СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ
METHOD OF MAKING SILICON-ON-INSULATOR STRUCTURES

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано в микро- и наноэлектронике для производства современных сверхбольших интегральных схем (СБИС) и других изделий на основе структур кремний-на-изоляторе (КНИ).
Известен способ изготовления структуры кремний-на-изоляторе (патент США №5374564 на изобретение, МПК 5 H01L 21/265), заключающийся в том, что на поверхности подложки-донора формируют слой диэлектрика, затем в подложке-доноре создают ослабленную зону, выделяющую слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, после чего подложку-донор сращивают с подложкой и осуществляют перенос слоя диэлектрика и слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на слое диэлектрика, на подложке. При этом в качестве подложки и подложки-донора используют полупроводниковые пластины кремния. На поверхности подложки-донора формируют слой диэлектрика в составе одного или более слоев, выращенных из разных материалов, в частности оксида кремния, сформированного термически, который в изготовленной КНИ структуре использован в качестве захороненного диэлектрика. В подложке-доноре создают ослабленную зону, выделяющую слой полупроводникового материала, с помощью имплантации в подложку-донор водорода или инертных газов. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора ионами водорода, создающими в объеме подложки-донора на глубине порядка средней глубины проникновения ионов слой газонаполненных микропор, представляющий ослабленную зону, выделяющую слой полупроводникового материала, переносимый на подложку. При ионной имплантации температуру подложки-донора поддерживают ниже температуры, соответствующей выходу из объема подложки-донора вследствие диффузии газа, образованного имплантированными ионами, а именно в интервале от 20 до 450°С. Суммарная толщина слоя диэлектрика на подложке-доноре выбрана с возможностью «пробивания» слоя диэлектрика ионами. Подложку-донор сращивают с подложкой, соединяя рабочую поверхность подложки с поверхностью слоя диэлектрика, сформированного на поверхности подложки-донора, при помощи электростатического сдавливания или применения клеящего вещества. Последующее осуществление переноса слоя диэлектрика и слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на слое диэлектрика, на подложке проводят посредством расслоения по ослабленной зоне, выделяющей слой полупроводникового материала, при высокой температуре, выше температуры имплантации водорода или инертных газов. Значение температуры расслоения выбирают достаточным для восстановления структуры полупроводникового материала и для достижения в микропорах ослабленной зоны величины давления, инициирующей расслоение, а именно выше 500°С, при этом подложку и подложку-донор держат все время в контакте.
Недостатками технического решения являются невысокое качество КНИ структур и довольно высокие требования к качеству обработки поверхности исходных сращиваемых пластин. Указанные недостатки обусловлены следующим.
+
2
2
Во-первых, низким качеством захороненного диэлектрика в КНИ структурах, создаваемых описанным способом. В описанном способе имплантацию ионов Н для создания в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, проводят через слой диоксида кремния, который в последующем используют в качестве захороненного диэлектрика. Генерация дефектов в процессе имплантации, а также наличие остаточного водорода обеспечивают ухудшение изолирующих свойств слоя SiO. В свою очередь, дальнейшее использование SiO в качестве изолирующего диэлектрика предъявляет высокие требования к его пробивным полям, токам утечки, значения которых лимитируются в данном случае количеством генерированных в процессе имплантации дефектов и остаточного водорода. Для устранения последних необходим дополнительный высокотемпературный отжиг при температурах порядка 1100°С в течение 2 часов.
Во-вторых, использованием в указанном способе термического оксида, выращенного именно на подложке-доноре, в качестве захороненного диэлектрика. Это приводит к тому, что границей раздела между отсеченным слоем кремния и захороненным диэлектриком является переходный слой Si/термический оксид. Толщина такого переходного слоя может достигать нескольких нанометров, что ограничивает применение КНИ структур, изготовленных известным способом, для создания приборов с пониженной размерностью (одноэлектронных и квантово-размерных приборов), в которых к совершенству границ раздела предъявляются высокие требования.
+
В-третьих, необходимостью использования ионов Н достаточно большой энергии. Значительные величины энергий требуются для достижения пробегов ионов, соответствующих пробиванию ими насквозь слоя диоксида кремния на подложке-доноре и отсечению слоя кремния, примыкающего к диэлектрику. Используемые энергии приводят к увеличению разбросов ионов по пробегам и, как следствие, к увеличению дозы ионов, обеспечивающей достижение требуемой концентрации водорода, то есть к увеличению радиационной нагрузки на формируемые КНИ структуры, а также к увеличению шероховатости поверхности. С другой стороны, использование значительных энергий ионов водорода не позволяет гибко варьировать желаемую толщину формируемого отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке.
