Способ управления процессом получения полупроводниковой структуры

 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при проведении различных процессов отрасли. Технический результат - упрощение способа и обеспечение универсальности его применения. Способ предусматривает микротехнологическую обработку поверхности подложки в режиме, устанавливаемом по результатам предварительного определения сорбционного взаимодействия физико-химического фактора с поверхностью подложки. В качестве подложки используют карбид кремния, микротехнологической обработке подвергают поверхность базовой грани {0001} подложки, которую устанавливают по соотношению значений краевых углов смачивания дистиллированной водой Si- и С-поверхностей базовой грани карбида кремния, очищенных с помощью HF и/или обработанных расплавом КОН, при этом о Si-поверхности судят по большему значению, а о С-поверхности - по меньшему значению краевого угла смачивания. 1 табл.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при проведении различных процессов отрасли: нанесения слоев полупроводника или твердого тела, травления, модификации микроэлектронных структур.

При проведении процессов микроэлектроники управление осуществляют по критерию воспроизведением требуемых структурных характеристик и стехиометрического соотношения компонентов производят: а) предварительным нанесением на подложку затравочного органического ориентирующего слоя (US 5176786, С 30 В 23/00, 1993); б) установлением режима обработки при парциальном давлении паров по меньшей мере одного из исходных материалов обратно пропорционально концентрации этого материала в растущем монокристалле (РСТ 94/12698, С 30 В 23/00, 29/48); в) регулированием соотношения количества атомов в потоке осаждаемых компонентов из расчета требуемой концентрации носителей в эпитаксиальном слое (JP 5-10317, С 30 В 25/02, 25/16, 1993); г) поддержанием избытка полупроводникового материала в молекулярном пучке, направляемом на подложку (US 5273617, С 30 В 23/02, 1993).

Однако данные аналоги обладают низкой надежностью воспроизведения требуемых структурных характеристик и стехиометрического соотношения компонентов в целевом продукте.

Наиболее близким к заявляемому является способ управления процессом получения полупроводниковой структуры по критерию структурного упорядочения кристаллической решетки осаждаемого слоя, предусматривающий микротехнологическую обработку поверхности подложки в режиме, устанавливаемом по результатам предварительного определения сорбционного взаимодействия физико-химического фактора с поверхностью подложки. В качестве физико-химического фактора на подложку воздействуют корпускулярным потоком каждого наносимого компонента, а о результатах сорбционного взаимодействия для принятия решения о значении управляющего микротехнологического воздействия судят по энергии десорбции корпускулярного потока с поверхности подложки (RU 2132583, Н 01 L 21/203, 1999).

Однако данный способ сложен и не обладает универсальностью, поскольку его сфера применения ограничена лишь управлением процессами, предусматривающими осаждение полупроводника на подложку из двухкомпонентной смеси.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа и обеспечение универсальности его применения для управления различными процессами микротехнологии.

Указанная цель достигается тем, что в способ управления процессом получения полупроводниковой структуры, предусматривающий микротехнологическую обработку поверхности подложки в режиме, устанавливаемом по результатам предварительного определения сорбционного взаимодействия физико-химического фактора с поверхностью подложки, вносятся следующие изменения: 1) в качестве подложки используют карбид кремния (SiC); 2) в качестве физико-химического фактора поверхности подложки смачивают дистиллированной водой; 3) микротехнологической обработке подвергают поверхность базовой грани { 0001} подложки; 4) поверхность базовой грани для микротехнологической обработки определяют по соотношению значений краевых углов смачивания дистиллированной водой Si- и С-поверхностей базовой SiC, очищенных с помощью HF и/или обработанных расплавом КОН, при этом о Si-поверхности судят по большему значению, а о С-поверхности - по меньшему значению краевого угла смачивания.

Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом заключается в следующем.

Как полупроводник, карбид кремния обладает уникальным сочетанием свойств для приборных применений. С одной стороны, это высокие значения ширины запрещенной зоны, температуры Дебая, теплопроводности, напряженности поля лавинного пробоя, насыщенной скорости дрейфа электронов. С другой стороны, это высокая растворимость донорных и акцепторных примесей, стехиометрическая однородность и способность к окислению с образованием на поверхности диэлектрической пленки двуокиси кремния [Иванов П.А., Челноков В.Е. Полупроводниковый карбид кремния - технология и приборы //ФТП, 1995, т. 29, вып. 11, с. 1921-1943] . Однако такие достоинства карбида кремния, как устойчивость к химическому и термическому воздействию, высокая твердость, близкая к твердости алмаза и наряду с этим высокая температура выращивания SiC, а также активность кристаллизационной среды при высоких температурах синтеза в отношении вхождения неконтролируемых примесей, затрудняют реализацию процессов управляемого выращивания и микрообработки материала, что, как отмечено в (Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Карбид кремния - материал экстремальной электроники // Петербургский журнал электроники, 1996, вып. 3, с. 53-78), длительное время отрицательно сказывается на развитии карбидкремниевых приборных направлений.

