СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ Российский патент 2009 года по МПК H01L21/324 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при создании приборных структур, в частности структур кремний-на-изоляторе (КНИ), в производстве современных сверхбольших интегральных схем (СБИС) и других изделий микро- и наноэлектроники.

Известен способ изготовления структуры кремний на изоляторе (патент США №5468657 на изобретение, МПК: 6 H01L 21/762), заключающийся в том, что в области полупроводниковой подложки, предназначенной для создания изолирующего слоя, формируют захороненный слой диэлектрика; проводят имплантацию ионов азота в подложку, формируя распределение ионов азота, центрированное на той же самой глубине, что и область изолирующего слоя; проводят термическую обработку подложки, вызывающую миграцию ионов азота к границам захороненного слоя диэлектрика с верхней и нижней областями полупроводника подложки, осуществляя тем самым пассивацию на указанных границах. При этом формирование захороненного слоя диэлектрика осуществляют посредством имплантации в полупроводниковую подложку ионов кислорода и отжига, формирующего захороненный слой окисла, имплантацию ионов азота в подложку проводят до или после имплантации ионов кислорода или одновременно, причем центр распределения как одних, так и других имплантированных ионов расположен на одной и той же глубине подложки, последующую термическую обработку подложки, вызывающую миграцию ионов азота, проводят одновременно с отжигом, формирующим захороненный слой окисла; или имплантацию ионов азота в подложку проводят после имплантации ионов кислорода и последующего сразу за ней отжига, формирующего захороненный слой окисла, причем центр распределения как одних, так и других имплантированных ионов расположен на одной и той же глубине подложки. При имплантации ионов азота используют дозы 1×10¹¹÷1×10¹³ см^-2. В качестве захороненного слоя диэлектрика формируют окисел кремния посредством имплантации ионов кислорода через рабочую поверхность подложки, приводящей к образованию распределения ионов кислорода, центрированного на глубине имплантации вблизи рабочей поверхности, дозой 1×10¹⁷÷3×10¹⁸ см^-2 и энергией от 30 кэВ до 120 кэВ при условии, что доза имплантируемых ионов азота составляет вышеуказанную величину, а энергия их равна энергии ионов кислорода или меньше на величину, составляющую до 25% энергии ионов кислорода. Термическую обработку подложки, вызывающую миграцию ионов азота к границам захороненного слоя диэлектрика с верхней и нижней областями полупроводника подложки, осуществляющую тем самым пассивацию на указанных границах, проводят при температуре 700÷1000°С в течение 10÷30 минут.

К недостаткам приведенного технического решения относятся низкое качество получаемых приборных структур, узкая сфера применения способа, в частности, невозможность использования способа при создании высокоскоростных СБИС. Указанные недостатки обусловлены следующими причинами.

Во-первых, формированием для получения структуры кремний на изоляторе захороненного слоя диэлектрика посредством имплантации в монокристаллическую подложку кремния ионов О⁺ с использованием указанных доз. Данный технологический этап способа вызывает генерацию радиационных дефектов и аморфизацию слоя, подвергшегося имплантации, и, как следствие, обуславливает низкое качество получаемых структур. Последующий высокотемпературный отжиг (термическая обработка подложки) нарушенного слоя кремния вызывает генерацию дислокационных петель как в слое кремния, лежащем ниже области, подвергшейся имплантации, так и в слое кремния, лежащем выше нее, что также отрицательно сказывается на качестве структур. Дислокационные петли стабильны вплоть до температур, близких к температуре плавления кремния, и негативно влияют на электрофизические свойства приборов, формируемых на основе созданных структур.

Во-вторых, формированием захороненного слоя диэлектрика посредством имплантации, что позволяет получать толщину изолирующего слоя в узком диапазоне величин - 100÷200 нм.

В-третьих, использованием указанных значений энергии ионов кислород, что накладывает ограничения на толщину верхнего отсеченного слоя кремния. С одной стороны, эта толщина ограничена величиной страгглинга имплантированных ионов, а с другой стороны, максимально достижимыми значениями энергии ионов. Данное обстоятельство существенно сужает сферу использования способа как для создания структур с субнанометровыми толщинами слоев, так и для создания толстых изолирующих и изолированных (отсеченных) слоев.

В-четвертых, наличием кислородосодержащих преципитатов на границах изолирующего слоя с верхним и нижним слоями кремния и непланарностью указанных границ раздела, снижающей качество структур и оказывающей негативное влияние на электрофизические свойства приборов. При формировании захороненного слоя диэлектрика посредством имплантации ионов кислорода имеет место гауссианаподобное распределение их в подложке, которое не обеспечивает однородного формирования изолирующего слоя при высокотемпературном отжиге (термическая обработка подложки), в результате чего и образуются преципитаты. Меры, устраняющие их негативное влияние, в способе отсутствуют. Для растворения кислородосодержащих преципитатов необходимо использование длительного высокотемпературного отжига при температурах, близких к температуре плавления кремния.

