RU2265255C2 - Способ получения структур кремний-на-изоляторе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для создания современных материалов микроэлектроники. Техническим результатом изобретения является устранение преципитатов кислорода в КНИ структурах. Сущность изобретения: в способе получения структур кремний-на-изоляторе в пластину кремния осуществляют имплантацию водорода, затем проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, затем пластину кремния соединяют с подложкой, сращивают и расслаивают по имплантированному слою пластины, перенося отсеченный слой кремния на подложку, после расслоения по имплантированному слою пластины проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, а также проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками. В способе отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, проводят при 1100°С длительностью 0,5÷1 часа. В способе имплантацию водорода в пластину кремния осуществляют через предварительно выращенный тонкий слой (20÷50 нм) окисла кремния, который затем убирают. В способе для имплантации используют ионы водорода Н₂ ⁺ дозой (2,5÷5)×10¹⁶ см^-2. В способе сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 часа. В способе соединение и сращивание пластины кремния и подложки осуществляют в вакууме 10÷10⁵ Па, дальнейшее сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 часа. В способе дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере сухого кислорода при температуре 1100°С в течение 0,5÷2 часов. В способе дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200°С в течение 0,5÷2 часов. В способе дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере азота при температуре 1200°С в течение 0,5÷2 часов. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для создания современных материалов микроэлектроники, в частности бездефектных структур кремний-на-изоляторе (КНИ).

Переход от использования объемного материала к структурам КНИ при производстве сверхбольших интегральных схем и других изделий микроэлектроники позволяет увеличить производительность, снизить потребляемую мощность, упростить технологию производства, повысить радиационную стойкость и рабочий температурный диапазон (до 400°С) изготавливаемых изделий. Другим применением КНИ структур является использование их в качестве основы для создания наноразмерных приборов. В связи с этим, основным требованием к отсеченному слою кремния КНИ структур, где собственно и формируются приборы, является высокое структурное совершенство и отсутствие дефектов. Однако в процессе создания КНИ структур, например, методом сращивания с последующим водородно-индуцированным расслоением (патент РФ №2164719) из-за высоких концентраций кислорода в кремнии Чохральского, а также водорода и радиационных дефектов происходит формирование в отсеченном слое кремния кислородных преципитатов (КП), визуализируемых травлением в плавиковой кислоте.

Плотность кислородных преципитатов, определенная методом оптической микроскопии, в пластинах КНИ, полученных методом сращивания с последующим водородно-индуцированным расслоением, может составлять 3×10³÷1×10⁴ см^-2. Наличие дефектов в такой концентрации при толщине отсеченного слоя кремния 300÷500 нм будет слабо сказываться на работе приборных структур. Однако их наличие становится критичным при уменьшении толщины отсеченного слоя кремния менее 100 нм, тем более что при приближении к границе сращивания концентрация КП возрастает (Н.Aga, М.Nakano, К.Mitani, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 1999, p.p.2694-2698).

В качестве решения проблемы устранения негативного влияния присутствия кислородных преципитатов в КНИ структурах можно рассматривать попытку создания бездефектных структур кремний-на-изоляторе (заявка США №20020153563, МПК: 7 Н 01 L 29/04), заключающуюся в том, что при формировании структуры для создания отсеченного слоя кремния используют пластину кремния с приповерхностной областью с величиной концентрации кислорода достаточно низкой, чтобы не происходило формирования преципитатов кислорода. При этом величина концентрации кислорода должна составлять менее 1×10¹⁶ см³. К недостаткам данного метода можно отнести то, что решение проблемы получения бездефектных КНИ структур сводится к использованию специального исходного материала. Такое решение обеспечивает отсутствие дефектов, а именно преципитатов кислорода, только при условии, что величина концентрации кислорода в приповерхностной области исходной пластины кремния меньше критической. Это значительно ограничивает применимость данного метода. Кроме этого реализация на практике данного метода, требующего использования специального и, соответственно, более дорогого исходного материала, увеличивает стоимость КНИ структур.

