способ изготовления кремниевых пленок

Формула изобретения

1. Способ изготовления кремниевых пленок, заключающийся в том, что в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной, проводят травление, при этом в качестве рабочей пластины кремния используют пластину р-типа проводимости, а создают слой противоположного n-типа проводимости, травление осуществляют до границы р - n-перехода, образованного слоем n-типа проводимости в рабочей пластине кремния р-типа проводимости, отличающийся тем, что сначала осуществляют введение водорода в рабочую пластину кремния, создавая гидрогенизированный слой, затем одновременно с операцией сращивания подложечной пластины с рабочей пластиной в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, за счет ускоренного образования донорных центров в гидрогенизированном слое или сначала осуществляют введение водорода в рабочую пластину кремния, создавая гидрогенизированный слой, затем последовательно в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, за счет ускоренного образования донорных центров в гидрогенизированном слое, подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют введение водорода в рабочую пластину, создавая гидрогенизированный слой в приповерхностной области, слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, создают в гидрогенизированном слое.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве подложечной пластины используют пластину кремния, покрытую слоем окисла кремния.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сращивают рабочую и подложечную пластины соответственно по поверхностям, при которых был создан гидрогенизированный слой, и со слоем окисла кремния, нанесенным на подложечную пластину.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что после травления осуществляют отжиг, причем отжиг проводят так, чтобы изготавливаемая кремниевая пленка имела тот же тип проводимости, что и исходная рабочая пластина кремния.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что введение водорода в рабочую пластину кремния осуществляют из плазмы водорода.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что перед травлением для удаления лишнего слоя кремния проводят механическую шлифовку и химико-механическую полировку, не достигая границы р - n-перехода.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной, в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, за счет ускоренного образования донорных центров в гидрогенизированном слое при температуре 350-500°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для создания полупроводниковых структур, в частности, структур кремний-на-изоляторе (КНИ), кремний-на-кремнии (КНК) для производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) и других устройств микро- и наноэлектроники.

Наряду с кремниевыми пластинами в последнее время в микроэлектронике возникла потребность в многослойных структурах, в частности, структурах типа КНИ. Применение КНИ-структур открывает новые возможности в микроэлектронике при создании СБИС, обладающих, за счет полной диэлектрической изоляции, более низким энергопотреблением, высокими пробивными напряжениями, быстродействием, стойкостью к внешним излучениям. Создание трехмерных интегральных схем, имеющих более одной плоскости расположения элементов, сформированных в слоях полупроводникового материала и разделенных диэлектриком, открывает широкие перспективы для функциональной интеграции. Так, трехмерная интеграция позволяет проектировать интеллектуальные сенсорные устройства, чувствительные элементы которых размещаются в верхнем слое, а схемы обработки сигналов - на нижних.

Из существующих методов получения многослойных структур наиболее перспективным является способ прямого сращивания кремниевых пластин (ПСК). Он позволяет получать высококачественные пленки монокристаллического кремния с высокими электрофизическими параметрами. Одним из преимуществом является использование в качестве рабочих, где впоследствии формируются активные элементы приборов, не эпитаксиальных или рекристаллизованных слоев, а слоев монокристаллического кремния, обладающего высоким структурным совершенством. Технология ПСК позволяет получать высококачественные пленки монокристаллического кремния с толщиной от десятков микрометров до десятков нанометров. Метод не имеет ограничений по диаметру получаемых структур. Однако проблемой, возникающей в процессе создания таких структур, является получение однородных по толщине тонких монокристаллических слоев кремния.

Разброс по толщине серийно выпускаемых кремниевых пластин может составлять 5-15 мкм. Для решения проблемы получения отсеченных слоев с однородной толщиной обычно создают так называемые стопорные слои либо для избирательного химического травления, либо для химико-механической полировки (ХМП) (J. Haisma, G.A.C.M.Spierings, U.K.P. Biermann and J.A. Pals. Silicon-on-Insulator Wafer Bonding-Wafer Thinning Technological Evalutions. - Jap. J. Appl. Phys., 1989, v.28, №8, pp. 1426-1443).