В-пятых, проведением имплантации ионов N⁺ в центральную часть захороненного слоя диэлектрика с целью пассивации границ раздела изолирующего слоя с верхним и нижним слоями кремния в процессе последующего отжига, что вызывает образование в нем дефектов имплантации, обуславливающих структурную неоднородность слоя окиси кремния и возникновение ловушек заряда. Ухудшение однородности изолирующего слоя и накопление в нем ловушек заряда негативно влияет на электрофизические свойства приборов, создаваемых на основе структур, изготавливаемых данным способом.

В качестве ближайшего технического решения к заявляемому способу выявлен способ изготовления структуры кремний на изоляторе (патент США №7169683 на изобретение, МПК: 8 H01L 21/48), заключающийся в том, что на поверхности полупроводниковой подложки формируют изолирующий слой, на поверхности полупроводниковой подложки-донора формируют защитный слой (промежуточный изолирующий слой) химически стойкого материала для химической защиты изолирующего слоя; после чего подложку и подложку-донор сращивают, соединяя изолирующим и защитными слоями; и затем осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку, формируя на ней отсеченный поверхностный слой полупроводника. В способе перенос слоя полупроводникового материала осуществляют за счет предварительного, перед сращиванием, создания в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, расположенный под защитным слоем на подложке-доноре, и последующего, за сращиваем, отделения слоя полупроводникового материала от подложки-донора с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке. Создание в подложке-доноре ослабленной зоны проводят посредством имплантации в подложку-донор атомов на заданную глубину или путем формирования пористого слоя. В качестве изолирующего слоя используют двуокись кремния, слой которой получают окислением подложки. В качестве материала защитного слоя используют диэлектрик, а именно нитрид кремния или оксинитрид, осаждаемый на подложку-донор. В способе используют полупроводниковые подложку и подложку-донор из кремния.

К недостаткам ближайшего технического решения относятся низкое качество получаемых приборных структур, узкая сфера применения способа, в частности невозможность использования способа при создании высокоскоростных СБИС. Низкое качество границы раздела между защитным слоем нитрида кремния и отсеченным поверхностным слоем кремния, а также между защитным слоем нитрида кремния и изолирующим слоем диоксида кремния получаемых многослойных структур ограничивает применение данного способа в технологии создания СБИС и нанотехнологии. Указанные недостатки обусловлены следующими причинами.

Во-первых, созданием защитного слоя Si₃N₄ или SiON методом осаждения на подложку-донор, что не позволяет сформировать атомарно гладкую границу раздела между защитным слоем и отсеченным поверхностным слоем кремния. В связи с этим граница раздела между указанными слоями характеризуется высокой плотностью положительного заряда, наличие которого приводит к деградации приборов, создаваемых на основе структур, сформированных описанным способом (P.Patruno, M.Kostrzewa, K.Landry, W.Xiong, C.R.Cleavelin, C-H.Hsu, M.Ma, J-P.Colinge. "Study of fin profiles and MuGFETs built on SOI wafers with nitride-oxide buried layers (NOx-BL) as the buried insulator layer", IEEE Intern. SOI Conf. Proc., p.51, (2007)).

Во-вторых, для соединения слоев нитрида кремния/оксинитрида кремния и диоксида кремния необходимо наличие нарушенного или пористого слоя, результатом чего является несовершенная граница раздела между слоями соединяемых слоев диэлектрика, которая характеризуется повышенной плотностью микропустот и центров накопления объемного заряда. Это обстоятельство способствует снижению пробивных характеристик диэлектрика, оказывает негативное влияние на работу приборов, создаваемых на основе структур, сформированных данным способом, и ограничивает его применение в микро- и наноэлектронике.

В-третьих, шероховатостью границ раздела между слоями диэлектрика, а также между слоем диэлектрика и отсеченным поверхностным слоем полупроводника. В данном техническом решении шероховатость может достигать нескольких нанометров, что приводит к ограничению использования данного способа для изготовления структур при создании приборов с пониженной размерностью (одноэлектронных и квантоворазмерных приборов), для которого предъявляются высокие требования к совершенству границ раздела.

Техническим результатом изобретения является повышение качества структур кремний на изоляторе, расширение технологической сферы применения способа.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления структуры кремний на изоляторе, заключающемся в том, что осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют изолирующий слой, подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке, причем перенос слоя полупроводникового материала осуществляют за счет предварительного, перед сращиванием, создания в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; в указанных этапах изолирующий слой сформирован аморфным, после формирования аморфного изолирующего слоя в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, перед сращиванием подложку и подложку-донор соединяют аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, после осуществления переноса и формирования на подложке отсеченного поверхностного слоя полупроводника проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В способе в качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

В способе создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.

