СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ "ПОЛУПРОВОДНИК НА ПОРИСТОМ КРЕМНИИ" Российский патент 1998 года по МПК H01L21/20 

Изобретение относится к области электронной техники, преимущественно микроэлектронике и может быть использовано в производстве быстродействующих радиационно стойких цифровых и аналого-цифровых интегральных схем на изолирующих подложках.

Структуры "полупроводник на пористом кремнии", полученные низкотемпературными методами эпитаксии Si (см., например, Beale M.I.J., Chew N.G. et al. J.Vac.Sci.Technol., B3, N 2. 732 (1985)), SiGe (см. Xie Y.H., Bean J.C. J.Appl. Phys., 67, N 2.792 (1990)), GaAs (см., например, Hasegawa S., Maehashi K. et al. J.Cryst. Growth 95, N 1-4, 113 (1989)) на поверхности пористого кремния, постепенно находят свое применение в современной микроэлектронике как материалы для изготовления изделий электронной техники нового поколения.

Однако отсутствие электрической изоляции эпитаксиальной пленки (ЭП) от подложки препятствует внедрению известных способов в производство интегральных схем. Также является недостатком известных способов и тот факт, что в получаемых структурах в качестве подложки используется кремний полупроводникового качества, хотя приборным слоем служит только ЭП, а подложка исполняет роль исключительно несущей основы.

Известен способ получения структуры "полупроводник на пористом кремнии" (US Patent 3, 929, 529 Dec. 30, 1975), в котором пористый слой, формируемый только на отдельных участках монокристаллической подложки, при последующих отжигах в инертной и окислительной средах геттерирует примеси, в частности, быстро диффундирующие примеси Au, Cu, Fe, Ni из кремния. Примесь, собранная таким образом, прочно связана в обработанном пористом кремнии и не переходит впоследствии в осажденную пленку.

Очевидны недостатки приведенного способа: в пленке, состоящей из чередующихся монокристаллических и поликристаллических областей, расположенных соответственно на не обработанных анодным травлением участках подложки и пористом кремнии, для изготовления интегральной схемы используют только ее монокристаллическую часть, не изолированную к тому же от подложки.

Из описанных в литературе способов получения структуры "полупроводник на пористом кремнии" наиболее близок к заявляемому способ, представленный в работе Yasumatsu T., Ito T., Nishizawa H., Hiraki A. Ultrathin Si films grown epitaxially on porous silicon. Applied Surf. Sci., 48/49, 414 (1991). Согласно этому способу указанную структуру получают посредством анодного травления в растворе плавиковой кислоты сильнолегированной монокристаллической подложки кремния p-типа, сушки в атмосфере кислорода, удаления с поверхности пористого слоя окиси кремния потоком молекулярного кремния и эпитаксии полупроводника на поверхности пористого слоя.

Анодное травление монокристаллических подложек кремния полупроводникового качества p-типа с удельным сопротивлением 0.01-0.001 Ом • см осуществляют в водно-спиртовом растворе HF при постоянном токе. Сушку кремниевых подложек с пористым слоем проводят в атмосфере сухого кислорода при 300^oC в течение 1 ч. Удаление с поверхности пористого кремния окиси кремния и последующую молекулярно-лучевую эпитаксию кремния выполняют при температурах 760 - 830^oC и потоках молекулярного кремния (0,4 - 0,5) • 10¹⁴см^-2с^-1.

Однако существующий способ не позволяет получать электрически изолированные от подложки эпитаксиальные пленки кремния. Это обусловлено тем, что пористый кремний имеет удельное сопротивление, изменяющееся в пределах 10⁴ - 10⁸ Ом • см, и при толщине пористого слоя 2 мкм напряжение питания в 5B, широко используемое в цифровых интегральных схемах, вызовет токи на подложку, превышающие 0,1 мА/см². Токи утечки должны быть меньше по крайней мере 1 мкА/см². Для достижения такого уровня изоляции необходимо значительно увеличить сопротивление пористого слоя под ЭП.

Вся структура состоит из кремния полупроводникового качества, и только порядка 0,1% материала (пленка 0,5 мкм и подложка 500 мкм) пойдет в дальнейшем на изготовление интегральных схем. Поэтому существующий способ получения структур "кремний на пористом кремнии" представляется экономически невыгодным по затратам на используемые материалы.

Техническим результатом изобретения являются увеличение сопротивления электрическому току пористого слоя и/или уменьшение потребности в высокочистом кремнии, а также использование в качестве эпитаксиальной пленки как элементарных полупроводников, так и полупроводниковых соединений.

Технический результат достигается тем, что в способе получения таких структур, включающем операции анодного травления в растворе плавиковой кислоты сильнолегированной монокристаллической подложки кремния p-типа, сушки в атмосфере кислорода, удаления с поверхности пористого слоя окиси кремния потоком молекулярного кремния и эпитаксии полупроводника на поверхности пористого слоя, после анодного травления кремниевую подложку с пористым слоем промывают в деионизованной воде, затем подвергают анодному окислению в растворе соляной кислоты и вновь промывают в деионизованной воде, а эпитаксию проводят, используя как элементарные полупроводники, так и полупроводниковые соединения.

