Способ геттерирующей обработки полупроводниковых структур

Способ геттерирующей обработки полупроводниковых структур

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии для очистки полупроводниковых структур от ростовых и технологических микродефектов - кластеров собственных дефектов и примесей, а также мелких дислокационных петель, ухудшающих электрофизические и надежностные характеристики дискретных приборов и интегральных схем.

Известен способ [1] геттерирующей обработки полупроводниковых структур, включающий формирование на нерабочей стороне структур (т.е., на стороне, где впоследствии не будут создаваться активные области приборов) структурно нарушенного слоя путем абразивного шлифования или полирования и последующий высокотемпературный (более 0,7T_m, где Т_m - температура плавления материала структуры) отжиг в инертной или окислительной атмосферах. Структурно нарушенный слой служит геттером для фоновых примесей и источником неравновесных собственных дефектов и упругих волн, способствующих растворению микродефектов. Недостатком известного способа [1] является низкая воспроизводимость результатов геттерирования вследствие неоднородности строения нарушенных слоев, значительного, как правило, неконтролируемого разброса их глубины вдоль поверхности, а также из-за высокой вероятности образования новых дефектов, активируемого высокими температурами и упругими напряжениями.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ геттерирующей обработки полупроводниковых структур, включающий аморфизацию поверхности структур с нерабочей стороны облучением ионами средних энергий (Е=10-500 кэВ) при комнатной температуре [2]. Этот способ позволяет управлять потоками точечных дефектов и амплитудой упругих волн путем варьирования энергией и массой используемых ионов. При этом более точно и воспроизводимо контролируется глубина геттерирующего слоя, который сохраняется на всех последующих технологических операциях, включая высокотемпературные.

Недостатком известного способа [2] является низкая эффективность геттерирования микродефектов, окруженных примесными (коттреловскими) атмосферами, экранирующими кластеры и дислокационные петли от неравновесных собственных точечных дефектов. Такие атмосферы возникают при хранении структур в нормальных условиях. Они препятствуют растворению микродефектов при ионном облучении, т.е. либо подавляют процесс геттерирования, либо существенно увеличивают его длительность.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эффективности геттерирующей обработки за счет снижения концентрации микродефектов в полупроводниковых структурах.

Технический результат достигается тем, что в способе геттерирующей обработки полупроводниковых структур, включающем аморфизацию поверхности структур с нерабочей стороны облучением ионами средних энергий при комнатной температуре, перед облучением структуры в течение 2,5-3,0 часов выдерживают в инертной атмосфере при температуре из интервала (0,4-0,7)T_m, где T_m - температура плавления материала структуры, а затем структуры охлаждают в жидком азоте.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что перед облучением структуры в течение 2,5-3,0 часов выдерживают в инертной атмосфере при температуре из интервала (0,4-0,7)T_m, где Т_m - температура плавления материала структуры, а затем структуры охлаждают в жидком азоте.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что при выдержке структур перед ионным облучением при повышенных температурах происходит растворение примесных атмосфер, окружающих микродефекты, за счет ослабления упругого взаимодействия между кластерами и примесными атомами. Максимальный радиус примесной атмосферы вокруг микродефекта определяется выражением R=(E/kT)^1/3, где Е - энергия упругого взаимодействия между точечными дефектами и кластером; k - постоянная Больцмана; Т - температура структуры. Из этой формулы видно, что с повышением температуры размеры атмосферы уменьшаются вследствие ее диффузионного растворения. Последующее резкое охлаждение структуры до температуры жидкого азота подавляет диффузию примесей, т.е. препятствует восстановлению атмосфер, а следовательно, облегчает доступ неравновесных собственных точечных дефектов и упругих волн к микродефектам при ионном облучении. В результате этого повышается эффективность геттерирования микродефектов.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Структуры, в качестве которых могут быть исходные полупроводниковые монокристаллические подложки, эпитаксиальные структуры композиции "кремний на диэлектрике", перед облучением ионами средних энергий выдерживают в инертной атмосфере в течение 2,5-3,0 часов при температуре из интервала (0,4-0,7)T_m, где T_m - температура плавления материала структур, причем минимальную температуру 0,4T_m и большую длительность обработки 3,0 часа используют при геттерировании дефектов в структурах на основе полупроводниковых соединений, для того чтобы не нарушать их стехиометрический состав. После термообработки структуры резко охлаждают погружением в жидкий азот. Далее структуры извлекают из жидкого азота и облучают их при комнатной температуре с нерабочей стороны ионами средних энергий дозами выше дозы аморфизации материала структуры. Время хранения структур между термообработкой и облучением должно быть минимальным, чтобы не происходило диффузионное восстановление примесных атмосфер вокруг дефектов.

