способ упрочнения бездислокационных пластин кремния

Формула изобретения

1. Способ упрочнения монокристаллических бездислокационных пластин кремния, отличающийся тем, что пластины с содержанием кислорода на уровне 6·10¹⁷-9·10 ¹⁷ см^-3 подвергают двухступенчатой термообработке в инертной атмосфере сначала при температуре 1000-1020°С в течение 10-15 мин, а затем при температуре 600-650°С в течение 8,0±0,5 ч с последующим охлаждением на воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят в атмосфере аргона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства монокристаллических бездислокационных пластин кремния большого диаметра (150-300 мм), используемых для изготовления интегральных схем, а также разнообразных дискретных электронных приборов, например высокачественных транзисторов и диодов и т.п.

Одной из важных характеристик бездислокационных монокристаллических пластин кремния большого диаметра, широко используемых в твердотельной электронике, является механическая прочность.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является упрочнение (в частности, повышение напряжения начала пластической деформации) монокристаллических бездислокационных пластин кремния большого диаметра.

В источниках информации отсутствуют описания способов повышения прочностных характеристик бездислокационных монокристаллических пластин кремния. Известны способы повышения механической прочности монокристаллов кремния в процессе их выращивания из расплава методом Чохральского, из которых изготавливают пластины для дальнейшего производства на их основе интегральных схем и дискретных приборов.

Известен способ улучшения механических свойств монокристаллов кремния, в частности повышения их прочности путем легирования упрочняющими электрически активными примесями, такими как фосфор и бор. Легирование проводят традиционными методами, добавляя лигатуру в расплав кремния в процессе выращивания кристаллов методом Чохральского. (См. Освенский В.Б., Туровский Б.М., Меженный М.В., Соколова Е.Л., Столяров О.Г. Неорганические, материалы. Изв. АН СССР 21,1985,№3,с.357).

Недостатком этого способа является то, что для повышения прочности необходимо вводить в кристалл электрически активную примесь до достаточно высоких концентраций (10¹⁸-10 ²⁰ см^-3), что сопровождается снижением удельного сопротивления, уменьшением подвижности и времени жизни носителей заряда, а в ряде случаев и ухудшением структурного совершенства кристаллов. Это накладывает ограничения на применение такого материала в ряде приборов, которые изготавливаются на основе кремния. В первую очередь это касается высококачественных сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем. Для их изготовления используют кремний с высоким совершенством кристаллической структуры и высокими электрофизическими параметрами. Поэтому этот способ повышения механической прочности не может быть применен для монокристаллических бездислокационных пластин кремния, используемых при изготовлении высококачественных и сверхскоростных интегральных схем.

Другим способом повышения механической прочности кристаллов полупроводников является легирование изовалетными примесями, практически не влияющими на их электрофизические свойства. В этом случае в расплав в процессе выращивания кристалла вводят легирующую примесь той же валентности, что основной компонент кристалла. (См. Ю.А.Концевой, Ю.М.Литвинов, Э.А.Фаттахов Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур М., Радио и связь, 1982, 240 с.

Однако и в данном случае для достижения требуемого эффекта необходимо вводить легирующую примесь до достаточно высоких концентраций (10 ¹⁹-10²¹ ат/см^-3 ), что сопровождается существенным ухудшением однородности кристаллов и изменением величины периода кристаллической решетки и делает невозможным использование такого материала для высококачественных сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем.

Техническим результатом изобретения является упрочнение монокристаллических бездислокационных пластин кремния, в частности повышение в них напряжений начала пластической деформации при приложении механических или термических напряжений, без ухудшения электрофизических свойств кристалла и его структурного совершенства.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения монокристаллических бездислокационных пластин кремния согласно изобретению пластины с содержанием кислорода на уровне 6х10¹⁷ ÷9×10¹⁷ см^-3 подвергают двухступенчатой термообработке в инертной атмосфере, сначала при температуре (1000÷1020)°С в течение 10-15 мин, а затем при температуре 600-650°С в течение 8,0±0,5 часов с последующим охлаждением на воздухе, при этом в качестве инертной атмосферы используют аргон, азот и другие инертные газы.

