RU2105381C1

RU2105381C1 - Method for processing of silicon plates

Info

Publication number: RU2105381C1
Application number: RU96123905/25A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Петуров; В.Д. Скупов; Л.А. Синегубко; Ю.А. Кабальнов; А.И. Соловьев; В.К. Смолин
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительных систем
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: microelectronics, in particular, manufacturing of digital equipment and integral circuits. SUBSTANCE: method involves preliminary restorable deformation of plates by means of bending so that working side of plate is concave, running triple-stage annealing of plates in deformed state in noble gas. First stage annealing runs at temperature of 1270-14-70 K, then temperature is decreased under rate of 1.4-16 K per minute and plates are kept at temperature of 1070-1120 K. Then temperature is again increased under rate of 1.4-16 K per minute and plates are kept at temperature of 1270-1470 K. EFFECT: increased functional capabilities. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для подготовки кремниевых пластин-подложек в производстве дискретных приборов и интегральных схем. The invention relates to the field of microelectronics and can be used for the preparation of silicon wafers-substrates in the production of discrete devices and integrated circuits.

Известен способ [1] обработки пластин кремния, улучшающий их структурное совершенство за счет уменьшения концентрации фоновых (главным образом, металлических) примесей и дефектов, который включает формирование на нерабочей стороне пластин (т.е. на стороне, где не создаются активные области приборов) структурно нарушенного слоя, например, путем абразивной, лазерной или ионно-лучевой обработкой, и последующую термообработку в инертной или окислительной атмосферах при температурах из интервала 1073 - 1473 К. Структурно нарушенный слой на нерабочей стороне пластин является геттером для неконтролируемых фоновых примесей и дефектов, очищающим от них объем пластины во время отжига при повышенных температурах. A known method [1] of processing silicon wafers, improving their structural perfection by reducing the concentration of background (mainly metal) impurities and defects, which includes the formation on the non-working side of the wafers (ie on the side where active areas of the devices are not created) structurally disturbed layer, for example, by abrasive, laser or ion-beam treatment, and subsequent heat treatment in an inert or oxidizing atmosphere at temperatures from the interval 1073 - 1473 K. The structurally disturbed layer is inoperative s side plates is a getter for an uncontrolled background impurities and defects, purifying them volume of plate during annealing at elevated temperatures.

Недостатком известного способа [1] является то, что формирование нарушенного слоя - геттера на одной стороне пластин обуславливает возникновение нескомпенсированных по толщине пластины упругих напряжений, т.е. изгибающего момента, приводящего к макроизгибу пластин. Это ухудшает качество проведения литографических процессов на пластинах и, как следствие, снижает процент выхода годных приборов. Кроме того, наличие геттера на поверхности пластин приводит к взаимодействию его с примесями из окружающей среды, т.е. к неконтролируемому загрязнению в межоперационный период, что снижает эффективность основного геттерирования. A disadvantage of the known method [1] is that the formation of a broken layer — getter on one side of the plates causes the appearance of elastic stresses uncompensated over the thickness of the plate, i.e. bending moment leading to macrobending of the plates. This affects the quality of lithographic processes on the plates and, as a result, reduces the percentage of suitable devices. In addition, the presence of a getter on the surface of the plates leads to its interaction with impurities from the environment, i.e. uncontrolled contamination during the interoperational period, which reduces the effectiveness of the main gettering.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ обработки пластин кремния [2], включающий трехстадийный отжиг пластин в течение заданного времени в инертной атмосфере, который проводит сначала при высоких температурах 1270 - 1470 К, затем при пониженных 1070 - 1120 К и вновь при высоких температурах. При таком трехстадийном отжиге вследствие возникновения и роста преципитатов, преимущественно кислородных и углеродных, в серединной области пластин образуется структурно нарушенный слой, являющийся геттером для дефектов и примесей практически на всех операциях технологического маршрута изготовления приборов. The closest technical solution to the claimed is a method of processing silicon wafers [2], including three-stage annealing of the wafers for a predetermined time in an inert atmosphere, which is carried out first at high temperatures of 1270 - 1470 K, then at low temperatures 1070 - 1120 K and again at high temperatures . With this three-stage annealing, due to the appearance and growth of precipitates, mainly oxygen and carbon, in the middle region of the plates, a structurally broken layer is formed, which is a getter for defects and impurities in almost all operations of the technological route of manufacturing devices.