Численные значения режимов термообработки структур перед облучением определены экспериментально на монокристаллах кремния КЭФ-4,5 (001), кремниевых эпитаксиальных структурах (111) и эпитаксиальных композициях n+-n-GaAs (001). Перед облучением ионами аргона с энергией 40 кэВ дозой 4·10¹⁵ ион·см^-2 образцы отжигали в атмосфере аргона. При этом варьировали температуру и длительность термообработки. Во всех случаях образцы охлаждали в жидком азоте. До и после облучения методом селективного химического травления в хромовых растворах по ямкам травления фиксировали плотность микродефектов в структурах на стороне, противоположной облученной ионами. Для кремния использовали травитель CrO₃-HF, а для арсенида галлия - Н₂О-AgNO₃-CrO₃-HF. Измерения плотности микродефектов проводили не менее чем по 10 полям зрения микроскопа NEOPHOT-32. В качестве контрольных использовали образцы, облученные в тех же режимах, но не подвергавшиеся предварительной термообработке. Критерием эффективности геттерирования служило неравенство N+σ<N_k-σ_k; где N, N_k - плотность микродефектов в образцах с термообработкой и контрольных; σ и σ_k - соответствующие дисперсии значений плотности микродефектов по исследуемой поверхности структур.

Эксперименты показали, что различия между плотностями микродефектов в контрольных и термообработанных образцах при температурах (670-700) К для кремния и (600-650) К для структур на основе арсенида галлия при длительностях термообработки 150-160 мин. Увеличение длительности при тех же температурах выводит плотность микродефектов при временах более 180 мин на постоянное значение, которое изменяется лишь при повышении температуры. Для арсенидогаллиевых структур при температурах более 800 К возникают новые ямки травления, обусловленные разложением поверхности. На кремниевых структурах появление новых ямок травления наблюдалось при длительностях термообработки более 3 часов и температурах более 1180 К, что обусловлено локальными микродеформациями материала при резком охлаждении в жидком азоте, т.е. из-за высоких локальных градиентов термоупругих напряжений. Поэтому в качестве рабочих режимов геттерирования микродефектов по заявляемому способу должны использоваться температуры из интервала (0,4-0,7)Т_m при длительности термообработки 2,5-3,0 часа.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Пример 1. Геттерирующей обработке по способу-прототипу [2] и заявляемому способу подвергали монокристаллы КЭФ-4,5 (001) толщиной 460 мкм. Образцы облучали ионами аргона с энергией 40 кэВ дозой 4·10¹⁵ ион·см^-2. Измерения плотности микродефектов проводили по описанной выше методике на стороне кристаллов, противоположной облученной. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Как видно из данных табл.1, при температурах термообработки менее 700 К даже при больших длительностях эффективность геттерирования по способу-прототипу и заявляемому способу практически одинакова (ср. п.2 и п.3.1.). Заметное различие в геттерирующей способности заявляемого способа начинает проявляться в соответствии с приведенным выше неравенством при Т≥700 К и t≥2,5 (пп.3.2-3.9) При этом увеличение длительности термообработки более 3 часов при постоянной температуре практически не изменяет плотности микродефектов.

Повышение температуры до 1230 К приводит к увеличению плотности микродефектов за счет образования микрократеров при резком охлаждении кристаллов в жидком азоте. Таким образом, для кремния оптимальные режимы термообработки: t=2,5-3,0 часа и Т=(0,4-0,7)T_m, где Т_m=1685 К.

