IT9048481A1 - Procedimento per il trattamento di fette di silicio per ottenere in esse profili di precipitazione controllati per la produzione di componenti elettronici. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di Brevetto d'invenzione dal titolo:

"Procedimento per il trattamento di fette di silicio per ottenere in esse profili di precipitazione controllati per la produzione di componenti elettronici."

La presente invenzione si riferisce in generale ai procedimenti per la fabbricazione di substrati di materiale semiconduttore, in modo speciale le cosiddette "fette" o wafer di silicio, per la produzione di componenti elettronici. In modo più particolare, la presente invenzione si riferisce ad un procedimento per il trattamento di fette di silicio in condizioni idonee al controllo della concentrazione e del profilo di distribuzione dei siti di "gettering" o intrappolamento interno.

Come è noto, il silicio monocristallino, che è il materiale di partenza per la maggior parte dei procedimenti per la fabbricazione di componenti elettronici a semiconduttore, viene comunemente preparato con il cosiddetto procedimento Czochralski in cui un singolo cristallo di inseminazione viene immerso in silicio fuso e quindi viene fatto accrescere per lenta estrazione. Poiché il silicio fuso è contenuto in un crogiuolo di quarzo esso viene contaminato con varie impurezze tra le quali principalmente l'ossigeno. Alla temperatura della massa fusa; del silicio, l'ossigeno entra nel reticolo cristallino fino a raggiungere una concentrazione determinata dalla solubilità dell'ossigeno nel silicio alla temperatura della massa fusa e dal coefficiente di segregazione effettivo dell'ossigeno nel silicio solidìficato. Tali concentrazioni sono superiori aila solubilità dell'ossigeno nel silicio solido alle temperature tipiche per i procedimenti di fabbricazione dei circuiti integrati. Quindi, a mano a mano che il cristallo si forma dalla massa fusa e si raffredda la solubilità dell'ossigeno in esso diminuisce rapidamente, per cui nelle risultanti fette o wafer, l'ossigeno è presente in concentrazioni supersature. Essendo in concentrazioni supersature, i successivi cicli termici di trattamento dei wafer provocano la precipitazione dell'ossigeno.

La precipitazione dell’ossigeno può avere effetti utili ed effettidannosi- Gli effetti utili sono connessi alla capacità dei precipitati di ossigeno (e dei "difetti" ad essi connessi) di intrappolare le impurezze metalliche indesiderate che potrebbero successivamente venire in contatto con il wafer durante la lavorazione successiva per la fabbricazione del componente elettronico e pregiudicare le prestazioni di quest'ultimo. Gli effetti dannosi derivano dal fatto che tali precipitati sono essi stessi dei contaminanti se sono ubicati nella regione attiva del wafer, dove è necessaria invece una elevatissima purezza per la fabbricazione ad esempio di un circuito integrato.

Nel corso degli anni, vari schemi sono stati suggeriti per effettuare il trattamento dei wafer di silicio in modo tale che la regione attiva, che occupa una profondità di pochi micron a partire dalla superficie del wafer, sia relativamente priva dei summenzionati "difetti", mentre lo spessore restante del wafer abbia una densità di tali difetti sufficie temente elevata per intrappolare efficacemente le im purezze metalliche indesiderate.

Tali tecniche sono note come tecniche di intrappolamento o gettering "intrinseco" e la regione priva di difetti vicina alla superficie del wafer è denominata zona denudata.

Lo scopo della presente invenzione è di indi* care un procedimento per controllare la concentrazione dei centri di intrappolamento presenti nei wafer di silicio e più particolarmente per realizzare il profilo di densità dei difetti necessario per ottenere una buona zona denudata ed un buon effetto di intrappolamento intrinseco.

In termini più precisi, un primo aspetto del l'invenzione si riferisce al controllo del livello di precipitazione dell'ossigeno in wafer di silicio. Un secondo aspetto si riferisce al controllo del pro filo di densità dei precipitati di ossigeno, in modo tale che il picco del profilo possa agire come regio ne di intrappolamento distinta e lontana dalla regio ne attiva del dispositivo. Un terzo aspetto si rife-: risce, quindi, alla fabbricazione di wafer a precipi, tazione controllata aventi una effettiva zona denuda ta in corrispondenza della regione attiva del dispositivo ed una zona di intrappolamento altamente effi cace nel restante volume.

