Патент на изобретение №2188477
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ
(57) Реферат: Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при проведении различных процессов отрасли. Технический результат – упрощение способа и обеспечение универсальности его применения. Способ предусматривает микротехнологическую обработку поверхности подложки в режиме, устанавливаемом по результатам предварительного определения сорбционного взаимодействия физико-химического фактора с поверхностью подложки. В качестве подложки используют карбид кремния, микротехнологической обработке подвергают поверхность базовой грани {0001} подложки, которую устанавливают по соотношению значений краевых углов смачивания дистиллированной водой Si- и С-поверхностей базовой грани карбида кремния, очищенных с помощью HF и/или обработанных расплавом КОН, при этом о Si-поверхности судят по большему значению, а о С-поверхности – по меньшему значению краевого угла смачивания. 1 табл. Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при проведении различных процессов отрасли: нанесения слоев полупроводника или твердого тела, травления, модификации микроэлектронных структур. При проведении процессов микроэлектроники управление осуществляют по критерию воспроизведением требуемых структурных характеристик и стехиометрического соотношения компонентов производят: а) предварительным нанесением на подложку затравочного органического ориентирующего слоя (US 5176786, С 30 В 23/00, 1993); б) установлением режима обработки при парциальном давлении паров по меньшей мере одного из исходных материалов обратно пропорционально концентрации этого материала в растущем монокристалле (РСТ 94/12698, С 30 В 23/00, 29/48); в) регулированием соотношения количества атомов в потоке осаждаемых компонентов из расчета требуемой концентрации носителей в эпитаксиальном слое (JP 5-10317, С 30 В 25/02, 25/16, 1993); г) поддержанием избытка полупроводникового материала в молекулярном пучке, направляемом на подложку (US 5273617, С 30 В 23/02, 1993). Однако данные аналоги обладают низкой надежностью воспроизведения требуемых структурных характеристик и стехиометрического соотношения компонентов в целевом продукте. Наиболее близким к заявляемому является способ управления процессом получения полупроводниковой структуры по критерию структурного упорядочения кристаллической решетки осаждаемого слоя, предусматривающий микротехнологическую обработку поверхности подложки в режиме, устанавливаемом по результатам предварительного определения сорбционного взаимодействия физико-химического фактора с поверхностью подложки. В качестве физико-химического фактора на подложку воздействуют корпускулярным потоком каждого наносимого компонента, а о результатах сорбционного взаимодействия для принятия решения о значении управляющего микротехнологического воздействия судят по энергии десорбции корпускулярного потока с поверхности подложки (RU 2132583, Н 01 L 21/203, 1999). Однако данный способ сложен и не обладает универсальностью, поскольку его сфера применения ограничена лишь управлением процессами, предусматривающими осаждение полупроводника на подложку из двухкомпонентной смеси. Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа и обеспечение универсальности его применения для управления различными процессами микротехнологии. Указанная цель достигается тем, что в способ управления процессом получения полупроводниковой структуры, предусматривающий микротехнологическую обработку поверхности подложки в режиме, устанавливаемом по результатам предварительного определения сорбционного взаимодействия физико-химического фактора с поверхностью подложки, вносятся следующие изменения: 1) в качестве подложки используют карбид кремния (SiC); 2) в качестве физико-химического фактора поверхности подложки смачивают дистиллированной водой; 3) микротехнологической обработке подвергают поверхность базовой грани { 0001} подложки; 4) поверхность базовой грани для микротехнологической обработки определяют по соотношению значений краевых углов смачивания дистиллированной водой Si- и С-поверхностей базовой SiC, очищенных с помощью HF и/или обработанных расплавом КОН, при этом о Si-поверхности судят по большему значению, а о С-поверхности – по меньшему значению краевого угла смачивания. Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом заключается в следующем. В соответствии с тенденциями развития микроэлектронных технологий в предлагаемом способе используют представляющую наибольший практический интерес базисную полярную грань {0001}. Полярность этой грани оказывает существенное влияние на процессы сублимационного роста, жидкостного травления, окисления и растворимости примесей при росте кристаллов SiC. Полярные направления влияют на устойчивость роста монокристаллов (Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков – Москва, “Металлургия”, 1988), а также на растворимость примесей при росте кристалла (Чупрунов Е.