Известен способ изготовления кремниевых пленок (патент США №5147808, МПК 5 Н 01 L 21/265, 5 H 01 L 21/302), заключающийся в том, что в рабочей пластине кремния формируют сильнолегированный p⁺⁺-слой, после чего подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной, проводят травление рабочей пластины до достижения сильнолегированного р⁺⁺-слоя, после чего в другом травителе удаляют сильнолегированный р⁺⁺-слой, при этом формируют сильнолегированный р ⁺⁺-слой имплантацией ионов бора с энергией более 1 МэВ и дозой 2,5× 10¹⁵ см², в качестве подложечной пластины используют пластину кремния, покрытую слоем окисла кремния, сращивают рабочую и подложечную пластины по поверхностям, через которую проводят имплантацию, и со слоем окисла кремния.

Недостатком данного способа является низкое качество изготавливаемой пленки кремния, а именно ее дефектность, обусловленная имплантацией, а также особенностями последующего технологического процесса утонения, а именно тем, что травление рабочей пластины осуществляют посредством многократных циклов термического окисления ее с последующим стравливанием окисленного слоя, что и приводит к накоплению дефектов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления кремниевых пленок (патент США №5256581, МПК 5 Н 01 L 21/306, 5 Н 01 L 21/84), заключающийся в том, что в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной, проводят травление, при этом в качестве рабочей пластины кремния используют пластину р-типа проводимости, а создают слой противоположного n-типа проводимости, травление осуществляют до границы р-n-перехода, образованного слоем n-типа проводимости в рабочей пластине кремния р-типа проводимости, слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, создают на поверхности рабочей пластины, в качестве подложечной пластины используют пластину кремния, покрытую слоем окисла кремния, сращивают рабочую и подложечную пластины по поверхностям со слоем противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, и со слоем окисла кремния подложечной пластины, после травления осуществляют отжиг, который проводят так, чтобы изготавливаемая кремниевая пленка имела тот же самый тип проводимости, что и исходная рабочая пластина кремния, причем создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, за счет пассивации легирующей примеси в результате имплантации ионов водорода, а подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной при температуре 200° С.

Недостатком данного способа является то, что изготавливаемые кремниевые пленки имеют невысокое качество, а именно дефектны, в результате того, что создаваемый слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, слой n-типа, обладает низкой температурной стабильностью, обуславливающей проведение сращивания подложечной и рабочей пластин при температуре 200° С, что приводит к дефектам сращивания пленки с подложечной пластиной. Изготавливаемые пленки кремния имеют низкую прочность соединения с подложечными пластинами.

Техническим результатом изобретения является повышение качества изготавливаемых пленок, а именно снижение их дефектности.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления кремниевых пленок, заключающемся в том, что в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной, проводят травление, при этом в качестве рабочей пластины кремния используют пластину р-типа проводимости, а создают слой противоположного n-типа проводимости, травление осуществляют до границы р-n-перехода, образованного слоем n-типа проводимости в рабочей пластине кремния р-типа проводимости, сначала осуществляют введение водорода в рабочую пластину кремния, создавая гидрогенизированный слой, затем одновременно с операцией сращивания подложечной пластины с рабочей пластиной в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, за счет ускоренного образования донорных центров в гидрогенизированном слое или сначала осуществляют введение водорода в рабочую пластину кремния, создавая гидрогенизированный слой, затем последовательно в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, за счет ускоренного образования донорных центров в гидрогенизированном слое, подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной.

В способе осуществляют введение водорода в рабочую пластину, создавая гидрогенизированный слой, в приповерхностной области, слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, создают в гидрогенизированном слое.

В способе в качестве подложечной пластины используют пластину кремния, покрытую слоем окисла кремния.

В способе сращивают рабочую и подложечную пластины соответственно по поверхностям, при которой был создан гидрогенизированный слой, и со слоем окисла кремния, нанесенным на подложечную пластину.

В способе после травления осуществляют отжиг, причем отжиг проводят так, чтобы изготавливаемая кремниевая пленка имела тот же самый тип проводимости, что и исходная рабочая пластина кремния.

