СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ВНУТРЕННЕГО ГЕТТЕРА В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ БЕЗДИСЛОКАЦИОННЫХ ПЛАСТИНАХ КРЕМНИЯ
METHOD OF PRODUCTION OF EFFICIENT INNER GETTER IN MONOCRYSTALLINE LOCATION-FREE SILICON PLATES

Изобретение относится к области производства современных ультрасверхбольших интегральных схем (УСБИС), которые изготовляют на основе бездислокационных кремниевых пластин диаметром 150-300 мм, использующих встроенный внутренний геттер, создаваемый путем контролируемого распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии в процессе многоступенчатых термообработок. Образующиеся при этом в объеме пластины кислородсодержащие микродефекты, в зависимости от их природы и размера, могут играть роль как центров гетерогенного зарождения дислокации, так и являться стопорами для движения дислокации, затрудняя процессы их генерации и распространения.
Анализ источников информации позволил выявить следующие тенденции в полупроводниковом приборостроении, касающиеся вопроса формирования внутреннего геттера в пластинах кремния.
В процессе формирования современных сверхбольших интегральных схем (СБИС) пластины кремния подвергают достаточно длительным высокотемпературным воздействиям (операции окисления, диффузии легирующих примесей, термообработки и др.). Несмотря на принимаемые беспрецедентные меры по обеспечению стерильности проводимых процессов, вероятность случайных дополнительных загрязнений нежелательными быстродиффундирующими примесями при выполнении соответствующих операций остается еще достаточно высокой. Для исключения попадания загрязняющих примесей в активную область приборной структуры широко используют процессы их геттерирования.
Смысл процесса 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 основе процессов геттерирования лежат фундаментальные физические процессы, связанные либо с контролируемым формированием центров гетерогенного зарождения микродефектов при распаде пересыщенного твердого раствора загрязняющей примеси, либо с формированием среды, обладающей повышенной (по сравнению с рабочей областью приборной структуры) растворимостью загрязняющей примеси [Istratov A.A., Heesmaer H., Weber E.R. Advanced Gettering Techniques in ULSI Technology. // MRS Bulletin. 2000. V.25. №6. P.33-37]. Под эффективностью формируемого в объеме пластины геттера мы подразумеваем его способность удалять из активных областей, создаваемых приборов, загрязняющие быстродиффундируемые примеси, которые могут вводиться на стадии создания прибора или интегральной микросхемы.
В первом случае уровень загрязнений пластины должен быть достаточным для того, чтобы примесь при той или иной разумной температуре образовывала пересыщенный твердый раствор. Тогда в процессе охлаждения загрязненной пластины этот пересыщенный раствор быстро распадается с образованием микродефектов в области, где сформированы центры для их гетерогенного зарождения. В результате между рабочей областью пластины, где размещена приборная структура, и геттерирующей областью возникает градиент концентрации растворенной загрязняющей примеси, и последняя диффундирует в геттерирующую среду, благодаря чему и достигается эффект очистки. Данные работы [Bhatti A.R., Falster R., Booker G.R. Gettering of Copper and Nickel in Czochralski Silicon by Oxide Particles: Assessment of Thermal Stability // Solid State Phenomena. 1991. V.19-20. P.51-56] позволили установить, что наибольшей эффективностью геттерирования загрязняющих, быстродиффундирующих металлических примесей обладает дефектная область, в которой превалируют преципитат-дислокационные скопления (ПДС) и дефекты упаковки. Эффективность геттерирования в данном случае напрямую зависит от объемной концентрации геттерирующих центров и диффузионной подвижности атомов загрязняющей примеси.