Известен способ получения структур кремний-на-изоляторе (патент США №5374564, МПК: 5 H 01 L 21/265), заключающийся в том, что в пластину кремния осуществляют имплантацию водорода, пластину кремния соединяют с подложкой и расслаивают по имплантированному слою пластины, перенося отсеченный слой кремния на подложку. При этом имплантацию осуществляют ионной бомбардировкой таким образом, чтобы ионы создавали в пластине кремния на глубине их проникновения слой, содержащий газонаполненные микропоры и выделяющий отсеченный слой кремния, а температуру пластины кремния поддерживают ниже температуры, при которой газ, образованный вследствие имплантации ионов, начинает диффундировать и выходит из объема полупроводника. Температурный интервал для имплантации ионов водорода составляет 20÷450°С, а расслоение проводят при высокой температуре, выше 500°С. Причем имплантацию осуществляют через слой окисла кремния, предварительно выращенный на пластине кремния термически, который в изготовленной КНИ структуре играет роль захороненного диэлектрика. В качестве подложки используют кремниевую пластину.

К недостаткам данного способа получения структур кремний-на-изоляторе относится введение высокой концентрации кислородных преципитатов (10³÷10⁴ см^-2) в отсеченный слой кремния. Причина этого негативного эффекта заключается в следующем. Любые высокотемпературные обработки, в частности отжиги, кислородосодержащего кремния (кремния, выращенного методом Чохральского), начиная с температур, когда кислород становится подвижным (при температуре выше 350°С), и до температур порядка 1200°С, сопровождаются распадом пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии из-за превышения концентрации кислорода в кристалле над концентрацией, соответствующей равновесной растворимости. Результатом распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии и является формирование кислородных преципитатов. В процессе изготовления КНИ структур методом водородно-индуцированного расслоения имеет место наиболее оптимальный режим формирования КП, а именно на начальном этапе создания КНИ используется высокотемпературная обработка при относительно низкой температуре (400÷600°С), что приводит к возникновению зародышей КП. При этом процесс формирования КП дополнительно стимулирует присутствие в кремнии водорода и дефектов. На стадии финального отжига КНИ структур при температурах 1000÷1100°С, который необходим для удаления радиационных дефектов, происходит разращивание КП. В итоге имеем КНИ структуру с высокой плотностью КП в отсеченном слое кремния.

Наиболее близким способом к заявляемому является способ получения структур кремний-на-изоляторе (патент РФ №2164719, МПК: 6 Н 01 L 21/324), заключающийся в том, что в пластину кремния осуществляют имплантацию водорода, затем проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, затем пластину кремния соединяют с подложкой, сращивают и расслаивают по имплантированному слою пластины, перенося отсеченный слой кремния на подложку. После расслоения по имплантированному слою пластины проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С длительностью 0,5÷1 часа. Имплантацию водорода в пластину кремния осуществляют через предварительно выращенный тонкий слой (20÷50 нм) окисла кремния, который затем убирают. Для имплантации используют ионы водорода H₂ ⁺ дозой (2,5÷5)×10¹⁶ см^-2. В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм. Сращивание пластины кремния с подложкой проводят в температурном интервале 150÷250°С длительностью 1÷2 часа. Расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 350÷450°С длительностью 0,5÷2 часа.

Данный способ обладает теми же недостатками, а именно введением высокой концентрации кислородных преципитатов (10³÷10⁴ см^-2) в отсеченный слой кремния. Причина этого негативного эффекта заключается в следующем. Любые высокотемпературные обработки, в частности отжиги, кислородосодержащего кремния (кремния, выращенного методом Чохральского), начиная с температур, когда кислород становится подвижным (при температуре выше 350°С), и до температур порядка 1200°С, сопровождаются распадом пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии из-за превышения концентрации кислорода в кристалле над концентрацией, соответствующей равновесной растворимости. Результатом распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии и является формирование кислородных преципитатов. В процессе изготовления КНИ структур методом водородно-индуцированного расслоения имеет место наиболее оптимальный режим формирования КП, а именно на начальном этапе создания КНИ используется высокотемпературная обработка при относительно низкой температуре (350÷450°С), что приводит к возникновению зародышей КП. При этом процесс формирования КП дополнительно стимулирует присутствие в кремнии водорода и дефектов. На стадии финального отжига КНИ структур при температурах 1100°С, который необходим для удаления радиационных дефектов, происходит разращивание КП. В итоге имеем КНИ структуру с высокой плотностью КП в отсеченном слое кремния.

