Патент на изобретение №2224330

(54) СПОСОБ ГЕТТЕРИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к микроэлектронике. Предложенный способ геттерирующей обработки полупроводниковых пластин включает формирование на нерабочей стороне пластины функционально являющегося наружным геттером, структурно нарушенного слоя путем образования микрорельефа в процессе снятия регламентируемого припуска посредством обработки шлифованием. При этом в качестве режущего инструмента при обработке шлифованием используют алмазный круг на эластичной основе. Указанный круг в процессе снятия регламентируемого припуска деформируют внешним усилием в направлении, ортогональном обрабатываемой поверхности пластины, на заданную величину, достаточную для обеспечения огибания дискретными режущими элементами (алмазными зернами) упомянутого круга всего профиля контура исходных микронеровностей обрабатываемой поверхности полупроводниковой пластины с возможностью образования на этой поверхности вышеупомянутого структурно нарушенного слоя в виде регулярного микрорельефа. При этом величина снимаемого при геттерировании припуска соизмерима с величиной режущих зерен алмазного круга и меньше величины исходных микронеровностей на обрабатываемой поверхности пластины. В результате исключается возможность появления разрушений обрабатываемой поверхности в виде сколов в зоне вершин исходных микронеровностей, повышается эффективность геттерирующей обработки за счет снижения концентрации остаточных дефектов в пластине. 2 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в технологии изготовления как дискретных полупроводниковых приборов, так и интегральных микросхем для очистки (геттерирования) исходных пластин-подложек и структур (например, на основе монокристаллического кремния) от фоновых примесей и структурных дефектов посредством искусственного создания на нерабочей стороне подложки генерирующего слоя (т.е. геттера, образованного механическим путем).

Наличие в полупроводниковых пластинах-подложках (например, кремниевых) структурных дефектов и фоновых примесей (прежде всего кислорода, углерода, быстро диффундирующих атомов металлов Сu, Fe, Au и др.) в существенной мере ухудшает электрофизические, функциональные характеристики полупроводниковых приборов и их эксплуатационную надежность, а также процент выхода годных дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

В настоящее время для улучшения электрофизических характеристик, расширения функциональных свойств, а также повышения надежности полупроводниковых приборов широко используются различные методы очистки (геттерирования) исходных пластин-подложек от фоновых примесей и структурных дефектов посредством искусственного создания на пластине-подложке слоев (внутренних или поверхностных) с кристаллографическими нарушениями, которые формируют преимущественно вне областей расположения активных элементов упомянутых полупроводниковых приборов.

Из уровня техники известен способ обработки кремниевых подложек, включающий их трехстадийный отжиг при высоких (1270-1470К), затем при пониженных (до 1070-1120К) и вновь при высоких температурах в инертной атмосфере. При такой обработке, во-первых, очищается от примесей (главным образом от кислорода) приповерхностный приборный (рабочий) слой подложек, а во-вторых, во внутреннем объеме подложки (“внутренний геттер”) образуется область с повышенной концентрацией кристаллографических дефектов. Эта область является геттером для примесей и дефектов на всех последующих технологических операциях изготовления конкретного полупроводникового прибора и/или его составляющего элемента. Эта область с кристаллографическими нарушениями (как ранее указывалось, называемая “внутренним геттером”) возникает вследствие преципитации кислорода и частично углерода с образованием частиц второй фазы (SiO_x, где х2, и SiC), которые при высоких температурах способны генерировать дислокационные петли, являющиеся стоком для фоновых примесей и неравномерно распределенных собственных точечных дефектов монокристалла (см. Немцов Г.З. и др. , “Очистка кремния от примесей с помощью внутреннего геттера”, Микроэлектроника, 1983 г., т.12, вып.3, с.432-439).

К основным недостаткам данного известного из уровня техники способа “внутреннего геттерирования” необходимо отнести следующее.

Для формирования структурно нарушенного (геттерирующего) слоя во внутреннем объеме кристаллов требуется проведение длительных (более 10 ч) операций термообработки, что сопряжено с высокими энергозатратами.

