СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТОНКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ
METHOD OF PRODUCING SUPER-THIN SILICON FILMS ON SAPPHIRE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к микроэлектронике, более точно к полупроводниковому материаловедению, используемому в микроэлектронике, еще точнее к способам получения сверхтонких (толщиной ~100 нм и менее) пленок кремния на сапфире.
Изобретение может быть использовано для изготовления быстродействующих полупроводниковых приборов и микросхем и может найти применение в различных областях, в частности в космической и атомной областях.
Уровень техники
Известен способ получения низкодефектных пленок кремния на сапфире в объектах, содержащих сапфировую подложку и исходный слой кремния, толщина которого значительно больше толщины получаемых тонких пленок кремния, состоящий в том, что производят аморфизацию большей части слоя кремния, после чего производят твердофазную рекристаллизацию этого слоя, при которой используют оставшуюся часть слоя кремния, не затронутую аморфизацией, в качестве затравочного слоя (см. патент США №4,177,084 от 1978 г. по классу США 148/1.5, «Method for Producting a Low Defect Layer of Silicon-on-Sapphire Wafer»). В этом способе в результате аморфизации образуют затравочный слой, прилегающий к поверхности объекта, и аморфный слой, прилегающий к границе раздела кремний-сапфир.
Рекристаллизацию в этом способе осуществляют в два этапа. На первом этапе производят первый отжиг объекта при повышенной температуре. На втором этапе производят второй отжиг образца в инертной, или, иначе говоря, нейтральной, среде при более высокой температуре, чем при первом отжиге.
Недостаток этого способа заключается в том, что он не позволяет получить сверхтонких пленок кремния вследствие того, что затравочный слой прилегает к поверхности объекта, и при этом второй отжиг производят в инертной среде.
Известен также способ получения сверхтонких пленок кремния на сапфире в объектах, содержащих сапфировую подложку и исходный слой кремния, толщина которого значительно больше толщины получаемых тонких пленок кремния, также состоящий в том, что производят аморфизацию большей части слоя кремния, после чего производят твердофазную рекристаллизацию этого слоя, при которой используют оставшуюся часть слоя кремния, не затронутую аморфизацией, в качестве затравочного слоя. Этот способ представлен в патенте США №4,588,447 от 1984 г. по классу США 148/1.5, «Method of Eliminating P-Type Electrical Activity and Increasing Channel Mobility of Si-Implanted and Recrystallized SOS Films»). В этом способе также в результате аморфизации образуют затравочный слой, прилегающий к поверхности объекта, и аморфный слой, прилегающий к границе раздела кремний-сапфир. Рекристаллизацию в этом способе также осуществляют в два этапа. На первом этапе производят первый отжиг объекта при повышенной температуре. На втором этапе производят второй отжиг образца при более высокой температуре, чем при первом отжиге. Но в отличие от предыдущего способа (см. патент США №4,177,084) второй отжиг производят в окислительной среде и в результате этого окисляется затравочный слой. После второго отжига удаляют окисленный слой, расположенный на месте затравочного слоя.
Недостаток этого способа заключается в том, что он позволяет получать только недостаточно тонкие пленки кремния: толщиной не менее чем ~150 нм, и не позволяет получать сверхтонкие пленки. Кроме того, недостаток этого способа заключается в том, что наличие электрически неактивных комплексов кислорода и кремния в слое кремния приводит к дополнительному рассеиванию на них носителей тока, что ухудшает электрические свойства кремниевого слоя.
Известно получение кремниевого слоя толщиной 100-250 нм на сапфировой подложке (П.А.Александров и др. Особенности процесса твердофазной рекристаллизации аморфизованных ионами кислорода структур кремний-на-сапфире, «Физика и техника полупроводников», т.43, вып.5, с.627-629). Данный способ не позволяет обеспечить высокое качество электрофизических свойств пленки из-за примесей кислорода.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ получения сверхтонких пленок кремния на сапфире в объектах, содержащих сапфировую подложку и исходный слой кремния, толщина которого значительно больше толщины получаемых тонких пленок кремния, также состоящий в том, что производят аморфизацию большей части слоя кремния, после чего производят твердофазную рекристаллизацию этого слоя, при которой используют оставшуюся часть слоя кремния, не затронутую аморфизацией, в качестве затравочного слоя (см. патент США №5,416,043 от 1993 г. по классу США 438/479, «Minimum charge FET fabrication on an ultrathin silicon on sappfire wafer»). В этом способе также в результате аморфизации образуют затравочный слой, прилегающий к поверхности объекта, и аморфный слой, прилегающий к границе раздела кремний-сапфир.