В-четвертых, неоднородностью переноса отсекаемого слоя кремния по площади пластины, обусловленной началом расслоения имплантированной пластины одновременно во многих местах при температурах отжига порядка 500°С и выше.
В-пятых, накоплением водорода в пустотах на границе сращивания, обусловленным первоначальным скоплением физически адсорбированных веществ между поверхностями соединяемых пластин, а затем выходом его наружу при последующих высокотемпературных термообработках водородосодержащих структур.
В-шестых, тем, что результат сращивания подложки и подложки-донора и, в целом, качество КНИ структуры также определяется исходным качеством подготовки поверхности пластин, что требует введения дополнительных операций механической и химической полировки, которые, в свою очередь, могут приводить к введению дополнительных примесей в приповерхностный слой пластины, снижающих его электрофизические свойства.
В-седьмых, высокими требованиями, предъявляемыми к степени шероховатости поверхностей сращиваемых пластин и, следовательно, к качеству обработки поверхности исходных сращиваемых пластин, резко ограничивающими ассортимент пластин кремния, пригодных для прямого соединения.
2
2
+
+
16
-2
1
4
В качестве ближайшего технического решения к заявляемому изобретению выявлен способ изготовления структуры кремний-на-изоляторе (патент РФ №2217842 на изобретение, МПК 7 H01L 21/02), заключающийся в том, что в подложке-доноре создают ослабленную зону, выделяющую слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, проводят химическую обработку подложки-донора и подложки, после чего подложку-донор сращивают с подложкой и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке. При этом в качестве подложки-донора используют полупроводниковую пластину кремния, а в качестве подложки - полупроводниковую пластину кремния со слоем термически выращенного оксида кремния толщиной 0,01÷3 мкм, или стеклянную, или кварцевую пластину толщиной порядка 500 мкм. Термический оксид кремния толщиной 0,014÷3 мкм формируют на поверхности подложки перед химической обработкой. Перед созданием в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, выращивают тонкий (5÷50 нм) слой SiO, который после проведения указанной операции удаляют. Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют имплантацией в подложку-донор водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора ионами водорода Н  или Н дозой (1,5÷15)×10 см и энергией 20÷200 кэВ. При сращивании подложки-донора с подложкой и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, после химической обработки проводят сначала сушку с удалением физически адсорбированных веществ с поверхности подложки-донора и подложки, после чего их соединяют поверхностью подложки-донора, со стороны которой осуществлена имплантация ионов водорода, и поверхностью подложки, со стороны которой сформирован термический оксид кремния, сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, в одну стадию в низком вакууме, при температуре, соответствующей связанному состоянию в кремнии внедренного водорода. В частности, указанный комплекс действий проводят в вакууме 10÷10 Па, при температуре от 80 до 350°С, длительностью от 100 до 0,01 часа. После сращивания подложки-донора с подложкой и осуществления переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, проводят высокотемпературную обработку при 1100°С в течение 0,5÷1 часа, и приповерхностный нарушенный слой отсеченного поверхностного слоя полупроводника удаляют полировкой или окислением с последующим травлением.
По сравнению с первым приведенным техническим решением (патент США №5374564 на изобретение, МПК 5 H01L 21/265) ближайшее техническое решение (патент РФ №2217842 на изобретение, МПК 7 H01L 21/02) позволяет достигать целый ряд преимуществ, выражающихся в следующем.
Во-первых, в варьировании желаемой толщины отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, например, в сторону уменьшения, поскольку способ изготовления позволяет уменьшить необходимую энергию ионов водорода.
Во-вторых, в уменьшении времени облучения и, следовательно, радиационной нагрузки на КНИ структуру, в результате снижения необходимой дозы ионов водорода.
В-третьих, в уменьшении шероховатости поверхности структуры КНИ и совокупности используемых в процессе изготовления структуры КНИ радиационно-термических воздействий на структуру.
2
В-четвертых, в снижении концентрации дефектов на границе раздела Si/SiO.
В-пятых, в достижении практически полного отсутствия пузырей на поверхности КНИ структур и пор в отсеченном поверхностном слое кремния.