Другой недостаток рассматриваемого известного из уровня техники способа – низкая воспроизводимость идентичности генерирующих свойств (по степени структурного совершенства приповерхностных /рабочих/ слоев пластин-подложек, где и создаются активные области приборов), которые определяются концентрацией и технологическим распределением примесей и дефектов, накапливающихся в монокристаллах при выращивании слитков и последующем изготовлении пластин-подложек. Неравномерность распределения ростовых дефектов и примесей по объему монокристаллического слитка приводит к различиям в структуре геттерирующих слоев на пластинах-подложках (и, в том числе, изготавливаемых из них приборных композициях однотипных партий), то есть к снижению идентичной воспроизводимости упомянутых объектов при серийном и/или массовом изготовлении этих объектов (т.е. полупроводниковых приборов и/или интегральных микросхем на их основе). Такая неоднородность в распределении и различии в размерах преципитатов и центров их зарождения возникает в процессе выращивания слитка и на последующих операциях изготовления пластин-подложек. Эффективность геттерирования в этом случае тем ниже, чем меньше концентрация преципитатов и выше неоднородность их распределения в пределах области внутреннего геттера. Обе эти характеристики эффективности (т.е. емкости) внутреннего геттерирующего слоя определяются, главным образом, объемной концентрацией, типом и характером пространственного распределения примесей и дефектов (микродефектов), возникающих при выращивании монокристаллических кремниевых слитков и являющихся основными центрами зарождения геттерирующих преципитатов.

К настоящему времени экспериментально и теоретически доказано, что ростовые примесно-дефектные кластеры и фоновые примеси в слитках кремния (и других полупроводниковых материалах) имеют неравномерный и неоднородный характер как в поперечном, так и в продольном сечениях слитков. Вследствие этого, при использовании вышеописанного известного способа эффективность формируемого внутреннего геттера существенно изменяется как от подложки к подложке в пределах однотипной партии изделий, полученной из основного слитка, так и по сечению (в первую очередь по поверхности рабочей стороны) каждой отдельно взятой пластины-подложки. В результате, из-за низкой воспроизводимости геттерирующих свойств внутреннего нарушенного слоя в приповерхностных слоях сохраняются зоны, в которых могут накапливаться фоновые примеси и возникать дефекты при окислении, эпитаксии и других технологических операциях.

Кроме того, к недостаткам можно отнести и невысокую степень очистки пластин с помощью внутреннего геттера вследствие малой концентрации геттерирующих преципитатов, образующихся при трехстадийном отжиге. Низкая концентрация преципитатов объясняется тем, что при высоких температурах часть центров зарождения углеродных и кислородных кластеров растворяется и компоненты их (атомы примесей и собственные точечные дефекты) поглощаются поверхностью или внутренними атомами.

Из уровня техники также известен способ геттерирующей обработки полупроводниковых пластин, включающий облучение нерабочей стороны пластины ионами средних энергий (30-500 кэВ) и последующий отжиг в вакууме или инертной атмосфере (ЕР 031984 А1, 14.06.89 г., 031985 А1, 14.06.89 г.).

Этот способ обеспечивает воспроизводимое и контролируемое формирование генерирующего слоя на заданной глубине с известными для большинства сочетаний пар “мишень-ион” профилями распределения и концентрациями генерирующих центров. Вследствие чего с его помощью пластины-подложки эффективно очищаются от широкого спектра примесных загрязнений.

Недостаток данного известного способа генерирования состоит в том, что при ионном облучении и последующем отжиге практически не изменяется концентрация микродефектов особенно в пластинах-подложках, изготовленных из слитков с длительным сроком хранения (т.е. “состарившихся”). Это связано с образованием вокруг микродефектов примесных атмосфер, препятствующих их растворению во время облучения и отжига, что не позволяет повысить степень структурного совершенства полупроводниковых пластин-подложек.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ гетеррирующей обработки полупроводниковых пластин (подложек), включающий формирование на нерабочей стороне пластин (т.е. на стороне, где впоследствии не будут создаваться активные области приборов) структурно нарушенного слоя (функционально являющегося наружным “геттером”) путем образования микрорельефа в процессе снятия регламентируемого припуска посредством абразивной обработки, например шлифованием, и последующий высокотемпературный отжиг в вакууме или атмосфере инертного газа.

