Способ получения локально легированной кремниевой плёнки с заданными характеристиками для устройств микроэлектроники Российский патент 2024 года по МПК H01L21/205 H01L21/266 B82Y40/00 

Изобретение относится к способам создания устройств на основе тонких полупроводниковых плёнок и может быть использовано в нанотехнологиях как метод наноструктурирования для разработки устройств полупроводниковой микроэлектроники.

Известен ряд патентов и статей, в основе которых лежит метод получения in situ легированной кремниевой плёнки:

1) Так в патенте США № 4400409, кл. H01L 31/04 1983 г. описан метод роста in situ легированной кремниевой плёнки, которая характеризуется высокой концентрацией свободных носителей заряда.

2) Встатье A. Learn и др., "Deposition and electrical properties of in situ phosphorus doped silicon films formed by low pressure chemical vapor deposition", J. Appl. Phys. 61, 1898-1904 (1987) описан метод роста in situ легированной кремниевой плёнки, включающий осаждение из газовой фазы с помощью смешивания моносилана и фосфина перед введением в камеру. Данный метод характеризуется высокой концентрацией атомов фосфора 10²¹ атомов/см³ в кремниевой плёнке.

3) В патенте США № 5198387, кл. C23C 16/24 1993 г. описан метод роста in situ легированной кремниевой плёнки, включающий осаждение из газовой фазы с помощью смешивания моносилана и паров трибутилфосфина перед введением в камеру. Данный метод характеризуется относительно низкой температурой во время осаждения (~550°С), высокой концентрацией носителей в плёнке, а также высокой однородностью и конформностью осаждённой плёнки.

4) В статье M. Firat и др., "In situ phosphorus-dopedpolycrystallinesiliconfilmsbylowpressurechemicalvapordepositionforcontactpassivationofsiliconsolarcells", SolarEnergy 231, 78-87 (2022) описан метод роста in situ легированной поликристаллической кремниевой плёнки, включающий осаждение из газовой фазы в смеси моносилана, фосфина и водорода, а также оптимизацию параметров осаждения (температуры и потока газов). Данный метод характеризуется высокой концентрацией легирующей примеси в диапазоне от 10¹⁹ 1/см³ до 10²⁰ 1/см³.

Однако все вышеперечисленные методы получения легированной кремниевой плёнки имеют ряд существенных недостатков:

Нет возможности локального легирования кремниевой плёнки, поскольку легирование осуществляется in situ, а не ex situ (во время роста, а не после), что ограничивает использование плёнки в устройствах полупроводниковой микроэлектроники.

Демонстрируется возможность получать плёнки только лишь с высокой концентрацией носителей (>10¹⁹ носителей/см³), что сильно ограничивает их применение. В частности, нельзя использовать такие плёнки для изготовления нормально открытого полевого транзистора.

Большинство известных методов роста требуют использование чрезвычайно опасных газов диборана или фосфина (примеры 2 и 4), что ограничивает использование этих технологий в массовом производстве.

Помимо технологий получения in situ легированной кремниевой плёнки, также известны патенты, в основе которых лежит метод получения локально легированной кремниевой плёнки:

1) Так в патенте США № 6165876, кл. H01L 21/266 2000 г. описан метод локального легирования кристаллической кремниевой плёнки, включающий имплантацию ионов бора или фосфора и последующую активацию примеси с помощью лазерного облучения. Данный метод характеризуется концентрацией легирующей примеси в широком диапазоне от 10¹⁵ атомов/см³ до 10¹⁹ атомов/см³ в кристаллической кремниевой плёнке.

2) В патенте Китая № 112103368, кл. H01L 31/18 2020 г. описан метод локального лазерного легирования поликристаллической кремниевой плёнки, включающий активацию легирующей примеси лазерным излучением в поликристаллической кремниевой плёнке.

Тем не менее, известные аналоги получения локально легированной кремниевой плёнки обладают существенными недостатками:

Пример 1 применим только лишь для легирования кристаллической кремниевой плёнки, которую на практике получить затруднительно, а с помощью подавляющего большинства известных методов можно вырастить либо аморфную, либо поликристаллическую кремниевую плёнку.

В примере 2 не демонстрируется возможность контролировать свойства легированных областей плёнки, такие как концентрация свободных носителей и удельное сопротивление.

В основу настоящего изобретения положена задача создать способ ex situ легирования аморфной или поликристаллической кремниевой плёнки, открывающий возможность варьировать и контролировать характеристики плёнки (в частности, концентрацию свободных носителей и проводимость) в широком диапазоне, а также не требующий использование чрезвычайно опасных газов диборана и фосфина, что позволило бы применять данный способ в массовом производстве устройств полупроводниковой микроэлектроники (например, в производстве тонкоплёночного нормально открытого полевого транзистора).

