СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ
METHOD FOR OBTAINING HETEROEPITAXIAL SILICON-ON-SAPPHIRE STRUCTURES

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к способам получения эпитаксиальных структур кремния на сапфире, и может быть использовано в электронной технике при изготовлении полупроводниковых приборов.
Известно, что структуры кремний на сапфире (КНС) получают способом эпитаксиального осаждения из газовой фазы (см. Козлов Ю.Ф., Зотов В.В. Структуры кремния на сапфире: технология, свойства, методы контроля, применение. - М.: МИЭТ, 2004. - 140 с.; Rolfs С., Trautvetter Н.Р., Rodney W.S., Cristoloveanu S. Silicon films on sapphire // Rep.Prog. Phys. 1987. Vol.50. №3. P.327-311).
2
3
Недостатками известного способа являются: «островковый» рост на начальном этапе, несоответствие параметров решеток Si и AlO, разница в коэффициентах термического расширения кремния и сапфира и т.п., все это дает ограничения структурного совершенствования эпитаксиального слоя и его минимальной толщины.
В настоящее время в мире широко распространены подложки КНС с толщиной эпитаксиального Si-слоя ~3000Å.
Развитие микроэлектроники требует уменьшения толщины кремниевого слоя КНИ - структур (кремний на изоляторе) (для увеличения быстродействия, плотности упаковки электронных приборов и т.п.), а возможности известного способа эпитаксиального осаждения практически полностью исчерпаны, поэтому необходимы другие способы, улучшающие структурное совершенство эпитаксиального кремниевого слоя, при уменьшении его толщины.
Наибольшее распространение получил способ получения гетероэпитаксиальных структур, использующий способ твердофазной рекристаллизации (US №4588447).
В известном способе эпитаксиальный слой КНС-структуры аморфизацию проводят путем имплантации ионов кремния, при этом тонкий поверхностный слой не аморфизируют, и он является «затравкой» для твердофазной рекристаллизации всего Si-слоя при последующей высокотемпературной обработке.
Рекристаллизованная область в большей своей части структурно более совершенна, чем затравочный материал.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ получения гетероэпитаксиальных структур кремния на сапфире, включающий получение заготовки структуры кремния на сапфире, аморфизацию полученной структуры путем имплантации ионами, сохраняющими электрофизические свойства слоя кремния (Si, О, С, F) и последующую высокотемпературную обработку (US №5416043).
В известном способе высокотемпературную обработку проводят в окислительной атмосфере, что приводит к окислению кремниевого слоя, а при стравливании образовавшегося окисла происходит утонение эпитаксиального слоя.
Однако известный способ обладает рядом недостатков:
- использование большой энергии при имплантации ионов кремния;
- большая доза имплантации.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание способа получения гетероэпитаксиальных структур кремния на сапфире, позволяющего получать рекристаллизованный слой с улучшенными свойствами при уменьшении энергии и дозы имплантации ионов, сохраняющих электрофизические свойства слоя кремния.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа получения гетероэпитаксиальных структур кремния на сапфире, включающего получение заготовки структуры кремния на сапфире, аморфизацию полученной структуры путем имплантации ионами, сохраняющими электрофизические свойства слоя кремния и последующую высокотемпературную обработку, в котором, согласно изобретению, имплантацию дополнительно проводят ионами водорода или его соединений с ионами элементов, сохраняющих электрофизические свойства слоя кремния.
Использование предлагаемого способа позволяет уменьшить энергию и дозу имплантации ионов, сохраняющих электрофизические свойства слоя кремния, соответственно, энергию больше чем 25%, а дозу имплантации на 50% без ухудшения качества рекристаллизованного слоя.
x
y
x
У
Использование в качестве ионов соединения водорода Н и ионов, сохраняющих электрофизические свойства слоя кремния SiH, ОН, СН, HF позволяет проводить одновременно аморфизацию и введение водорода.
Водород дополнительно вводится для получения более совершенной структуры слоя кремния, при этом происходит более эффективное залечивание технологических и получившихся в ходе имплантации радиационных дефектов.
Проведение аморфизации имплантацией сначала ионами Si, С, О, F, а затем ионами водорода или сначала имплантация ионов водорода, а затем аморфизация ионами Si, С, О, F, или одновременное облучение ионами Si, С, О, F и ионами водорода позволяет изменить очередность введения аморфизирующих элементов и водорода, но в структурном отношении получить такое же качество слоя кремния.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному способу получения гетероэпитаксиальных структур кремния на сапфире, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующими примерами выполнения способа.