Questi scopi vengono raggiunti secondo la presente invenzione a mezzo di un procedimento per il trattamento di fette o wafer di silicio destinate alla fabbricazione di componenti elettronici a circuito integrato che conprende le seguenti operazioni fondamentali: (a) sottoporre i wafer ad un trattamento

termico preliminare, ad una temperatura tra 950°C e

1150°C, in particolare circa a 1100°C, per una durata di circa 5 minuti; (b) dopo un tradizionale trattamento di corrosione chimica (etching), sottoporre coppie di wafer abbinati in stretto contatto termico reciproco ad un trattamento di rapida ricottura termica, ad una temperatura tra 120G°C e 1275°C per una durata di alcune decine di secondi; (c) sottoporre i

wafer ad un ulteriore trattamento termico prolungato

a temperatura tra 900°C e 1000°C, ed infine (d) estrarre i wafer dal forno e sottoporre le superfici che erano in stretto contatto reciproco durante il trattamento

di rapida ricottura a lucidatura superficiale.

Per l'accoppiamento delle due fette è sufficiente realizzare un contatto meceanico-termico fra le due superfici: altre metodologie di accoppiamento più

intimo che realizzano legami atomici fra le due superfici (wafer-bonding) non sono necessarie ma possono essere usate.

Come verrà meglio spiegato nel seguito, il trattamento secondo l'invenzione produce inizialmente dei centri di nucleazione ad alta temperatura, denominati "precursori" nel corso dell'operazione di

rapida ricottura termica e questi precursori successivamente danno luogo ai classici "difetti".

Sebbene esistano delie pubblicazioni anteriori che riportano la generazione di questi precursori, esistono notevoli differenze con il lavoro svolto nel quadro della presente invenzione. In primo luogo, le scale dei tempi di generazione hanno dimostrato di essere molto più rapide di quelle precedentemente riconosciute. In secondo luogo, è stato individuato un limite inferiore soltanto di circa 1200°C per il trattamento ad alta temperatura. In terzo luogo, non è stata riscontrata alcuna necessità di trattamento a temperatura relativamente bassa e, intorno a 650°c per ottenere la formazione di un conveniente profilo di densità dei difetti.

Infine, grazie all'abbinamento di due wafer nel corso del trattamento di ricottura rapida ad alta temperatura è stato realizzato in ciascun wafer un profilo del tutto asimmetrico che vede da una parte una elevatissima densità e dall'altra una bassissima densità di difetti, ottenuto soltanto sfruttando la constatazione che la modalità del raffreddamento del wafer gioca un ruolo importante nella formazione del profilo di densità.

Ulteriori particolarità e vantaggi della presente invenzione appariranno evidenti dal seguito della descrizione con riferimento ai disegni allegati forniti unicamente a titolo esplicativo e non restrittivo nei quali:

la Figura 1 mostra un profilo della densità dei precipitati in funzione della profondità per un singolo wafer di silicio riscaldato ad una temperatura prossima a 1200°C per due durate brevi ma distinte, di 20 e di 35 secondi, rispettivamente;

le Figure.2a e 2b mostrano a confronto il caso ditrattamento di un singolo_wafer e il caso di trat tamento di una coppia di waferbjnati secondo la pre sente invenzione;

la Figura 3 mostra il profilo di densità dei precipitati in funzione della profondità per uno dei due wafer sottoposti in forma binata al trattamento secondo la presente invenzione.

Prima di passare ad una dettagliata esposizione delle singole fasi del procedimento, si desidera precisare che la presente invenzione è partita dalla constatazione che sottoponendo i wafer di silicio ad un trattamento di rapida ricottura (annealing) termica ad alta temperatura, in particolare tra 1200° e 1300°C, per brevi periodi di tempo si ottiene un considerevole miglioramento della precipitazione dell'ossigeno. In particolare è stato constatato che tale intensificazione dipende dalla temperatura e non si presenta omogenea all'interno del wafer. Sotto quest'ultimo aspetto, si è riscontrata la formazione di due picchi di concentrazione, in prossimità delle due superfici maggiori dei wafer, con un plateau di minimo nella zona centrale.

