RU2092931C1 - Method for gettering in semiconductor material - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of semiconductor device and integrated circuits. SUBSTANCE: upon implanting ions in surface layer of semiconductor plates, the latter are treated with pulsed magnetic field followed by heat treatment at 200-300 C for 30-15 minutes. Ions are implanted by irradiating plate surface layer with α-particles on face side of plate. EFFECT: facilitated procedure. 3 cl

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. The invention relates to semiconductor technology and can be used in the manufacture of semiconductor devices and integrated circuits.

Известны способы геттерирования в полупроводниковых материалах, основанные на внесении структурных нарушений в поверхностный слой полупроводниковых пластин и в последующем термическом отжиге указанных пластин. Структурные нарушения в материал полупроводниковых пластин при этом вводят путем абразивной обработки их поверхностного слоя [1] либо посредством создания в пластине акустической вибрации воздействием на ее поверхностный слой сферическими вольфрамовыми шариками [2] Полученные при этом однородные нарушения на обработанной стороне пластины позволяют обеспечить сток подвижных дефектов в процессе последующей высокотемпературной обработки, что увеличивает выход годных приборов с пластин. Known methods of gettering in semiconductor materials based on the introduction of structural disturbances in the surface layer of semiconductor wafers and subsequent thermal annealing of these wafers. In this case, structural disturbances are introduced into the material of semiconductor wafers by abrasive treatment of their surface layer [1] or by creating acoustic vibration in the wafer by applying spherical tungsten balls to its surface layer [2]. The resulting uniform damages on the treated side of the wafer allow the drain of mobile defects in the process of subsequent high-temperature processing, which increases the yield of instruments from the plates.

Основной недостаток указанных способов геттерирования в полупроводниковом материале заключается в трудности обеспечения воспроизводимости рабочих параметров пластины, а значит и последующего стабильного получения заданных электрических характеристик полупроводникового материала. Кроме того, необходимость в указанных способах операции высокотемпературного (850-800^oC) термического отжига пластин при проведении процесса геттерирования по предлагаемой способами методике диктует выполнение операций геттерирования в полупроводниковом материале лишь на начальном этапе изготовления полупроводниковых приборов, т. е. для получения исходного материала для изготовления полупроводниковых изделий.The main disadvantage of these methods of gettering in a semiconductor material is the difficulty in ensuring reproducibility of the operating parameters of the plate, and hence the subsequent stable obtaining of the given electrical characteristics of the semiconductor material. In addition, the need for these methods of operation of high-temperature (850-800 ^o C) thermal annealing of the plates during the gettering process according to the method proposed by the method dictates the performance of gettering operations in a semiconductor material only at the initial stage of manufacture of semiconductor devices, i.e., to obtain the starting material for the manufacture of semiconductor products.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ геттерирования в полупроводниковом материале, согласно которому вначале в подготовленную поверхность полупроводниковой пластины проводят имплантацию ионов нейтрального вещества, после чего осуществляют термический отжиг пластин. Имплантацию ионов при этом проводят с обратной стороны пластины при энергии ионов порядка 300 кэВ и дозой примерно 10¹⁶см^-2. Оптимальная же температура отжига определяется для каждого конкретного случая и, как правило, составляет не ниже 800^oC [3]
Физика процессов при геттерировании известным способом заключается в том, что в процессе проведения первой операции, т. е. имплантации в поверхностный слой полупроводниковой пластины ионов вещества, по всему следу движения ионов образуется значительное количество дефектов в кристаллической решетке вещества пластины, которые становятся стоками быстро диффундирующих примесей [4] Высокотемпературная выдержка обработанной ионами пластины, очевидно, ведет к созданию определенных условий для сбора геттерируемых дефектов на сформированных таким образом стоках.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed technical solution is the method of gettering in a semiconductor material, according to which, first, ions of a neutral substance are implanted into the prepared surface of the semiconductor wafer, after which the wafers are thermally annealed. In this case, the implantation of ions is carried out on the reverse side of the plate at an ion energy of about 300 keV and a dose of about 10 ¹⁶ cm ^-2 . The optimum annealing temperature is determined for each specific case and, as a rule, is not lower than 800 ^o C [3]
The physics of gettering processes in a known manner consists in the fact that during the first operation, that is, implantation of substance ions into the surface layer of a semiconductor wafer, a significant number of defects in the crystal lattice of the wafer substance are formed along the entire trace of the ions that become drains of rapidly diffusing impurities [4] High-temperature exposure of the plate treated with ions, obviously, leads to the creation of certain conditions for the collection of getter defects on the formed thus drains.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что геттерирование в полупроводниковом материале по нему может быть выполнено так же, как и в описанных выше аналогах, лишь на начальном этапе подготовки полупроводниковых пластин к изготовлению на них изделий. Указанный факт объясняется наличием в способе высокотемпературной операции отжига, которая может быть выполнена при температуре в пластинах порядка 850^oC. Последнее препятствует проведению геттерирования материала в пластинах с готовыми или даже частично выполненными на них структурами изделий.A disadvantage of the known technical solution is that gettering in a semiconductor material on it can be performed in the same way as in the analogues described above, only at the initial stage of preparation of semiconductor wafers for the manufacture of products on them. This fact is explained by the presence in the method of a high-temperature annealing operation, which can be performed at a temperature in the plates of about 850 ^° C. The latter prevents the gettering of the material in the plates with finished or even partially made product structures on them.