В-шестых, в относительном улучшении качества и выхода годных структур.
В-седьмых, в снижении стоимости КНИ структур, изготовленных предлагаемым способом, базирующимся на водородно-индуцированном переносе, благодаря отсутствию в нем операции расслоения (скалывания) при 400÷600°С.
Однако к недостаткам ближайшего технического решения относятся недостаточно высокое качество КНИ структур и довольно высокие требования к качеству обработки поверхности исходных сращиваемых пластин. Причины указанных недостатков заключаются в следующем.
Во-первых, результат сращивания подложки и подложки-донора и, в целом, качество КНИ структуры определяется исходным качеством подготовки поверхности пластин, что требует введения дополнительных операций механической и химической полировки, которые, в свою очередь, могут приводить к введению дополнительных примесей в приповерхностный слой пластины, снижающих его электрофизические свойства.
Во-вторых, высокие требования, предъявляемые к степени шероховатости поверхностей сращиваемых пластин и, следовательно, к качеству обработки поверхности исходных сращиваемых пластин, резко ограничивают ассортимент пластин кремния, пригодных для прямого соединения.
Техническим результатом изобретения является:
- повышение качества КНИ структур;
- снижение требований к качеству обработки поверхности исходных сращиваемых пластин.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления структуры кремний-на-изоляторе, заключающемся в том, что в подложке-доноре создают ослабленную зону, выделяющую слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, подложку-донор сращивают с подложкой и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, перед сращиванием в составе подложки формируют аморфный слой, после чего в аморфный слой имплантируют примесь реактивных газов, обладающую низкой растворимостью в аморфном слое, способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности, и проводят последующий отжиг подложки в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки, вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами, после чего приступают к сращиванию.
В способе в качестве подложки-донора и в качестве подложки используют полупроводниковую пластину кремния.
В способе в составе подложки формируют аморфный слой из диэлектрика.
В способе в качестве диэлектрика используют слой оксида кремния.
В способе в подложке-доноре создают ослабленную зону, выделяющую слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, посредством имплантации в подложку-донор водорода.
2
+
+
16
-2
В способе имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора ионами водорода Н  или Н дозой (1,5÷15)×10 см и энергией 20÷200 кэВ, перед имплантацией на поверхности подложки-донора выращивают защитный слой окисла кремния, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
В способе перед сращиванием подложки-донора с подложкой сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию.
1
3
В способе при сращивании подложки-донора с подложкой и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку и подложку-донор соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей, одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку, причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру в интервале от 80 до 450°С, длительность - от 0,1 до 100 часов, в камере с вакуумом 10÷10 Па или в сочетании с использованием инертной сухой атмосферы.
13
16
-2
В способе в аморфный слой имплантируют примесь реактивных газов, обладающую низкой растворимостью в аморфном слое, способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности, в виде ионов азота дозой 1×10÷1×10 см с энергией от 20 кэВ и до величины, соответствующей условию непревышения среднего проективного пробега, равного половине толщины аморфного слоя и длины диффузии газовых молекул, формирующихся в объеме аморфного слоя.
В способе отжиг подложки проводят в атмосфере кислорода.
В способе отжиг подложки в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки, вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами, проводят при 400÷600°С, длительностью не менее 0,1 часа.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг.1 представлены основные стадии изготовления структуры кремний-на-изоляторе: а) создание посредством имплантации водорода в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; б) имплантация в аморфный слой диэлектрика, сформированный в составе подложки, ионов примеси реактивных газов, например азота, обладающего низкой растворимостью в аморфном слое, способного к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности; в) отжиг в окислительной атмосфере подложки, подвергшейся имплантации ионов реактивных газов, обеспечивающих формирование новых ковалентных связей в подвергшейся имплантации матрице, причем в дополнительном количестве, при проведении отжига в указанной атмосфере; г) сушка и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с соединяемых поверхностей подложки-донора и подложки, сращивание и расслаивание с переносом выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала на подложку, формирование отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке в вакуумной камере или инертной атмосфере; где 1 - полупроводниковая подложка-донор, 2 - слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, выделенный в подложке-доноре ослабленной зоной, полученной имплантацией водорода, 3 - подложка, 4 - аморфный слой диэлектрика, выполненный в составе подложки, 5 - примесь реактивных газов (ионы азота), 6 - отсеченный поверхностный слой полупроводника, расположенный на подложке.