Известен способ создания геттера с помощью ионной имплантации. Использование высокоэнергетичной (мегаэлектронвольты) ионной имплантации позволяет расположить геттерирующий слой с планарной стороны пластины недалеко от активных областей прибора, что обеспечивает эффективное геттерирование при более низких температурах и длительностях термообработки. Этот метод хорошо вписывается в технологию современного производства полупроводниковых приборов и обеспечивает существенное улучшение их параметров. Использование такого метода формирования геттера можно привести способ изготовления полупроводниковых схем, использующий имплантацию ионами германия через маску [Kenneth E. Bean, Satwinder S. Malhi, Walter R. Runyan Discretionary gettering of semiconductor circuits US 5250445, 17.02.1992]. Последующая термообработка позволяет сформировать геттерирующие слои, скрытые в объеме полупроводниковой приборной структуры (содержание атомов германия в области кремниевой пластины, в которую провели имплантацию, составляет 1,5-2,0%). Затем на пластину кремния наращивали эпитаксиальный слой кремния требуемой толщины. В этом эпитаксиальном слое с помощью диффузии формировали активные слои приборных структур. Причем приборные структуры располагались над ранее созданными областями в глубине кремниевой пластины, в которые ранее были имплантированы атомы германия. В процессе формирования приборных структур залегающий ниже слой, обогащенный германием, играет роль геттера. Недостатком такого метода является то, что для каждого типа приборов требуется подбирать свой режим имплантации и последующей термообработки радиационно-индуцированных дефектов, что связано с геометрией конкретного прибора. Формируемый геттерующий слой имеет небольшую толщину и не всегда может эффективно геттерировать загрязняющие примеси из активных областей прибора. Кроме того, данный геттер связан с образованием большой концентрации структурных дефектов, вызванных имплантацией ионов, что может приводить к нестабильности геттера как при изготовлении интегральных схем, так и в процессе их эксплуатации.
Во втором случае наблюдается сегрегационное перераспределение примеси между областями с разной ее эффективной растворимостью. Область с более высокой растворимостью выступает в роли стока для примесных атомов, располагающихся в области пониженной их растворимости. Движущей силой этого процесса является различие в величине электрохимического потенциала растворенной примеси между этими областями - при одной и той же концентрации растворенной примеси ее электрохимический потенциал ниже в области с большей растворимостью. Эффект сегрегации может быть обусловлен: 1) различием в фазовом состоянии данного вещества, например, между кристаллом и расплавом в процессе выращивания кристалла; 2) различием в природе контактирующих между собой материалов, например, на границе кремний - двуокись кремния; 3) различием в уровне легирования различных областей пластины из-за влияния положения уровня Ферми на растворимость загрязняющих примесей или образования комплексов между атомами легирующей и загрязняющей примеси; 4) различием в уровне механических напряжений между различными областями пластины, вызывающим увеличение или уменьшение локальной растворимости примеси. Преимуществом сегрегационной очистки является то, что в данном случае отсутствует необходимость в пересыщении соответствующего примесного твердого раствора.
-3
12
-3
Существует также возможность создания эффективного внутреннего геттера в пластинах, основанная на существенной зависимости интенсивности распада пересыщенного твердого раствора кислорода от концентрации присутствующих в кристаллической решетке вакансий. Как показано в работе [Falster R., Voronkov V.V., Quasi F. On the Properties of the Intrinsic Point Defects in Silicon: A Perspective from Crystal Growth and Wafer Processing. // Phys. Stat. Sol (b). 2000. V.222. P.219-230.], при концентрациях вакансий в кристалле, превышающих уровень ~10 см, наблюдается резкая активация процесса распада твердого раствора кислорода. Создавая контролируемый профиль распределения вакансий по толщине термообрабатываемой пластины, мы легко можем контролировать эффективность распада пересыщенного твердого раствора кислорода со всеми вытекающими отсюда практическими последствиями. В частности, если концентрация вакансий в приповерхностной области пластины будет ниже критической величины (~10 см), то распад твердого раствора кислорода в этой области будет практически подавлен. При этом концентрация вакансий в объеме пластины должна существенно превышать критический уровень, что обеспечит интенсивный распад пересыщенного твердого раствора кислорода в этой области с образованием необходимого количества эффективно геттерирующих дефектных центров.