Преимуществом способа [2], т.н. способа внутреннего геттерирования, по сравнению со способом [1] является отсутствие макроизгиба пластин в силу симметричного расположения геттера относительно рабочей и нерабочей сторон пластины. Кроме того, внутренний геттер защищен приповерхностными отчищенными слоями кремния от взаимодействия с окружающей средой, т.е. не подвержен неконтролируемому загрязнению примесями, снижающему геттерирующие свойства нарушенных слоев в способе обработки [1]. The advantage of the method [2], the so-called The method of internal gettering, in comparison with the method [1], is the absence of macrobending of the plates due to the symmetrical arrangement of the getter relative to the working and non-working sides of the plate. In addition, the internal getter is protected by surface cleaned silicon layers from interaction with the environment, i.e. not subject to uncontrolled contamination with impurities, which reduces the gettering properties of the broken layers in the processing method [1].

Основным недостатком способа [2] является невысокая степень очистки пластин кремния 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. К недостаткам способа [2] следует отнести также низкую воспроизводимость и пространственную неоднородность геттерирующих свойств внутреннего геттера, что связано с неоднородностью пространственного распределения центров зарождения преципитатов и самих преципитатов. Такая неоднородность в распределении и различие в размерах преципитатов и центров их зарождения возникают в процессе выращивания слитка и на последующих операциях изготовления подложек. The main disadvantage of the method [2] is the low degree of purification of silicon wafers using an internal getter due to the low concentration of gettering precipitates formed during three-stage annealing. The low concentration of precipitates is explained by the fact that at high temperatures part of the nucleation centers of the carbon and oxygen clusters dissolves and their components (impurity atoms and intrinsic point defects) are absorbed by the surface or internal atoms. The disadvantages of the method [2] should also include the low reproducibility and spatial heterogeneity of the gettering properties of the internal getter, which is associated with the heterogeneity of the spatial distribution of the nucleation centers of the precipitates and the precipitates themselves. Such heterogeneity in the distribution and differences in the sizes of precipitates and their nucleation centers arise during the growth of the ingot and in the subsequent operations of manufacturing the substrates.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение степени очистки пластин кремния от примесей и дефектов с помощью внутреннего геттера. The technical result of the proposed method is to increase the degree of purification of silicon wafers from impurities and defects using an internal getter.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки пластин, включающем трехстадийный отжиг пластин в инертной атмосфере, который проводит сначала при высоких температурах 1270 - 1470 К, затем при пониженных 1070 - 1120 К и вновь при высоких температурах интервала 1270 - 1470 К, перед отжигом пластины упруго деформируют изгибом так, чтобы рабочая сторона пластин была вогнутой, и отжигают пластины в деформированном состоянии, при этом поднимают и снижают температуру на каждой из стадий со скоростью из интервала 1,4 - 1,6 град./мин. The technical result is achieved by the fact that in the plate processing method, which includes a three-stage annealing of the plates in an inert atmosphere, which is carried out first at high temperatures of 1270-1470 K, then at low temperatures of 1070-1120 K and again at high temperatures of the interval 1270-1470 K, before annealing the plates are elastically deformed by bending so that the working side of the plates is concave, and the plates are annealed in a deformed state, while raising and lowering the temperature at each stage with a speed from the interval 1.4 - 1.6 deg./min.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что перед отжигом пластины упруго деформируют изгибом так, чтобы рабочая сторона пластин была вогнутой, и отжигают пластины в деформированном состоянии, поднимая и снижая температуру на каждой стадии со скоростью из интервала 1,4 - 1,6 град./мин. A new, undetected in the analysis of patent and scientific and technical literature, in the claimed method is that before annealing, the plates are elastically deformed so that the working side of the plates is concave, and the plates are annealed in a deformed state, raising and lowering the temperature at each stage with speed from the interval 1.4 - 1.6 deg./min.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что отжиг пластин в деформированном состоянии, когда приповерхностные области вблизи рабочей стороны упруго сжаты (рабочая сторона - вогнута), приводит к растворению в этих областях ростовых и технологических микродефектов - центров зарождения кислородных и углеродных преципитатов, миграции продуктов распада, т.е. собственных точечных дефектов, атомов кислорода и углерода, в глубь пластины и образование новых центров зарождения геттерирующих кластеров вне очищаемой приповерхностной зоны. Иными словами, отжиг упругоизогнутых пластин способствует усилению геттерирующих свойств внутреннего геттера, прежде всего за счет увеличения в нем концентрации преципитатов. Ограничение диапазона скоростей нагрева и охлаждения пластин интервалом 1,4 - 1,6 град./мин, во-первых, подавляет процессы микропластической деформации кремния вблизи включений второй фазы, которые протекают при скоростях более 1,6 град./мин, а во-вторых, не снижает производительности процесса геттерирования при скоростях менее 1,4 град./мин. The technical result in the implementation of the proposed method is achieved due to the fact that the annealing of the plates in a deformed state, when the surface areas near the working side are elastically compressed (the working side is concave), leads to the dissolution in these areas of growth and technological microdefects - centers of nucleation of oxygen and carbon precipitates, migration of decay products, i.e. intrinsic point defects, oxygen and carbon atoms, deep into the plate and the formation of new nucleation centers of gettering clusters outside the cleaned near-surface zone. In other words, annealing of elastically curved plates enhances the gettering properties of the internal getter, primarily due to an increase in the concentration of precipitates in it. Limiting the range of plate heating and cooling rates to 1.4–1.6 deg./min secondly, does not reduce the performance of the gettering process at speeds of less than 1.4 deg./min