Ciò è chiaramente evidenziato nella Figura 1 nella quale si riconoscono facilmente i due picchi in prossimità delle due superfici maggiori del wafer ed il plateau centrale. Si riconosce anche la diver-; sità del profilo in corrispondenza di due diverse durate del trattamento (20 sec. e 35 sec.).

Sotto l'aspetto fisico, si è constatato che; questo trattamento di rapida ricottura termica ad alta temperatura comporta la formazione dei cosidetti | difetti che agiscono come precursori per la successiva nucleazione e crescita dei precipitati di ossigeno.

Una ulteriore osservazione alla base della presente invenzione e quella che un trattamento termico a temperature di 900-1000°C dei wafer già sottoposti a rapida ricottura termica non favorisce una , ulteriore nucleazione, anzi comporta un dissolvimento di una certa frazione dei summenzionati precursori generati ad alta temperatura. Infatti è stato dimo- ^ strato che tali precursori presentano una certa in-· stabilità quando vengono raffreddati a temperature inferiori a quelle a cui sono stati generati. In compenso, questo trattamento a 900°-1000°C comporta un accrescimento di eventuali nuclei di precipitazione già esistenti od una generale stabilizzazione dei difetti creati dal trattamento di rapida ricottura termica .

Infine, alla base della presente invenzione vi è la scoperta del fatto che la instabilità dei precursori generati ad alta temperatura può essere messa in stretta relazione alle condizioni di raffreddamente, tanto da far ipotizzare che un gradiente di temperatura all'interno del wafer durante il raffreddamento può comportare una disuniformità di dissoluzione dei difetti ad alta temperatura. Questa ipotesi che, in primo luogo, potrebbe spiegare la dif ferenza dei valori di picco della densità in corrispondenza delle due diverse superfici facendola risalire ai diversi valori di emissività di dette due superfici, una delle quali è lucidata e l'altra è ruvida, è stata corroborata da lavori sperimentali che hanno dimostrato che il picco corrispondente ad una superficie viene sostanzialmente eliminato quando la emissività termica attraverso tale superficie viene fortemente ridotta e quindi il raffreddamento del wafer viene fortemente rallentato ad esempio mediante una schermatura termica dalla superficie stessa.

A questa importantissima osservazione è legata una delle caratteristiche fondamentali della presente invenzione, la quale consiste nel fatto che i wafer non sono sottoposti al trattamento singoiarmente, ma accoppiati o binati fisicamente in stretto [contatto cosi da ottenere una loro reciproca schermatura termica. In questo modo, quello che è il pròfilo di distribuzione dei. difetti a doppio‘picco in-Oleato dalla freccia I della Figura 2a, nella quale si espone un singolo wafer, rimane sempre un profilo a doppio picco come mostrato dalla freccia II ne Ua Figura 2b, ma tale profilo interessa questa volta due wafer binati i quali, una volta separati avranno un profilo di densità dei difetti che presenta un picco in prossimità di una superficie ed un plateau prossimo a zero in prossimità dell'altra superficie E questo è proprio il risultato che si desidera ottenere, senza dover far ricorso a lunghi e laborios complessi trattamenti termici per creare una buona zona denudata idonea alla successiva reaiizzazione di circuiti integrati.

Nella Figura 3 sono riportati più precisamente i profili di densità dei precipitati di ossigeno in funzione della profondità, per un wafer trattato in forma binata ad altro wafer, nel caso di due temperature di 1200°C e di 1250°C.

Sintetizzando le osservazioni precedentemente esposte, il procedimento secondo la presente invenzione, comprende fondamentalmente le seguenti operazioni di trattamento.

In una prima operazione, i wafer vengono sottoposti ad un trattamento termico preliminare in forno, ad una temperatura di circa 1100°C per una durata di circa t5 minuti. Lo scopo di questo trattamento termico preliminare è quello di ridurre uniformemente la densità dei difetti di fondo, in modo da ottenere omogenee condizioni di partenza.

In una seconda operazione i wafer, dopo aver subito un tradizionale trattamento di corrosione chimica (etching), vengono sottoposti a due a due in stretto contatto reciproco ad un trattamento di rapida ricottura termica nel quale essi ricevono un impulso termico della durata di alcune decine di secondi, ad una temperatura compresa nell'intervallo approssimativo fra 1200°C e 1275°C. Poiché la densità dei difetti che vengono generati dipende sia dal tempo sia dalla temperatura, come già evidenziato nelle Figure 1 e 3, questi parametri dipendono dalla densità dei difetti che si desidera ottenere.