17
17
-3
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ упрочнения бездислокационных пластин кремния (Меженный М.В., Мильвидский М.Г., Резник В.Я. Патент РФ №2344210, МПК С30В 33/02; С30В 29/06; H01L 21/322 от 22.10.2007), который использует процесс распада твердого раствора кислорода при повышенных температурах, аналогичный процессу создания внутренних геттерирующих центров. Авторами были найдены условия создания кислородсодержащих микродефектов с заданной плотностью и размером, которые являются упрочняющими центрами, приводящими к повышению напряжений начала пластической деформации в пластине кремния с содержанием кислорода на уровне 6×10-9×10 см. Для образования упрочняющих центров пластины подвергают двухступенчатой термообработке в инертной атмосфере (аргон) 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 быстрым охлаждением на воздухе. Недостатком данного способа является то, что образующиеся при термообработке в процессе распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии кислородосодержащие микродефекты имеют небольшие размеры (10-20 нм) и, соответственно, небольшую энергию упругой деформации. По этой причине кислородосодержащие микродефекты не являются хорошими геттерирующими центрами, которые бы позволили эффективно удалять загрязняющие примеси из активных областей прибора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является формирование эффективного геттера в объеме монокристаллических бездислокационных пластин кремния большого диаметра за счет распада пересыщенного твердого раствора кислорода при термообработках для удаления загрязняющих быстродиффундирующих примесей в процессе создания активных слоев полупроводниковых приборов и интегральных схем и, кроме того, снижение энергопотребления при осуществлении способа.
17
17
-3
Поставленная техническая задача достигается тем, что используют процесс распада твердого раствора кислорода при повышенных температурах, для создания внутренних геттерирующих центров. Найдены условия создания кислородсодержащих микродефектов с заданной плотностью и размером, приводящими к созданию эффективного внутреннего геттера в монокристаллических пластинах кремния большого диаметра (150-300 мм). Данный способ позволяет значительно (в несколько раз) снизить энергопотребление при проведении многоступенчатых термообработок, направленных на создание в объеме пластины эффективного внутреннего геттера. Заявляемый способ применим для бездислокационных пластин кремния с содержанием кислорода 5×10-9×10 см. Нижний предел содержания кислорода в кремнии определяется следующим соображением: ниже этого предела пересыщение твердого раствора по кислороду невелико и для образования большого количества микродефектов большого размера требует длительных термообработок, что связано с большими энергозатратами. Верхний предел возможного содержания кислорода определяется тем, что в этом случае пересыщение твердого раствора кислорода в кремнии велико и распад протекает очень быстро и спонтанно. Управлять в этом случае размером и плотностью кислородосодержащих микродефектов практически не удается.
Технический результат предлагаемого способа достигается за счет трехступенчатой термообработки.
На первой стадии термообработку проводят при температуре 1200±25°С и длительности 30±10 с в атмосфере аргона в установке быстрого термического отжига. Такого типа установки позволяют практически мгновенно нагреть и охладить термообрабатываемую пластину кремния (отсутствует тепловая инерция). При этом в поперечном сечении пластины формируется необходимый профиль распределения вакансий. Вблизи поверхности пластины концентрация вакансий меньше концентрации в объеме пластины (эта разница может достигать порядка и даже больше).
Вторую стадию термообработки проводят при температуре 800±10°С в течение 4.0±0.25 ч в атмосфере аргона. На этой стадии термообработки начинается распад пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии с образованием определенного количества зародышей микродефектов определенной морфологии.
На третьей стадии термообработку проводят при температуре 1000±25°С в течение 16±0,25 ч в атмосфере аргона происходит диффузия кислорода к образовавшимся на предыдущей стадии зародышам микродефектов, в результате чего происходит рост их размеров. При этом в объеме пластины кремния устанавливается окончательная концентрация микродефектов, в том числе и за счет частичной коагуляции зародышей.
