RU2137253C1

RU2137253C1 - Method for getter treatment of semiconductor plates

Info

Publication number: RU2137253C1
Application number: RU98111469A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Скупов; А.В. Скупов
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительных систем
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 1999-09-10

Abstract

FIELD: manufacture of digital devices and integrated circuits. SUBSTANCE: idle side of original substrate plates is irradiated by medium-energy ions and then plates are annealed; prior to irradiating, plates are elastically deformed by bending them so that their effective side becomes convex and then they are subjected to ultrasonic treated, while still deformed, with chemically inactive fluid at frequency of 20-40 kHz for 60-90 min. EFFECT: improved structural perfection of plates due to reducing flaw concentration in them. 1 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии изготовления дискретных приборов и интегральных схем для очистки (геттерирования) исходных пластин-подложек. The invention relates to the field of production of semiconductor devices and can be used in the manufacturing technology of discrete devices and integrated circuits for cleaning (gettering) of the original wafer substrates.

Известен способ [1] геттерирующей обработки полупроводниковых пластин, включающий формирование на нерабочей стороне пластин (т.е. на стороне, где впоследствии не будут создаваться активные области приборов) структурно нарушенного слоя путем абразивной обработки, например шлифованием, и последующий высокотемпературный отжиг в вакууме или атмосфере инертного газа. Структурно нарушенный слой на нерабочей стороне пластин во время отжига геттерирует фоновые примеси и неравновесные собственные точечные дефекты материала. A known method [1] of getter treatment of semiconductor wafers, including forming on the non-working side of the wafers (ie, on the side where subsequently active areas of the devices will not be created) a structurally broken layer by abrasive treatment, such as grinding, and subsequent high-temperature annealing in vacuum or inert gas atmosphere. The structurally disturbed layer on the non-working side of the plates during annealing gets background impurities and nonequilibrium intrinsic point defects of the material.

Недостатком известного способа [1] является низкая воспроизводимость результатов геттерирования вследствие неоднородности строения нарушенных слоев, значительного трудно контролируемого разброса их толщин и образования новых структурных дефектов, активируемого при высоких температурах нарушениями в геттере. Кроме того, способ [1] не снижает концентрации кластеров-микродефектов вблизи рабочей стороны пластин, возникших на этапе выращивания полупроводникового слитка. The disadvantage of this method [1] is the low reproducibility of the results of gettering due to the heterogeneity of the structure of the broken layers, a significant difficult to control spread of their thicknesses and the formation of new structural defects, activated at high temperatures by disturbances in the getter. In addition, the method [1] does not reduce the concentration of microdefect clusters near the working side of the plates that arose during the stage of growing a semiconductor ingot.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ геттерирующей обработки полупроводниковых пластин, включающий облучение нерабочей стороны пластин ионами средних энергий (30-500 кэВ) и последующий отжиг в вакууме или инертной атмосфере [2]. Этот способ обеспечивает воспроизводимое и контролируемое формирование геттерирующего слоя на заданной глубине с известными для большинства сочетаний пар мишень-ион профилями распределения и концентрациями геттерирующих центров, вследствие чего с его помощью подложки эффективно очищаются от широкого спектра примесных загрязнений. The closest technical solution to the claimed is a method of getter treatment of semiconductor wafers, including irradiation of the non-working side of the wafers with medium-energy ions (30-500 keV) and subsequent annealing in vacuum or inert atmosphere [2]. This method provides reproducible and controlled formation of a gettering layer at a given depth with distribution profiles and concentrations of getter centers known for most combinations of target-ion pairs, as a result of which substrates are effectively cleaned from a wide range of impurity contaminants.

Недостаток известного способа [2] состоит в том, что при ионном облучении и последующем отжиге практически не изменяется концентрация микродефектов, особенно в подложках, изготовленных из слитков с большим сроком хранения (т. е. "состарившихся"). Это связано с образованием вокруг микродефектов примесных атмосфер, препятствующих их растворению во время облучения и отжига. Таким образом, способ [2] не позволяет повысить степень структурного совершенства полупроводниковых пластин. The disadvantage of this method [2] is that during ion irradiation and subsequent annealing, the concentration of microdefects does not practically change, especially in substrates made from ingots with a long shelf life (ie, "aged"). This is due to the formation of impurity atmospheres around microdefects that prevent their dissolution during irradiation and annealing. Thus, the method [2] does not allow to increase the degree of structural perfection of semiconductor wafers.

Техническим результатом заявляемого способа является улучшение структурного совершенства полупроводниковых пластин за счет уменьшения в них концентрации дефектов. The technical result of the proposed method is to improve the structural perfection of semiconductor wafers by reducing the concentration of defects in them.