Сущность предлагаемого способа упрочнения бездислокационных пластин кремния заключается в формировании в объеме монокристаллической пластины кремния с определенным содержанием кислорода (6×10 ¹⁷÷9×l0¹⁷ см ^-3) упрочняющих центров нанометрового размера за счет контролируемого распада пересыщенного твердого раствора кислорода путем проведения двухступенчатой термообработки.

Известно, что в монокристаллах кремния, выращенных традиционным методом Чохральского, всегда содержится примесь кислорода в концентрациях, достаточных для образования в широком интервале температур пересыщенных твердых растворов.

Наличие высококачественных и очень чистых пластин не является гарантией создания высококачественных интегральных схем и дискретных приборов. В процессе формирования приборной композиции пластина подвергается достаточно длительным высокотемпературным воздействиям (операции окисления, диффузии легирующих примесей, термический отжиг и т.д.), и несмотря на принимаемые беспрецедентные меры по обеспечению стерильности проводимых процессов вероятность случайных дополнительных загрязнений нежелательными быстро диффундирующими примесями при выполнении соответствующих операций остается достаточно высокой. Для исключения попадания загрязняющих примесей в активную область приборной структуры широко используют процессы их геттерирования (Sumino К., Proceedings of the 3^rd International Symposium on Advanced Science and Technology of Silicon Materials, Havaii, USA, p.327 (2000)).

Процесс геттерирования заключается в удалении загрязняющей примеси из активной области приборной композиции путем ее локализации в определенной фиксированной области пластины, где она не может повлиять на характеристики создаваемых приборов.

В качестве внутреннего геттера используют дефектную среду, формируемую в объеме пластины в процессе распада пересыщенного твердого раствора кислорода при ее многоступенчатой термообработке (Falster R., Voronkov V.V., «Materials Science& Engineering», B73, p.87 (2000)). Процесс внутреннего геттерирования был успешно опробован на пластинах диаметром 100 мм и в настоящее время широко используется при работе с пластинами еще больших диаметров.

В основе процесса формирования внутреннего геттера в пластинах кремния, вырезанных из выращиваемых по методу Чохральского монокристаллов, лежит хорошо контролируемый процесс распада пересыщенного твердого раствора кислорода (Falster R., Voronkov V.V., «MRS Bulletin», v.25, №6, p.28 (2000)). При распаде в пластине образуются кислородсодержащие преципитаты, инжектирующие в кристаллическую матрицу избыточные межузельные атомы кремния. В результате в пластине формируется достаточно сложная дефектная среда, характерные особенности которой определяются содержанием и характером распределения в исходном кристалле кислорода, условиями выращивания кристалла (скорости охлаждения в определенных интервалах температур, тип и концентрация собственных точечных дефектов), а также режимами термообработки самих пластин. При формировании внутреннего геттера используют многоступенчатую (трех- или четырехступенчатую) термообработку пластин в чистейших условиях. Типичная температурно-временная схема термообработки в случае четырехступенчатого процесса выглядит следующим образом: 1000°С/15 мин+650°С/16 час+800°С/4 час+1000°С/4 час. На первой высокотемпературной стадии происходит образование обедненного по кислороду (за счет диффузии на поверхность) приповерхностного слоя пластины и растворение в кристаллической решетке мелких «ростовых» кислородсодержащих преципитатов. В процессе последующей термообработки при 650°С в гомогенизированной кристаллической матрице объема пластины происходит гомогенное зародышеобразование будущих оксидных преципитатов. При дальнейшей термообработке при 800°С происходит рост образовавшихся ранее зародышей, сопровождающийся процессом коалесценции.

Монокристаллические пластины кремния, содержащие внутренние геттерирующие центры (кислородсодержащие преципитаты), обладают более низкими механическими характеристиками (в частности, напряжением начала пластической деформации), чем пластины в поствыращенном состоянии. Это обусловлено тем, что геттерирующие центры являются сильными внутренними источниками дислокации, что приводит к разупрочнению пластин, т.е к ухудшению их механических характеристик.