В соответствии с тенденциями развития микроэлектронных технологий в предлагаемом способе используют представляющую наибольший практический интерес базисную полярную грань {0001}. Полярность этой грани оказывает существенное влияние на процессы сублимационного роста, жидкостного травления, окисления и растворимости примесей при росте кристаллов SiC. Полярные направления влияют на устойчивость роста монокристаллов (Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков - Москва, "Металлургия", 1988), а также на растворимость примесей при росте кристалла (Чупрунов Е.В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М.А. Кристаллография: учебник для вузов. - М.: Изд-во физ. -мат. л-ры, 2000, с. 461-468). Кроме того, как видно из приводимых ниже примеров, скорости химического травления, окисления и сублимационного роста на углеродной грани { 0001} С больше, чем на грани {0001}Si. Это связано, по-видимому, с меньшей свободной поверхностной энергией С-грани. Поэтому для обеспечения управляемости процессом необходимо определять полярность подлежащей обработке поверхности базовой грани SiC. Именно эта операция оставалась узким местом микроэлектронных технологий, связанных с использованием SiC.

В известных технических решениях данную операцию выполняют следующим образом: 1) химическим травлением с помощью расплава КОН с последующим оптическим визуальным контролем под микроскопом, при котором Si-поверхность идентифицируют по наличию гексагональных ямок травления, тогда как С-поверхность после травления остается гладкой (Карклина М.И., Саидбеков Д.Т. Травление карбида кремния //Известия АН СССР, сер. Неорганические материалы, т. 8, N 2, 1972, с. 378-380);
2) Оже-спектроскопией в глубоком вакууме поверхности, предварительно подвергнутой ионному травлению, с последующей идентификацией Si- и С-поверхностей по интенсивности кремниевого и углеродного пиков Оже-электронов (Ильин В.А. и др. Экспериментальные методы исследований //СПбГЭТУ, 1998);
Однако оптический контроль требует достаточно глубокой химической обработки, что часто приводит к разрушению поверхности контролируемого образца, а анализ с помощью Оже-спектроскопии требует дорогостоящего оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала. В предлагаемом же техническом решении указанные недостатки устранены, поскольку операцию контроля поверхности базовой {0001}грани SiC производят простейшим приемом (смачивания поверхностей данной грани с последующим определением краевого угла смачивания), причем, как пояснено примерами, чувствительность контроля допускает мягкую химическую обработку исследуемой поверхности SiC. Режим обработки в формуле изобретения не указан, поскольку в жестких условиях данная операция тем более осуществима.

Таким образом, предлагаемый способ основан на впервые установленной авторами неизвестной ранее корреляционной связи краевого угла смачивания поверхности базовой {0001}грани SiC с ее полярностью, что, как видно из приведенных примеров, важно для прогнозирования морфологических, электрофизических и оптических свойств, а также геометрических параметров микроэлектронных структур.

Краевой угол смачивания , характеризующий степень смачивания поверхности, определяют как угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз (твердая поверхность -жидкость - воздух). Его угол измеряют в сторону жидкости.

В таблице приведены результаты определения полярности поверхности базовой {0001}грани SiC.

Операция определения полярности поверхности базовой грани поясняется примером 1, а возможное использование результатов - примерами 2-5.

ПРИМЕР 1. Идентификацию граней кристаллов карбида кремния проводят в сравнительных испытаниях с референс-методом Оже-спектроскопии (на части испытуемых поверхностей) на 22-х образцах (см. таблицу), отполированных пастой, содержащей абразивный компонент. Значения краевых углов _Si и _C смачивания дистиллированной водой (удельное сопротивление 18 МОмсм) Si- и С-поверхностей базовой {0001}грани соответственно определяют для каждой грани в 4-9-кратной повторности. С целью повышения статистической достоверности, для двух образцов ( 1 и 10) измерения проводят по 23 раза.

После каждого измерения (с двух сторон) кристаллы подвергают очистке кипячением в растворе состава Н₂О:НСl:Н₂O₂ (объем, соотношение 2:1:1 соответственно) в течение 20 минут с последующей тщательной промывкой в деионизованной воде и просушкой с помощью сжатого воздуха.

Как видно из таблицы, обработки шлифованием недостаточно для идентификации полярности грани, в том числе с применением статистического анализа. Это видно как из прямого анализа результатов, так и из значений указанного в таблице статистического Т-критерия Стьюдента. Поэтому исследуемые поверхности восьми кристаллов (NN Нв 15+22) далее очищают от окислов с помощью плавиковой кислоты (HF), после чего определяют значения краевых углов смачивания _Si и _C как описано выше в 4+8-кратной повторности. Как видно из таблицы, значения _Si и _C существенно возросли (_Si= 56,5+60,8; _C= 54,1+57,8), причем попарное сравнение результатов свидетельствует о том, что для каждого кристалла имеет место соотношение _Si>_C, что и позволяет в предлагаемом способе идентифицировать заряд исследуемой поверхности SiC. Поскольку в данном примере получен 100%-ный результат, оценка статистической достоверности дается на основании критерия Стьюдента в модификации Ван-дер-Вардена, а именно:
p=[(N+l)/N+2)]100%, (1)
где р - статистическая достоверность;
N - число наблюдений.

