Способ экстракции ростовых кластеров в монокристаллическом кремнии

Способ экстракции ростовых кластеров в монокристаллическом кремнии

Реферат

 

(19)SU(11)1083848(13)A1(51)  МПК ⁵    _H01L21/322(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ ЭКСТРАКЦИИ РОСТОВЫХ КЛАСТЕРОВ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для улучшения совершенства структуры монокристаллического кремния, в частности структуры стандартных кремниевых пластин, используемых в производстве для создания полупроводниковых приборов. Основным видом дефектов кристаллической структуры в полученном выращиванием из расплава монокристаллическом кремнии с малой плотностью дислокаций (бездислокационном) являются ростовые кластеры. Они существенно ухудшают электрические параметры полупроводниковых приборов и ИС, созданных на таком кремнии. Известен способ экстракции ростовых кластеров в монокристаллическом кремнии, полученном выращиванием из расплава, заключающийся в обработке кремниевых пластин при температуре 1100 - 1200^оС в атмосфере кислорода с добавкой 6-8% объемных газообразного хлористого водорода в течение 60 мин. Известному способу присущи следующие недостатки. Производительность процесса экстракции кластеров мала (0,02 мкм/мин), поскольку мала скорость развала ростовых кластеров (практически удается ликвидировать кластеры только в очень тонком ( 1 мкм) приповерхностном слое). Электрофизические параметры кремния (время жизни, подвижность носителей) в процессе такой обработки сильно деградируют, поскольку, во-первых, малая скорость развала кластеров вынуждает применять весьма длительную термообработку, а, во-вторых, эта термообработка проводится в окисляющей атмосфере. Эта деградация вызывает значительное ухудшение параметров приборов, которые впоследствии будут созданы на этом кремнии. Поскольку поверхность обрабатываемых пластин подвергается в процессе такой обработки сильной эрозии (из-за неравномерного скопления хлора на границе раздела между кремнием и образующимся при термообработке слоем SiO₂), приходится после термообработки по известному способу и удаления слоя SiO₂ дополнительно обрабатывать (химически и механически) поверхность пластин для того, чтобы восстановить абсолютно необходимую для создания п/п приборов зеркальную гладкую поверхность. Известен способ экстракции ростовых кластеров из монокристаллического кремния, полученного выращиванием из расплава, заключающийся в длительной (200-300 мин) высокотемпературной (1100 - 1200^оС) обработке кремния в атмосфере инертного газа-аргона. В известном способе удается ликвидировать кластеры в прилегающем к поверхности пластин слоев кремния толщиной 300 мкм. Однако при таком способе производительность процесса экстракции кластеров также мала 1 мкм/мин (хотя и выше, чем в предыдущем способе-аналоге), поскольку скорость развала кластеров относительно невелика. Деградируют электрофизические параметры кремния, поскольку (из-за малой скорости развала кластеров) длительность термообработки все еще очень велика. Приходится подвергать поверхность кремния дополнительной химической и механической обработке, поскольку эрозия поверхности пластин происходит и в этом случае из-за наличия в инертном газе неконтролируемых примесей, взаимодействующих с кремнием. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ экстракции ростовых кластеров в монокристаллическом кремнии, включающий термообработку пластин кремния при температуре 1000 - 1250^оС в атмосфере неокисляющего газа, содеpжащего добавку хлористого водорода. В известном способе в качестве неокисляющего газа используется аргон, содержание хлористого водорода в газовой смеси составляет 0,1 об.%, отжиг проводят в течение 100 - 120 мин. Известному способу присущи недостатки. Производительность процесса экстракции кластеров невелика ( 2,5 мкм/мин). Деградируют и электрофизические параметры кремния (в частности, время жизни подвижных носителей , их подвижность ), поскольку из-за относительно малой скорости экстракции кластеров длительность термообработки довольно велика. Эта деградация приводит к ухудшению электрических параметров п/п приборов и ИС, создаваемых на подвергшемся термообработке кремнии. Приходится дополнительно обрабатывать (химически и механически) поверхность пластин термообработки по способу, поскольку имеет место эрозия поверхности пластин из-за наличия в инертном газе неконтролируемых примесей, взаимодействующих с кремнием. Целью изобретения является увеличение производительности процесса. Цель достигается тем, что в способе экстракции ростовых кластеров в монокристаллическом кремнии, включающем термообработку пластин кремния при температуре 1000 - 1250^оС в атмосфере неокисляющего газа, содержащего добавку хлористого водорода, в качестве неокисляющего газа используют водород, содержание хлористого водорода выбирают в диапазоне 0,5 - 2 об.