Заявляемый способ также использует процесс распада твердого раствора кислорода при повышенных температурах, аналогичный процессу создания внутренних геттерирующих центров. Авторами найдены условия создания кислородсодержащих преципитатов с заданной плотностью и размером, которые являются упрочняющими центрами, приводящими к повышению напряжений начала пластической деформации в пластине кремния.

Пример выполнения способа

По предлагаемому способу были обработаны бездислокационные пластины кремния диаметром 200 мм, вырезанные из бездислокационных монокристаллов кремния «вакансионного» типа (V.V. Voronkov, R. Falster «J.Crystal Growth» 204, p.462 (1999)), выращенных методом Чохральского в направлении<100>. Термообработку пластин проводили в атмосфере очищенного аргона («ОСЧ») в трехзонной трубчатой горизонтальной печи Naberterm C250. Термообрабатываемые пластины кремния были помещены в кварцевый контейнер и размещены в среднюю зону печи, имеющей «температурную полку» протяженностью 25 см. Однородность поддержания температуры в пределах этой полки составляет ±1°С.Режим термообработки: 1000±2°С/15 мин+600±1°С/8 час с последующим охлаждением на воздухе. Концентрация растворенного кислорода в образцах составляла (7-8)×10¹⁷ см ^-3, а удельное сопротивление ˜10 ·см.

Из этих пластин были изготовлены образцы для определения механических характеристик. Образцы для механических испытаний имели форму параллелепипедов размером 25×4×0,6 мм³ с плоскостью большой грани {100}, длинная сторона образца была сориентирована вдоль направления<110>. Образцы химически полировали в кислотной смеси HF:HNO ₃=1:6 в течение 5 мин. При этом с поверхности удалялся слой толщиной ˜ 40 мкм. После этого исследуемый образец помещали в устройство для четырехточечного изгиба. (Ю.А.Концевой, Ю.М.Литвинов, Э.А.Фаттахов «Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур» М., «Радио и связь», 1982, 240 с., М.В.Меженный, М.Г. Мильвидский, В.Ф.Павлов, В.Я.Резник «ФТТ» 43, №1, с.47 (2001)) Механические испытания проводили при температуре 600°С.

В качестве критерия, характеризующего механические свойства пластин, использовали величину напряжения, вызывающего генерацию дислокации от внутренних источников в объеме пластины при приложении внешних нагрузок ( _ген), которую определяли по началу процесса их массовой генерации. Структурные изменения в образцах контролировали методами оптической (избирательное травление проводили в травителе Янга (Yang K.H., «J. Electrochem. Soc.» 131, р. 1140 (1984)) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а также методом диффузного рассеяния рентгеновских лучей.

Кроме того, осуществлялся контроль электрофизических свойств термообработанных образцов: удельного сопротивления, концентрации и подвижности носителей заряда. Образцами сравнения являлись пластины, вырезанные из того же слитка, но не прошедшие описанной выше термообработки (пластины в постростовом состоянии).

В таблице 1 представлены значения _ген полученные на образцах кремния, прошедших термообработку по описанному выше режиму, и в постростовом состоянии.

Таблица 1. Напряжения ( _ген), вызывающие генерацию дислокации от внутренних источников в объеме пластины.

	Число	Режим	Средняя	Разброс
№№	исследованных	термообработки	величина ген,	полученных
пп	образцов		МПа	значений,
				МПа
1	10	1000°С/15 мин	103	±6
		+600°С/8 ч
2	12	1000°С/15 мин	98	±5
		+650°С/8 ч
3	12	Постростовое	75	±5
		состояние

Полученные результаты свидетельствуют о том, что термообработка пластин кремния с содержанием кислорода на уровне 6×10¹⁷-9×10 ¹⁷ см^-3 в заявляемых режимах позволяет существенно улучшить их механические характеристики. В частности, в термообработанных пластинах повышаются напряжения начала генерации дислокации от внутренних источников, т.е. в них повышаются напряжения начала пластической деформации. При этом удельное сопротивление, концентрация и подвижность носителей тока в термообработанных образцах остаются практически неизменными. Полученные результаты позволяют использовать предлагаемый режим термообработки для получения упрочненных бездислокационных пластин кремния большого диаметра.