A questa operazione fa seguito un ulteriore trattamento termico a temperatura tra 950°C e 1150°C, eventualmente suddiviso in due fasi (ad esempio una prima fase a 900°C ed una seconda fase a 1000°C, per tempi rispettivamente di 4 ore e di 16 ore). Lo scopo di questa operazione è quello di stabilizzare e far crescere i precursori di precipitazione che sono stati generati nell'operazione precedente, eliminando nel contempo la loro frazione instabile.

Nella successiva operazione i wafer vengono rimossi dal forno e le superfici che erano in stretto contatto reciproco durante il trattamento di rapida ricottura termica ad alta temperatura vengono lucidate in maniera tradizionale. In questo modo, il profilo a picco-plateau creato nelle due operazioni precedenti assicura che vi sia una bassissima densità di difetti (plateau) in prossimità della superficie lucidata, realizzando con ciò una zona denudata perfettamente idonea alla fabbricazione di circuiti integrati, ed una elevata e ben controllata densità di difetti in prossimità della superficie posteriore del wafer, lontana dalla regione attiva, perfettamente idonea alla desiderata funzione di intrappolamento dei contaminanti.

In quel che precede è stata .descritta la preferita forma di realizzazione della presente invenzione, ma deve essere espressamente inteso che varianti e modifiche possono essere in essa.apportate, senza con ciò uscire dall'ambito della presente privativa industriale.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il trattamento di wafer di si1icio per ottenere in essi profili controllati dejle densità di precipitazioni, caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti operazioni: (a) sottoporre i wafer ad un trattamento termico preliminare, ad una temperatura tra 950°C e 1150°C, in particolare circa a 1100°C, per una durata di cirr ca 15 minuti; (b) dopo un tradizionale trattamento di corrosione chimica ( etching), sottoporre coppie di wafèr ab> binati in stretto contatto termico reciproco ad un trattamento di rapida ricottura termica, ad una temperatura tra 1200°C e 1275°C per una durata di alcune decine di secondi; (c) sottoporre i wafer ad un ulteriore trattamento termico prolungato a temperatura tra 900°C e : 1000°C, ed infine (d) estrarre i wafer dal forno e sottoporre le superfici che erano in stretto contatto reciproco durante il trattamento dì rapida ricottura a lucidatura superficiale.
2. 2. Procedimento di trattamento di wafer di silicio secondo la rivendicazione 1, in cui detto trattamento termico preliminare viene effettuato a :temperatura di circa 1100eC, ed ha la funzione di ridurre uniformemente la densità dei "difetti" e stabilire omogenee condizioni di partenza.
3. 3. Procedimento di trattamento di wafer di silicio secondo la rivendicazione 1, in cui detto trattamento di rapida ricottura termica consiste nel sottoporre le coppie di wafer binati ad un impulso ter-: mico di durata tra 10 e 40 secondi per la generazio-'ne di precursori di precipitazione.
4. 4. Procedimento di trattamento di wafer di silicio secondo la rivendicazione 1, in cui detto ulteriore trattamento termico prolungato è eseguito in :uno o due stadi.
5. 5. Procedimento di trattamento di wafer di silicio secondo la rivendicazione 4, in cui detto ulteriore trattamento termico prolungato è eseguito in due stadi, in particolare un primo stadio a temperatura di 900°C ed un secondo stadio a temperatura di 1000°C per durate di 4 ore e di 16 ore rispettivamente .
6. 6. Procedimento di trattamento di wafer di silicio secondo la rivendicazione 1, in cui detto abbinamento in stretto contatto termico dei wafer è realizzato con semplice contatto meccanico-termico tra le loro superfici.
7. 7. Procedimento di trattamento di wafer di silicio secondo la rivendicazione 1, in cui detto abbinamento in stretto contatto termico dei wafer è realizzato con metodologie di accoppiamento intimo che realizzano legami atomici fra le loro superfici (wafer-bonding).
8. 8. Procedimento per il trattamento di fette di silicio per ottenere in esse profili di precipitazione controllati per la produzione di componenti elettronici secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e sostanzialmente come rappresentato e descritto