способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора
Классы МПК: | H01L21/76 получение изоляционных областей между компонентами |
Автор(ы): | Денисенко Ю.И., Кривелевич С.А., Маковийчук М.И., Паршин Е.О. |
Патентообладатель(и): | Институт микроэлектроники и информатики РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-01-09 публикация патента:
27.11.2002 |
Изобретение относится к способам создания многослойных структур "кремний на изоляторе" с захороненным слоем изолятора. Способ включает имплантацию ионов кислорода в подложку кремния с достехиометрическими дозами с образованием в ней диоксида кремния, имплантацию ионов, содержащих другое вещество, с энергией, обеспечивающей близкое расположение или совпадение максимума профиля концентрации атомов этого вещества относительно имплантированного кислорода, термообработку, в результате которой атомы данного вещества мигрируют в сторону максимума профиля кислорода, где их существенные доли от общего количества образуют с кремнием химическое соединение с изоляторными свойствами. В качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода. Термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла. В результате обеспечивается снижение термического бюджета процесса при повышении качества синтезируемых структур. 1 табл.
Рисунок 1
Формула изобретения
Способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, включающий имплантацию ионов кислорода в подложку кремния с достехиометрическими дозами с образованием в ней диоксида кремния, имплантацию ионов, содержащих другое вещество, с энергией, обеспечивающей близкое расположение или совпадение максимума профиля концентрации атомов этого вещества относительно имплантированного кислорода, и термообработку, в результате которой атомы данного вещества мигрируют в сторону максимума профиля кислорода, где их существенные доли от общего количества образуют с кремнием химическое соединение с изоляторными свойствами, отличающийся тем, что в качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода, а термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способам создания многослойных структур кремния-на-изоляторе (КНИ) с захороненным слоем изолятора и может быть использовано в производстве радиационно стойких интегральных схем. Широко известен коммерчески востребованный способ ионного синтеза в подложке кремния захороненных слоев диоксида кремния SiO2 (buried oxide или BOX) с помощью SIMOX процесса (Separation by Implantation of Oxygen), включающий ионную имплантацию кислорода с дозами до 2![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193008/8226.gif)
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193014/247.gif)
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193008/8226.gif)
- невозможность дальнейшего снижения дозы менее 4
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193008/8226.gif)
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193014/247.gif)
- рост термического SiO2 на поверхности приборного слоя Si, приводящий к значительному расходу последнего;
- остающийся высоким термический бюджет процесса;
- деградационные процессы на границе раздела Si/SiO2 в процессе изготовления SIMOX-структур и образование ловушечных центров в BOX слое [5]; повышенный уровень термических напряжений в верхнем приборном слое Si. Для преодоления указанных недостатков ниже приведены аргументы в пользу замены диоксида кремния в качестве исходного материала BOX слоя:
1. Невозможность удовлетворительного решения проблемы сохранения качества приборного слоя Si при снижении дозы ниже минимального значения ~4
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193008/8226.gif)
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193014/247.gif)
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193008/8226.gif)
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193044/8805.gif)
- вероятности присутствия азота в верхнем приборном слое Si,
- проблем, связанных со "сходимостью" имплантированных профилей кислорода и азота в диапазоне средних энергий имплантации (>100 кэВ) и образованием гомогенного изоляторного слоя в процессе термообработки. На практике, способы ионного синтеза BOX слоев SiON, например [10], включали имплантацию ионов с компонентами в виде заряженных молекул, где азот и кислород находились в связанном виде, причем с невысокими энергиями имплантации (30-60 кэВ). Область применимости получаемых КНИ-структур здесь ограничена исключительно тонкими приборными слоями, где часто необходимо последующее эпитаксиальное доращивание Si. При этом термический бюджет постимплантационной термообработки остается все же достаточно высоким (1300oС, 6 часов) [10]. Целью изобретения является снижение термического бюджета