В способе перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей, после соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку, причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей, соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при варьировании температуры от 80 до 450°С, при длительности процедур от 0,1 до 100 часов, в камере с вакуумом 10¹÷10³ Па или в сочетании с использованием сухой атмосферы.

В способе имплантацию в подложку-донор водорода осуществляют с использованием энергии ионов водорода 20÷200 кэВ и дозы 2×10¹⁶÷1×10¹⁷ см^-2.

В способе проводят имплантацию в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, таких как значение дозы ионов 1×10¹⁵÷1×10¹⁶ см^-2 и энергии 20÷80 кэВ, при этом в качестве внедряемой примеси используют азот, а в качестве аморфного изолирующего слоя - слой SiO₂.

В способе проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, таких как температура 1000÷1200°С и длительность 0,1÷1 час, а в качестве соединений с имплантированной примесью образуют нитрид или оксинитрид кремния.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 схематично представлены основные стадии изготовления структуры кремний на изоляторе: а) создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей отсеченный поверхностный слой полупроводникового материала посредством имплантации в подложку-донор водорода, б) имплантация в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов, в) сушка и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей, соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом отсеченного поверхностного слоя полупроводникового материала на подложку в вакуумной камере или инертной атмосфере, г) высокотемпературная обработка при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя за счет взаимодействия атомов решетки с имплантированной примесью; 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 изолирующий слой, 5 - глубина залегания имплантированных ионов реактивных газов, 6 - отсеченный поверхностный слой полупроводника, 7 - промежуточный изолирующий слой, содержащий соединения с имплантированной примесью. На Фиг.2 показаны высокоразрешающие электронно-микроскопические изображения КНИ-структур, содержащих подложку кремния, аморфный изолирующий слой SiO₂ толщиной 300 нм, отсеченный поверхностный слой кремния толщиной 600 нм, полученные после высокотемпературной обработки в атмосфере N₂ в течение 30 минут при температуре 1100°С: а) в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов

N⁺ с энергией 30 кэВ и дозой 1×10¹⁵ см^-2; б) в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов N⁺ с энергией 30 кэВ и дозой 6×10¹⁵ см^-2. На Фиг.3 представлены вольт-фарадные характеристики КНИ-структур с аморфным изолирующим слоем SiO₂, подвергшимся имплантации ионов N⁺ дозой 6×10¹⁵ см^-2, измеренные до и после облучения γ-квантами: а) при дозе облучения γ-квантами 10⁵ рад, б) при дозе облучения γ-квантами 3×10⁵ рад, в) при дозе облучения γ-квантами 1×10⁶ рад, где 8 - характеристики, измеренные до облучения γ-квантами, 9 - характеристики, измеренные после облучения γ-квантами. На Фиг.4 показано накопление заряда, соответствующего эффективному заряду в объеме диэлектрика и поверхностному заряду на границе сращивания для изготовленных КНИ-структур, в зависимости от дозы облучения γ-квантами, где 10 - зависимость в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов азота дозой 1×10¹⁵ см^-2; 11 - зависимость в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов азота дозой 3×10¹⁵ см^-2; 12 - зависимость в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов азота дозой 6×10¹⁵ см^-2.

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 сегрегации и образования новой изолирующей фазы имплантированных слабо растворимых примесей реактивных газов на границе раздела. Для подтверждения правомерности физических представлений приводятся экспериментальные данные.

В основе процессов переноса слоев полупроводникового материала, включающих в себя низкотемпературное сращивание подложки (3) и полупроводниковой подложки-донора (1) (Фиг.1) с одновременным переносом слоя (2) полупроводникового материала, используется различие поверхностных энергий пар гидрофильных и гидрофобных поверхностей в различных температурных интервалах. В запатентованном техническом решении (патент РФ №2217842 на изобретение «Способ изготовления структуры кремний-на-изоляторе» авторов Попова В.П. и Тысченко И.Е.) эта особенность была положена в основу создания структур Si/SiO₂/Si. В зависимости от чистоты сращиваемых поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1) эта разница поверхностных энергий может достигать нескольких порядков величины. Первый шаг создания структур КНИ следует рассматривать как процесс соединения гидрофильных поверхностей (включающий сращивание пластин кремния) и разрыва гидрофобных поверхностей (водородно-индуцированный перенос тонкого слоя полупроводникового материала с образованием отсеченного поверхностного слоя полупроводника). При этом первой решаемой задачей (Фиг.1, стадии а)-в)) в предлагаемом способе изготовления структур кремний на изоляторе является формирование на подложке (3), содержащей на рабочей поверхности аморфный изолирующий слой (4), отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника, что осуществляют 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 (так называемого водородно-индуцированного переноса с полупроводниковой подложки-донора).