Технический результат достигается тем, что в способе геттерирующей обработки полупроводниковых пластин, включающем облучение нерабочей стороны пластин ионами средних энергий и отжиг, перед облучением пластины упруго деформируют изгибом так, чтобы рабочая сторона стала выпуклой, и в деформированном состоянии обрабатывают в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц в течение 60-90 мин. The technical result is achieved by the fact that in the method of getter treatment of semiconductor wafers, including irradiating the non-working side of the wafers with medium-energy ions and annealing, before irradiation, the wafers are elastically deformed by bending so that the working side becomes convex, and in a deformed state they are sonicated with a frequency of ultrasound at a frequency 20-40 kHz for 60-90 minutes

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что перед облучением пластины упруго деформируют изгибом так, чтобы рабочая сторона стала выпуклой, и в деформированном состоянии обрабатывают в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц в течение 60-90 мин. A new, not found in the analysis of patent and scientific and technical literature, in the claimed method is that before irradiation, the plates are elastically deformed by bending so that the working side becomes convex, and in a deformed state they are treated with ultrasound at a frequency of 20-40 kHz in a chemically inactive liquid. within 60-90 minutes

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что при обработке ультразвуком упруго деформированных изгибом пластин в них происходит растворение примесных атмосфер, окружающих структурные дефекты, прежде всего, ростовые микродефекты. Выпуклость приповерхностных слоев вблизи рабочей стороны пластин, т.е. действие в них растягивающих упругих напряжений, усиливает эффект растворения атмосфер за счет диффузионно-дрейфовой миграции примесей от микродефекта в объем пластины в поле ультразвуковых волн. Поэтому при последующих операциях облучения ионами средних энергий и отжиге происходит не только геттерирование примесей, но и эффективно растворяются микродефекты вследствие взаимодействия с неравновесными собственными точечными дефектами, главным образом, вакансиями, генерируемыми при торможении ионов и отжиге. The technical result in the implementation of the proposed method is achieved due to the fact that during ultrasonic treatment of elastically deformed by bending the plates in them, the impurity atmospheres surrounding the structural defects, in particular, growth microdefects, are dissolved. The convexity of the surface layers near the working side of the plates, i.e. the action of tensile elastic stresses in them enhances the effect of atmospheric dissolution due to the diffusion-drift migration of impurities from the microdefect into the plate volume in the field of ultrasonic waves. Therefore, in subsequent operations of irradiation with medium-energy ions and annealing, not only gettering of impurities occurs, but microdefects are also effectively dissolved due to interaction with nonequilibrium intrinsic point defects, mainly vacancies generated during ion braking and annealing.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Пластины, которые должны подвергаться геттерированию, деформируют упругим изгибом таким образом, чтобы их рабочая сторона (т.е. сторона, на которой затем будут формироваться активные области приборов) стала выпуклой. Деформирование проводят либо с помощью устройства типа кольцевой пуансон - цилиндрическое основание, либо путем нанесения на рабочую сторону пластин пленок из материалов с термоупругими свойствами, отличными от свойств материала пластин, например, диоксид кремния на кремнии, поликристаллический кремний на монокристалле и т.д. [3]. После этого деформированные пластины помещают в ультразвуковую ванну, заполненную химически неактивной жидкостью, например, деионизованной водой, изопропиловым спиртом и т.п., и обрабатывают ультразвуком с частотой 20-40 кГц в течение 60-90 мин. Далее с пластин снимают упругую деформацию и в недеформированном состоянии с нерабочей стороны облучают ионами с энергией из интервала 30-500 кэВ и дозами из диапазона 10¹⁴-10¹⁶ см^-2. После этого пластины отжигают в вакууме или газовой атмосфере при температуре и в течение времени, необходимых для геттерирования [2]. Частотный интервал ультразвукового поля 20-40 кГц соответствует частотам стандартных промышленных установок для очистки полупроводниковых кристаллов и структур. Длительность обработки деформированных упругим изгибом пластин 60-90 мин установлена экспериментально на пластинах кремния и арсенида галия. При временах обработки меньших 60 мин примесные атомы не успевают продиффундировать на большие расстояния от микродефектов, поскольку обработка проводится при комнатной температуре и коэффициенты диффузии крайне малы. Влияние обработки ультразвуком на эффективность геттерирования микродефектов при облучении и отжиге пластин начинает проявляться при длительностях 60 мин и более. При временах обработки выше 90 мин концентрация микродефектов в прогеттерированных пластинах перестает зависеть от длительности обработки, т.е. эта зависимость выходит "на насыщение".The inventive method is as follows. The plates to be subjected to gettering are deformed by elastic bending so that their working side (i.e., the side on which active areas of the devices will then be formed) becomes convex. The deformation is carried out either using a device such as an annular punch - a cylindrical base, or by applying films of materials with thermoelastic properties to the working side of the plates that are different from the properties of the plate materials, for example, silicon dioxide on silicon, polycrystalline silicon on a single crystal, etc. [3]. After this, the deformed plates are placed in an ultrasonic bath filled with a chemically inactive liquid, for example, deionized water, isopropyl alcohol, etc., and are treated with ultrasound at a frequency of 20-40 kHz for 60-90 minutes. Then, elastic deformation is removed from the plates and, in the undeformed state, from the non-working side, they are irradiated with ions with an energy from the interval 30-500 keV and doses from the range 10 ¹⁴ -10 ¹⁶ cm ^-2 . After this, the plates are annealed in vacuum or gas atmosphere at a temperature and for the time necessary for gettering [2]. The frequency interval of the ultrasonic field of 20-40 kHz corresponds to the frequencies of standard industrial plants for cleaning semiconductor crystals and structures. The duration of processing of plates deformed by elastic bending of 60-90 min was established experimentally on silicon and gallium arsenide plates. At processing times shorter than 60 min, impurity atoms do not have time to diffuse over large distances from microdefects, since the treatment is carried out at room temperature and the diffusion coefficients are extremely small. The influence of ultrasonic treatment on the efficiency of gettering of microdefects during irradiation and annealing of plates begins to appear at durations of 60 min or more. At processing times above 90 min, the concentration of microdefects in the proheterized plates no longer depends on the processing time, i.e. this dependence goes "to saturation."

Примеры практической реализации заявляемого способа. Examples of practical implementation of the proposed method.

Пример 1. Example 1

Исследовали влияние способа геттерирования на концентрацию ростовых микродефектов в пластинах кремния марки КЭФ-4,5 толщиной 420 мкм с ориентацией поверхности (001). Микродефекты на рабочей стороне пластин выявляли селективным травлением в растворе Сиртла CrO₃ : HF = 1:1. Концентрацию микродефектов определяли усреднением числа ямок травления по 10-15 полям зрения микроскопа Neophot-32 с надежностью 0,95. Упругую деформацию пластин изгибом осуществляли по схеме осесимметричного прогиба на устройстве пуансон-кольцевая опора при микрометрической поступательной подаче пуансона на пластину, установленную на опоре [3]. Стрелу прогиба пластин контролировали многооборотным индикатором часового типа МИГ-1. Обработку деформированных пластин ультразвуком по заявляемому способу проводили в деионизованной на установке УЗМУ-1 на частоте 40 кГц. Далее пластины после снятия деформации облучали с нерабочей стороны ионами аргона с энергией 50 кэВ дозой 6,25•10¹⁵ см^-2 и затем отжигали в атмосфере азота при 1100^oC в течение 30 мин.We studied the effect of the gettering method on the concentration of growth microdefects in KEF-4.5 grade silicon wafers with a thickness of 420 μm with a (001) surface orientation. Microdefects on the working side of the plates were detected by selective etching in a solution of Searle CrO ₃ : HF = 1: 1. The concentration of microdefects was determined by averaging the number of etching pits over 10-15 fields of view of the Neophot-32 microscope with a reliability of 0.95. Elastic deformation of the plates by bending was carried out according to the axisymmetric deflection scheme on the punch-ring support device with micrometric translational feed of the punch onto the plate mounted on the support [3]. The deflection arrow of the plates was controlled by a multi-turn indicator of the clock type MIG-1. The processing of deformed plates by ultrasound according to the claimed method was carried out in a deionized unit UZMU-1 at a frequency of 40 kHz. Then, after removal of the deformation, the plates were irradiated on the non-working side with 50 keV argon ions with a dose of 6.25 • 10 ¹⁵ cm ^-2 and then annealed in a nitrogen atmosphere at 1100 ^° C for 30 minutes.

В этих же режимах облучали и отжигали пластины по способу-прототипу [2]. Контрольными служили пластины, не подвергавшиеся геттерированию. In the same modes, the plates were irradiated and annealed by the prototype method [2]. The control plates were not subjected to gettering.