Указанная задача решается следующим образом: локальное легирование аморфной или поликристаллической кремниевой плёнки осуществляется ex situ плазменно-химическим методом(после этапа осаждения плёнки) через маску из фоторезиста или электронного резиста путём подачи в реактор потока негорючего газа трихлорида бора и прикладыванием напряжения смещения между образцом и плазмой без дополнительного подогрева, после чего осуществляется термический отжиг для активации легирующей примеси при температуре 600-1000°С.

В качестве резиста для маски, через которую осуществляется локальное легирование, могут использоваться фоторезисты, чувствительные к ультрафиолету, глубокому ультрафиолету, рентгену или ионным потокам, а также электронные резисты. В качестве источника легирующей примеси для плазменно-химического легирования, могут использоваться намного менее опасные соединения, по сравнению с дибораном или фосфином, такие как трихлорида бора, триметилборан, трибутилфосфин, метан, этан, бензол, хлорид германия.

Изобретение способа получения локально легированной кремниевой плёнки с варьируемыми и контролируемыми характеристиками, не требующего использование чрезвычайно опасных газов диборана и фосфина, позволяет:

1) Применять данный способ для изготовления устройств полупроводниковой микроэлектроники, в которых требуется использование локально легированной кремниевой плёнки с заданными свойствами (например, в тонкоплёночном или гибком полевом транзисторе, в тонкоплёночном или гибком мемристоре и т.д.), благодаря

ex situ плазменному легированию через маску, при котором образец дополнительно не нагревается, в результате чего полимерная маска не запекается (отжиг для активации примеси производится уже после удаления маски из фоторезиста).

возможности получать концентрацию носителей и удельное сопротивление в легированной плёнке в широком диапазоне (~10¹⁶ - 10¹⁹ 1/см³ и 0.001 - 1 Ом⋅см соответственно), варьируя рабочее давление в камере во время плазменного легирования, время и температуру отжига во время последующей активации легирующей примеси.

1) Применять данный способ в массовом производстве устройств полупроводниковой микроэлектроники благодаря использованию негорючего газа трихлорида бора (который к тому же активно используется в производстве микроэлектроники для плазменного травления) во время процесса плазменного легирования.

Перечень фигур чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен процесс осаждения аморфной кремниевой плёнки 3 (на подложку 1 с диэлектрическим слоем 2) методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы с помощью подачи в реактор потока моносилана при температуре до 700°С; на фиг. 2 - процесс локального плазменного легирования кремниевой плёнки 3 через маску из фоторезиста или электронного резиста 4 по заданному рисунку путём подачи в реактор потока трихлорида бора и прикладыванием напряжения смещения между образцом и плазмой; на фиг. 3 - процесс термического отжига образца для активации примеси в легированных бором областях кремниевой плёнки 5 при температуре от 600°С.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1.

Был изготовлен тонкоплёночный сегнетоэлектрический полевой транзистор. В качестве подложки использовался монокристаллический кремний размером 1 x 1 см, вырезанный из пластины толщиной 530 мкм. В качестве затворного электрода использовался слой вольфрама толщиной 40 нм, нанесённый на кремниевую подложку при помощи магнетронного распыления. Затем была выращена 10-нанометровая аморфная плёнка оксида гафния-циркония (Hf_0.5Zr_0.5O₂, HZO) методом атомно-слоевого осаждения при температуре 240°C. В процессе атомно-слоевого осаждения в качестве прекурсоров использовались Hf[N(CH)₃(C₂H₅)]₄ (TEMAH), Zr[N(CH)₃(C₂H₅)]₄ (TEMAZ) и H₂O, а в качестве газа-носителя и продувочного газа - N₂. Далее методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы была выращена плёнка нелегированного гидрогенизированного аморфного кремния (aSi:H) толщиной 50 нм. Рост осуществлялся из моносилана (SiH₄) при поддержании постоянного потока 1000 ст. см³, давления в реакторе 600 мТорр, температуры 550°C и мощности генератора РЧ-сигнала 15 Вт. Далее с помощью оптической литографии была сформирована маска на поверхности кремниевой плёнки. Отверстия в маске имели форму прямоугольника, в котором длина одной стороны фиксировалась равной 10 мкм, а длина второй стороны варьировалась в диапазоне от 10 мкм до 50 мкм. Через отверстия в маске в течение 30 с выполнялось локальное плазменное легирование кремниевой плёнки бором путём подачи в реактор потока трихлорида бора 20 ст. см³ при давлении в реакторе 40 мТорр, а также прикладывании напряжения смещения между образцом и плазмой, которое обеспечивалось подачей мощности 100 Вт с генератора. После локального плазменного легирования кремниевой плёнки маска из фоторезиста удалялась в N-метил-2-пирролидоне. Для кристаллизации кремниевой плёнки, активации примеси бора, а также кристаллизации нижележащей плёнки HZO в сегнетоэлектрическую структурную фазу, образец слоистой структуры был подвержен термическому отжигу в атмосфере аргона при температуре 700°С в течение 5 мин. Легированная бором область кремниевой плёнки представляют собой канал проводимости транзистора p-типа. Изготовление верхних электродов транзистора, края которых совмещались с краями канала транзистора, осуществлялось при помощи электронной литографии и электронно-лучевого напыления алюминия толщиной 50 нм. Расстояние между верхними электродами транзисторных структур варьировалось в диапазоне от 35 нм до 5 мкм. Контакт к нижнему электроду из вольфрама был обеспечен благодаря локальному плазмохимическому травлению в плазме SF₆.