Параметрами, определяющими величину поверхностной энергии, в любом случае являются температура и высокое структурное качество поверхностей. В связи с этим одним из главных требований, необходимых для достижения полного (100%) гидрофильного соединения подложки (3) и полупроводниковой подложки-донора (1), является обеспечение предельно возможной чистоты поверхностей сращиваемых кремниевых пластин, отсутствия физически адсорбированных примесей на исходных поверхностях и последующее проведение непосредственно самой гидрофилизации поверхностей подложки (3) и подложки-донора (1). После гидрофилизации кремниевые пластины следует просушить и удалить с их поверхности физически адсорбированные вещества, для чего их помещают в центрифугу вакуумной камеры и нагревают там до необходимых для этого температур. Затем их соединяют в пары.

Внутренние гидрофобные поверхности в соседних атомных плоскостях, которые параллельны поверхности полупроводниковой подложки-донора (1), предварительно формируют в слое полупроводника, подвергающемся имплантации водорода, за счет чего и происходит создание в подложке-доноре (1) ослабленной зоны, выделяющей слой (2) полупроводникового материала, переносимый на подложку (3). Формирование таких поверхностей происходит путем образования в подвергшемся имплантации слое X-H-H-X связей в результате захвата водорода на растянутые и ослабленные X-X связи полупроводниковой матрицы, перпендикулярные поверхности. Для того чтобы обеспечить на глубине среднего проективного пробега ионов R_p создание двух гидрофобных (100) плоскостей с полным (100%) покрытием X-H-H-X связями при имплантации, приводящей к формированию отсеченного поверхностного слоя (6) полупроводника на подложке (3), необходимы дозы ионов Н⁺, H₂ ⁺ 2×10¹⁶÷1×10¹⁷ см^-2 при их энергиях от 20 до 200 кэВ.

Второй шаг - реализация процесса создания дополнительного, промежуточного (между отсеченным поверхностным слоем полупроводника и изолирующим слоем), изолирующего слоя (7), за счет чего и повышается качество изготавливаемых предлагаемым способом структур и расширяется сфера применения способа. Вторая решаемая задача при этом - формирование промежуточного изолирующего слоя (7) (Фиг.1, стадия б)-г)). В основе реализации второго шага лежит использование свойств газовых реактивных примесей обладать низкой растворимостью в веществе и крайне низкой способностью образования связей с атомами матрицы на основе кремния. Атомы реактивных примесей, имплантированные в твердотельную матрицу (которой является аморфный изолирующий слой (4) на подложке (3)), обладают способностью образовывать газовые молекулы с незначительным радиусом, которые, не будучи связанными с решеткой матрицы, характеризуются достаточно большим коэффициентом диффузии. В свою очередь, газовые молекулы легко взаимодействуют с дефектами внутри подвергшейся имплантации матрицы или с имеющимися конкурирующими стоками, такими как реальная поверхность кристалла или внутренние границы раздела. Это означает, что структурные нарушения, в частности внутренние границы раздела, могут быть центром накопления реактивных примесей и последующего образования новой фазы с участием имплантированной примеси и материала подвергшейся имплантации среды при последующих высокотемпературных обработках. Описанными свойствами и способностями обладает примесь азота, внедряемая посредством ионной имплантации в аморфный изолирующий слой (4) SiO₂, расположенный на подложке (3) Si. При этом азот, вступая в химическую реакцию с кремнием, может кристаллизоваться при относительно низких температурах с образованием α- и β-модификаций Si₃N₄.

Определяющими параметрами при создании промежуточного изолирующего слоя (7) (см. Фиг.1, стадия г)) являются концентрация внедренной примеси и температура высокотемпературной обработки. Концентрация атомов азота в SiO₂ должна обеспечивать формирование на границе сращивания КНИ-структуры слоя (7) нитрида или оксинитрида кремния толщиной, по меньшей мере, в один монослой в процессе дальнейшего после имплантационного отжига (высокотемпературной обработки), но быть недостаточной для ионного синтеза преципитатов на глубине (5), соответствующей максимуму распределения внедренных ионов азота. Это условие выполняется при использовании энергии от 30 до 80 кэВ и дозы ионов азота 1×10¹⁵÷1×10¹⁶ см^-2. Температурный интервал, в котором реализуются условия максимальной сегрегации атомов азота из подвергшегося имплантации объема SiO₂ на границу раздела Si/SiO₂, обычно составляет 1000-1200°С (W.J.M.J.Josquin, «The application of nitrogen ion implantation in silicon technology", Nucl. Instrum. Meth., 209/210, (2003), p.p.581-587; E.Zhang, W.Yi, J.Chen, Z.Zhang, X.Wang, «Research on the effect of nitrogen implantation dose on the structure of separation by implantation of oxygen and nitrogen». Smart. Mater. Struct., V.14, (2005), p.p.N42-N45) и определяется, как расстоянием от максимума распределения имплантированных атомов до границы Si/SiO₂, так и концентрацией эффективных стоков для атомов азота в подвергшемся имплантации объеме. Наличие второй монокристаллической среды (в данном случае отсеченного поверхностного слоя (6) кремния) с низким коэффициентом растворимости внедренных атомов, граничащей с аморфным изолирующим слоем (4), обеспечивает накопление примеси на границе раздела с аморфным изолирующим слоем (4), а также и эпитаксиальную кристаллизацию с образованием промежуточного изолирующего слоя (7) на указанной границе раздела при высокотемпературном отжиге. Поэтому при формировании КНИ-структур с промежуточным изолирующим слоем (7) нитрида кремния необходимо учитывать способность нитрида кремния кристаллизоваться при высокотемпературных отжигах (Г.А.Качурин, И.E.Тысченко. «Ионный синтез захороненных диэлектрических слоев для структур кремний-на-изоляторе», Микроэлектроника, т.23, в.6, (1994), с.с.3-12) при конкретных температурах. Последующая высокотемпературная обработка при температурах 1000÷1200°С позволяет осуществить как сегрегацию внедренной примеси азота на границе раздела, так и формирование новой кристаллической фазы.