Техническим результатом изобретения является:

- устранение преципитатов кислорода в КНИ структурах.

Технический результат достигается тем, что в способе получения структур кремний-на-изоляторе, заключающемся в том, что в пластину кремния осуществляют имплантацию водорода, затем проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, затем пластину кремния соединяют с подложкой, сращивают и расслаивают по имплантированному слою пластины, перенося отсеченный слой кремния на подложку, после расслоения по имплантированному слою пластины проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, а также проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками.

В способе отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, проводят при 1100°С длительностью 0,5÷1 часа.

В способе имплантацию водорода в пластину кремния осуществляют через предварительно выращенный тонкий слой (20÷50 нм) окисла кремния, который затем убирают.

В способе для имплантации используют ионы водорода H₂ ⁺ дозой (2,5÷5)×10¹⁶ см^-2.

В способе в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

В способе сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 часа.

В способе соединение и сращивание пластины кремния и подложки осуществляют в вакууме 10÷10⁵ Па, дальнейшее сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 часа.

В способе дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере сухого кислорода при температуре 1100°С в течение 0,5÷2 часов.

В способе дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200°С в течение 0,5÷2 часов.

В способе дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере азота при температуре 1200°С в течение 0,5÷2 часов.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 дано изображение поверхности структуры КНИ после визуализации дефектов (обработки в HF кислоте в течение 10 минут) при размере видимого поля 460 мкм × 340 мкм, на фиг.2 - изображение поверхности структуры КНИ, подвергшейся дополнительному отжигу, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере сухого кислорода, после визуализации дефектов (обработки в HF кислоте в течение 10 минут) при размере видимого поля 460 мкм × 340 мкм.

Известно, что отжиги кремния при температурах выше 1200°С приводят к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, благодаря достаточно высокой растворимости кислорода в кремнии при таких температурах. Отсеченный слой кремния в КНИ структурах, лежащий на слое диэлектрика, при термообработках испытывает еще и механические напряжения со стороны диэлектрика в силу большого различия в величинах коэффициентов термического расширения кремния и окисла кремния. В результате термообработки отсеченного слоя кремния могут приводить к существенному изменению в процессах растворения кислородных преципитатов в нем.

Было обнаружено, что отжиги в инертной атмосфере (азот, аргон 1000÷1100°С), посредством которых осуществляют устранение радиационных дефектов, не приводят к устранению КП из отсеченного слоя кремния. Дополнительные отжиги в атмосфере влажного кислорода в том же температурном интервале также не устраняют кислородных преципитатов. Увеличение температуры отжига до 1200°С в атмосфере влажного кислорода при его времени 0,5 часа и более приводит к устранению кислородных преципитатов. Увеличение температуры отжига до 1200°С в атмосфере азота уже приводит к устранению КП при времени отжига 0,5 часа и более. Отжиг в атмосфере сухого кислорода в течение 0,5 часа и более позволяет устранять КП, причем при более низкой температуре, 1100°С.

Контроль за наличием или отсутствием кислородных преципитатов осуществлялся посредством оптической микроскопии после обработки КНИ структур в плавиковой кислоте. Тестирование проводили после отжига, который необходим для удаления радиационных дефектов, в инертной атмосфере при 1100°С при продолжительности 0,5÷1 часа и после дополнительного отжига, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, осуществляемого в атмосфере влажного кислорода при 1200°С, или в атмосфере азота при 1200°С, или сухого кислорода при 1100°С, при его продолжительности 0,5÷2 часа. Характерные изображения поверхности КНИ структур приведены на фиг.1 - до проведения дополнительного отжига и фиг.2 - после проведения дополнительного отжига.

В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации способа, приводим нижеследующие примеры.