Для предлагаемого способа является не существенным признаком, каким способом была получена заготовка КНС-структуры. Из патентной литературы известны способы их получения, и авторы на их новизну не претендуют (патент RU №2185685).
В качестве исходной заготовки КНС-структуры используют структуру с толщиной эпитаксиального слоя 3000 Å.
x
y
х
у
Аморфизацию в предлагаемом способе можно проводить или сначала ионами Si, С, О, F, а затем вводить водород, или сначала имплантировать водород, а затем ионы Si, С, О, F, или одновременно используя ионы SiH, ОН, СН, HF.
Выбор условий аморфизации зависит от технологических возможностей и на достигаемый технический результат не влияет.
+
+
Пример 1. Рассмотрим процесс аморфизации путем одновременной имплантации ионами Si(66%) и SiH(34%).
Параметры имплантации:
Энергия - 150 кэВ;
14
2
Доза - 6,0·10 1/см
Температура - 0°С
Облученные образцы подвергают высокотемпературной обработке, например двухстадийному отжигу:
1 стадия нагрев 550°С и выдержка 0,5 часа
2 стадия нагрев 1000°С и выдержка 1 час.
Отжиг проводили как в инертной, так и в окислительной среде. При отжиге в окислительной среде происходит утонение эпитаксиального слоя до толщины 900÷1000 Å.
Оценку кристаллического совершенства структур КНС производили методом высокоразрешающей двухкристальной рентгеновской дифрактометрии на спектрометре ДРОН-3М.
Ширина рентгеновской кривой качания (FWHM) характеризует кристаллографическое совершенство кремниевого слоя КНС-структуры.
FWHM исходной заготовки 1600 угл.сек.
После использования предлагаемого способа для получившихся структур КНС с толщинами слоя Si - 3000 Å и 1000 Å величина FWHM составляет ~620 угл.сек.
+
+
Пример 2.Рассмотрим процесс аморфизации путем имплантации сначала ионами Siа затем имплантацию ионов Н.
Параметры имплантации:
+
Энергия - 150 кэВ для Si и 10 кэВ Н
14
2
+
14
2
+
Доза - 6,5·10 1/смдля Si и 1,5·10 1/cм Н
Температура - 0°С
Облученные образцы подвергают высокотемпературной обработке, например двухстадийному отжигу:
1 стадия нагрев 600°С и выдержка 0,5 часа
2 стадия нагрев 1000°С и выдержка 1,0 час.
Отжиг проводили как в окислительной, так и в инертной среде. При отжиге в окислительной среде происходит утонение эпитаксиального слоя до толщины 900-1000 Å.
Оценку кристаллического совершенства структур КНС производят методом высокоразрешающей двухкристальной рентгеновской дифрактометрии на спектрометре ДРОН-3М.
Ширина рентгеновской кривой качания (FWHM) характеризует кристаллографическое совершенство кремниевого слоя КНС-структуры.
FWHM исходной заготовки 1600 угл.сек.
После использования предлагаемого способа для получившихся структур КНС с толщинами слоя Si - 3000 Å и 1000 Å величина FWHM составляет ~620 угл.сек.
Пример 3. Рассмотрим процесс аморфизации сначала ионами кислорода, а затем имплантацию ионов водорода. Параметры имплантации:
+
+
Энергия имплантации O - 90 кэВ; Н - 10 кэВ.
14
+
2
14
+
2
Доза имплантации 6·10 О/см+1,5·10 Н/см
Температура имплантации: -150°С (130 К)
Облученные образцы подвергают высокотемпературной обработке, например, двухстадийному отжигу:
1 стадия нагрев 600°С и выдержка 0,5 часа
2 стадия нагрев 1000°С и выдержка 1,0 час.
Отжиг проводили как в окислительной, так и в инертной среде. При отжиге в окислительной среде происходит утонение эпитаксиального слоя до толщины 900÷1000 Å.
Оценку кристаллического совершенства структур КНС производят методом высокоразрешающей двухкристальной рентгеновской дифрактометрии на спектрометре ДРОН-3М.
Ширина рентгеновской кривой качания (FWHM) характеризует кристаллографическое совершенство кремниевого слоя КНС-структуры.
FWHM исходной заготовки 1600 угл.сек.
После использования предлагаемого способа для получившихся структур КНС с толщинами слоя Si - 3000 Å и 1000 Å величина FWHM составляет ~700 и 750 угл.сек. соответственно.