Кроме того, поскольку имплантацию ионов в известном способе проводят в тыльную сторону полупроводниковой пластины, то последующая операция термического отжига требует повышенных временных и энергетических затрат, что в значительной мере повышает стоимость готовой продукции. In addition, since the implantation of ions in the known method is carried out in the back of the semiconductor wafer, the subsequent operation of thermal annealing requires increased time and energy costs, which significantly increases the cost of the finished product.

Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. The aim of the invention is to eliminate the above disadvantages.

Для достижения указанной цели, в способе геттерирования в полупроводниковом материале в виде пластины, включающем имплантацию ионов в поверхностный слой пластины и последующий термический отжиг пластин, после проведения операции имплантации ионов пластины подвергают обработке импульсным магнитным полем, а последующую операцию термического отжига осуществляют при температуре 200-300^oC в течение 30-15 мин. Причем имплантацию ионов осуществляют путем облучения поверхности пластины α-частицами, которую проводят с лицевой стороны пластины.To achieve this goal, in a method of gettering in a wafer-type semiconductor material, comprising implanting ions into the surface layer of a wafer and subsequent thermal annealing of the wafers, after the implantation operation of the ion of the wafer, the wafer is subjected to a pulsed magnetic field treatment and the subsequent thermal annealing is carried out at a temperature of 200- 300 ^o C for 30-15 minutes Moreover, the implantation of ions is carried out by irradiating the surface of the plate with α-particles, which is carried out on the front side of the plate.

По данным, которыми располагают заявители, им неизвестны источники информации, в которых был бы раскрыт комплекс признаков, указанных в отличительной части формулы изобретения. В то же время, предложенное техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Следовательно, можно сделать вывод, что данное техническое решение соответствует критериям, предъявляемым к изобретению. According to the information available to the applicants, they are not aware of the sources of information in which the complex of features indicated in the characterizing part of the claims would be disclosed. At the same time, the proposed technical solution does not explicitly follow from the prior art. Therefore, we can conclude that this technical solution meets the criteria for the invention.

Физическим обоснованием способа является установленный авторами факт, по которому дополнительное воздействие на кристалл импульсным магнитным полем приводит к распаду примесно-дефектных комплексов в объеме кристалла и диффузии продуктов этого распада к поверхности с образованием новых дефектных комплексов в приповерхностном слое. При этом поверхность бездислокационного кристалла является основным стоком для подвижных дефектов, индуцированных импульсной магнитной обработкой. Роль предварительного (перед магнитной обработкой) облучения кристалла заряженными частицами имплантируемых ионов заключается в создании нарушенного слоя на поверхности кристалла. The physical justification of the method is the fact established by the authors, according to which an additional action on the crystal by a pulsed magnetic field leads to the decay of impurity-defective complexes in the crystal bulk and diffusion of the products of this decay to the surface with the formation of new defective complexes in the surface layer. In this case, the surface of a dislocationless crystal is the main sink for mobile defects induced by pulsed magnetic treatment. The role of preliminary (before magnetic treatment) irradiation of the crystal with charged particles of implantable ions is to create a disturbed layer on the surface of the crystal.