Другое отличие состоит в том, что в качестве подложки применяют сильнолегированный монокристаллический кремний p-типа технического качества.

Применение операции промывки пористого слоя в деионизованной воде обеспечивает удаление из материала физадсорбированных продуктов электрохимических реакций, что особенно необходимо при смене электролитов с различным эффектом воздействия на кремний (травление в растворе плавиковой кислоты и окисление в растворе соляной кислоты).

Использование подложек из монокристаллического технического кремния вместо высокочистого кремния становится возможным благодаря тому, что между эпитаксиальной пленкой полупроводникового качества и подложкой, содержащей примеси, находится сплошной пористый слой, обладающий исключительно высокой геттерирующей способностью. Атомы примеси, проникая из подложки в пористый материал, декорируют его огромную внутреннюю поверхность (удельная поверхность пористого кремния составляет величину 200 - 400 м²/см³), и как следствие диффузионное перемещение примеси в сторону пленки существенно уменьшается.

Анодное окисление пористого слоя выполняет две функции. Первая - при анодировании пористого кремния в растворе соляной кислоты образуется сплошной захороненный окисный слой на его границе с подложкой. В результате сопротивление электрическому току пористого слоя резко увеличивается. Вторая - окисный слой кремния формируется на всей внутренней поверхности пористого кремния, что приводит к дальнейшему блокированию примеси в пористом слое.

И, наконец, пористый кремний, получаемый на монокристаллических подложках сильнолегированного кремния p-типа (p+ПК), позволяет проводить эпитаксию как элементарных полупроводников, так и полупроводниковых соединений. Такой широкий выбор полупроводниковых материалов, эпитаксиально выращиваемых на p+ ПК, объясняется тем, что структура p+ ПК представляет собой единый в масштабе всей подложки кремниевый скелет (бесконечный кластер), у которого постоянная решетки отличается от аналогичной величины монолитного кремния всего на сотые доли процента, а коэффициенты упругости значительно уменьшены. Эти свойства p+ ПК обеспечивают его подгонку практически под любой материал.

На фиг. 1 показана схема получения структуры "полупроводник на пористом кремнии": позиция 1 - исходная кремниевая подложка, позиция 2 - кремниевая подложка с пористым слоем, позиция 3 - подложка с пористым слоем и захороненным окисным слоем, позиция 4 - эпитаксиальная пленка полупроводника на пористом слое с захороненным окисным слоем. Элементы: 1 - кремниевая подложка, 2 - пористый слой, 3 - захороненный окисный слой, 4 - эпитаксиальная пленка полупроводника;
на фиг. 2 - электронная дифракционная картина от эпитаксиальной пленки кремния, отвечающей позиции 4 на фиг. 1; поверхность (001), азимут съемки [110], сверхструктура (2х1);
на фиг. 3 - электронно-микроскопическое изображение поперечного среза структуры "кремний на пористом кремнии" с захороненным окисным слоем, позиция 2 на фиг. 1;
на фиг. 4 - cтруктура "кремний на пористом кремнии" с захороненным окисным слоем (а), схема измерений напряжения пробоя (б) и гистограмма распределения площадок размером 700х700 мкм² в зависимости от напряжения пробоя (в). Элемент 5 - алюминиевые контакты;
на фиг. 5 - электронная дифракционная картина от эпитаксиальной пленки германия, отвечающей позиции 4 на фиг. 1; поверхность (001), азимут съемки [110], сверхструктура (2х1);
на фиг. 6 - электронная дифракционная картина от эпитаксиальной пленки полупроводникового соединения Si_0,8Ge_0,2, отвечающей позиции 4 на фиг. 1; поверхность (001), азимут съемки [110], сверхструктура (2х1).

Пример 1. Структура "кремний на пористом кремнии" с анодным окислом и подложкой из кремния технического качества.

1. Анодное травление: Si(001) p-типа с дульным сопротивлением 0,001 Ом•см, полученный методом Чохральского из технического кремния марки КРП (скраб) (фиг. 1, поз. 1, элемент 1), обрабатывают в 20%-ном водно-спиртовом растворе HF при плотности тока 1 и 100 мА/см² в течение 30 и 31 с соответственно; фиг. 1, поз. 2, элемент 2.

2. Промывка в деионизованной воде 30 мин.

3. Анодное окисление: 1М водный раствор HCl, комбинированный режим обработки вначале при постоянной плотности тока 5 мА/см² и затем при постоянном напряжении 15B; фиг. 1, поз. 3, элемент 3.

4. Промывка в деионизованной воде 30 мин.

5. Сушка в атмосфере кислорода при 350^oC в течение 1 ч.

6. Удаление с поверхности пористого слоя окиси кремния выполняют при температуре 790 - 800^oC и потоке молекулярного кремния (1 - 2) • 10¹⁴см^-2с^-1 в установке МЛЭ.