%, а термообработку проводят в течение 3 - 10 мин. Увеличение производительности процесса экстракции кластеров по данному способу благодаря использованию в качестве неокисляющего газа водорода, в котором содержание хлористого водорода выбрано в диапазоне 0,5 - 2 об.%, можно объяснить следующим образом. В соответствии с теоретической моделью в ходе соответствующей термообработки кластеры распадаются на точечные дефекты структуры (главным образом типа "атом в междоузлии"), которые затем мигрируют к поверхности образца. Скорость распада кластеров при данной температуре монокристалла определяется, в первом приближении, величиной концентрации собственных междоузельных атомов кремния в окружающем кластеры объеме монокристалла - N^v м/у: чем меньше эта концентрация, тем (при прочих равных условиях) выше скорость распада кластеров. Величина же N^v м/у тем меньше, чем меньше концентрация межузельных атомов у поверхности монокристалла - N^s м/у. Последняя же, в свою очередь, определяется составом атмосферы, в которой проводится термообработка. Расчетные и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при нагреве кремния в атмосфере Н₂+НСl (10,5 - 2%) - N^s м/у существенно меньше, чем при нагреве в атмосфере нейтральный газ + HCl (0,1% ) + нейтральный газ, кислород +HCl (6%). Это и обуславливает значительно большую скорость экстракции ростовых кластеров в предлагаемом нами способе (50 мк/мин) и, следовательно, большую производительность процесса экстракции кластеров по сравнению со способами - аналогами и способом - прототипом. Использование при экстракционной обработке по данному способу в качестве неокисляющего газа водорода, содержание хлористого водорода в котором выбрано в диапазоне 0,5 - 2%, позволяет уменьшить деградацию электрофизических параметров кремния, поскольку значительно большая скорость экстракции кластеров позволяет существенно уменьшить длительность термообработки. Благодаря тому, тчо при термообработке в качестве неокисляющего газа используют водород, содержание добавки хлористого водорода в нем выбирают в диапазоне 0,5 - 2 об.%, а самую обработку проводят в течение 3 - 10 мин, снижается трудоемкость процесса, т.к. отпадает необходимость в дополнительной химико-механической обработке поверхности монокристалла кремния после экстракционной обработки по предлагаемому способу. Нижний и верхний пределы содержания хлористого водорода в водороде при термообработке (0,5 и 2% соответственно) выбраны исходя из необходимости обеспечить сохранение зеркально-гладкой поверхности после термообработки. Нижний предел длительности термообработки (3 мин) определяется минимально необходимым временем для полной ликвидации ростовых кластеров в слое кремния толщиной 300 мкм (средняя толщина стандартной пластины). Верхний предел длительности термообработки (10 мин) определяется тем, что при большей длительности поверхность пластин после термообработки перестает быть зеркально гладкой. Пример реализации способа. Для ликвидации ростовых кластеров в монокристаллическом кремнии проводилась термообработка образцов бездислокационного кремния нескольких марок (см. таблицу) в атмосфере водорода с добавкой газообразного НСl. Обработка проводилась на установках типа УНЭС 2П-ВН или УНЭС-2ПК-4. Температура обработки 1200^оС, содержание НСl и время обработки варьировались в интервале 0,5 - 2 об.%- соответственно 3 - 10 мин. Ликвидация ростовых кластеров была проведена на трех партиях образцов кремния. Каждая партия состояла из 14 образцов. Различие в концентрации ростовых кластеров в кремнии контролировалась с помощью селективного травления образцов, подвергавшихся обработке по данному способу и контрольных образцов кремния. Все образцы вырезались из одной и той же пластины. Кроме того, контролировались электрофизические параметры монокристаллического кремния после термообработки по способу: время жизни неосновных носителей заряда и подвижность носителей заряда. За состоянием обработки поверхности пластин следили визуально и по интерференционной картине в микроскопе типа МИИ-4. Все данные сведены в таблицу. Из таблицы видно, что данный способ экстракции ростовых кластеров в кремнии позволяет по сравнению со способом - прототипом повысить более, чем на порядок, производительность процесса экстракции кластеров; существенно уменьшить деградацию электрофизических параметров исходного кремния после экстракционной обработки по способу, а также исключить дополнительную обработку поверхности кремниевых пластин после экстракционной термообработки по способу (поскольку сохраняется исходная зеркально гладкая поверхность).

Формула изобретения

СПОСОБ ЭКСТРАКЦИИ РОСТОВЫХ КЛАСТЕРОВ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ, включающий термообработку пластин кремния при температуре 1000 - 1250^oС в атмосфере неокисляющего газа, содержащего добавку хлористого водорода, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности процесса, в качестве неокисляющего газа используют водород, содержание хлористого водорода выбирают в диапазоне 0,5 - 2 об.%, а термообработку проводят в течение 3 - 10 мин.