СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЗОТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ДИСИЛИЦИДА КОБАЛЬТА В КРЕМНИИ Советский патент 1995 года по МПК H01L21/265 

Изобретение относится к радиационной физике твердого тела, микроэлектронике, в частности к способам получения заглубленных эпитаксиальных (мезотаксиальных) тонкопленочных слоев в полупроводниках.

В современной микроэлектронике для получения проводящих слоев в последнее время все чаще используются соединения кремния с различными металлами силициды. Кроме того, исследуется возможность изготовления объемной структуры приборов посредством использования мезотаксиальных слоев, в частности возможность создания приборов со скрытыми проводящими слоями.

Известны следующие способы получения эпитаксиальных пленок:
нанесение пленок металлов различными способами и последующий высокотемпературный отжиг полученной структуры металлическая пленка кремний;
химическое осаждение из газовой фазы;
молекулярно-лучевая эпитаксия.

Получение мезотаксиальных слоев традиционными способами проводится в два этапа. Например, мезотаксиальная гетероструктура Si-CoSl₂-Si формируется последовательным получением эпитаксиального слоя CoSl₂ на кремниевой подложке и затем эпитаксиального слоя кремния на структуре CoSl₂. Последующий высокотемпературный отжиг для этих методов является необходимой технологической операцией для получения однородного слоя силицида с ровной границей раздела, за исключением метода молекулярно-лучевой эпитаксии, который требует наличия сверхвысокого вакуума. Высокие температуры отжига, в свою очередь, приводят к нежелательной диффузии различных элементов, что отрицательно сказывается на качестве приборов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ создания мезотаксиальных пленок, заключающийся в имплантации ионов Со⁺ в монокристаллический кремний с энергией 200 кэВ, с дозой D ≈ 3 ^. 10¹⁷ ион/см², плотностью ионного тока j ≈ 20 мкА/см² и последующим двухступенчатым отжигом: низкотемпературным при Т 600^оС и высокотемпературным при Т 1000^оС в течение 0,5 ч. Непосредственно после ионной имплантации минимальный выход обратнорассеянных каналированных ионов, определенный из спектров обратного резерфордовского рассеяния, равен χ_мин 50% что свидетельствует о том, что около половины количества имплантированного кобальта находится в состоянии ориентированных преципитатов силицида CoSl₂. Отжиг при 600^оС приводит к некоторому заострению профиля концентрации и незначительному улучшению направленности преципитатов. Высокотемпературный отжиг вызывает резкое изменение свойств, а именно формируется однородный мезотаксиальный слой дисилицида кобальта высокого кристаллического качества ( 5 6%), стехиометрического состава и с резкими границами раздела.

Недостатками данного способа являются многостадийность операций получения: ионная бомбардировка, низкотемпературный отжиг, высокотемпературный отжиг, причем высокотемпературный отжиг может привести к нежелательной диффузии элементов, введенных во время предыдущих технологических операций.

Целью изобретения является уменьшение трудоемкости и упрощение процесса.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения мезотаксиального дисилицида кобальта в кремнии, включающем ионную бомбардировку монокристаллического кремния ионами кобальта, процесс бомбардировки осуществляют при плотности ионного тока, превышающей 30 мкА/см². Предложенное техническое решение обеспечивает возможность создания специального условия для получения мезотаксиального слоя непосредственно во время бомбардировки. Таким условием является повышение средней за период сканировавния ионного пучка плотности ионного тока j до значений выше 30 мкА/см². Такое увеличение j приводит во-первых, к возрастанию температуры облучаемой подложки и, во-вторых, к повышению плотности радиационных дефектов в приповерхностном слоем. Оба приведенных фактора, в свою очередь, увеличивают подвижность как внедренных атомов, так и атомов матрицы, способствуя мезотаксиальному росту слоя CoSl₂ в этих условиях. Увеличение j уменьшает также время проведения данной операции. Как показали наши исследования методами рентгеноструктурного фазового анализа и обратного резерфордовского рассеяния, в процессе бомбардировки монокристаллического кремния ионами кобальта при плотности ионного тока j ≥ 30 мкА/см³ формируются высококачественные мезотаксимальные слои CoSi₂ ( χ_мин ≈ 7%) без проведения дополнительной операции высокотемпературного отжига. В предлагаемом способе силицидные слои формируются на некоторой глубине от поверхности подложки (порядка десятков нм), т. е. представляют собой "захороненные" слои, защищенные сверху тонким слоем исходного кремния. В результате этого химическая стойкость синтезированных слоев определяется, по существу, материалом подложки, т.е. кремнием, который по этим параметрам превосходит в большинстве случаев силициды.

Методика расчета и выбора режимов имплантации заключается в следующем. Задаемся необходимой толщиной и глубиной расположения пленки дисилицида кобальта. С помощью компьютерного расчета (например, по хорошо известной программе TRIM) или методом подбора по таблицам пространственного распределения ионно-имплантированных примесей определяются энергия и доза, достаточная для формирования сплошного мезотаксиального слоя дисилицида кобальта заданной толщины. Плотность ионного тока должна быть не менее 30 мкА/см² для обеспечения достаточной температуры образца, а также подвижности внедренных атомов кобальта и ионов кремния в приповерхностном слое во время обучения.

П р и м е р 1. Полированные механически и химически монокристаллические пластины кремния р-типа ЭКДБ-10 закрепляют на неохлаждаемой дюралевой кассете. Ионную имплантацию проводят в вакуумной камере ионнолучевого ускорителя ИЛУ-3 ионами Со⁺. Энергия ионов составляет 90 кэВ. Доза облучения равна D 2 ^. 10¹⁷ ион/см². Плотность ионного тока j 40 мкА/см². Изучение фазового состава синтезированного слоя показало формирование мезотаксиального дисилицида кобальта с постоянной решетки а 0,5365 нм. Качество сформированного мезотаксиального слоя толщиной ≈ 60 нм, по данным обратного резерфордовского рассеяния, характеризуется величиной χ_мин 7% Время облучения составляет 13 мин.

П р и м е р 2. Образцы, аналогичные примеру 1, облучают ионами Со⁺с энергией 90 кэВ, дозой 2 ^. 10¹⁷ ион/см² и ионным током j 100 мкА/см². При этом синтезируется мезотаксиальный слой дисилицида кобальта с а 0,536 нм. Время имплантации составляет 5 мин.

П р и м е р 3. Образцы, аналогичные примеру 1, облучают ионами Со⁺с энергией 90 кэВ, дозой 2 ^. 10¹⁷ ион/см² и ионным током j 180 мкА/см². При этом синтезируется мезотаксиальный слой дисилицида кобальта с постоянной решетки а 0,536 нм. Время имплантации составляет 5 мин.

Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить трудоемкость и упростить процесс получения мезотаксиального дисилицида кобальта в кремнии за счет исключения операции высокотемпературного отжига и сокращения времени проведения бомбардировки.

Использование: технология изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность: полированные пластины кремния закрепляют на неохлаждаемой дюралевой кассете. Ионную имплантацию проводят в вакуумной камере ионами кобальта с энергией 90 кэВ дозой 2·10¹⁷ см^-2 и плотностью ионного тока более 40 мкА/см² При этом получают слой с постоянной решетки 0,5365 нм толщиной около 60 нм.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЗОТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ДИСИЛИЦИДА КОБАЛЬТА В КРЕМНИИ, включающий ионную бомбардировку монокристаллического кремния ионами кобальта с энергией и дозой, достаточной для формирования слоя заданной толщины, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа за счет исключения операций отжига, бомбардировку кремния осуществляют при плотности ионного тока не менее 30 мкА/см².