7. Эпитаксию кремния на поверхности пористого слоя осуществляют при температуре 750^oC со скоростью в установке МЛЭ, используя электроннолучевые испарители; фиг. 1, поз. 4, элемент 4.

Фиг. 2 - 4.

Структуру "кремний на пористом кремнии" с анодным окислом и подложкой из кремния полупроводникового качества получают аналогично.

Пример 2. Структура "германий на пористом кремнии" с анодным окислом и подложкой из кремния технического качества.

Cтруктуру получают вначале согласно пунктaм 1 - 6 примера 1, а затем выполняют пункт 7 следующим образом.

7. Эпитаксию германия на поверхности пористого слоя осуществляют при температуре 350^oC со скоростью в установке МЛЭ, используя эффузионную ячейку Кнудсена; фиг. 1, поз. 4, элемент 4.

Фиг. 5.

Структуру "германий на пористом кремнии" с анодным окислом и подложкой из кремния полупроводникового качества получают аналогично.

Пример 3. Структура "SiGe на пористом кремнии" с анодным окислом и подложкой из кремния технического качества.

Структуру получают вначале согласно пунктам 1 - 6 примера 1, а затем выполняют пункт 7 следующим образом.

7. Эпитаксию полупроводникового соединения Si_0,8 Ge_0,2 на поверхности пористого слоя осуществляют при температуре 500^oC со скоростью в установке МЛЭ, используя электроннолучевой испаритель и эффузионную ячейку Кнудсена как источники для кремния и германия соответственно; фиг. 1, поз. 4, элемент 4.

Фиг. 6.

Структуру "SiGe на пористом кремнии" с анодным окислом и подложкой из кремния полупроводникового качества получают аналогично.

При получении структур "полупроводник на пористом кремнии" используют и другие режимы операций анодного травления в растворе плавиковой кислоты, анодного окисления в растворе соляной кислоты, сушки в атмосфере кислорода, удаления с поверхности пористого слоя окиси кремния потоком молекулярного кремния и эпитаксии элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений.

Имеются примеры технической реализации предлагаемого способа для структуры "GaAs на пористом кремнии".

Использование предлагаемого способа получения структур "полупроводник на пористом кремнии" обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
уменьшение потребности электронной промышленности в высокочистом кремнии по крайней мере в 10³ раз за счет перехода от подложек кремния полупроводникового качества к подложкам из технического кремния и как следствие снижение стоимости изделий электронной техники;
увеличение пороговых напряжений по токам утечки между эпитаксиальной пленкой и подложкой позволит создавать интегральные схемы со всеми достоинствами приборов "кремний на изоляторе", а именно увеличение (1) быстродействия за счет уменьшения паразитных емкостей; (2) степени интеграции с переходом на физическую, а не электрическую изоляцию элементов (в результате также полностью устраняется эффект "защелкивания"); (3) радиационной стойкости из-за уменьшения объема транзистора;
расширение номенклатуры изделий электронной техники со всеми вышеназванными преимуществами за счет привлечения в качестве эпитаксиальной пленки элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений.

Использование: микроэлектроника, в производстве быстродействующих радиационно стойких цифровых и аналого-цифровых интегральных схем на изолирующих подложках. Сущность изобретения: способ получения структуры "полупроводник на пористом кремнии" включает анодное травление в растворе плавиковой кислоты сильнолегированной монокристаллической подложки кремния p-типа, сушку в атмосфере кислорода, удаление с поверхности пористого слоя окиси кремния потоком молекулярного кремния и эпитаксию полупроводника на поверхности пористого слоя. После анодного травления кремниевую подложку с пористым слоем промывают в деионизованной воде, затем подвергают анодному окислению в растворе соляной кислоты и вновь промывают в деионизованной воде, а эпитаксию проводят, используя как элементарные полупроводники, так и полупроводниковые соединения. В качестве материала подложки может быть использован сильнолегированный монокристаллический кремний p-типа технического качества. Техническим результатом изобретения является увеличение сопротивления электрическому току пористого слоя, уменьшение потребности в высокочистом кремнии, а также использование в качестве материала эпитаксиальной пленки как элементарных полупроводников, так и полупроводниковых соединений. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения структуры "полупроводник на пористом кремнии", включающий анодное травление в растворе плавиковой кислоты сильнолегированной монокристаллической подложки кремния р-типа, сушку в атмосфере кислорода, удаление с поверхности пористого слоя окиси кремния потоком молекулярного кремния и эпитаксию полупроводника на поверхности пористого слоя, отличающийся тем, что после анодного травления кремниевую подложку с пористым слоем промывают в деионизованной воде, затем подвергают анодному окислению в растворе соляной кислоты и вновь промывают в деионизованной воде, а эпитаксию проводят, используя как элементарные полупроводники, так и полупроводниковые соединения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки применяют сильнолегированный монокристалический кремний р-типа технического качества.