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. После подготовки поверхности пластин по стандартным абразивным и химическим технологиям до требуемого класса чистоты и выбора рабочей стороны, на которой будут формировать активные области приборов, пластины упруго деформируют изгибом так, чтобы рабочая сторона пластины стала вогнутой. Деформирование можно проводить любым из известных методов: осесимметричным изгибом в устройствах типа пуансон-матрицы; трех- или четырехточечным изгибом; нанесением на нерабочую или рабочую сторону пленок из материалов с механическими свойствами и коэффициентами термического расширения, отличными от аналогичных параметров для кремния; неравноценной по степени дефектности и различной по толщине нарушенных слоев обработкой поверхности пластин с рабочей и нерабочей сторон и т. д. [3]. Оптимальную величину изгиба (прогиба) пластин, при котором во время последующего высокотемпературного отжига в пластинах не происходит микро- и макропластической деформации, при обработке партий, запускаемых в производство данного типа изделий, определяют предварительно на пластинах-спутниках, на которых отрабатывают режимы технологического процесса. В последующем осуществляется только выборочный стандартный контроль качества пластин и структур. Деформированные пластины далее подвергают отжигу в инертной атмосфере (осушенный азот или аргон), который проводят в три стадии: сначала при температурах из интервала 1270 - 1470 К, затем при 1070 - 1120 К и вновь при повышенных температурах. Длительность каждой из стадий и конкретное значение температуры также выбирают предварительно по результатам анализа экспериментальных данных по геттерированию на пластинах-спутниках, поскольку режимы термообработки при формировании внутреннего геттера в существенной мере определяются типом материала, т.е. исходным спектром и концентрацией примесей и дефектов в кремнии, являющихся центрами преципитации. Во время трехстадийного отжига подъем и снижение температуры на каждом из этапов осуществляют со скоростью, не выходящей из интервала 1,4 - 1,6 град./мин. После отжига и снятия деформации пластины передают на последующие технологические операции. В случае, когда следующей операцией является окисление, возможно совмещение заявляемого способа с этой операцией путем добавления кислорода в поток инертного при проведении третьей высокотемпературной стадии геттерирования. The inventive method is as follows. After preparing the surface of the plates according to standard abrasive and chemical technologies to the required cleanliness class and choosing the working side on which the active areas of the devices will be formed, the plates are elastically deformed by bending so that the working side of the plate becomes concave. Deformation can be carried out by any of the known methods: axisymmetric bending in devices such as a punch matrix; three or four point bend; applying films of materials with mechanical properties and thermal expansion coefficients different from the same parameters for silicon on the non-working or working side; unequal in the degree of defectiveness and varying in thickness of the broken layers by surface treatment of the plates from the working and non-working sides, etc. [3]. The optimal amount of bending (deflection) of the plates, at which during the subsequent high-temperature annealing, the micro- and macroplastic deformation does not occur in the plates, when processing batches launched into the production of this type of product, is determined first on satellite plates, on which the process conditions are worked out. Subsequently, only selective standard quality control of plates and structures is carried out. The deformed plates are then annealed in an inert atmosphere (dried nitrogen or argon), which is carried out in three stages: first at temperatures from 1270-1470 K, then at 1070-1120 K and again at elevated temperatures. The duration of each stage and the specific temperature value are also preliminarily selected based on the analysis of experimental data on gettering on satellite plates, since the heat treatment conditions during the formation of the internal getter are largely determined by the type of material, i.e. initial spectrum and concentration of impurities and defects in silicon, which are precipitation centers. During a three-stage annealing, the rise and decrease in temperature at each stage is carried out at a speed that does not leave the interval of 1.4 - 1.6 deg./min. After annealing and removal of deformation, the plates are transferred to subsequent technological operations. In the case where the next step is oxidation, it is possible to combine the proposed method with this step by adding oxygen to the inert stream during the third high-temperature gettering stage.