Результаты измерений в виде средних значений и дисперсии концентрации микродефектов по сечению исследовавшихся кристаллов представлены в конце описания в табл. 1
Как видно из табл. 1, заявляемый способ позволяет существенно снизить концентрацию микродефектов в приповерхностном приборном слое вблизи рабочей стороны пластин кремния. В этих же экспериментах было установлено, что обработка пластин ультразвуком в недеформированном, т.е. неизогнутом состоянии, или изогнутом таким образом, что рабочая сторона пластин становилась вогнутой, уменьшает концентрацию микродефектов не более, чем на 35-40% от значений, зафиксированных на контрольных пластинах.The measurement results in the form of average values and dispersion of the concentration of microdefects over the cross section of the crystals under study are presented at the end of the description in table. 1
As can be seen from the table. 1, the inventive method can significantly reduce the concentration of microdefects in the near-surface instrument layer near the working side of the silicon wafers. In the same experiments, it was found that the processing of the plates by ultrasound in undeformed, i.e. unbent state, or bent so that the working side of the plates became concave, reduces the concentration of microdefects by no more than 35-40% of the values recorded on the control plates.

Пример 2. Example 2

Исследовали влияние способа геттерирования на концентрацию примесно-дефектных кластеров (аналог микродефектов в кремнии) в пластинах арсенида галлия марки АГЧП-5 (001) толщиной 380-400 мкм. Кластеры выявляли в травителе состава HNO₃ (70%) : HF(49%) : H₂O + AgNO₃ (1%) = 3:1:2+1% AgNO₃. При реализации заявляемого способа пластины деформировали изгибом по схеме аналогичной, приведенной в примере 1, а обработку ультразвуком частотой 20 кГц проводили в растворе изопропилового спирта на установке УЗУ-0,25.The effect of the gettering method on the concentration of impurity-defective clusters (an analogue of microdefects in silicon) in gallium arsenide grades of the AGChP-5 (001) grade with a thickness of 380-400 μm was studied. Clusters were detected in the etchant with the composition HNO ₃ (70%): HF (49%): H ₂ O + AgNO ₃ (1%) = 3: 1: 2 + 1% AgNO ₃ . When implementing the proposed method, the plates were deformed by bending according to a similar scheme shown in Example 1, and ultrasonic treatment with a frequency of 20 kHz was carried out in a solution of isopropyl alcohol in an UZU-0.25 installation.

Пластины, геттерировавшиеся по способу-прототипу [2] и заявляемому способу, с нерабочей стороны облучали ионами неона с энергией 100 кэВ дозой 1•10¹⁶ см^-2. Контрольными служили исходные негеттерированные пластины.Plates gettering by the prototype method [2] and the claimed method, from the non-working side were irradiated with neon ions with an energy of 100 keV dose of 1 • 10 ¹⁶ cm ^-2 . The control was the initial non-heterterous plates.

Результаты измерений концентрации кластеров приведены в табл. 2. The results of measurements of cluster concentration are given in table. 2.

Данные табл. 2 показывают, что заявляемый способ эффективно снижает как среднее значение концентрации примесно-дефектных кластеров в арсениде галлия, так и дисперсию концентрации по приповерхностной зоне вблизи рабочей стороны пластин. The data table. 2 show that the inventive method effectively reduces both the average concentration of impurity-defective clusters in gallium arsenide and the concentration dispersion along the surface zone near the working side of the plates.

Таким образом, при реализации заявляемого способа технический результат - ухудшение структурного совершенства полупроводниковых пластин - достигается. Thus, when implementing the proposed method, the technical result - the deterioration of the structural perfection of semiconductor wafers - is achieved.

Литература. Literature.

1. Современные методы геттерирования в технологии полупроводниковой электроники. / В. Д. Лабунов, И.Л. Баранов, В. П.Бондаренко и др.//Зарубежная электронная техника. 1983, N 11, с. 6-15. 1. Modern methods of gettering in semiconductor electronics technology. / V.D. Labunov, I.L. Baranov, V.P. Bondarenko and others. // Foreign electronic technology. 1983, N 11, p. 6-15.

2. Верховский Е.И., Методы геттерирования примесей в кремнии. Обзоры по электронной технике. Сер. 2 "Полупроводниковые приборы", 1981, вып. 8(838), с. 30-45. 2. Verkhovsky EI, Methods of gettering impurities in silicon. Reviews on electronic technology. Ser. 2 "Semiconductor devices", 1981, no. 8 (838), p. 30-45.

3. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А., Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур., М.: Радио и связь. 1982, с. 103-106. 3. Kontseva Yu.A., Litvinov Yu.M., Fattakhov EA, Plasticity and strength of semiconductor materials and structures., M.: Radio and communications. 1982, p. 103-106.

Claims

A method for the getter treatment of semiconductor wafers, comprising irradiating the non-working side of the wafers with medium-energy ions and annealing, characterized in that before irradiation the wafers are elastically deformed by bending so that the working side becomes convex and treated in a chemically inactive liquid with ultrasound at a frequency of 20-40 kHz for 60-90 minutes