Фотографии, представленные на Фиг.2, показывают образование новой фазы, такой как нитрид или оксинитрид кремния, на границе раздела отсеченного поверхностного слоя кремния и аморфного изолирующего слоя (SiO₂). В зависимости от внедренной дозы ионов при фиксированных температуре и времени отжига соответственно 1100°С и 30 минут толщина промежуточного изолирующего слоя для разных доз внедренной примеси различна. В случае Фиг.2а) при дозе ионов N⁺ с энергией 30 кэВ, равной 1×10¹⁵ см^-2, толщина слоя незначительна (см. средняя часть фотографии). При шестикратном увеличении дозы ионов (см. Фиг.2б) на фотографии отчетливо виден промежуточный слой (наиболее яркая средняя часть светлого участка), являющийся сплошным и кристаллически однородным.

Фиг.3 и Фиг.4 демонстрируют качество изготавливаемых предлагаемым способом структур в отношении их электрофизических свойств.

На Фиг.3 представлены вольт-фарадные характеристики, которые позволяют судить об электрофизических свойствах внутренних границ раздела КНИ-структуры и структуры в целом: расположенные в правых частях а), б) и в) Фиг.3 кривые относятся к границам раздела части структуры, состоящей из изолирующего слоя SiO₂, промежуточного изолирующего слоя Si₃N₄ и монокристаллического отсеченного поверхностного слоя Si; расположенные в левых частях а), б) и в) Фиг.3 кривые имеют отношение к границе раздела между изолирующим слоем SiO₂ и подложкой Si. Кривые (8) измерены до облучения γ-квантами, кривые (9) - после облучения γ-квантами. Незначительные смещения напряжения плоских зон вольт-фарадных характеристик (8) и (9) в области положительных напряжений при увеличении дозы облучения γ-квантами говорят о высокой стабильности состояний границ раздела и, следовательно, высоком их качестве (низкой плотности зарядов). Достижение высокого качества границ раздела именно в этой части КНИ-структуры, то есть со стороны отсеченного поверхностного слоя Si, имеет первостепенное значение, поскольку эта часть структуры предназначена для изготовления приборов.

На Фиг.4 показано накопление заряда, соответствующего эффективному заряду в объеме диэлектрика и поверхностному заряду на границе сращивания у сформированных КНИ-структур, в зависимости от дозы облучения γ-квантами, при различных дозах ионов азота, имплантированных в аморфный изолирующий слой, использованных при изготовлении КНИ-структур: кривая (10) в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов азота дозой 1×10¹⁵ см^-2; кривая (11) в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов азота дозой 3×10¹⁵ см^-2; кривая (12) в случае имплантации в аморфный изолирующий слой ионов азота дозой 6×10¹⁵ см^-7. Видно, что плотность заряда не превышает величины 10¹¹ см^-2, что свидетельствует о высоком качестве изготавливаемых структур.

Таким образом, в предлагаемом способе используют комбинации различных сред, граничащих между собой, в которых внедряемая среда, в качестве которой выступают имплантированные ионы реактивных газов, обладает низкой растворимостью. Это обстоятельство обеспечивает накопление имплантированной реактивной примеси на дефектах внутри среды, подвергшейся имплантации, или на границе раздела двух сред, в одну из которых осуществлялось внедрение среды с низкой растворимостью. Наличие сред, соответствующих низкому коэффициенту растворимости внедренной примеси, обеспечивает накопление ее на границе раздела, а также и образование новой фазы при высокотемпературных воздействиях.

На основе изложенных физических представлений изготовление структуры КНИ с достижением технического результата обеспечивается реализацией следующих стадий (см. Фиг.1).