2
2
2
15
-2
15
-2
На Фиг.2 приведены фотографии поверхности структур КНИ, изготовленные сращиванием пластин с исходной среднеквадратичной шероховатостью поверхности 0,08÷0,1 нм: а) без имплантации в аморфный слой диэлектрика (SiO) примеси реактивных газов (ионов азота) и отжига в окислительной атмосфере; б) с проведением имплантации в аморфный слой диэлектрика (SiO) примеси реактивных газов (ионов азота с энергией 40 кэВ и дозой 3×10 см), но без отжига в окислительной атмосфере; в) с проведением имплантации в аморфный слой диэлектрика (SiO) примеси реактивных газов (ионов азота с энергией 40 кэВ и дозой 3×10 см) и отжига в окислительной атмосфере (атмосфера кислорода, при температуре 600°С, в течение 0,1 часа).
2
2
15
-2
На Фиг.3 приведены фотографии поверхности структур КНИ, изготовленные сращиванием пластин с исходной среднеквадратичной шероховатостью поверхности 0,14÷0,2 нм: а) без имплантации в аморфный слой диэлектрика (SiO) примеси реактивных газов (ионов азота) и отжига в окислительной атмосфере; б) с проведением имплантации в аморфный слой диэлектрика (SiO) примеси реактивных газов (ионов азота с энергией 40 кэВ и дозой 3×10 см) и отжига в окислительной атмосфере (атмосфера кислорода, при температуре 600°С, в течение 0,1 часа).
В предлагаемом способе создание структуры кремний-на-изоляторе с использованием ионной имплантации и прямого переноса базируется на физических закономерностях, определяющих процессы переноса полупроводниковых слоев, процессы модификации поверхности с образованием качественно новых связей на поверхности и границах раздела с участием атомов (примеси) реактивных газов, причем в дополнительном количестве. Приведенные экспериментальные данные подтверждают правомерность физических представлений.
2
В основе процессов переноса слоя полупроводникового материала, включающих в себя низкотемпературное сращивание подложки (3) и полупроводниковой подложки-донора (1) с одновременным переносом слоя (2) полупроводникового материала (см. Фиг.1), используется различие поверхностных энергий пар гидрофильных и гидрофобных поверхностей, проявляющееся в той или иной степени в различных температурных интервалах. В рассматриваемом случае гидрофильные поверхности - поверхности подложки (3) и подложки-донора (1), гидрофобные поверхности - в объеме подложки-донора (1), в ослабленной зоне, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку. В запатентованном техническом решении, приведенном в качестве ближайшего аналога (патент РФ №2217842 на изобретение «Способ изготовления структуры кремний-на-изоляторе» авторов Попова В.П. и Тысченко И.Е.), эта физическая особенность была положена в основу создания структур Si/SiO/Si. Указанная разница поверхностных энергий в зависимости от качества сращиваемых поверхностей, в частности от чистоты и гладкости сращиваемых поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1), может составлять более одного порядка величины.
Одним из шагов на пути создания КНИ структуры является реализация возможности использования на практике приведенной физической особенности. Для этого необходимо осуществить, во-первых, соединение гидрофильных поверхностей, выражающееся в сращивании кремниевых подложки (3) и подложки-донора (1), и, во-вторых, разрыв гидрофобно-соединенных поверхностей, свойственный водородно-индуцированному переносу слоя (2) полупроводникового материала (слой, переносимый на подложку (3), выделенный в подложке-доноре (1) ослабленной зоной, полученной имплантацией водорода) с образованием отсеченного поверхностного слоя полупроводника (6) на подложке (3). Реализация данного шага, так называемого водородно-индуцированного переноса, обеспечивает формирование на подложке (3), содержащей в своем составе аморфный слой диэлектрика (4), отсеченного поверхностного слоя полупроводника (6), что осуществляют последовательно, во-первых, посредством создания в подложке-доноре (1) ослабленной зоны, выделяющей слой (2) полупроводникового материала, переносимого на подложку (3), за счет имплантации в подложку-донор (1) водорода и, во-вторых, сращиванием с одновременным расслоением по ослабленной зоне и переносом.
Качество осуществления переноса на подложку (3) выделяемого ослабленной зоной слоя (2) полупроводникового материала, также как и качество получаемой в результате КНИ структуры, зависит от величины поверхностных энергий.