Пример. Две партии (24 шт.) пластин монокристаллического кремния марки КДБ 12 (001) обрабатывали по известному способу [2] и по заявляемому способу. В обоих случаях пластины подвергали трехстадийному отжигу в атмосфере осушенного азота в режимах:
I стадия - T = 1370 K, t = 6 ч;
II стадия - T = 1120 K, t = 12 ч;
III стадия -T = 1379 K, t = 8 ч.Example. Two batches (24 pcs.) Of KDB 12 (001) monocrystalline silicon wafers were processed by a known method [2] and by the claimed method. In both cases, the plates were subjected to three-stage annealing in an atmosphere of dried nitrogen in the following modes:
Stage I - T = 1370 K, t = 6 hours;
Stage II - T = 1120 K, t = 12 hours;
Stage III - T = 1379 K, t = 8 hours

При таких режимах отжига глубина очищенной от примесей и дефектов приповерхностной области пластин составила 8 - 10 мкм. При обработке по известному способу пластины при отжиге не деформировали и скорости нагрева и охлаждения не контролировали специально, т.е. использовался штатный режим технологической установки, при котором скорость изменения температуры составляла 1,6 - 2,0 град./мин. Under such annealing conditions, the depth of the surface region of the plates purified from impurities and defects was 8–10 μm. During processing by the known method, the plates were not deformed during annealing, and the heating and cooling rates were not specially controlled, i.e. the standard mode of the technological installation was used, at which the rate of temperature change was 1.6 - 2.0 deg./min.