В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М.А. Кристаллография: учебник для вузов. – М.: Изд-во физ. -мат. л-ры, 2000, с. 461-468). Кроме того, как видно из приводимых ниже примеров, скорости химического травления, окисления и сублимационного роста на углеродной грани { 0001} С больше, чем на грани {0001}Si. Это связано, по-видимому, с меньшей свободной поверхностной энергией С-грани. Поэтому для обеспечения управляемости процессом необходимо определять полярность подлежащей обработке поверхности базовой грани SiC. Именно эта операция оставалась узким местом микроэлектронных технологий, связанных с использованием SiC. В известных технических решениях данную операцию выполняют следующим образом: Однако оптический контроль требует достаточно глубокой химической обработки, что часто приводит к разрушению поверхности контролируемого образца, а анализ с помощью Оже-спектроскопии требует дорогостоящего оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала. В предлагаемом же техническом решении указанные недостатки устранены, поскольку операцию контроля поверхности базовой {0001}грани SiC производят простейшим приемом (смачивания поверхностей данной грани с последующим определением краевого угла смачивания), причем, как пояснено примерами, чувствительность контроля допускает мягкую химическую обработку исследуемой поверхности SiC. Режим обработки в формуле изобретения не указан, поскольку в жестких условиях данная операция тем более осуществима. Таким образом, предлагаемый способ основан на впервые установленной авторами неизвестной ранее корреляционной связи краевого угла смачивания поверхности базовой {0001}грани SiC с ее полярностью, что, как видно из приведенных примеров, важно для прогнозирования морфологических, электрофизических и оптических свойств, а также геометрических параметров микроэлектронных структур. Краевой угол смачивания , характеризующий степень смачивания поверхности, определяют как угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз (твердая поверхность -жидкость – воздух). Его угол измеряют в сторону жидкости.
В таблице приведены результаты определения полярности поверхности базовой {0001}грани SiC.
Операция определения полярности поверхности базовой грани поясняется примером 1, а возможное использование результатов – примерами 2-5.
ПРИМЕР 1. Идентификацию граней кристаллов карбида кремния проводят в сравнительных испытаниях с референс-методом Оже-спектроскопии (на части испытуемых поверхностей) на 22-х образцах (см. таблицу), отполированных пастой, содержащей абразивный компонент. Значения краевых углов Si и C смачивания дистиллированной водой (удельное сопротивление 18 МОм см) Si- и С-поверхностей базовой {0001}грани соответственно определяют для каждой грани в 4-9-кратной повторности. С целью повышения статистической достоверности, для двух образцов ( 1 и 10) измерения проводят по 23 раза.
После каждого измерения (с двух сторон) кристаллы подвергают очистке кипячением в растворе состава Н2О:НСl:Н2O2 (объем, соотношение 2:1:1 соответственно) в течение 20 минут с последующей тщательной промывкой в деионизованной воде и просушкой с помощью сжатого воздуха.
Как видно из таблицы, обработки шлифованием недостаточно для идентификации полярности грани, в том числе с применением статистического анализа. Это видно как из прямого анализа результатов, так и из значений указанного в таблице статистического Т-критерия Стьюдента. Поэтому исследуемые поверхности восьми кристаллов (NN Нв 15+22) далее очищают от окислов с помощью плавиковой кислоты (HF), после чего определяют значения краевых углов смачивания Si и C как описано выше в 4+8-кратной повторности. Как видно из таблицы, значения Si и C существенно возросли (Si= 56,5+60,8; C= 54,1+57,8), причем попарное сравнение результатов свидетельствует о том, что для каждого кристалла имеет место соотношение Si>C, что и позволяет в предлагаемом способе идентифицировать заряд исследуемой поверхности SiC. Поскольку в данном примере получен 100%-ный результат, оценка статистической достоверности дается на основании критерия Стьюдента в модификации Ван-дер-Вардена, а именно:p=[(N+l)/N+2)] 100%, (1)где р – статистическая достоверность; N – число наблюдений. Согласно формуле (1), для данного варианта р=[(8+1)/(8+2)] 100=90%.