Параметрами, определяющими величину поверхностной энергии в любом случае, являются температура и высокое структурное качество поверхностей, то есть их гладкость и чистота. В связи с последним одним из главных требований, необходимых для достижения полного (100%) гидрофильного соединения кремниевых подложки (3) и подложки-донора (1), является обеспечение предельно возможной чистоты поверхностей сращиваемых пластин, отсутствия физически адсорбированных примесей на исходных поверхностях и последующее проведение непосредственно самой гидрофилизации поверхностей пластин. Перед проведением гидрофилизации подложку (3) и подложку-донор (1) подвергают химической очистке, удаляющей физически адсорбированные примеси. После гидрофилизации пластины следует просушить и вторично удалить с их поверхностей имеющиеся физически адсорбированные вещества, для чего их помещают в центрифугу вакуумной камеры и нагревают там до необходимых для этого температур. По окончании сушки и удаления адсорбированных веществ их соединяют в пары.
2
2
2
2
3
В предлагаемом техническом решении с целью предотвращения влияния физически адсорбированных веществ на качество переноса слоя (2) полупроводникового материала, переносимого на подложку, выделенного в подложке-доноре ослабленной зоной, полученной имплантацией водорода, проводят комплекс мер по насыщению оборванных связей атомов исходной матрицы (подложки (3)), как правило, присутствующих на поверхности и взаимодействующих с адсорбированными примесями, формируя качественно новые дополнительные устойчивые, способные взаимодействовать с ОН комплексами, связи на поверхности аморфного слоя диэлектрика (4) перед соединением в пары подложек (3) и подложек-доноров (1) (Фиг.1, стадии б) и в)). В основу реализации данного шага при изготовлении КНИ структуры положена способность атомов реактивных примесей (примесь реактивных газов (5)), обладающих низкой растворимостью в веществе, взаимодействовать на поверхности материалов на основе кремния с атомами матрицы (Н. Yamada «Effect of N and F passivation on the reliability and interface structure of 700°С grown ultrathin silicon oxide / Si(100) gate films», J. Appl. Phys., 103 (2008), pp.014502; H.Wong, V.M.С.Poon, C.W.Kok, P.J.Chan, V.A.Gritsenko «Interface structure of ultrathin oxide prepared by NO oxidation», IEEE Trans. Electron. Dev., 50 (2003), pp.1941-1945). Реактивные примеси, имплантированные в твердотельную матрицу, способны образовывать газовые молекулы, обладающие незначительным радиусом (например, такие как молекула N) и, будучи не связанными, с решеткой матрицы, легко диффундирующими к реальной поверхности материала (К.Kajihara, М.Hirano, Y.Takimoto, L.Skuja, H.Hosono «Diffusion of nitrogen molecules in amorphous SiO», Appl. Phys. Lett., 91 (2007), pp.071904). Вступая при отжиге в окислительной атмосфере в реакцию с кислородом, молекула реактивного газа способна участвовать в образовании оксидных комплексов YO и затем YO. Реакция образованных комплексов YO с трехкоординированными атомами матрицы (≡Х·), присутствующими на границе раздела или поверхности, приводит к формированию комплексов типа ≡XYO с последующим образованием комплексов типа X-Y-X. Как результат, происходит изменение природы химических связей на поверхности или модификация последней, что, в свою очередь, сопровождается образованием на поверхности в дополнительном количестве оборванных связей, которые в процессе последующих гидрофильных обработок взаимодействуют с комплексами ОН и приводят к снижению концентрации газовых пузырей на поверхности и увеличению площади переноса слоя (слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, выделенный в подложке-доноре ослабленной зоной, полученной имплантацией водорода) с подложки-донора (1). Увеличение площади переноса слоя означает повышение качества переноса, достижение его однородности за счет улучшения качества сращивания в результате снижения влияния физически адсорбированных примесей.