Согласно формуле (1), для данного варианта р=[(8+1)/(8+2)]100=90%.

Далее 21 образец, в том числе образцы 1-14 (14 шт.), не обработанные HF, а также образцы 15-21 (7 шт.), обработанные HF, подвергают мягкой обработке расплавом КОН в режиме, не допускающем образования ямок травления глубиной более 1 мкм. Этого достигают экспозицией образцов в расплаве КОН в течение 5+10 мин при температуре 350+400^oС. Как видно из таблицы, при парном сравнении для всех образцов _SiC, особенно у не обработанных HF, где разность _Si-_C = 938. У обработанных HF образцов _Si-_C = 14. Достоверность различий - более 95%.

ПРИМЕР 2. На Si- и С-поверхности базовой грани {0001} образцов 15 и 16, обработанных HF, наносят алюминиевую маску толщиной 1 мкм с помощью электронно-лучевого распыления. Затем образцы помещают в расплав КОН при температуре 450^oС на 30 мин, после чего контролируют глубину травления микроскопированием по глубине резкости. В данном примере глубина травления С-грани составляет 8 мкм, а Si-грани - 3,5 мкм, что в 2,3 раза меньше (здесь и ниже приводятся средние значения технических характеристик), что учитывают далее при управлении процессом получения меза-структур требуемой глубины для гальванического разделения диодных и транзисторных элементов.

ПРИМЕР 3. На Si-поверхности образцов 11 и 12 и С-поверхности образцов 13 и 14 методом сублимации при 2200^oС в атмосфере аргона эпитаксиально выращивают слой карбида кремния толщиной 8 мкм, легированный скандием для активации люминесценции. Эпитаксиальные слои на Si-поверхностях в зеленом спектре 2,2 эВ обладают интенсивностью люминесценции, в 4 раза превышающей таковую для С-поверхности. Различие интенсивностей люминесценции объясняется различной концентрацией доноров (N) и акцепторов (Sc), поскольку основную роль в обеспечении высокой интенсивности люминесценции играет азот - примесь, содержащаяся в используемом инертном газе. На углеродной грани растворимость азота в SiC в десятки раз больше, чем на кремниевой, что учитывают далее при организации управления процессом эпитаксии при получении полупроводниковой структуры, используемой в силовой электронике.

ПРИМЕР 4. Si- и С-поверхности базовой грани {0001} образцов 17, 18 и 19, которые были обработаны HF, выдерживают в кварцевой ампуле при температуре 950^oС в течение 2 ч в присутствии кислорода. Определяют с помощью эллипсометрии [Лучинин В. В. Структуро- и формообразование микро- и наносистем на основе широкозонных материалов, обладающих полиморфизмом //Докт. дисс., СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 1999] , толщину слоя наросшего диокида кремния. Толщина окисла на С-грани составляет 80 нм, а на Si-грани - 25 нм, что означает, что скорость окисления углеродной грани в 3,2 раза выше, чем кремниевой, что учитывают при управлении получением полевых транзисторов с подзатворным диэлектриком в виде диоксида кремния, толщина которого определяет рабочее и пробивное напряжение на затворе.

ПРИМЕР 5. На Si- и С-поверхности базовой грани {0001} образцов 20, 21 и 22, которые были подвергнуты травлению в расплаве КОН, методом сублимации при 2200^oС в атмосфере аргона эпитаксиально выращивают слой карбида кремния толщиной 9 мкм. Далее морфологию поверхностей анализируют в оптическом микроскопе. Установлено, что на С-поверхности эпитаксиальный слой - гладкий, тогда как на Si-поверхности наблюдаются гексагональные фигуры роста с перепадом по высоте до 2 мкм, что учитывают при управлении процессом эпитаксиального выращивания SiC на подложке из SiC для последующего формирования коммутационных систем, нарушение планарности которых в условиях развитого микрорельефа поверхности может привести к разрыву металлизации и потере работоспособности микроэлектронного прибора.

Как следует из приведенных примеров, использование предлагаемого способа проще прототипа, поскольку новый способ основан на простейшей операции - определении углов смачивания анализируемых поверхностей кристалла SiC. Универсальность нового способа вытекает из возможности его применения для управления всем спектром микротехнологических процессов: эпитаксии (пример 3), тотального травления (пример 5), микропрофилирования (пример 2) и окисления (пример 4).

Формула изобретения

Способ управления процессом получения полупроводниковой структуры, предусматривающий микротехнологическую обработку поверхности подложки в режиме, устанавливаемом по результатам предварительного определения сорбционного взаимодействия физико-химического фактора с поверхностью подложки, отличающийся тем, что в качестве подложки используют карбид кремния, микротехнологической обработке подвергают поверхность базовой грани {0001} подложки, которую устанавливают по соотношению значений краевых углов смачивания дистиллированной водой Si- и С-поверхностей базовой грани карбида кремния, очищенных с помощью HF и/или обработанных расплавом КОН, при этом о Si-поверхности судят по большему значению, а о С-поверхности - по меньшему значению краевого угла смачивания.

РИСУНКИ

Рисунок 1