1. Формирование на подложке-доноре слоя полупроводникового материала, переносимого на подложку. В полупроводниковую подложку-донор (1) осуществляют имплантацию водорода. Этим создают в подложке-доноре ослабленную зону, выделяющую слой полупроводникового материала, переносимый на подложку (2). При этом в качестве подложки-донора (1) используют пластину кремния. Перед проведением имплантации на ней может быть выращен защитный слой окисла кремния, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Для имплантации используют ионы водорода со значением энергии 20÷200 кэВ и дозы 2×10¹⁶÷1×10¹⁷ см^-2 (стадия а) Фиг.1.

2. Имплантация в аморфный изолирующий слой подложки ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов. На поверхности подложки (3) формируют аморфный изолирующий слой (4). После формирования аморфного изолирующего слоя (4) в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации (стадия б) Фиг.1). Имплантацию ионов осуществляют на глубину (5) (глубина залегания имплантированных ионов реактивных газов). При этом в качестве подложки (3) используют пластину кремния в качестве аморфного изолирующего слоя (4) - слой SiO₂. Условия имплантации: значение дозы ионов 1×10¹⁵÷1×10¹⁶ см^-2; энергии 20÷80 кэВ; внедряемая примесь - азот.

3. Формирование отсеченного поверхностного слоя полупроводника на поверхности аморфного изолирующего слоя подложки. Подложку (3) и подложку-донор (1) соединяют аморфным изолирующим слоем (4) и выделенным ослабленной зоной слоем (2) полупроводникового материала, переносимым на подложку, сращивают и осуществляют перенос слоя (2) полупроводникового материала с подложки-донора (1) на подложку (3) с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника (6) на подложке (3). Перед соединением подложки (3) и подложки-донора (1) соответственно аморфным изолирующим слоем (4) и выделенным ослабленной зоной слоем (2) полупроводникового материала, переносимым на подложку (3), их соединяемые поверхности подвергают обработке. Обработка включает очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки (3) и подложки-донора (1) указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора (1) с переносом слоя (2) полупроводникового материала на подложку (3) (стадия в) Фиг.1). Причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей, соединение подложки (3) и подложки-донора (1), сращивание и расслаивание с переносом проводят при варьировании температуры от 80 до 450°С, при длительности процедур от 0,1 до 100 часов, в камере с вакуумом 10¹÷10³ Па или в сочетании с использованием сухой атмосферы.

4. Формирование промежуточного изолирующего слоя. Проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой (4) примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем (6) полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя (7) с образованием соединений имплантированной примеси и атомов исходной матрицы, а именно нитрида или оксинитрида кремния (стадия д) Фиг.1). Условия обработки: температура 1000÷1200°С; длительность 0,1÷1 час.

Основные отличия в предлагаемом способе от ближайшего технического решения заключаются в осуществлении перед переносом слоя монокристаллического полупроводникового материала с подложки-донора на подложку имплантации в аморфный изолирующий слой, размещенный на подложке и выполняющий роль аморфной матрицы, ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов, а также в том, что граница раздела между слоями после осуществления переноса является местом накопления имплантированной примеси реактивных газов и эндотаксиального роста промежуточного изолирующего слоя. Достижение технического результата обеспечивается тем, что благодаря имплантации участвующих в формировании промежуточного изолирующего слоя ионов примеси именно в аморфный изолирующий слой и дальнейшей сегрегации примеси к границе раздела монокристаллического отсеченного поверхностного слоя полупроводника и аморфного изолирующего слоя обеспечивается устранение необходимости создания нарушенного слоя между промежуточным изолирующим и аморфным изолирующим слоями. В результате достигается отсутствие микропустот и высокое совершенство границы раздела между изолирующими слоями, а также сохраняется атомарно гладкая граница раздела между монокристаллическим отсеченным поверхностным слоем полупроводника и промежуточным изолирующим слоем, обеспечивая снижение плотности встроенных зарядов на указанной границе и скорости накопления зарядов в структуре КНИ при последующих ионизирующих воздействиях.

В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации заявляемого способа с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.

Пример 1.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 140 кэВ и дозы 2,5×10¹⁶ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют дозу ионов 1×10¹⁵ см^-2 и энергию 20 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 450°С в течение 0,5 часа в камере с вакуумом 10³ Па.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, проводят при 1100°С, длительностью 0,3 часа в атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка в один монослой.

В конечном результате изготавливают КНИ-структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 1 монослой Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂ на подложке Si.

Пример 2.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 140 кэВ и дозы 2,5×10¹⁶ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют дозу ионов 3×10¹⁵ см^-2 и энергию 30 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 350°С в течение 1 часа в камере с вакуумом 10² Па.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, проводят при 1100°С, длительностью 0,4 часа в инертной атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка 2 монослоя.

В конечном результате изготавливают КНИ-структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 2 монослоя Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂ на подложке Si.

Пример 3.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят последующую высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 5 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 20 кэВ и дозы 4×10¹⁶ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют сначала дозу ионов 5×10¹⁵ см^-2 и энергию 30 кэВ, затем дозу ионов 5×10¹⁵ см^-2 и энергию 80 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа при вакууме 10¹ Па, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 200°С в течение 0,15 часа в камере с сухой инертной атмосферой.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, проводят при 1200°С, длительностью 0,1 часа в инертной атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка 2 монослоя.