Предпринятые рассмотренные меры оказываются позитивными также в отношении снижения требований к качеству исходной механической обработки поверхности сращиваемых пластин. Проведение имплантации примеси реактивных газов в аморфный слой диэлектрика (4) и последующий отжиг в окислительной атмосфере в силу тех же вышеприведенных причин обеспечивает у изготовленных КНИ структур достижение практически одинаковой гладкости вне зависимости от исходной шероховатости кремниевых пластин. Получаемый результат, также как и влияние указанных мер, наглядно демонстрируют экспериментальные фотографии, приведенные на Фиг.2 и Фиг.3.
p
2
+
+
16
-2
Внутренние гидрофобные поверхности в соседних атомных плоскостях подложки-донора (1), которые параллельны плоскости соединения подложки (3) и подложки-донора (1), формируют в слое полупроводника подложки-донора (1), создавая ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (3), за счет имплантации водорода. Формирование таких поверхностей происходит путем образования в подвергшемся имплантации слое Х-Н-Н-Х связей за счет захвата водорода на растянутые и ослабленные Х-Х связи полупроводниковой матрицы, перпендикулярные поверхности. Для того чтобы обеспечить на глубине среднего проективного пробега ионов R пару гидрофобных (100) плоскостей с полным (100%) покрытием Х-Н-Н-Х связями, при имплантации, обеспечивающей формирование отсеченного полупроводникового слоя, необходимы дозы ионов Н, Н   (1,5÷15)×10 см и выше при их энергиях от 20 до 200 кэВ.
Базируясь на изложенных физических представлениях, достижение технического результата осуществляется реализацией следующих этапов способа изготовления при следующих условиях.
2
2
+
+
16
-2
1. В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н  или Н дозой (1,5÷15)×10 см и энергией 20÷200 кэВ. Указанная доза для указанных энергий необходима для отслаивания (скалывания) тонкого слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку, и формирования на ней отсеченного поверхностного слоя полупроводника. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Тонкий слой SiO, толщиной от 5 до 50 нм, предназначен для защиты пластины кремния от загрязнений при проведении имплантации.
13
16
-2
2. В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). Он, после сращивания подложки (3) и подложки-донора (1) (пластин кремния), будет играть роль разделяющего диэлектрического слоя, его не подвергают воздействию ионов водорода, сохраняя его высокое качество в КНИ структуре. В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 1×10÷1×10 см с энергией от 20 кэВ и до величины, соответствующей условию непревышения среднего проективного пробега, равного половине толщины слоя оксида кремния - аморфного слоя и длины диффузии газовых молекул, формирующихся в объеме слоя оксида кремния. Ионы азота представляют собой примесь реактивных газов, обладающую низкой растворимостью в слое оксида кремния - аморфном слое, способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности.
3. Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью и диффундирующих к поверхности, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки (3). В процессе отжига происходит взаимодействие комплексов с атомами на поверхности, приводящее к модификации поверхности и образованию новых устойчивых, в дополнительном количестве относительно исходного, оборванных связей при участии имплантированной примеси (примесь реактивных газов (5)), локализованной в приповерхностной области, взаимодействующих при гидрофилизации с комплексами ОН (см. Фиг.1в)). Отжиг также обеспечивает устранение структурных нарушений в результате имплантации примеси. Отжиг проводят при 400÷600°С, длительностью не менее 0,1 часа.
4
2
2
2
2
2
1
3
4. Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Полная химическая обработка кремниевых пластин включает очистку их, отмывку струей воды или ультразвуковым воздействием деионизованной воды, гидрофилизацию с последующей отмывкой их струей воды или ультразвуковым воздействием деионизованной воды. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:HO:HO=1:1:6÷1:2:8 (так называемые RCA-1 и RCA-2, соответственно). При сращивании подложки-донора с подложкой и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку и подложку-донор соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку. Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру в интервале от 80 до 450°С, длительность - от 0,1 до 100 часов, в камере с вакуумом 10÷10 Па или в сочетании с использованием инертной сухой атмосферы. После реализации вышеописанных стадий изготовления КНИ структуры в некоторых случаях проводят завершающий отжиг изготовленной КНИ структуры при 1100±50°С в течение 0,5÷1 часа. Отжиг способствует усилению сращивания кремниевых пластин до степени, при которой для их разрыва требуется затратить энергию, соответствующую энергии разрыва объемного кремния. Также он целесообразен для удаления из отсеченного поверхностного слоя кремния остаточных радиационных дефектов и водорода.
В финале изготовления также проводят удаление верхней нарушенной части отсеченного поверхностного слоя полупроводника посредством полировки либо окислением с последующим стравливанием.
