СПОСОБ ИОННОГО СИНТЕЗА В КРЕМНИИ ЗАХОРОНЕННОГО СЛОЯ ИЗОЛЯТОРА Российский патент 2002 года по МПК H01L21/76 

Изобретение относится к способам создания многослойных структур кремния-на-изоляторе (КНИ) с захороненным слоем изолятора и может быть использовано в производстве радиационно стойких интегральных схем.

Широко известен коммерчески востребованный способ ионного синтеза в подложке кремния захороненных слоев диоксида кремния SiO₂ (buried oxide или BOX) с помощью SIMOX процесса (Separation by Implantation of Oxygen), включающий ионную имплантацию кислорода с дозами до 2•10¹⁸ О⁺/см² и последующую высокотемпературную (>1300^oС) термообработку в течение нескольких часов в нейтральной атмосфере [1]. Существующие тенденции к повышению качества КНИ/SIMOX и снижению трудоемкости их изготовления, зависящей прежде всего от времени набора дозы кислорода, были воплощены на практике в известном способе ионного синтеза - ITOX процессе (Internal Thermal Oxidation). В данном способе кислород имплантируют в диапазоне средних энергий 150÷220 кэВ и с меньшими (достехиометрическими) дозами (от ~ 4•10¹⁷ О⁺/см² и выше), а заключительную высокотемпературную термообработку проводят в окислительной атмосфере [1-3].

Однако и у данного способа сохраняется ряд принципиальных проблем, препятствующих дальнейшему снижению трудоемкости изготовления КНИ-структур и повышению их качества. Таковыми являются:
- невозможность дальнейшего снижения дозы менее 4•10¹⁷ О⁺/см² в диапазоне энергий имплантации 150÷200 кэВ (не образуется однородный сплошной BOX слой, увеличивается плотность дислокации в верхнем приборном слое кремния Si [4]);
- рост термического SiO₂ на поверхности приборного слоя Si, приводящий к значительному расходу последнего;
- остающийся высоким термический бюджет процесса;
- деградационные процессы на границе раздела Si/SiO₂ в процессе изготовления SIMOX-структур и образование ловушечных центров в BOX слое [5]; повышенный уровень термических напряжений в верхнем приборном слое Si.

Для преодоления указанных недостатков ниже приведены аргументы в пользу замены диоксида кремния в качестве исходного материала BOX слоя:
1. Невозможность удовлетворительного решения проблемы сохранения качества приборного слоя Si при снижении дозы ниже минимального значения ~4•10¹⁷ О⁺/см² в диапазоне средних энергий 150÷220 кэВ при имплантации в кремний только ионов кислорода. В принципе, дозу имплантированного кислорода можно снизить до уровня ~(2-3)•10¹⁷ О⁺/см², если инициацию зарождения и роста новой фазы SiO₂ проводить в более узком слое на подложке, где структурные нарушения максимальны. Такой подход, в частности, реализован в известном способе DIBOX (Defect-Induced BOX) [6], где центры зарождения инициируются в дефектном слое с аморфизованной границей после двухстадийной имплантации кислорода в охлаждаемую подложку. Однако, несмотря на более длительную операцию высокотемпературной термообработки в окислительной среде по сравнению со стандартным ITOX-процессом [1] , плотность дислокации в КНИ/DIBOX с одинаковой толщиной BOX слоя все же остается более высокой, чем у КНИ/ITOX.

2. Отсутствие перспективы снижения термического бюджета, особенно температуры и времени постимплантационных термообработок, так как физические процессы растворения преципитатов SiO₂, стягивание их в единый сплошной изолирующий слой, дальнейший рост последнего от внешнего источника кислорода с одновременным растворением островков поликремниевых включений возможны лишь после продолжительных воздействий высоких (≥1325^oС) температур.

3. Присутствие зарядовых состояний в структурах Si/SiO₂/Si (подложка), как полагают, вследствие нехватки кислорода в материале BOX слоя, наблюдается после высокотемпературных термообработок в инертной среде во всех BOX слоях SiO₂ в кремнии, в том числе полученных без помощи ионного синтеза [5].

4. Присутствие механических напряжений в верхнем приборном слое Si вследствие различия констант линейного расширения Si и SiO₂.