процесса при дальнейшем повышении качества синтезируемых КНИ-структур. Поставленная цель достигается тем, что в способе ионного синтеза захороненного слоя изолятора, включающем имплантацию ионов кислорода в подложку кремния с достехиометрическими дозами с образованием в ней диоксида кремния, имплантацию ионов, содержащих другое вещество, с энергией, обеспечивающей близкое расположение или совпадение максимума профиля концентрации атомов этого вещества относительно имплантированного кислорода, и термообработку, в результате которой атомы данного вещества мигрируют в сторону максимума профиля кислорода, где их существенные доли от общего количества образуют с кремнием химическое соединение с изоляторными свойствами, в качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода, а термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла. Новым в изобретении является то, что в качестве ионов другого вещества используют компоненты, входящие в состав которых атомы вещества совместно с диоксидом кремния образуют стекло, причем глубина максимума профиля концентрации этих атомов совпадает или расположена дальше от поверхности подложки, чем у имплантированного кислорода, а термообработку проводят в интервале времени, ограниченном временем миграции данных атомов в образующемся совместно с диоксидом кремния стекле, и при температуре, большей температуры размягчения, но меньшей температуры стеклования образующегося стекла. Сущность изобретения заключается в том, что хотя способ ионного синтеза других стекол в исходной подложке диоксида кремния с участием атомов любых элементов ранее известен [12], однако ионный синтез стекол в качестве захороненного изоляторного слоя в подложке кремния предложен впервые. Это позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отвечает критерию "изобретательский уровень". Способ поясняется следующим примером реализации изобретения. В подложку кремния КЭФ-4,5 с ориентацией (100) под углом 7o имплантируют ионы кислорода с энергией 200 кэВ и дозой 3
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193008/8226.gif)
![способ ионного синтеза в кремнии захороненного слоя изолятора, патент № 2193803](/images/patents/277/2193008/8226.gif)
можно добиться минимизации дозы имплантированного кислорода при достижении минимального уровня оборванных связей в структуре стекла как материала захороненного слоя изолятора;
резко снижается термический бюджет постимплантационных термообработок, так как температуры размягчения стекол в широком диапазоне составов, как правило, не превышают 1000oС, кроме того, появляется возможность использования стандартных установок для быстрых термических процессов;
меняя дозу ионов веществ-стеклообразователей, т.е. состав стекла, можно плавно регулировать константы термического расширения захороненного слоя и другие его физико-механические свойства;
диэлектрические параметры известных по применению в микроэлектронике стекол могут адресно использоваться при выборе материала захороненного слоя, например свинцовосодержащие стекла для дальнейшего снижения токов утечки в подложку и т.д. Источники информации
1. Steve Krause, Maria Anc, Peter Roitman. Evolution and future trends of Simox material. // MRS Bulletin. 1998, vol. 23, 12, pp.25-29. 2. Mrstik B. J. et al. Improvement in electrical properties of buried SiO2 layers by high-temperature oxidation. // Appl. Phys. Lett. 1995, vol. 67, 4, pp.2390-2395. 3. Патент США 5918136, H 01 L 21/76 (НКИ 438/404), опубл. 29.06.1999 г. 4. Nakashima S. et al. Analysis of buried oxide layer formation and mechanism of threading dislocation generation in the substoichiometric oxigen dose region. // J. Mater. Res. 1993, vol. 8, 3, pp.523-534. 5. Devine R. A.V. et al. Oxygen gettering and oxide degradation during annealing of Si/SiO2/Si structures. // J. Appl. Phys. 1995, vol. 77, 1, pp. 175-186. 6. Патент США 5930643, H 01 L 21/265 (НКИ 438/407), опубл. 27.07.1999 г. 7. Патент США 5468657, H 01 L 21/76 (НКИ 438/766), опубл. 21.11.1995 г. 8. A. L. Belogorokhov et al. Behaviour of implanted oxygen and nitrogen in halogen lamp annealed silicon. // Nucl. Instr. Meth. 1999, В 147, рр. 320-326. 9. K. J. Reeson et al. Buried layers of silicon oxy-nitride fabricated using ion beam synthesis. // Nucl. Instr. Meth. 1988, В 32, рр.427-432. 10. Патент США 5589407, H 01 L 21/265 (НКИ 438/766), опубл. 31.12.1996 г. 11. Кривелевич С. А. и др. Формирование SiO2-cлoя в кремнии, имплантированном кислородом. // Высокочистые вещества. 1993, 6, с.133-136. 12. Дешковская А.А. Об ионно-лучевом синтезе стекол. // Сб. трудов 3-й международной конференции "Взаимодействие излучения с твердым телом". 1999, Минск, с.133, 134.
Класс H01L21/76 получение изоляционных областей между компонентами