетом этих данных на последующем этапе анодной обработки в 30%-ной HF формировали слои пористого кремния различной толщины на рабочей после ХМП стороне пластин. Толщины слоев варьировали от 1 до 25 мкм. Затем пористый кремний динамически сполировывали в 40-60%-ных растворах КОН или NaOH на различную глубину при температуре 60-89^oС. Качество поверхности, степень дефектности и примесный состав приповерхностных слоев вблизи рабочей стороны пластин определяли методами оптической микроскопии, по картинам селективного травления, на рентгеновском трехкристалльном спектрометре и с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) на установке MIQ-256.

Результаты выполненных экспериментов показали следующее.

1. При толщинах слоев пористого кремния, сравнимых или меньших глубины нарушенного ХМП слоя, после ХДП сохраняется высокая концентрация примесно-дефектных кластеров вблизи рабочей стороны кремниевых пластин. Оптимальной толщиной слоя пористого кремния является величина из интервала толщин, в 2-5 раза превышающих глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя. Причем большую толщину пористого кремния (в 5 раз по сравнению с глубиной дефектного слоя) следует использовать в случае материалов с высоким исходным уровнем легирования. Дальнейшее увеличение толщины пористого кремния не целесообразно из-за снижения производительности способа подготовки подложек.

2. Оптимальная толщина слоя, сполировываемого при ХДП, должна быть в 1,5-5 раз больше толщины слоя пористого кремния, поскольку при меньших толщинах не удается получить качественную поверхность подложек при полировании в растворах КОН или NaOH с концентрациями компонентов до 60% и температуре 60-80^oC, а увеличение толщины более чем в 2 раза не оказывает уже влияния на качество поверхности. Кроме того, именно для указанного интервала толщин по масс-спектрам вторичных ионов зафиксирован наибольший эффект геттерирования фоновых примесей (углерод, медь, натрий, калий, кальций, хром, железо) слоем пористого кремния в процессе выращивания и сполировывания последнего.

Позитивные возможности заявляемого способа иллюстрируют следующие примеры его практической апробации.

Пример 1. Слиток кремния марки КДБ-0,005 разрезали на пластины с ориентацией поверхности [111] часть из которых затем обрабатывали по способу-прототипу [2] глубокое двухстороннее ХДП, химико-механическое полирование суспензией аэросила и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин в растворе HNO₃:HF:CH₃COOH 40:1:1. Другую партию пластин обрабатывали по заявляемому способу: после ХМР на рабочей стороне анодной обработкой в 30%-ном растворе HF выращивали слои пористого кремния различной толщины, который затем сполировывали в КОН (60%) при 60^oC на различную глубину. На подготовленных обоими способами пластинах затем методом ВИМС исследовали примесный состав кремния вблизи рабочей стороны, а также плотность примесно-дефектных кластеров, выявляемых селективным травлением в хромовом травителе.

Полученные результаты представлены в табл. 1 и на чертеже. В табл. 1 приведены значения средней по поверхности и дисперсия плотности ямок травления соответствующих кластерам дефектов в зависимости от толщины слоя пористого кремния при постоянной глубине химико-динамически сполированного в КОН слоя, равной 15 мкм. На чертеже показано изменение концентраций, наиболее важных с точки зрения негативного влияния на свойства приборов фоновых примесей в зависимости от толщины слоя, снимаемого при химико-динамическом полировании, и при постоянном значении толщины пористого кремния, равной 30 мкм.

Как видно из представленных данных табл. 1, резкое снижение плотности кластеров наблюдается в случае, когда толщина слоя пористого кремния (ПК) на рабочей стороне составляет 15 мкм, т.е. удвоенное значение, глубины нарушенного после ХМП слоя (приблизительно 7 мкм) (см. выше). С дальнейшим увеличением толщины ПК снижение плотности кластеров, достигая минимума, практически не изменяется. Зависимости концентраций фоновых примесей также достигают минимума и стабилизируют свои значения при съеме материала в процессе ХДП, начиная с толщин 7-10 мкм, и наиболее четко проявляются при толщинах 15-30 мкм (см. фиг. 1). Снижение концентрации кластеров и примесей в приповерхностных слоях кремниевых подложек обусловливает и уменьшение дефектов в материале на последующих технологических операциях. Об этом свидетельствуют данные, приводимые в следующем примере.

Пример 2. На пластинах кремния марки КДБ-12 (001), подготовленных по способу-прототипу (см. выше) и по заявляемому способу: химико-механическое полирование суспензией двуокиси циркония, формирование пористого кремния толщиной 6 и 25 мкм (взяты значения, соответствующие границам толщин пористого кремния по заявляемому способу при глубине нарушенного ХМП слоя, равной 3-5 мкм) и суперфинишное полирование в NaOH (60%) при 65^oC на глубину, соответственно, 12 и 37-38 мкм. Далее пластины обеих партий (12 шт. в каждой) отжигали в течение 1 часа в потоке влажного кислорода при температуре 1420 К. После этого селективным травлением выявляли окислительные дефекты упаковки (ОДУ) вблизи рабочей стороны пластин, плотность которых и дисперсию по поверхности определяли на металлографическом микроскопе МИМ-7.

Полученные результаты приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, заявляемый способ позволяет существенно снизить среднее значение и разброс по поверхности плотности ОДУ благодаря геттерированию примесей и дефектов слоем пористого кремния, а также реализации условий химико-динамического суперфинишного полирования в растворах КОН или NaOH. Снижение плотности окислительных дефектов упаковки, а также концентрации фоновых примесей и, прежде всего, атомов щелочных металлов (фиг. 1) при использовании заявляемого способа обеспечивает повышение выхода годных полупроводниковых структур, изготавливаемых как по КМОП-, так и биполярной технологии.

Таким образом, как показывают результаты практической апробации, применение заявляемого способа обеспечивает достижение поставленной цели изобретения.

Формула изобретения

Способ подготовки поверхности пластин кремния, включающий резку слитка на пластины, химическое травление нарушенного резкой слоя, химико-механическое и химико-динамическое полирование рабочей стороны пластин, отличающийся тем, что после химико-механического полирования на рабочей стороне пластин путем анодной обработки в растворе фтористо-водородной кислоты формируют слой пористого кремния толщиной, в 2 5 раз превышающей глубину нарушенного химико-механическим полированием слоя, а последующее химико-динамическое полирование проводят в водном растворе гидроксида калия или натрия на глубину, в 1,5 2 раза большую толщины слоя пористого кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2