Многие из вышеперечисленных факторов можно устранить, если при синтезе BOX слоя на стадии имплантации совместно с ионами кислорода использовать ионы компонентов другого вещества, например азота [7, 8, 9]. В этом случае, наряду с пассивацией ловушечных центров, снижением трудоемкости и термического бюджета процесса, образование слоя оксинитрида кремния SiON приводит к компенсации внутренних напряжений в КНИ и улучшению электроизоляционных свойств. Суть одного из вышеуказанных способов [9] состоит в следующем. Одновременно или последовательно с имплантацией кислорода в подложку кремния, в процессе которой инициируются зарождение и рост новой фазы SiO₂, дополнительно имплантируют ионы, содержащие другое вещество (азот), с энергией, обеспечивающей близкое расположение или совпадение максимума профиля концентрации атомов этого вещества (азота) относительно имплантированного кислорода. Затем проводят термообработку, в результате которой данные атомы (азота) мигрируют в сторону максимума профиля кислорода, где их существенные доли от общего количества образуют с кремнием химическое соединение с изоляторными свойствами (здесь: соединение, близкое к SiON) и более приемлемыми электрофизическими и механическими свойствами. С данной точки зрения способ [9] наиболее близок к изобретению и является его прототипом.

Однако прототип не лишен следующих недостатков:
- вероятности присутствия азота в верхнем приборном слое Si,
- проблем, связанных со "сходимостью" имплантированных профилей кислорода и азота в диапазоне средних энергий имплантации (>100 кэВ) и образованием гомогенного изоляторного слоя в процессе термообработки. На практике, способы ионного синтеза BOX слоев SiON, например [10], включали имплантацию ионов с компонентами в виде заряженных молекул, где азот и кислород находились в связанном виде, причем с невысокими энергиями имплантации (30-60 кэВ). Область применимости получаемых КНИ-структур здесь ограничена исключительно тонкими приборными слоями, где часто необходимо последующее эпитаксиальное доращивание Si. При этом термический бюджет постимплантационной термообработки остается все же достаточно высоким (1300^oС, 6 часов) [10].

Целью изобретения является снижение термического бюджета процесса при дальнейшем повышении качества синтезируемых КНИ-структур.

Поставленная цель достигается тем, что в способе ионного синтеза захороненного слоя изолятора, включающем имплантацию ионов кислорода в подложку кремния с достехиометрическими дозами с образованием в ней диоксида кремния, имплантацию ионов, содержащих другое вещество, с энергией, обеспечивающей близкое расположение или совпадение максимума профиля концентрации атомов этого вещества относительно имплантированного кислорода, и термообработку, в результате которой атомы данного вещества мигрируют в сторону максимума профиля кислорода, где их существенные доли от общего количества образуют с кремнием химическое соединение с изоляторными свойствами, в качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода, а термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла.

Новым в изобретении является то, что в качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода, а термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла.

Сущность изобретения заключается в том, что хотя способ ионного синтеза других стекол в исходной подложке диоксида кремния с участием атомов любых элементов ранее известен [12], однако ионный синтез стекол в качестве захороненного изоляторного слоя в подложке кремния предложен впервые. Это позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отвечает критерию "изобретательский уровень".

Способ поясняется следующим примером реализации изобретения.

В подложку кремния КЭФ-4,5 с ориентацией (100) под углом 7^o имплантируют ионы кислорода с энергией 200 кэВ и дозой 3•10¹⁷ О⁺/см². Затем в эту же подложку имплантируют ионы бора с энергией 130 кэВ и дозой 4,5•10¹⁶ В⁺/см². Структуры после имплантации затем исследуют методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) с использованием методики, примененной ранее в [11]. Анализ распределений бора и кислорода показал, что максимальные значения концентрации обоих элементов находятся на глубине примерно 0,45 мкм, что вполне удовлетворительно совпадало с результатами моделирования процесса имплантации с помощью программы TRIM (согласно нее максимумы распределений должны находиться на глубине 0,43 мкм). Затем подложку подвергают отжигу в среде N₂+O₂ с содержанием кислорода 5% при температуре 1100^oС в течение 5 минут. Затем полученную структуру снова исследуют методом ВИМС. Результаты анализа показали, что в процессе отжига сформировался захороненный слой боросиликатного стекла, содержащий 13% В₂О₃, толщиной ~110 нм.