При обработке по заявляемому способу перед отжигом пластины деформировали упругим изгибом так, чтобы рабочая сторона была вогнутой. Деформацию осуществляли осесимметричным изгибом, нанесением на рабочую стороны многослойной композиции из пленок нитрида и диоксида кремния, а также подшлифовкой (с последующим стравливанием) нерабочей стороны. Радиус кривизны пластин фиксировали на рентгеновском двухкристалльном спектрометре. Деформирование каждым из трех методов осуществляли так, чтобы уровень механических напряжений вблизи рабочей стороны пластин при отжиге не превышал предел текучести кремния, что достигалось при радиусе изгиба пластин R = 120 - 150 м. Скорость нагрева и охлаждения пластин на каждой стадии отжига контролировали с точностью не хуже 0,1 град./мин. When processing by the present method, before annealing, the plates were deformed by elastic bending so that the working side was concave. The deformation was carried out by axisymmetric bending, applying a multilayer composition of films of nitride and silicon dioxide to the working side, as well as grinding (with subsequent etching) of the non-working side. The radius of curvature of the plates was recorded on an x-ray two-crystal spectrometer. Each of the three methods was deformed so that the level of mechanical stresses near the working side of the plates during annealing did not exceed the yield strength of silicon, which was achieved with a bending radius of the plates R = 120 - 150 m. The heating and cooling rates of the plates at each annealing stage were not controlled with accuracy worse than 0.1 deg./min.

После отжига на пластинах каждой партии методом селективного травления в растворе Сиртла выявляли и контролировали плотность ростовых микродефектов на микроскопе NEOPHOT 32, а также четырехзондовым методом измеряли поверхностное сопротивление. На каждой пластине плотность микродефектов и сопротивление фиксировалось не менее, чем в 25 областях поверхности. По этим данным рассчитывали средние значения параметров и их дисперсию по поверхности. Полученные результаты приведены в таблице. After annealing on the plates of each batch by selective etching in a Sirtl solution, the density of growth microdefects was detected and controlled using a NEOPHOT 32 microscope, and the surface resistance was measured using the four-probe method. On each plate, the density of microdefects and resistance were recorded in at least 25 surface areas. Based on these data, the average values of the parameters and their dispersion over the surface were calculated. The results are shown in the table.

Влияние способа обработки на остаточную дефектность и электрическое сопротивление кристаллов кремния. The influence of the processing method on the residual defectiveness and electrical resistance of silicon crystals.

Как видно из таблицы, заявляемый способ позволяет существенно снизить плотность микродефектов (как в среднем так и дисперсию) и улучшить электрофизические характеристики кремния. Наиболее оптимальными для реализации заявляемого способа является диапазон скоростей нагрева и охлаждения 1,4 - 1,6 град./мин. As can be seen from the table, the inventive method can significantly reduce the density of microdefects (both on average and dispersion) and improve the electrophysical characteristics of silicon. The most optimal for the implementation of the proposed method is a range of heating and cooling speeds of 1.4 - 1.6 deg./min.

Источники информации
1. Лабунов В.А., Баранов И.Л., Бондаренко В.П., Дорофеев А.М. Современные методы геттерирования в технологии полупроводниковой электроники. - Зарубежная электронная техника, 1983, N 11, с. 3 - 66.Sources of information
1. Labunov V.A., Baranov I.L., Bondarenko V.P., Dorofeev A.M. Modern methods of gettering in semiconductor electronics technology. - Foreign electronic technology, 1983, N 11, p. 3 - 66.

2. Немцев Г.З., Пекарев А.И., Чистяков Ю.Д. Очистка кремния от примесей с помощью внутреннего геттера. - Микроэлектроника, 1983, т. 12, вып. 5, с. 432 - 439. 2. Nemtsev G.Z., Pekarev A.I., Chistyakov Yu.D. Purification of silicon from impurities using an internal getter. - Microelectronics, 1983, v. 12, no. 5, p. 432 - 439.

3. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов З.А. Пластичность и плотность полупроводниковых материалов и структур. - М.: Радио и связь, 1982, с. 103 - 186. 3. Kontseva Yu.A., Litvinov Yu.M., Fattakhov Z.A. Plasticity and density of semiconductor materials and structures. - M .: Radio and communications, 1982, p. 103 - 186.

Claims

A method of processing silicon wafers, including a three-stage annealing of wafers in an inert atmosphere, which is carried out first at high temperatures 1270
1470 K, then at lowered 1070 1120 K and again at temperatures 1270 - 1470 K, characterized in that before annealing, the plates are elastically deformed so that the working side of the plates is concave, and the plates are annealed in a deformed state, while raising and lowering the temperature at each stage with a speed of 1.4 to 1.6 deg./min.