Пример 1.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов Н₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 4×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 40 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 280 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂О₂:H₂О=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат и соединяют.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 300°С в течение 2 часов.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 1 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере сухого кислорода при температуре Т=1100°С длительностью 0,5 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,28 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов, изображение поверхности которой после визуализации дефектов (обработки в HF кислоте в течение 10 минут) при размере видимого поля 460 мкм × 340 мкм показано на фиг.2. Для сравнения на фиг.1 представлено изображение поверхности этой же КНИ структуры после визуализации дефектов (обработки в HF кислоте в течение 10 минут) при размере видимого поля 460 мкм × 340 мкм до проведения дополнительного отжига, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере сухого кислорода, на которой видно наличие кислородных преципитатов.

Пример 2.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов H₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 2,5×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 20 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 200 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:Н₂O₂:Н₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат и соединяют.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 450°С в течение 1 часа.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 45 минут.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере сухого кислорода при температуре Т=1100°С длительностью 0,5 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,2 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 3.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов H₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 5×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 50 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 500 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат и соединяют.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 600°С в течение 0,5 часов.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 0,5 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере сухого кислорода при температуре Т=1100°С длительностью 0,5 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,5 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 4.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов Н₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 4×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 40 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 280 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат, соединяют и сращивают в вакууме при давлении 10 Па.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 600°С в течение 0,5 часа.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 1 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере влажного кислорода при температуре Т=1200°С длительностью 0,5 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,28 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 5.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов H₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 2,5×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 20 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 200 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:Н₂O₂:Н₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат, соединяют и сращивают в вакууме при давлении 10⁵ Па.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм при температуре 300°С в течение 2 часов.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 45 минут.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере влажного кислорода при температуре Т=1200°С длительностью 2 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,2 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 6.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов Н₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 5×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 50 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 500 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат, соединяют и сращивают в вакууме при давлении 10² Па.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 450°С в течение 1 часа.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 0,5 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере влажного кислорода при температуре Т=1200°С длительностью 1 час.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,5 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 7.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов H₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 4×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 40 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 280 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат, соединяют и сращивают в вакууме при давлении 10 Па.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 600°С в течение 0,5 часа.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 1 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере азота при температуре T=1200°C длительностью 0,5 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,28 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 8.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов Н₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 2,5×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 20 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 200 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:Н₂O₂:Н₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат и соединяют.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 300°С в течение 2 часов.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 45 минут.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере азота при температуре Т=1200°С длительностью 2 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,2 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 9.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов H₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 5×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 50 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 500 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат, соединяют и сращивают стадию в вакууме при давлении 10² Па.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 450°С в течение 1 часа.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 0,5 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере азота при температуре Т=1200°С длительностью 1 час.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,5 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 10.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов H₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 4×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 40 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 280 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат, соединяют и сращивают в вакууме при давлении 10 Па.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 600°С в течение 0,5 часа.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 1 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере сухого кислорода при температуре Т=1100°С длительностью 0,5 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,28 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 11.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов H₂ ⁺ с энергией 140 кэВ и дозой 3×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 80 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 200 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:Н₂O₂:Н₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат и соединяют.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 300°С в течение 2 часов.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 45 минут.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере азота при температуре Т=1200°С длительностью 2 часа.

В результате получаем структуру 0,48 мкм Si/0,2 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 12.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов Н₂ ⁺ с энергией 80 кэВ и дозой 7×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 20 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 200 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:Н₂O₂:Н₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат и соединяют.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 300°С в течение 2 часов.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 45 минут.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере азота при температуре Т=1200°С длительностью 2 часа.

В результате получаем структуру 0,3 мкм Si/0,2 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 13.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов Н₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 3×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 20 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 200 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:Н₂O₂:Н₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат и соединяют.

Пластину и подложку сращивают и расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, при температуре 250°С в течение 2 часов.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 45 минут.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере азота при температуре Т=1200°С длительностью 2 часа.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,2 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Пример 14.

В пластину кремния осуществляют имплантацию ионов Н₂ ⁺ с энергией 130 кэВ и дозой 5×10¹⁶ см^-2 через предварительно выращенный тонкий слой окисла кремния 50 нм, который затем убирают.

В качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 500 нм.

Проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, представляющую собой очистку пластины и подложки, гидрофилизацию их поверхностей, последующую отмывку пластины и подложки в деионизованной воде. При этом очистку и гидрофилизацию пластины и подложки проводят обработкой в перекисно-кислотных и перекисно-аммиачных растворах соотношения NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5÷1:2:7 и HCl:H₂O₂:H₂O=1:1:6÷1:2:8 (RCA-1 и RCA-2 соответственно).

Пластину и подложку сушат, соединяют и сращивают в вакууме при давлении 10² Па.

Пластину и подложку сращивают при температуре 300°С в течение 10 часов, после чего удаляют из вакуумной камеры и механически расслаивают пластину кремния по имплантированному слою, толщина которого составляет порядка 0,5 мкм, на воздухе при комнатной температуре.

Затем проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, при 1100°С в течение 0,5 часа.

В завершение проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, в атмосфере влажного кислорода при температуре Т=1200°С длительностью 1 час.

В результате получаем структуру 0,5 мкм Si/0,5 мкм SiO₂/Si, не содержащую кислородных преципитатов.

Предлагаемый способ получения структур кремний-на-изоляторе позволяет получать бездефектные структуры, не содержащие кислородных преципитатов, при этом реализация данного способа на практике не требует специального дорогостоящего оборудования, а также специального и, соответственно, более дорогого исходного материала, что является фактором, снижающим стоимость КНИ структур.

В заключение авторы хотят отметить, что работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ №03-02-06537, за что авторы и выносят благодарность.

Claims (15)

1. Способ получения структур кремний-на-изоляторе, заключающийся в том, что в пластину кремния осуществляют имплантацию водорода, затем проводят химическую обработку пластины кремния и подложки, затем пластину кремния соединяют с подложкой, сращивают и расслаивают по имплантированному слою пластины, перенося отсеченный слой кремния на подложку, после расслоения по имплантированному слою пластины проводят отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, отличающийся тем, что проводят дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отжиг, который необходим для удаления радиационных дефектов, проводят при 1100°С длительностью 0,5÷1 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что имплантацию водорода в пластину кремния осуществляют через предварительно выращенный тонкий слой (20÷50 нм) окисла кремния, который затем убирают, при этом для имплантации используют ионы водорода Н₂ ⁺ дозой (2,5÷5)·10¹⁶ см^-2.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что имплантацию водорода в пластину кремния осуществляют через предварительно выращенный тонкий слой (20÷50 нм) окисла кремния, который затем убирают, при этом для имплантации используют ионы водорода Н₂ ⁺ дозой (2,5÷5)·10¹⁶ см^-2.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что сращивание пластины кремния и подложки, расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что сращивание пластины кремния и подложки, расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что сращивание пластины кремния и подложки, расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что сращивание пластины кремния и подложки, расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединение и сращивание пластины кремния и подложки осуществляют в вакууме при давлении 10÷10⁵ Па, дальнейшее сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что соединение и сращивание пластины кремния и подложки осуществляют в вакууме при давлении 10÷10⁵ Па, дальнейшее сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

11. Способ по п.3, отличающийся тем, что соединение и сращивание пластины кремния и подложки осуществляют в вакууме при давлении 10÷10⁵ Па, дальнейшее сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

12. Способ по п.4, отличающийся тем, что соединение и сращивание пластины кремния и подложки осуществляют в вакууме при давлении 10÷10⁵ Па, дальнейшее сращивание и расслоение по имплантированному слою пластины кремния осуществляют в температурном интервале 300÷600°С длительностью 0,5÷2 ч, при этом в качестве подложки используют пластину кремния с выращенным термическим окислом кремния толщиной 0,2÷0,5 мкм.

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере сухого кислорода при температуре 1100°С в течение 0,5÷2 ч.

14. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200°С в течение 0,5÷2 ч.

15. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что дополнительный отжиг, который приводит к растворению кислородных преципитатов, введенных в материал предварительными термообработками, проводят в атмосфере азота при температуре 1200°С в течение 0,5÷2 ч.

Images