Рекристаллизацию в этом способе также осуществляют в два этапа. На первом этапе производят первый отжиг объекта при повышенной температуре. Рекристаллизация проходит в направлении к границе раздела кремний-сапфир. В результате первого отжига образуется рекристаллизованный слой кремния с дефектами. На втором этапе в окислительной среде производят второй отжиг объекта при более высокой температуре, чем при первом отжиге. В результате второго отжига образуется слой окисла кремния, или, иначе говоря, окисный слой, и рекристаллизованный слой кремния более высокого качества (то есть с меньшим количеством дефектов или без дефектов), примыкающий к границе раздела кремний-сапфир. Этот рекристаллизованный слой представляет собой сверхтонкую пленку кремния толщиной не более 100 нм. Окисный слой содержит часть, расположенную на месте затравочного слоя, и еще некоторую его часть, примыкающую к рекристаллизированному слою кремния высокого качества.
После этого с помощью химического травления удаляют окисный слой. Таким образом, в прототипе в отличие от указанного выше способа по патенту США №4,588,447 удаляемый окисный слой содержит часть, расположенную на месте затравочного слоя, и еще некоторую часть окисного слоя, примыкающую к сверхтонкой пленке кремния.
14
14
+
2
В прототипе имплантацию ионов кремния при аморфизации проводят энергией 185÷200 кэВ, дозой 5·10÷7·10 Si/см при температуре 0°С в слой кремния толщиной 250÷270 нм, примыкающий к границе раздела кремний-сапфир. Первый отжиг для рекристаллизации проводят при температуре 500÷600°С, а второй (высокотемпературный) отжиг в окислительной среде производят при температуре 900÷950°С.
После удаления окисного слоя получают низкодефектную сверхтонкую пленку кремния на сапфире, имеющую толщину 50÷110 нм.
Существенные недостатки прототипа обусловлены тем, что затравочный слой примыкает к поверхности объекта. Эти недостатки заключаются, в первую очередь, в необходимости использования достаточно высоких энергий имплантации при аморфизации, что в свою очередь из-за наличия страглинга (разброса глубины пробега ионов, внедряемых в твердое тело) приводит к радиационным дефектам в сапфировой подложке и при рекристаллизации - к автолегированию кремниевого слоя атомами алюминия, проникающими из сапфировой подложки в процессе рекристаллизации. При автолегировании кремниевого слоя комплексы кислорода и алюминия, возникшие после второго отжига в окислительной среде, приводят к рассеиванию носителей тока и, следовательно, к уменьшению подвижности носителей электрического заряда в кремниевом слое. Это приводит к ухудшению характеристик полупроводниковых приборов, создаваемых на основе кремниевых пленок, полученных способом-прототипом.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на разработку способа получения сверхтонких пленок кремния на сапфире, позволяющего уменьшить энергию имплантации при аморфизации, не допустить радиационных дефектов в сапфировой подложке, не допустить автолегирования кремниевого слоя атомами алюминия в процессе твердофазной рекристаллизации и вследствие этого обеспечить возможность использования его для изготовления быстродействующих полупроводниковых приборов и микросхем.