В конечном результате изготавливают КНИ-структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 2 монослоя Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂, 2 монослоя Si₃N₄ на подложке Si.

Пример 4.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 200 кэВ и дозы 1×10¹⁷ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют дозу ионов 1×10¹⁶ см^-2 и энергию 60 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 350°С в течение 1 часа в камере с вакуумом 10 Па.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, проводят при 1200°С, длительностью 0,1 часа в инертной атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка 2 монослоя.

В конечном результате изготавливают КНИ-структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 2 монослоя Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂, 2 монослоя Si₃N₄ на подложке Si.

Пример 5.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 120 кэВ и дозы 2×10¹⁶ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют дозу ионов 4×10¹⁵ см^-2 и энергию 40 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 80°С в течение 100 часа в камере с вакуумом 10¹ Па.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, проводят при 1000°С, длительностью 1 час в инертной атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка 1 монослоя.

В конечном результате изготавливают КНИ-структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 1 монослой Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂ на подложке Si.

Пример 6.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 140 кэВ и дозы 2,5×10¹⁶ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют дозу ионов 4×10¹⁵ см^-2 и энергию 40 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 350°С в течение 1 часа в камере с вакуумом 10¹ Па.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, проводят при 1000°С, длительностью 1 час в атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка в один монослой.

В конечном результате изготавливают КНИ-структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 1 монослой Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂ на подложке Si.

Пример 7.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 140 кэВ и дозы 2,5×10¹⁶ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют дозу ионов 4×10¹⁵ см^-2 и энергию 40 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора, соответственно, аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 350°С в течение 1 часа в камере с вакуумом 10³ Па.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью проводят при 1100°С, длительностью 0,5 часа в атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка в один монослой.

В конечном результате изготавливают КНИ структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 1 монослой Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂ на подложке Si.

Пример 8.

Для изготовления структуры КНИ осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют аморфный изолирующий слой, после формирования в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации; для переноса слоя полупроводникового материала осуществляют создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку; подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке; проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

В качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

Создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния 50 нм, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют. Имплантацию осуществляют с использованием энергии ионов водорода 140 кэВ и дозы 2,5×10¹⁶ см^-2.

При проведении имплантации в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов в качестве внедряемой примеси используют азот, N⁺. Для реализации условий имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, используют дозу ионов 4×10¹⁵ см^-2 и энергию 40 кэВ. Примесь внедряют в аморфный изолирующий слой - термически выращенный слой SiO₂ толщиной 300 нм.

Перед соединением подложки и подложки-донора соответственно аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей. После соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку. Сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей проводят при 200°С в течение 0,1 часа, последующие соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при 450°С в течение 1 часа в камере с вакуумом 10¹ Па.

Высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, проводят при 1150°С, длительностью 0,2 часа в атмосфере азота. При этом образуют нитрид кремния толщиной порядка в один монослой.

В конечном результате изготавливают КНИ-структуру, свободную от дислокации и дефектов несоответствия, содержащую последовательно в направлении к подложке слои: 0,6 мкм Si, 1 монослой Si₃N₄, 0,30 мкм SiO₂ на подложке Si.

Таким образом, положительным эффектом предлагаемого способа изготовления структуры кремний-на-изоляторе является:

1. Устранение необходимости создания нарушенного слоя между аморфным промежуточным изолирующим слоем и аморфным изолирующим слоем на подложке и отсутствие микропустот и несовершенств на границе раздела между изолирующими слоями в результате формирования промежуточного изолирующего слоя за счет имплантации ионов примесей в аморфную среду изолирующего слоя и последующей их сегрегации к границе раздела между монокристаллическим отсеченным поверхностным слоем полупроводника и аморфным изолирующим слоем и эндотаксиальным ростом на ней промежуточного изолирующего слоя.

2. Сохранение атомарно гладкой границы раздела между монокристаллическим отсеченным поверхностным слоем полупроводника и аморфным изолирующим слоем за счет использования в качестве эндотаксиальной затравки высокосовершенного слоя кремния, перенесенного с другой пластины.

3. Снижение плотности встроенных зарядов на границе раздела между монокристаллическим отсеченным поверхностным слоем полупроводника и изолирующим аморфным слоем за счет совершенства границы раздела и замыкания оборванных связей в процессе сегрегации атомов азота с последующим эндотаксиальным ростом пленки нитрида или оксинитрида кремния в результате высокотемпературных воздействий.

4. Снижение скорости накопления зарядов в формируемой структуре кремний-на-изоляторе при последующих ионизирующих воздействиях за счет компенсации ловушек положительных зарядов, генерируемых в слое диоксида кремния, ловушками отрицательных зарядов, генерируемых в нитриде кремния.