Причем, использование для создания такого нарушенного слоя высокоэнергетичных a-частиц сводится к тому, что в отличие от тяжелых ионов a-частицы такой нарушенный слой создают не по всей длине пробега, а индуцируют его преимущественно в слое, расположенном на определенной глубине от поверхности пластины, соответствующей концу пробега a-частиц, т.е. там, где имеют место основные энергетические потери при торможении a-частиц в веществе кристалла [5] Указанная глубина может быть обеспечена заданием энергии используемых для обработки поверхности пластины a-частиц. Использование же для этой цели более тяжелых ионов в прототипе приводило к тому, что такой нарушенный слой индуцировался непосредственно в поверхностном слое и по всему слою от начала до глубины проникновения имплантируемых тяжелых ионов. При облучении же поверхности полупроводниковой пластины a-частицами по предлагаемому способу появляется возможность создания "захороненного" на некоторой глубине такого нарушенного слоя. Последнее обусловлено тем, что генерация радиационных дефектов в кристалле при имплантации в него высокоэнергетических a-частиц происходит локально и преимущественно на глубине, соответствующей концу пробега, т. е. там, где имеют место основные энергетические потери при торможении их в веществе кристалла. В частности, при использовании для этой цели a-частиц с энергией 5 МэВ, глубина такого нарушенного слоя в кристалле кремния составляет 25 мкм, что значительно превышает толщину приповерхностной активной области кристалла, используемой для формирования приборных структур. Последний факт позволяет обработку a-частицами производить непосредственно с лицевой стороны пластины со сформированными на ней структурами приборов. Moreover, the use of high-energy a-particles to create such a disturbed layer reduces to the fact that, in contrast to heavy ions, a-particles do not create such a disturbed layer along the entire path, but induce it mainly in a layer located at a certain depth from the plate surface, the corresponding end of the path of a-particles, i.e. where the main energy losses occur during braking of a-particles in the crystal substance [5] The indicated depth can be provided by setting the energy of a-particles used to process the surface of the plate. Using for this purpose heavier ions in the prototype led to the fact that such a disturbed layer was induced directly in the surface layer and throughout the layer from the beginning to the depth of penetration of implanted heavy ions. When the surface of the semiconductor wafer is irradiated with a-particles by the proposed method, it becomes possible to create such a broken layer at a certain depth. The latter is due to the fact that the generation of radiation defects in a crystal upon implantation of high-energy a-particles occurs locally and mainly at a depth corresponding to the end of the path, i.e., where the main energy losses occur during their braking in the crystal material. In particular, when a-particles with an energy of 5 MeV are used for this purpose, the depth of such a broken layer in a silicon crystal is 25 μm, which significantly exceeds the thickness of the surface surface region of the crystal used to form instrument structures. The latter fact allows the processing of a-particles to produce directly from the front side of the plate with the structures of devices formed on it.

Радиационные дефекты, образованные a-частицами в кристаллах при этом служат центрами преципитации оксидных фаз, облегчая процесс первичного зародышеобразования при воздействии на кристаллы импульсным магнитным полем и индуцированном распаде пресыщенного твердого раствора кислорода в кремнии. Преципитация же оксидных фаз, как известно, является эффективными внутренними геттерами в кремнии. In this case, radiation defects formed by a-particles in crystals serve as centers of precipitation of oxide phases, facilitating the process of primary nucleation upon exposure to crystals by a pulsed magnetic field and induced decay of a saturated oxygen solid solution in silicon. Precipitation of oxide phases is known to be effective internal getters in silicon.