-3
2
При этом в объеме пластины образуется большое количество кислородсодержащих микродефектов (>10 см), в то время как приповерхностная область пластины толщиной ~80 мкм остается практически бездефектной. Вблизи поверхности пластины образуется бездефектный слой толщиной около 50 мкм. Этот эффект связан с тем, что концентрация вакансий вблизи поверхности меньше, чем в объеме. Скорость распада пересыщенного твердого раствора кислорода зависит не только от пересыщения по кислороду, но и от типа и концентрации собственных точечных дефектов. При образовании молекулы SiO, из которых и состоит в конечном счете кислородосодержащий микродефект, в кристаллическую решетку кремния инжектируются два междоузельных атома. В случае, когда доминирующим типом собственных точечных дефектов являются междоузельные атомы кремния, скорость образования микродефектов меньше, чем в случае, когда преобладающими дефектами являются вакансии кремния. Чем больше концентрация вакансий в кристаллической решетке, тем выше скорость рекомбинации инжектируемых микродефектом междоузельных атомов и, соответственно, легче идет процесс увеличения размера микродефектов. Именно по этой причине образуется приповерхностная бездефектная зона в пластине кремния. Доминирующими дефектами в объеме пластин кремния, прошедших термообработку по заявляемому режиму, являются приципитатно-дислокационные скопления и дефекты упаковки, которые обладают наибольшей эффективностью геттерирования загрязняющих, быстродиффундирующих металлических примесей.
Фигуры 1, 2 и 3 поясняют суть предлагаемого изобретения. На фиг.1 показано распределение дефектов, выявляемых селективным травлением на поперечных сколах пластин после проведения трехступенчатой термообработки. На фиг.2 показана зависимость объемной плотности микродефектов от расстояния от поверхности пластин после проведения трехступенчатой термообработки. На фиг.3 показано ПЭМ (просвечивающий электронный микроскоп) микрофотографии доминирующих типов дефектов, наблюдаемых в пластинах кремния, прошедших трехступенчатую термообработку: а) линейное преципитат-дислокационное скопление; б) глобулярное преципитат-дислокационное скопление; в) дефект упаковки внедренного типа.
Пример выполнения способа
17
-3
По предлагаемому способу были обработаны бездислокационные пластины кремния диаметром 200 мм толщиной 680 мкм, 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>. Концентрация растворенного кислорода в образцах составляла (6-7)×10 см, а удельное сопротивление 5-10 Ω·см (легирующая примесь бор).
Термообработку на первой стадии трехступенчатой термообработки проводили в установке для быстрых термических процессов AS-Master (фирмы AnnealSys, Франция) при температуре 1200±25°С в течение 30±10 с в атмосфере аргона.
Термообработку пластин кремния на второй и третьей стадиях проводили в атмосфере очищенного аргона («ОСЧ») в трехзонной трубчатой горизонтальной печи Naberterm C250. Термообрабатываемые пластины кремния были помещены в герметичный кварцевый контейнер, заполненный аргоном, и расположены в средней зоне печи, имеющей «температурную полку» протяженностью 25 см. Однородность поддержания температуры в пределах этой полки составляет ±1°С. Вторую и третью стадии термообработки проводили в совмещенном процессе: сначала термообработку проводили при температуре 800°С в течение 4 часов, а затем температуру в печи поднимали до 1000°С и термообработку проводили в течение 16 часов. По окончании процесса выдержки на третьей стадии термообработки контейнер с пластинами кремния извлекали из печи и охлаждали до комнатной температуры.
3
Структурные особенности образцов исследовали методами оптической микроскопии (ОМ) на поперечных сколах пластин (интерференционный контраст по Номарскому после селективного химического травления в растворе 1,5М CrO:HF=1:1) и дифракционной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Картина распределения микродефектов по сечению пластины приведена на фиг.1. Зависимость объемной плотности микродефектов от расстояния от поверхности пластины, прошедшей многоступенчатую термообработку, приведена на фиг.2. На фиг.3 (а, б, в) показаны ПЭМ-микрофотографии доминирующих типов дефектов, которые наблюдали в пластинах кремния, прошедших трехступенчатую термообработку. В результате проведенных исследований установлено, что превалирующим типом дефектов являются дефекты, которые являются эффективными геттерирующими центрами.
17
17
-3
Полученные результаты свидетельствуют о том, что трехступенчатая термообработка пластин кремния с содержанием кислорода на уровне 6×10-9×10 см в заявляемых режимах позволяет сформировать эффективные внутренние геттеры в монокристаллических бездислокационных пластинах кремния. Кроме того, предлагаемый способ позволяет снизить энергопотребление.