Структурно нарушенный (геттерирующий) слой на нерабочей стороне пластин (подложек) во время отжига генерирует фоновые примеси и неравновесные собственные точечные дефекты материала (В.Д. Лабунов, И.Л. Баранов, В.П. Бондаренко и др. “Современные методы генерирования в технологии полупроводниковой электроники”, Зарубежная электронная техника, 1983 г., 11, с.3-66; Е. И. Верховский. “Методы генерирования примесей в кремнии”. Обзоры по электронной технике, сер. 2 “Полупроводниковые приборы”, 1981 г., вып. 8 (838), с.30-45).

К недостаткам данного известного из уровня техники способа геттерирования полупроводниковых пластин необходимо отнести следующее.

При осуществлении геттерирования, например, посредством подшлифовки нерабочей стороны пластины свободным абразивом (любым известным из уровня техники методом, например абразивом в суспензии, с подачей воздухом или жидкостью /водой/ под давлением) наблюдаются следующие явления:
– скорость съема материала изменяется незначительно в зависимости от варьирования параметрами (давлением и временем) обработки;
– прогиб пластин после обработки у большинства пластин значительно увеличивается (более чем в два раза), что свидетельствует о неравномерном внесении механических напряжений в приповерхностный слой пластины;
– в процессе обработки на поверхности пластин образуются глубокие царапины, что недопустимо, поскольку это в процессе термообработки может привести к образованию дислокации и окислительных дефектов упаковки;
– нанесение механического геттера на нерабочую сторону пластины происходит неравномерно, что объясняется неравенством длин путей трения различных точек поверхности пластины по инструменту из-за отсутствия вращения вокруг собственной оси и самоустановки пластины при обработке.

При осуществлении геттерирования, например, посредством подшлифовки нерабочей стороны пластины связанным абразивом (шлифовальным кругом на жесткой основе) наблюдаются несанкционированные, распределенные по случайному закону сколы в зоне вершин исходных микронеровностей обрабатываемой поверхности вследствие ударного динамического воздействия на эти зоны режущими элементами /зернами/ инструмента при переходе с одной зоны на другую. Это может привести к образованию дислокации и окислительных дефектов упаковки в процессе последующей термообработки пластин, т.е. снижает эффективность механического геттера.

Технической задачей заявленного изобретения является обеспечение в способе геттерирующей обработки полупроводниковых пластин таких условий резания, посредством которых была бы исключена возможность появления разрушений обрабатываемой поверхности в виде сколов в зоне вершин исходных микронеровностей обрабатываемой поверхности, путем исключения ударного динамического воздействия на эти зоны режущими элементами /зернами/ инструмента при переходе с одной зоны на другую, и, как следствие, повышение эффективности генерирующей обработки за счет снижения концентрации остаточных дефектов в полупроводниковых монокристаллических пластинах.

Поставленная задача реализуется посредством того, что в способе генерирующей обработки полупроводниковых пластин, включающем формирование на нерабочей стороне пластины функционально являющегося наружным “геттером” структурно нарушенного слоя путем образования микрорельефа в процессе снятия регламентируемого припуска посредством обработки шлифованием, согласно изобретению в качестве режущего инструмента при обработке шлифованием используют алмазный круг на эластичной связке, который в процессе снятия регламентируемого припуска деформируют внешним усилием в направлении, ортогональном обрабатываемой поверхности пластины на заданную величину, достаточную для обеспечения огибания дискретными режущими элементами (т.е. алмазными зернами) упомянутого круга, по меньшей мере, части профиля исходных микронеровностей обрабатываемой поверхности полупроводниковой пластины с возможностью образования на этой поверхности вышеупомянутого структурно нарушенного слоя в виде регулярного микрорельефа.

Изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 показана принципиальная схема резания и заданной деформации алмазного шлифовального круга (вид сбоку в разрезе).

На фиг. 2 – траектория перемещения режущего элемента (зерна) алмазного шлифовального круга в процессе обработки (вид в плане).