Далее 21 образец, в том числе образцы 1-14 (14 шт.), не обработанные HF, а также образцы 15-21 (7 шт.), обработанные HF, подвергают мягкой обработке расплавом КОН в режиме, не допускающем образования ямок травления глубиной более 1 мкм. Этого достигают экспозицией образцов в расплаве КОН в течение 5+10 мин при температуре 350+400oС. Как видно из таблицы, при парном сравнении для всех образцов Si C, особенно у не обработанных HF, где разность Si–C = 9 38 . У обработанных HF образцов Si– C = 14. Достоверность различий – более 95%.
ПРИМЕР 2. На Si- и С-поверхности базовой грани {0001} образцов 15 и 16, обработанных HF, наносят алюминиевую маску толщиной 1 мкм с помощью электронно-лучевого распыления. Затем образцы помещают в расплав КОН при температуре 450oС на 30 мин, после чего контролируют глубину травления микроскопированием по глубине резкости. В данном примере глубина травления С-грани составляет 8 мкм, а Si-грани – 3,5 мкм, что в 2,3 раза меньше (здесь и ниже приводятся средние значения технических характеристик), что учитывают далее при управлении процессом получения меза-структур требуемой глубины для гальванического разделения диодных и транзисторных элементов.
ПРИМЕР 3. На Si-поверхности образцов 11 и 12 и С-поверхности образцов 13 и 14 методом сублимации при 2200oС в атмосфере аргона эпитаксиально выращивают слой карбида кремния толщиной 8 мкм, легированный скандием для активации люминесценции. Эпитаксиальные слои на Si-поверхностях в зеленом спектре 2,2 эВ обладают интенсивностью люминесценции, в 4 раза превышающей таковую для С-поверхности. Различие интенсивностей люминесценции объясняется различной концентрацией доноров (N) и акцепторов (Sc), поскольку основную роль в обеспечении высокой интенсивности люминесценции играет азот – примесь, содержащаяся в используемом инертном газе. На углеродной грани растворимость азота в SiC в десятки раз больше, чем на кремниевой, что учитывают далее при организации управления процессом эпитаксии при получении полупроводниковой структуры, используемой в силовой электронике.
ПРИМЕР 4. Si- и С-поверхности базовой грани {0001} образцов 17, 18 и 19, которые были обработаны HF, выдерживают в кварцевой ампуле при температуре 950o
ПРИМЕР 5. На Si- и С-поверхности базовой грани {0001} образцов 20, 21 и 22, которые были подвергнуты травлению в расплаве КОН, методом сублимации при 2200oС в атмосфере аргона эпитаксиально выращивают слой карбида кремния толщиной 9 мкм. Далее морфологию поверхностей анализируют в оптическом микроскопе. Установлено, что на С-поверхности эпитаксиальный слой – гладкий, тогда как на Si-поверхности наблюдаются гексагональные фигуры роста с перепадом по высоте до 2 мкм, что учитывают при управлении процессом эпитаксиального выращивания SiC на подложке из SiC для последующего формирования коммутационных систем, нарушение планарности которых в условиях развитого микрорельефа поверхности может привести к разрыву металлизации и потере работоспособности микроэлектронного прибора.
Как следует из приведенных примеров, использование предлагаемого способа проще прототипа, поскольку новый способ основан на простейшей операции – определении углов смачивания анализируемых поверхностей кристалла SiC. Универсальность нового способа вытекает из возможности его применения для управления всем спектром микротехнологических процессов: эпитаксии (пример 3), тотального травления (пример 5), микропрофилирования (пример 2) и окисления (пример 4).
Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 31.07.2005
Извещение опубликовано: 7.06.2006 БИ: 18/2006
|
||||||||||||||||||||||||||