Отжиг обработанных ионами и импульсным магнитным полем пластин при этом существенно ускоряет процесс сбора продуктов распада исходных примесно-дефектных комплексов, индуцированных магнитным полем. Температура отжига при этом не превышает 300^oC. Интегральный поток a-частиц на поверхность активируемой пластины при этом на несколько порядков ниже дозы ионов, необходимых в способе-прототипе и составляет величину порядка 10⁹-10¹⁰см^-2. Параметры импульсов магнитного поля, используемого для обработки пластин могут также меняться в широких пределах. В частности, величина магнитного поля может быть заключена в пределах 10⁴-10⁶ А/м. При длительности импульсов 1-50 мкс и частоте повторения импульсов 50 Гц время обработки облученных a-частицами полупроводниковых пластин из кремния составляют 30 с.In this case, annealing of the plates treated with ions and a pulsed magnetic field significantly accelerates the process of collecting the decay products of the initial impurity-defect complexes induced by the magnetic field. In this case, the annealing temperature does not exceed 300 ^o C. The integral flux of a-particles on the surface of the activated plate is several orders of magnitude lower than the ion dose required in the prototype method and amounts to about 10 ⁹ -10 ¹⁰ cm ^-2 . The parameters of the pulses of the magnetic field used to process the plates can also vary widely. In particular, the magnitude of the magnetic field can be enclosed within 10 ⁴ -10 ⁶ A / m. With a pulse duration of 1–50 μs and a pulse repetition rate of 50 Hz, the processing time of silicon-irradiated a-particles semiconductor wafers is 30 s.

Термический отжиг пластин согласно способу осуществляют при температуре в интервале 200-300^oC. Длительность термообработки при этом составляет соответственно 30-15 мин. Отжиг необходим для ускорения диффузионных процессов после импульсного магнитного воздействия. Нижняя температурная граница при этом диктуется необходимостью задания достаточно технологичного времени термообработки пластин, обеспечивающей необходимые параметры полупроводникового материала. При дальнейшем снижении температуры термообработки, длительность процедуры отжига неоправданно увеличивается. Верхняя граница температурного интервала отжига лимитируется тем, что при дальнейшем повышении температуры в сформированных структурах становится возможным дополнительная генерация термодоноров, а также могут происходить другие структурные изменения как в веществе полупроводниковой пластины, так и в выполненных на пластинах структурах.Thermal annealing of the plates according to the method is carried out at a temperature in the range of 200-300 ^o C. The duration of the heat treatment is 30-15 minutes, respectively. Annealing is necessary to accelerate diffusion processes after pulsed magnetic action. The lower temperature limit is dictated by the need to set a sufficiently technological time for the heat treatment of the plates, which provides the necessary parameters of the semiconductor material. With a further decrease in the heat treatment temperature, the duration of the annealing procedure unreasonably increases. The upper limit of the annealing temperature range is limited by the fact that with a further increase in temperature in the formed structures, additional generation of thermal donors becomes possible, and other structural changes can occur both in the material of the semiconductor wafer and in the structures made on the wafers.

Очевидно, что все операции по геттерированию полупроводникового материала пластин могут быть проведены уже после формирования на этих пластинах готовых приборов, либо после частичного проведения на указанных пластинах операций по формированию соответствующих полупроводниковых приборов. Obviously, all operations on the gettering of the semiconductor material of the wafers can be carried out after the formation of finished devices on these wafers, or after a partial operation on the indicated wafers to form the corresponding semiconductor devices.