Технический результат - уменьшение энергии имплантации при аморфизации, недопущение радиационных дефектов в сапфировой подложке и автолегирования кремниевого слоя атомами алюминия, достигается благодаря предлагаемому способу получения сверхтонких пленок кремния на сапфире в объектах, содержащих сапфировую подложку и исходный слой кремния, толщина которого значительно больше толщины получаемых тонких пленок кремния, состоящему в том, что производят аморфизацию большей части слоя кремния, после чего производят твердофазную рекристаллизацию этого слоя, при которой используют оставшуюся часть слоя кремния, не затронутую аморфизацией, в качестве затравочного слоя, и в отличие от прототипа рекристаллизацию производят с использованием затравочного слоя, примыкающего к границе раздела кремний-сапфир, а толщину этого затравочного слоя делают в процессе аморфизации минимально возможной без ухудшения качества рекристаллизованного слоя.
Это позволяет обеспечить указанный выше технический результат благодаря тому, что в предлагаемом способе затравочный слой располагают на границе раздела кремний-сапфир, а толщину затравочного слоя делают в процессе аморфизации минимально возможной без ухудшения качества рекристаллизованного слоя.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ получения сверхтонких пленок кремния на сапфире применяется к объектам, содержащим сапфировую подложку и исходный кремниевый слой, толщина которого значительно больше толщины получаемых тонких пленок кремния, и заключается в следующем.
Сначала производят аморфизацию подавляющей части исходного слоя кремния в указанном объекте, примыкающей к поверхности этого объекта. В результате эта подавляющая часть становится аморфной. Оставшуюся часть исходного слоя кремния, незатронутую аморфизацией, используют при последующей рекристаллизации как затравочный слой. Этот затравочный слой примыкает к границе раздела кремний-сапфир. Толщину этого затравочного слоя делают в процессе аморфизации настолько минимально возможной, чтобы не ухудшилось качество рекристаллизованного слоя кремния, то есть слоя, полученного при последующей рекристаллизации. Например, толщина исходного слоя кремния составляет ~300 нм, толщина части исходного слоя кремния, затронутого аморфизацией, немного меньше чем 300 нм, а толщина затравочного слоя составляет 10÷20 нм.
14
14
+
2
Аморфизацию осуществляют путем имплантации ионов кремния энергией 130÷150 кэВ, дозой 5·10÷9·10 Si/см при температуре 0°С в слой кремния толщиной ~300 нм, примыкающий к границе раздела кремний-сапфир.
Для каждой толщины исходного слоя кремния выбирается такая энергия ионов кремния, что не происходит аморфизация прилегающего к границе раздела тонкого слоя кремния, являющегося затравкой при рекристаллизации.
После аморфизации производят твердофазную рекристаллизацию этого слоя, при которой используют оставшуюся часть слоя кремния, не затронутую аморфизацией, в качестве затравочного слоя, примыкающего к границе раздела кремний-сапфир.
Рекристаллизацию осуществляют в два этапа. На первом этапе производят первый отжиг объекта при повышенной температуре. Рекристаллизация проходит в направлении от границы раздела кремний-сапфир, то есть в направлении к поверхности объекта. В результате первого отжига образуется рекристаллизованный слой кремния с дефектами. На втором этапе в окислительной среде производят второй отжиг объекта при более высокой температуре, чем при первом отжиге. В результате второго отжига образуется слой окисла кремния, или, иначе говоря, окисный слой, примыкающий к поверхности объекта, и расположенный рядом с ним рекристаллизованный слой кремния более высокого качества (то есть с меньшим количеством дефектов или без дефектов), примыкающий к границе раздела кремний-сапфир. Этот кристаллизованный слой и является сверхтонкой пленкой кремния.
Например, первый отжиг проводят при температуре ~550°С в течение 30 минут, а второй отжиг проводят при температуре 900÷1000°С в течение одного часа.
В результате рекристаллизации образуется сверхтонкая пленка кремния, примыкающая к границе раздела кремний-сапфир. Толщина этой сверхтонкой пленки составляет не более ~100 нм.
На этом процесс получения сверхтонкой пленки кремния заканчивается.
Однако в ряде случаев применения предлагаемого способа может потребоваться удаление окисного слоя, расположенного между поверхностью объекта и полученной сверхтонкой пленкой кремния. В этих случаях производят удаление этого окисного слоя путем химического травления.
Таким образом, изобретение позволяет получать сверхтонкие кремниевые пленки на сапфире с улучшенными электрическими свойствами для изделий микроэлектроники.