Данные преимущества являются следствием формирования атомарно гладких границ раздела между монокристаллическим отсеченным поверхностным слоем полупроводника и формирующимся промежуточным изолирующим слоем, а также между изолирующими слоями за счет имплантации ионов примеси в аморфный изолирующий слой с последующей ее сегрегацией и эндотаксиальным ростом на границе сращивания в результате высокотемпературного воздействия, а не за счет формирования нарушенного или пористого слоя, как в известных технических решениях.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления приборных структур. Сущность изобретения: в способе изготовления структуры кремний на изоляторе на поверхности подложки формируют изолирующий слой и осуществляют в него имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов. Условия имплантации обеспечивают концентрацию внедренной примеси, превышающую предел растворимости и приводящую при отжиге к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов. В подложке-доноре ионной имплантацией создают ослабленную зону, выделяющую слой, переносимый на изолирующий слой положки. Затем проводят химическую обработку подложки и подложки-донора и соединяют их изолирующим слоем и слоем, переносимым на подложку, сращивают и расслаивают по ослабленной зоне с образованием на подложке отсеченного поверхностного слоя. Последующей высокотемпературной обработкой осуществляют сегрегацию имплантированной примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем и рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя. За счет формирования промежуточного изолирующего слоя достигается повышение качества структур и расширение сферы применения способа. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления структуры кремний на изоляторе, заключающийся в том, что осуществляют последовательность этапов: на поверхности подложки формируют изолирующий слой, подложку и полупроводниковую подложку-донор сращивают и осуществляют перенос слоя полупроводникового материала с подложки-донора на подложку с формированием отсеченного поверхностного слоя полупроводника на подложке, причем перенос слоя полупроводникового материала осуществляют за счет предварительного, перед сращиванием, создания в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, отличающийся тем, что изолирующий слой сформирован аморфным, после формирования аморфного изолирующего слоя в него осуществляют имплантацию ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при последующей высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, перед сращиванием подложку и подложку-донор соединяют аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, после осуществления переноса и формирования на подложке отсеченного поверхностного слоя полупроводника проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводника и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений имплантированной примеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки и подложки-донора используют пластины кремния.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что создание в подложке-доноре ослабленной зоны, выделяющей слой полупроводникового материала, переносимый на подложку, осуществляют посредством имплантации в подложку-донор водорода, при этом перед имплантацией водорода на подложке-доноре выращивают защитный слой окисла кремния, через который проводят имплантацию и который после имплантации удаляют.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед соединением подложки и подложки-донора, соответственно, аморфным изолирующим слоем и выделенным ослабленной зоной слоем полупроводникового материала, переносимым на подложку, их соединяемые поверхности подвергают обработке, обеспечивающей сращивание подложки и подложки-донора, включающей очистку и гидрофилизацию поверхностей, последующие отмывку струей ультрачистой деионизованной воды, сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей, после соединения подложки и подложки-донора указанными поверхностями их одновременно сращивают и расслаивают по ослабленной зоне подложки-донора с переносом слоя полупроводникового материала на подложку, причем сушку и удаление избыточных физически адсорбированных веществ с поверхностей, соединение подложки и подложки-донора, сращивание и расслаивание с переносом проводят при варьировании температуры от 80 до 450°С, при длительности процедур от 0,1 до 100 ч, в камере с вакуумом 10¹÷10³ Па или в сочетании с использованием сухой атмосферы.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что имплантацию в подложку-донор водорода осуществляют с использованием энергии ионов водорода 20÷200 кэВ и дозы 2·10¹⁶÷1·10¹⁷ см^-2.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят имплантацию в аморфный изолирующий слой ионов слабо растворимой и легко сегрегирующей примеси реактивных газов при условиях имплантации, обеспечивающих концентрацию внедренной примеси, превышающую теоретически возможный предел растворимости и приводящую при высокотемпературной обработке к формированию эндотаксиального слоя диэлектрика толщиной хотя бы в один монослой, но недостаточную для ионного синтеза преципитатов внутри области имплантации, таких как значение дозы ионов 1·10¹⁵÷1·10¹⁶ см^-2 и энергии 20-80 кэВ, при этом в качестве внедряемой примеси используют азот, в качестве аморфного изолирующего слоя - слой SiO₂.

7. Способ по п.1 или 6, отличающийся тем, что проводят высокотемпературную обработку при условиях, обеспечивающих сегрегацию имплантированной в аморфный изолирующий слой примеси к его границе раздела с отсеченным поверхностным слоем полупроводникового материала и эндотаксиальный рост на указанной границе промежуточного изолирующего слоя с образованием соединений с имплантированной примесью, таких как температура 1000÷1200°С и длительность 0,1÷1 ч, а в качестве соединений с имплантированной примесью образуют нитрид или оксинитрид кремния.