Таким образом, основные отличия предлагаемого технического решения от известных технических решений, влияющие на достижение указанного технического результата, заключаются во введении новых операций в способ изготовления. Во-первых, в сформированный в составе подложки аморфный слой имплантируют примесь реактивных газов, обладающую низкой растворимостью в аморфном слое, способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Во-вторых, после указанной имплантации проводят отжиг подложки в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя, имеющими оборванные связи, вызывающему их насыщение с образованием новых, более устойчивых связей, при участии имплантированной примеси, локализованной в приповерхностной области. Этим обеспечивается изменение природы химических связей на поверхности, что, в свою очередь, сопровождается образованием на поверхности новых оборванных связей, в дополнительном количестве относительно исходного количества оборванных связей атомов на поверхности аморфного слоя, которые в процессе последующих гидрофильных обработок взаимодействуют с комплексами ОН и приводят к снижению концентрации газовых пузырей на поверхности и увеличению площади переноса слоя подложки-донора и повышению качества переноса. Формирование дополнительных связей, способных к взаимодействию с комплексами ОН при гидрофилизации, увеличивает суммарную площадь участков пластины кремния, подвергшихся гидрофилизации, повышая однородность гидрофилизации пластины в целом.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.
Пример 1.
2
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н  дозой 2,5×10 см и энергией 140 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
15
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 1×10 см с энергией 30 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки, вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 600°С, длительностью 10 минут.
4
2
2
2
2
2
3
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:HO:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 450°С в течение 0,5 часа, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,65 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 2.
2
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н дозой 2,5×10 см и энергией 140 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
15
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 3×10 см с энергией 40 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки, вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 600°С, длительностью 20 минут.
4
2
2
2
2
2
2
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:HO:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 350°С в течение 1 часа, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,65 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 3.
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н дозой 1,5×10см и энергией 20 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 5 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
13
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 1×10 см с энергией 20 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки, вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 400°С, длительностью 1 час.
4
2
2
2
2
2
1
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:HO:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 200°С в течение 0,15 часа, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,20 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 4.
2
+
17
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н дозой 1,5×10 сми энергией 200 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
16
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 1×10 см с энергией 60 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки, вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 600°С, длительностью 10 минут.
4
2
2
2
2
2
2
1
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:НО:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 350°С в течение 1 часа, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,70 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 5.
2
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н  дозой 2×10 см и энергией 120 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
15
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 3×10 см с энергией 40 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки, вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 600°С, длительностью 20 минут.
4
2
2
2
2
2
2
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:НО:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 350°С в течение 1 часа, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,60 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 6.
2
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н  дозой 2,5×10 см и энергией 140 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
15
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 3×10 см с энергией 40 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки (3), вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 550°С, длительностью 30 минут.
4
2
2
2
2
2
2
1
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:HO:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 80°С в течение 100 часов, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
3
4
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,60 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 1 монослой SiN, 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 7.
2
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н  дозой 2,5×10 см и энергией 140 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
15
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 3×10 см с энергией 40 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки (3), вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 600°С, длительностью 20 минут.
4
2
2
2
2
2
3
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и НС1:HO:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 350°С в течение 1 часа, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,65 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 8.
2
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н дозой 2,5×10 см и энергией 140 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
15
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 3×10 см с энергией 40 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки (3), вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 600°С, длительностью 20 минут.
4
2
2
2
2
2
1
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:HO:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 450°С в течение 1 часа, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа. Указанные операции проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,65 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Пример 9.
2
+
16
-2
В подложке-доноре (1) создают ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (см. Фиг.1а)). Ослабленную зону, выделяющую слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку, создают посредством имплантации в подложку-донор (1) водорода. Имплантацию проводят посредством бомбардировки подложки-донора (1) ионами водорода Н  дозой 4×10 см и энергией 20 кэВ. Причем перед имплантацией на поверхности подложки-донора (1) выращивают защитный слой окисла кремния 5 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.
15
-2
В составе подложки (3) формируют аморфный слой диэлектрика (4) (см. Фиг.1б)). Затем в аморфный слой диэлектрика (4) имплантируют примесь реактивных газов (5), обладающую низкой растворимостью в аморфном слое диэлектрика (4), способную к образованию газовых молекул, легко диффундирующих к поверхности. Аморфный слой диэлектрика (4) толщиной 300 нм формируют, термически окисляя пластину кремния, которую используют в качестве подложки (3). В верхнюю часть слоя оксида кремния, выполненного в составе подложки (3), имплантируют ионы азота (примесь реактивных газов (5)) дозой 3×10 см с энергией 40 кэВ.
В качестве подложки (3) и подложки-донора (1) используют пластины кремния.
Проводят отжиг подложки (3) в окислительной атмосфере, приводящий к формированию из газовых молекул, образованных имплантированной примесью, и кислорода окислительной атмосферы комплексов, способных к взаимодействию с атомами на поверхности аморфного слоя в составе подложки (3), вызывающему модификацию поверхности, обеспечиваемую насыщением оборванных связей атомов аморфного слоя при взаимодействии их с комплексами и образованием новых более устойчивых связей, причем в дополнительном количестве относительно исходного, способных к взаимодействию с ОН комплексами (см. Фиг.1в)). Отжиг проводят в атмосфере кислорода, при 600°С, длительностью 20 минут.
4
2
2
2
2
2
1
Подложку-донор (1) сращивают с подложкой (3) и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, расположенного на подложке (см. Фиг.1г)). Причем перед сращиванием подложки-донора (1) с подложкой (3) сращиваемые поверхности подвергают обработке, включающей очистку и гидрофилизацию. Очистку и гидрофилизацию поверхностей подложки (3) и подложки донора (1) проводят обработкой в перекисно-аммиачных и перекисно-кислотных растворах с соотношениями, соответственно, NHOH:HO:HO=1:1:5÷1:2:7 и HCl:HO:HO=1:1:6÷1:2:8. При сращивании подложки-донора (1) с подложкой (3) и осуществлении переноса слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника, расположенного на подложке, подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют поверхностями, соответственно, аморфного слоя и выделенного ослабленной зоной слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. Соединение в пары проводят, предварительно осуществив после отмывки струей ультрачистой деионизованной воды сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с указанных поверхностей. Соединенные в пары кремниевые пластины одновременно сращивают и расслаивают, осуществляя перенос слоя полупроводникового материала, выделенного ослабленной зоной, на подложку (3). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ, а также последующие сращивание и расслаивание проводят в едином цикле, варьируя температуру. Соединение, сращивание с одновременным расслоением, проводят при 200°С в течение 0,15 часа, в камере с сухой инертной атмосферой, а предшествующие соединению сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ - при 200°С в течение 0,1 часа и проводят в камере с уровнем вакуума 10 Па.
2
В конечном результате получаем КНИ структуру, свободную от газовых пузырей в отсеченном слое и 100% переносом слоя кремния, содержащую 0,20 мкм Si (поверхностный отсеченный слой), 0,30 мкм SiO (аморфный слой диэлектрика) на подложке Si.
Таким образом, положительным эффектом предлагаемого способа изготовления структуры кремний-на-изоляторе с использованием имплантации ионов реактивных газов, обладающих низкой растворимостью в веществе, способных образовывать быстро диффундирующие газовые молекулы, в аморфный слой диэлектрика в составе подложки, последующего умеренного отжига подвергшейся имплантации подложки в окислительной атмосфере и водородно-индуцированного переноса полупроводникового слоя с подложки-донора является:
1. Снижение концентрации адсорбирующихся примесей на поверхности аморфного слоя и, как следствие, улучшение качества сращиваемых пластин.
2. Практически полное отсутствие газовых пузырей на поверхности структуры кремний-на-изоляторе и 100% перенос отсеченного слоя кремния.
3. Снижение плотности встроенных зарядов на границе раздела между слоем монокристаллического полупроводника (отсеченный поверхностный слой полупроводника) и аморфным слоем диэлектрика.
4. Снижение требований к уровню шероховатости исходных сращиваемых пластин.
5. Улучшение качества и выхода годных структур кремний-на-изоляторе.
6. Расширение ассортимента используемых для изготовления кремниевых пластин.
7. Снижение стоимости структур кремний-на-изоляторе благодаря возможности использования исходных кремниевых пластин с более низким качеством обработки исходной поверхности (более высокой шероховатостью поверхности).
Данные преимущества являются следствием формирования новых более устойчивых связей, в дополнительном количестве относительного исходного, до имплантации примеси реактивных газов и последующего отжига, на поверхности аморфного слоя, сформированного в составе подложки, а также нейтрализации влияния адсорбированных веществ на границе раздела между монокристаллическим слоем (отсеченный поверхностный слой полупроводника) и изолирующим слоем (аморфный слой диэлектрика) за счет имплантации ионов реактивных газов в аморфный слой с последующей их диффузией к поверхности пластины и встраивания в приповерхностной области в решетку аморфной матрицы в результате отжига в окислительной атмосфере.