Предлагаемый способ геттерирования полупроводниковых материалов реализован авторами как на тестовых МОП-структурах, так и на ЧИПах с серийными интегральными схемами. В качестве источника a-частиц использован источник ²¹⁰Po(E_α≈ 5 МэВ) с активностью порядка 3•10⁸ Бк. Облучению подвергались пластины с их лицевой стороны (глубина проникновения ≈ 25 мкм). Влияние геттерирования контролировалось по времени жизни t_д по релаксации нестационарных вольт-фарадных характеристик МОП-структур и по обратным токам переходов исток (сток) подложка активных транзисторов МДП БИС. После проведения вышеуказанных операций по геттерированию наблюдалось увеличение генерационного времени жизни носителей при сохранении значений эффективного заряда в окисле и плотности поверхностных состояний, близких к исходным. Значения τ_д рассчитанные по нестационарным вольт-фарадным характеристикам от исходных 20-30 мкс увеличивалось до 200 мкс, что свидетельствует о достижении запланированных улучшений электрофизических характеристик за счет повышения структурного совершенства полупроводникового материала пластин в процессе геттерирования.The proposed method for the gettering of semiconductor materials was implemented by the authors both on test MOS structures and on chips with serial integrated circuits. A source of a-particles was a ²¹⁰ Po source (E _α ≈ 5 MeV) with an activity of the order of 3 • 10 ⁸ Bq. Plates were irradiated from their front side (penetration depth ≈ 25 μm). The effect of gettering was monitored by the lifetime t _d by the relaxation of unsteady capacitance-voltage characteristics of MOS structures and by the reverse currents of the source (drain) junctions of the active transistor of the MIS LSI transistors. After carrying out the above gettering operations, an increase in the generation lifetime of carriers was observed while maintaining the effective charge in the oxide and the density of surface states close to the initial ones. The values of τ _d calculated from the non-stationary capacitance-voltage characteristics increased from the initial 20-30 μs to 200 μs, which indicates the achievement of the planned improvements in the electrophysical characteristics by increasing the structural perfection of the semiconductor wafer material during gettering.

Использование изобретения позволит существенно повысить качество изготавливаемых на пластинах полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Основное преимущество предлагаемого способа при этом состоит в том, что он реализуется при достаточно низких температурах, не превышающих 300^oC. Этот факт позволяет операции геттерирования проводить на финишном этапе формирования изделий на полупроводниковых пластинах, в частности перед их корпусированием. Очевидно, что такое геттерирование является наиболее эффективным с точки зрения качества полупроводниковых приборов, поскольку позволяет устранить дефекты, внесенные в рабочие области прибора, на всех предшествующих этапах его изготовления.Using the invention will significantly improve the quality of semiconductor devices and integrated circuits manufactured on wafers. The main advantage of the proposed method in this case is that it is implemented at sufficiently low temperatures, not exceeding 300 ^o C. This fact allows the gettering operation to be carried out at the finishing stage of forming products on semiconductor wafers, in particular before packaging them. Obviously, such gettering is the most effective in terms of the quality of semiconductor devices, since it eliminates defects introduced into the working areas of the device at all previous stages of its manufacture.

Источники информации. Sources of information.

1. Патент США N 4144099. 1. US patent N 4144099.

2. Патент США N 4018626. 2. US patent N 4018626.

3. J.Appe, Phys, 49, 5188 (1978). 3. J. Appe, Phys. 49, 5188 (1978).

4. Обзоры по электронной технике. Серия 2 "Полупроводниковые приборы". Верховский Е.И. Методы геттерирования примесей в кремнии. М. ЦНИИ "Электроника", 1981, с.30-35. 4. Reviews on electronic technology. Series 2 "Semiconductor devices". Verkhovsky E.I. Methods of gettering impurities in silicon. M. Central Research Institute "Electronics", 1981, p.30-35.

5. Эстулин И.В. Радиоактивные излучения. М. Физматгиз, 1962, с. 79-93. 5. Estulin I.V. Radioactive radiation. M. Fizmatgiz, 1962, p. 79-93.

Claims (3)

1. Способ геттерирования в полупроводниковом материале в виде пластин, включающий имплантацию в поверхностный слой пластины ионов и последующий термический отжиг пластин, отличающийся тем, что после проведения имплантации ионов пластины подвергают обработке импульсным магнитным полем, а последующий термический отжиг осуществляют при температуре 200 300^oС в течение 30 - 15 мин.1. The method of gettering in a semiconductor material in the form of plates, including implantation of ions into the surface layer of the plate and subsequent thermal annealing of the plates, characterized in that after ion implantation, the plates are treated with a pulsed magnetic field, and subsequent thermal annealing is carried out at a temperature of 200-300 ^° C within 30 - 15 minutes 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что имплантацию ионов осуществляют путем облучения поверхностного слоя пластины α - частицами. 2. The method according to p. 1, characterized in that the implantation of ions is carried out by irradiating the surface layer of the plate with α particles. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что облучению подвергают лицевую сторону пластины. 3. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the front side of the plate is irradiated.