Результаты исследований по имплантации других стеклообразующих элементов совместно с кислородом сведены в таблицу, из которой видно, что предлагаемый способ позволяет формировать захороненные слои изолятора при относительно малых суммарных дозах имплантации и невысоких термических бюджетах термообработок.

Заявляемый способ по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
можно добиться минимизации дозы имплантированного кислорода при достижении минимального уровня оборванных связей в структуре стекла как материала захороненного слоя изолятора;
резко снижается термический бюджет постимплантационных термообработок, так как температуры размягчения стекол в широком диапазоне составов, как правило, не превышают 1000^oС, кроме того, появляется возможность использования стандартных установок для быстрых термических процессов;
меняя дозу ионов веществ-стеклообразователей, т.е. состав стекла, можно плавно регулировать константы термического расширения захороненного слоя и другие его физико-механические свойства;
диэлектрические параметры известных по применению в микроэлектронике стекол могут адресно использоваться при выборе материала захороненного слоя, например свинцовосодержащие стекла для дальнейшего снижения токов утечки в подложку и т.д.

Источники информации
1. Steve Krause, Maria Anc, Peter Roitman. Evolution and future trends of Simox material. // MRS Bulletin. 1998, vol. 23, 12, pp.25-29.

2. Mrstik B. J. et al. Improvement in electrical properties of buried SiO₂ layers by high-temperature oxidation. // Appl. Phys. Lett. 1995, vol. 67, 4, pp.2390-2395.

3. Патент США 5918136, H 01 L 21/76 (НКИ 438/404), опубл. 29.06.1999 г.

4. Nakashima S. et al. Analysis of buried oxide layer formation and mechanism of threading dislocation generation in the substoichiometric oxigen dose region. // J. Mater. Res. 1993, vol. 8, 3, pp.523-534.

5. Devine R. A.V. et al. Oxygen gettering and oxide degradation during annealing of Si/SiO₂/Si structures. // J. Appl. Phys. 1995, vol. 77, 1, pp. 175-186.

6. Патент США 5930643, H 01 L 21/265 (НКИ 438/407), опубл. 27.07.1999 г.

7. Патент США 5468657, H 01 L 21/76 (НКИ 438/766), опубл. 21.11.1995 г.

8. A. L. Belogorokhov et al. Behaviour of implanted oxygen and nitrogen in halogen lamp annealed silicon. // Nucl. Instr. Meth. 1999, В 147, рр. 320-326.

9. K. J. Reeson et al. Buried layers of silicon oxy-nitride fabricated using ion beam synthesis. // Nucl. Instr. Meth. 1988, В 32, рр.427-432.

10. Патент США 5589407, H 01 L 21/265 (НКИ 438/766), опубл. 31.12.1996 г.

11. Кривелевич С. А. и др. Формирование SiO₂-cлoя в кремнии, имплантированном кислородом. // Высокочистые вещества. 1993, 6, с.133-136.

12. Дешковская А.А. Об ионно-лучевом синтезе стекол. // Сб. трудов 3-й международной конференции "Взаимодействие излучения с твердым телом". 1999, Минск, с.133, 134.

Изобретение относится к способам создания многослойных структур "кремний на изоляторе" с захороненным слоем изолятора. Способ включает имплантацию ионов кислорода в подложку кремния с достехиометрическими дозами с образованием в ней диоксида кремния, имплантацию ионов, содержащих другое вещество, с энергией, обеспечивающей близкое расположение или совпадение максимума профиля концентрации атомов этого вещества относительно имплантированного кислорода, термообработку, в результате которой атомы данного вещества мигрируют в сторону максимума профиля кислорода, где их существенные доли от общего количества образуют с кремнием химическое соединение с изоляторными свойствами. В качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода. Термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла. В результате обеспечивается снижение термического бюджета процесса при повышении качества синтезируемых структур. 1 табл.

Способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, включающий имплантацию ионов кислорода в подложку кремния с достехиометрическими дозами с образованием в ней диоксида кремния, имплантацию ионов, содержащих другое вещество, с энергией, обеспечивающей близкое расположение или совпадение максимума профиля концентрации атомов этого вещества относительно имплантированного кислорода, и термообработку, в результате которой атомы данного вещества мигрируют в сторону максимума профиля кислорода, где их существенные доли от общего количества образуют с кремнием химическое соединение с изоляторными свойствами, отличающийся тем, что в качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода, а термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла.