способ обработки структур "кремний на диэлектрике"

Формула изобретения

1. Способ обработки структур "кремний на диэлектрике", включающий формирование пленки кремния на монокристаллической или аморфной диэлектрической подложке, обработку полученной структуры в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц в течение 60-90 мин, отличающийся тем, что во время обработки структуру закрепляют между пластинами из материала с твердостью 50-160 МПа, толщиной 1,5-3,0 мм и диаметром не менее диаметра структуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхность пластин со стороны, контактирующей с поверхностью структуры, имеет высоту микронеровностей не более 2,5 мкм, а со стороны, контактирующей с жидкой средой, высота микронеровностей поверхности пластин составляет 5-10 мкм.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании структур "кремний на диэлектрике", предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных схем, стойких к воздействию дестабилизирующих факторов, например, радиации. К таким структурам относятся получаемые различными технологическими методами композиции, состоящие из тонкого приборного слоя монокристаллического кремния, осажденного либо на монокристаллическую диэлектрическую подложку, например, сапфировую (труктуры "кремний на сапфире" или КНС), либо на аморфную диэлектрическую подложку, например, слой термического диоксида кремния (структуры "кремний на изоляторе" или КНД). В обоих случаях структуры представляют собой гетерофазную систему, характеризующуюся высокой концентрацией структурных дефектов в приборном слое, которые негативно влияют на электрофизические и функциональные параметры изготавливаемых на них приборов. В связи с этим весьма актуальна задача разработки технологических способов изменения дефектности приборных слоев структур "кремний на диэлектрике".

Известен способ обработки структур "кремний на сапфире", включающий нанесение пленки кремния на сапфировую подложку, например, пиролизом моносилана, и последующий высокотемпературный отжиг в газовой среде для снижения остаточной дефектности гетероэпитаксиальных слоев кремния [l]. Отжиг структур длительностью от нескольких минут до часов проводят при температурах из диапазона 1100-1250^oС. Диалогичные термообработки с той же целью проводят и при изготовлении структур "кремний на изоляторе" [2].

Недостаток способа высокотемпературной обработки структур "кремний на диэлектрике" [1, 2] в том, что несмотря на частичное снижение остаточной дефектности пленок кремния, одновременно происходят такие явления, как термическая эрозия их приповерхностных слоев, которая в случае тонких пленок и большой длительности отжига может приводить к полному нарушению сплошности по толщине приборного слоя, а также неконтролируемого легирования кремния фоновыми примесями, например, алюминием в стуктурах "кремний на сапфире", которые могут не только количественно, но и качественно (изменить тип проводимости) повлиять на электрофизические характеристики приборных слоев. Кроме того, при высоких температурах возрастает вероятность образования комплексов неравновесных собственных точечных дефектов и примесей, а при больших временах отжига и кластеров дефектов в кремниевой пленке. Все это приводит к тому, что в приборных слоях и после термообработки сохраняется достаточно высокий уровень остаточных механических напряжений, неоднородно распределенных как в плоскости сопряжения их с подложкой, так и по толщине.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ геттерирующей обработки полупроводниковых пластин, включающий упругое деформирование пластин изгибом, обработку в деформированном состоянии пластин в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц в течение 60-90 мин, облучение нерабочей (т.е. той, на которой не будут формироваться приборы) стороны ионами средних энергий и отжиг [3]. Обработка по способу [3] позволяет существенно улучшить структурное совершенство монокристаллических полупроводниковых пластин.

Недостаток способа [3] в том, что используемая при его реализации обработка в случае структур "кремний на диэлектрике" практически не снижает дефектность тонких слоев кремния, поскольку такие структуры (особенно "кремний на сапфире") невозможно формировать изгибом, а облучение нерабочей стороны ионами индуцируют в диэлектрике положительный заряд, стимулирующий неконтролируемое перераспределение электрически активных примесей в кремнии. Кроме того, постимплантационный отжиг и обработка ультразвуком при непосредственном контакте приборного слоя с кавитирующей жидкой средой приводят к его разрушению, начальной стадией которого являются процессы образования новых дефектов в пленке и их накопление.

Техническим результатом заявляемого способа является улучшение структурного совершенства пленок кремния в структурах "кремний на диэлектрике".

Технический результат достигается тем, что в способе обработки структур "кремний на диэлектрике", включающем формирование пленки кремния на монокристаллической или аморфной подложке, обработку полученной структуры проводят в химически неактивной жидкости ультразвуком частотой 20-40 кГц в течение 60-90 мин, во время обработки структуру закрепляют между пластинами из материала с твердостью (50-160) МПа, толщиной 1,5-3,0 мм и диаметром не менее диаметра структуры. Кроме того, поверхность пластин со стороны, контактирующей с поверхностью структуры, имеет высоту микронеровностей не более 2,5 мкм, а со стороны, контактирующей с жидкой средой, высота микронеровностей поверхности пластин составляет 5-10 мкм.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что во время ультразвуковой обработки структуру закрепляют между пластинами из материала с твердостью (50-160) МПа толщиной 1,5-3,0 мм и диаметром не менее диаметра структуры. Кроме того, поверхность пластин со стороны, контактирующей с поверхностью структуры, имеет высоту микронеровностей не более 2,5 мкм, а со стороны, контактирующей с жидкой средой, высота микронеровностей поверхности пластин составляет 5-10 мкм.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что:

- исключаются такие дефектообразующие операции, как упругое деформирование структур изгибом, ионное облучение и отжиг;

- закрепление структур во время ультразвуковой обработки между пластинами из материала с твердостью (50-160) МПа, т.е. меньшей, чем твердость кремния (11-13) ГПа и диэлектрической подложки (9-12) ГПа, толщиной 1,5-3,0 мкм и диаметром не менее диаметра структур, предотвращает разрушение пленки ударными волнами, возникающими при схлопывании кавитирующих пузырьков жидкости вблизи поверхности структур, но способствует формированию фронта упругих волн, распространяющихся по структуре и снижающих дефектность пленки [3];

- различие в шероховатости поверхности сторон пластин, прилегающих к обрабатываемой структуре и контактирующих с рабочей жидкостью, приводит к тому, что кавитация жидкости происходит на внешней стороне пакета пластины - структура, где высота микронеровностей составляет 5-10 мкм и сравнима с критическим размером кавитируюших пузырьков: для диапазона частот 20-40 кГц радиус кавитирующих пузырьков в жидкости с плотностью 0,8-1,0 г/см³ изменяется от 9,7 до 4,9 мкм; поскольку на внутренней поверхности пластин высота микронеровностей рельефа не более 2,5 мкм, то при указанных частотах ультразвука в жидкой прослойке, которая может образоваться между стуктурой и пластинами, кавитации не возникает и все изменения дефектности пленом обусловлены только упругими волнами, генерируемыми на внешней стороне пластин.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. После формирования пленки кремния на монокристаллической или аморфной диэлектрической подложке стуктуру закрепляют между пластинами из материала с твердостью (50-160) МПа, толщиной 1,5-3,0 мм и диаметром не менее диаметра структуры. При этом используют пластины, поверхности которых со стороны, контактирующей с поверхностью структуры, имеют высоту микронеровностей не более 2,5 мкм, а со стороны, контактирующей с жидкой средой, высота микронеровностей составляет 5-10 мкм. Структуры, закрепленные между такими пластинами, обрабатывают в химически неактивной жидкости ультразвуком на частотах из интервала 20-40 кГц в течение 60-90 мин.

Численные значения оптимальной высоты микронеровностей поверхности сторон пластин, между которыми закрепляют структуры, были определены экспериментально на пластинах, изготовленных из отожженного алюминия (твердость Н= 224 МПа), гетинакса (Н=147-160 МПа), полистирола (Н=113 МПа), полиэтилена (Н= 35,4 МПа) и фторопласта (Н=50-54 МПа). Стороны пластин шлифовали водными суспензиями микропорошков М63, М40, М14, М10, М5 и М3/2. Шероховатость поверхности пластин - высоту микронеровностей R_z измеряли на профилометре мод. 201 с погрешностью не хуже 10%. Эксперименты выполняли на структурах "кремний на сапфире" с пленками кремния n-типа проводимости толщиной 0,6 мкм и ориентацией [001], выращенных пиролизом моносилана на подложках а - Аl₂О₃ () толщиной 540 мкм. Диаметр структур составлял 76 мм, а диаметр пластин - окладок 80-92 мм. Закрепление структур между пластинами осуществляли струбциной. Толщину пластин-обкладок варьировали от 0,8 до 5 мм. Структуры, закрепленные в пластинах, обрабатывали ультразвуком на установке УЗО - 0,25 (частота 20 кГц) в деионизованной воде.

Влияние ультразвуковой обработки на структурное совершенство пленок кремния фиксировали по изменению периода кристаллической решетки эпитаксиального слоя, измерявшегося на рентгеновском дифрактометре ДРОН - 3. Точность измерений была не хуже 10^-4 отн. ед.

Исследования показали следующее:

1. Период решетки пленок кремния, измеренный по нормали к поверхности структур, до обработки ультразвуком составлял 0,54643 нм, а дисперсия его значений по поверхности достигает 0,01811 нм.

2. После обработки ультразвуком в течение 90 мин без закрепления структур между пластинами период решетки уменьшился до 0,54499 нм, приблизившись к величине, характерной для монолитного кремния - 0,543072 нм, дисперсия уменьшилась до 0,01637, однако, при анализе пленок на металлографическом микроскопе были обнаружены микротрещины в эпитаксиальном слое.

3. После обработки ультразвуком в течение 90 мин структур, закрепленных между пластинами толщиной 3,0 мм из различных материалов, было обнаружено также уменьшение периода решетки, причем наибольшее изменение зафиксировано при закреплении структур между пластинами из материалов с твердостью больше 40 МПа (см. табл.1). Высота микронеровностей обеих сторон пластин не превышала 2,5 мкм.

Как видно из таблицы 1, наиболее эффективна обработка при закреплении структур между пластинами из гетинакса, полистирола и фторопласта, имеющими твердость в диапазоне (50-160) МПа; пластины из алюминия оставляют царапины на поверхности структур, т.е. разрушают приборный слой, а пластины из полиэтилена слабо влияют на изменение периода решетки и его дисперсии.

4. Оптимальная толщина пластин составляет 1,5-3,0 мм: при толщинах менее 1,5 мм пластины деформируются и попавшая в зазор между пластиной и структурой жидкость может кавитировать в ультразвуковом поле, приводя к локальным разрушениям кремниевой пленки; при толщинах более 3 мм из-за поглощения упругих волн эффективность способа обработки снижается.

5. При высоте микронеровностей поверхности пластин со стороны, прилегающей к поверхности структуры, превышающей R_z=2,5 мкм, на отдельных участках пленок замечено растрескивание и отслоение, обусловленное локальными возбуждениями кавитации жидкой прослойки.

6. Для стороны пластин, контактирующей с жидкостью, оптимальным является диапазон высот микронеровностей 5-10 мкм, поскольку при такой шероховатости кавитация у поверхности пластин протекает наиболее интенсивно. При R_z<5 мкм жидкость кавитирует практически равномерно по всему занимаемому обьему, а при R_z>10 мкм из-за кавитации происходит сглаживание рельефа и высота микронеровностей постепенно приближается к уровню R_z=8-10 мкм при обработке ультразвуком частотой 20 кГц и R_z=5-7 мкм при частоте 40 кГц.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Структуры "кремний на изоляторе", изготовленные методом термокомпрессионного соединения и представляющие собой приборный слой кремния марки КДБ-12 (001) толщиной 12 мкм на окисленной до толщины диоксида кремния 0,15 мкм подложке КДБ-12 (001) толщиной 460 мкм и диаметром 100 мм, обрабатывали по способу-прототипу [3] и заявляемому способу.

При обработке по способу [3] структуры упруго деформировали четырехточечным изгибом до радиуса кривизны 882 м так, чтобы приборный слой кремния (рабочая сторона) стала выпуклой, и в деформированном состоянии обрабатывали в изопропиловом спирте ультразвуком на частоте 40 кГц в течение 60 мин. После ультразвуковой обработки деформацию снимали и структуры облучали со стороны подложки (нерабочая сторона) ионами неона с энергией 50 кзВ дозой 310¹⁶ см^-2.

При обработке по заявляемому способу структуры закрепляли между пластинами из фторопласта диаметром 120 мм и толщиной 1,5 мм. Предварительно поверхности пластин подвергали абразивному шлифованию в водной суспензии микропорошков различной зернистости и формировали на одной стороне поверхностный рельеф с высотой микронеровностей 7-10 мкм, а на другой - с высотой микронеровностей 1,5-2,5 мкм. После этого структуры обрабатывали ультразвуком в режиме, указанном выше.

После обработки на структурах обеих партий методом селективного травления в хромовом растворе выявляли кластеры точечных дефектов (микродефекты) в приборном слое. Анализ картин селективного травления и подсчет плотности микродефектов по 28-30 полям зрения поверхности приборного слоя проводили на микроскопе NEOPHOT 32. Результаты измерений средних значений и дисперсии микродефектов приведены в табл.2.

Как видно из данных табл. 2, заявляемый способ позволяет существенно снизить остаточную дефектность приборных слоев в структурах "кремний на изоляторе". Заявляемый способ применим как к структурам на монокристаллических, так и на аморфных диэлектрических слоях.

Литература

1. Палатник Л.С., Папиров И.И. Эпитаксиальные пленки - М.: Наука, 1972. - С. 164-171.

2. Кравченко В. М., Будько М.С. Современное состояние КНД-технологии / Зарубежная электронная техника, 1989, 9(340), с. 3-54.

3. Патент РФ 2137253, МПК⁶ Н 01 L 21/322 / авт. Скупов В.Д., Скупов А.В. "Способ геттерирующей обработки полупроводниковых пластин", бюл. 25, 10.09.1999.