Электрофизические измерения проводились на зондовой станции Cascade Microtech Summit 11000M с помощью характериографа Agilent B1500A, включающего в себя источник питания и измеритель тока. Был показан полевой эффект в тонкоплёночном транзисторе: напряжение на нижнем электроде модулирует проводимость канала между двумя верхними электродами. Кроме того, был показан сегнетоэлектрический эффект в транзисторе: два состояния проводимости канала, соответствующие двум направлениям вектора поляризации в сегнетоэлектрике, хорошо различимы.

Пример 2.

Способ локального легирования кремниевой плёнки осуществляют так же, как в примере 1, но отличие состоит в том, что применяется способ для изготовления гибкого сегнетоэлектрического полевого транзистора. Для этого в качестве подложки использовался не монокристаллический кремний, а слюда размером 1.5 x 1.5 см, вырезанная из листа толщиной 0.06 мм. Было показано, что и полевой эффект, и сегнетоэлектрический эффект в гибком транзисторе сохраняются как при статическом изгибе устройства, так и после более чем 100 циклов изгибных испытаний с радиусом закругления 1 см.

Пример 3.

Был изготовлен гибкий сегнетоэлектрический мемристор. В качестве подложки использовалась слюда размером 1.5 x 1.5 см, вырезанная из листа толщиной 0.06 мм. Далее так же, как и в примере 1 была выращена плёнка из вольфрама толщиной 40 нм методом магнетронного распыления, а затем - кремниевая плёнка толщиной 10 нм методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы. С помощью оптической литографии и плазменного легирования кремниевая плёнка была локально легирована бором через маску из фоторезиста, чтобы сформировать области p-типа размером 50 x 50 мкм. После чего образец был подвержен отжигу для активации примеси. Затем была выращена 10-нанометровая аморфная плёнка оксида гафния-циркония методом атомно-слоевого осаждения. Параметры легирования кремниевой плёнки, отжига и роста оксида гафния-циркония аналогичным тем, что описаны в примере 1. Верхний электрод толщиной 20 нм был изготовлен из TiN методом магнетронного распыления из титановой мишени в атмосфере N₂ и Ar в соотношении 1:10 при температуре 250°C, после чего структура была повторно подвергнута быстрому термическому отжигу в атмосфере Ar при температуре 550°C в течение 30 с для кристаллизации нижележащей плёнки HZO. Дополнительный слой Al толщиной 200 нм был нанесён на электрод из TiN с помощью электронно-лучевого напыления. Паттернирование верхнего электрода осуществлялось при помощи безмасковой оптической литографии и плазмохимического травления.

Путём электрофизических измерений с помощью зондовой станции Cascade Microtech Summit 11000M и характериографа Agilent B1500A продемонстрирована модуляция проводимости мемристора при переключении поляризации в сегнетоэлектрике.

Изобретение может быть использовано в нанотехнологиях как метод наноструктурирования для разработки устройств полупроводниковой микроэлектроники.

Изобретение может быть использовано в нанотехнологиях как метод наноструктурирования для разработки устройств полупроводниковой микроэлектроники. Способ реализуется путём роста аморфной кремниевой плёнки методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы с помощью подачи в реактор потока моносилана при температуре до 700°С; локального плазменного легирования кремниевой плёнки через маску из фоторезиста или электронного резиста по заданному рисунку путём подачи в реактор потока трихлорида бора и прикладывания напряжения смещения между образцом и плазмой; после чего осуществляют термический отжиг образца для активации легирующей примеси при температуре 600-1000°С. Изобретение обеспечивает возможность варьировать и контролировать характеристики плёнки в широком диапазоне и применять данный способ в массовом производстве устройств полупроводниковой микроэлектроники. 3 ил.

Способ получения локально легированной кремниевой плёнки с заданными характеристиками для устройств микроэлектроники, заключающийся в том, что изготавливают структуру, включающую в себя подложку, нанесённый на неё диэлектрический слой и аморфную кремниевую плёнку, нанесённую методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы с помощью подачи в реактор потока моносилана при температуре до 700°С, отличающийся тем, что выполняют ex situ локальное плазменное легирование кремниевой плёнки через маску из фоторезиста или электронного резиста по заданному рисунку путём подачи в реактор потока трихлорида бора и прикладывания напряжения смещения между образцом и плазмой, после чего осуществляют термический отжиг образца для активации легирующей примеси при температуре 600-1000°С.