Способ геттерирующей обработки полупроводниковых пластин осуществляется следующим образом.

Обрабатываемую полупроводниковую пластину 1 закрепляют одним из известных способов на базовой поверхности 2 стола 3. Формируют на нерабочей стороне 4 пластины 1 структурно нарушенный слой путем образования регулярного микрорельефа посредством абразивной обработки шлифованием. В качестве инструмента 5 при абразивной обработке используют алмазный круг 6 на эластичной основе (связке) с торцовой рабочей поверхностью, который закреплен на жесткой оправке 7 (условно показанной пунктиром, которая не нарушает эластичность круга 6), связанной со шпинделем 7 с возможностью вращения, например, по стрелке “V”. Алмазный шлифовальный круг 6 в процессе резания деформируют внешним усилием в направлении, ортогональном обрабатываемой поверхности 4 на заданную величину, обеспечивающую огибания его режущими элементами (т.е. алмазными зернами), по меньшей мере, части профиля 9 исходных микронеровностей 10 обрабатываемой поверхности 4.

В результате данного способа геттерирования на нерабочей стороне 4 обрабатываемой полупроводниковой пластины 1 формируется структурно нарушенный слой со строго регулярным микрорельефом в виде сетки, образованной взаимным наложением траекторий 11 перемещения отдельных режущих элементов (алмазных зерен) инструмента одна на другую. При этом в результате плавного огибания режущими элементами в процессе обработки исходных микронеровностей 10 (по меньшей мере, в зоне их контура, примыкающей к вершинам микронеровностей 10) исключается образование сколов в упомянутых зонах ввиду отсутствия в этих зонах динамического ударного воздействия режущих элементов (алмазных зерен) на обрабатываемый материал.

Пример конкретной реализации.

В качестве обрабатываемых пластин были использованы кремниевые пластины марки 100 КДБ-10 (111). В качестве рабочего инструмента использовали торцовый алмазный круг диаметром 20 мм, толщиной 4,5 мм на эластичной основе (связке) марки КЭАС с зернистостью 5 мкм. Скорость вращения инструмента составляла от 30 до 40 тысяч оборотов в минуту. Глубина резания (т.е. величина снимаемого припуска) составляла от 5 до 7 мкм. Скорость подачи инструмента (по стрелке S) составляла от 300 до 500 мм/мин.

Для исследования сформированного согласно заявленному способу механического геттера было произведено окисление обработанной поверхности пластин. Плотность окислительных дефектов упаковки на обратной стороне пластины составила примерно 10⁴-10⁵ см^-2, что вполне достаточно для эффективного функционирования сформированного структурно нарушенного слоя в качестве внешнего геттера.

Таким образом, заявленное техническое решение может быть широко использовано в технологии изготовления как дискретных полупроводниковых приборов, так и интегральных микросхем для очистки (геттерирования) исходных пластин-подложек и структур (например, на основе монокристаллического кремния) от фоновых примесей и структурных дефектов посредством искусственного создания на подложке геттерирующего слоя (внешнего механического геттера).

Формула изобретения

Способ геттерирующей обработки полупроводниковых пластин, включающий формирование на нерабочей стороне пластины функционально являющегося наружным геттером структурно нарушенного слоя путем образования микрорельефа в процессе снятия регламентируемого припуска посредством обработки шлифованием, отличающийся тем, что в качестве режущего инструмента при обработке шлифованием используют алмазный круг на эластичной основе, который в процессе снятия регламентируемого припуска деформируют внешним усилием в направлении, ортогональном обрабатываемой поверхности пластины, на заданную величину, достаточную для обеспечения огибания дискретными режущими элементами (алмазными зернами) упомянутого круга всего профиля контура исходных микронеровностей обрабатываемой поверхности полупроводниковой пластины с возможностью образования на этой поверхности вышеупомянутого структурно нарушенного слоя в виде регулярного микрорельефа, при этом величина снимаемого при геттерировании припуска соизмерима с величиной режущих зерен алмазного круга и меньше величины исходных микронеровностей на обрабатываемой поверхности пластины.

РИСУНКИ