Пример 2. Геттерирующей обработке подвергаются структуры n+-n-GaAs (001) толщиной 100 мкм по способу-прототипу [2] и заявляемому способу. Структуры облучали со стороны подложки ионами аргона с энергией 90 кэВ дозой 10¹⁶ ион·см^-2. Селективное травление осуществляли в растворе: H₂O:AgNO₃:CrO₃:HF=2:8:1:1. Результаты экспериментов приведены в табл.2.

Как видно из табл.2, в арсенидогаллиевых структурах плотность кластеров снижается при термообработках в режимах Т≥600 К и t≥2,5 часа (пп.3.3-3.13). Меньшие длительности и температуры не увеличивают эффективности заявляемого способа по сравнению со способом-прототипом. При температурах выше 750-800 К возникают новые ямки травления, связанные с нарушениями стехиометрического состава поверхности во время термообработки (пп.3.14, 3.15).

Таким образом, при реализации заявляемого способа технический результат повышения эффективности геттерирующей обработки достигается.

Таблица 1Влияние способа геттерирования на плотность микродефектов в кристаллах кремния КЭФ-4,5
№ п/п	Способ геттерирования	Режим термообработки	Плотность микродефектов, см-2, ×103
Т, К	t, час	среднее	дисперсия
1	До геттерирования	-	-	263	107
2	Способ-прототип [2]	-	-	81,2	36,1
3	Заявляемый способ
3.1	650	4,0	23,80	23,90
3.2	700	2,0	1,14	0,88
3.3	700	2,5	0,70	0,29
3.4	700	3,0	0,42	0,18
3.5	700	3,5	0,31	0,06
3.6	1180	2.0	0,74	0,53
3.7	1180	2,5	0,28	0,12
3.8	1180	3,0	0,09	0,02
3.9	1180	3,5	0,09	0,01
3.10	1230	2,0	0,18	0,07

Таблица 2Влияние способа геттерирования на плотность микродефектов в эпитаксиальных структурах на основе GaAs
№ п/п	Способ геттерирования	Режим термообработки	Плотность микродефектов, см-2, ×104
Т, К	t, час	среднее	дисперсия
1	До геттерирования	-	-	731.0	618.0
2	Способ-прототип [2]	-	-	51.4	23.6
3	Заявляемый способ
3.1		550	4,0	21,9	10,9
3.2		600	2,0	17,4	8,8
3.3		600	2,5	4,1	3,4
3.4		600	3,0	1,6	0.9
3.5		600	3,5	1,6	0,7
3.6		650	2,5	1,3	0,4
3.7		650	3,0	0,7	0,3
3.8		650	3,5	0,6	0,3
3.9		700	2,5	0,6	0,2
3.10		700	3,0	0,1	0,04
3.11		700	3,5	0,09	0,03
3.12		750	2,5	0,02	0,014
3.13		750	3,0	0,017	0,013
3.14		750	3,5	0,02	0,018
3.15		800	2,5	0,1	0,7

Литература

1. Бурмистров А.Н., Пекарев А.И., Ушаков А.С., Чистяков Ю.Д. Влияние механической обработки нерабочей стороны кремниевой подложки на плотность дефектов // Сб. "Активируемые процессы технологии микроэлектроники". Таганрог, изд. ТРТИ, 1978, вып.8, с.91-102.

2. Павлов П.В., Пашков В.И., Скупов В.Д. Влияние обработки ионами средних энергий на внутренние механические напряжения в эпитаксиальных структурах // Электронная техника, сер.7 ТОПО, 1980, с.24-26 (прототип).

Способ геттерирующей обработки полупроводниковых структур, включающий аморфизацию поверхности структур с нерабочей стороны облучением ионами средних энергий при комнатной температуре, отличающийся тем, что перед облучением структуры в течение 2,5-3,0 ч выдерживают в инертной атмосфере при температуре из интервала (0,4-0,7)T_m, где T_m - температура плавления материала структуры, а затем структуры охлаждают в жидком азоте.