В способе введение водорода в рабочую пластину кремния осуществляют из плазмы водорода.

В способе перед травлением для удаления лишнего слоя кремния проводят механическую шлифовку и химико-механическую полировку, не достигая границы р-n-перехода.

В способе подложечную пластину сращивают с рабочей пластиной, в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, за счет ускоренного образования донорных центров при температуре 350-500° С.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами: фиг.1 - схематичное изображение поперечного сечения зеркально полированной рабочей пластины кремния с гидрогенизированным приповерхностным слоем и подложечной пластины, где 1 - рабочая пластина, 2 - гидрогенизированный слой, сформированный в рабочей пластине, 3 - пластина кремния, образующая подложечную пластину, 4 - слой окисла кремния, являющийся также элементом подложечной пластины. Фиг.2 - схематичное изображение поперечного сечения сращенных рабочей и подложечной пластин, где 1 - рабочая пластина, 2 - гидрогенизированный слой, сформированный в рабочей пластине, 3 - пластина кремния, образующая подложечную пластину, 4 - слой окисла кремния, являющийся также элементом подложечной пластины, 5 - граница р-n-перехода. Фиг.3 - схематичное изображение поперечного сечения изготовленной кремниевой пленки на подложечной пластине, где 3 - пластина кремния, образующая подложечную пластину, 4 - слой окисла кремния, являющийся также элементом подложечной пластины, 6 - изготовленная кремниевая пленка в гидрогенизированном слое, сформированном в рабочей пластине.

При осуществлении способа в приповерхностный слой исходной зеркально полированной рабочей пластины кремния р-типа проводимости 1 вводят водород, в результате чего формируют гидрогенизированный слой 2 заданной толщины. Для достижения контролируемого введения водорода по концентрации и глубине используют в предлагаемом способе выдержку рабочих пластин кремния в тлеющем разряде (плазме) атомарного водорода, в отличие от известного технического решения, где осуществляют имплантацию ионов водорода. При этом толщину гидрогенизированного слоя 2 определяют условия выдержки рабочих пластин в плазме. В предлагаемом способе используют стандартные промышленные установки плазменного травления или осаждения, через рабочую камеру которых продувают молекулярный водород при пониженном давлении (10-100 Па). Плазму возбуждают с помощью емкостной или индуктивной связи низкочастотным (~ 30 кГц) или высокочастотным (~ 13,56 МГц) генератором. При использовании плазмы обрабатываемые рабочие пластины подвергают ионному и электронному облучению, а также высокому уровню ультрафиолетового облучения, что приводит к генерации точечных дефектов в приповерхностной области.

Рабочую пластину кремния р-типа проводимости 1 с гидрогенизированным слоем 2 и подложечную пластину, после очистки поверхности от посторонних частиц, органических и неорганических загрязнений и формирования на поверхности ионных гидроксильных групп (гидрофилизация) при помощи RCA обработок, то есть обработок в перекисно-кислотном и перекисно-аммиачном растворах, приводят в контакт для сращивания поверхности гидрогенизированного слоя 2 с поверхностью слоя окисла кремния 4, как показано на фиг.2. Затем проводят сращивание в диапазоне температур 350-500° С. Во-первых, сращивание при таких температурах обеспечивает образование связей между сращиваемыми поверхностями с энергией, достаточной для проведения последующих процессов. Во-вторых, одновременно с образованием связей между сращиваемыми поверхностями при таких термообработках в рабочей пластине 1 имеет место формирование слоя n-типа проводимости за счет ускоренного образования донорных центров в гидрогенизированном слое 2, в результате чего образуется р-n-переход.

В известном техническом решении (патент США №5256581, МПК 5 Н 01 L 21/306, 5 H 01 L 21/84) этот слой формируется за счет деактивации водородом (Н⁺) мелкой акцепторной примеси бора (С.Т. Sah, J.Y.C. Sun, J.J.T. Tzou. Deactivation of the Boron acceptor in silicon by Hydrogen. - Appl. Phys. Lett., 1983, Vol. 43, № 2, pp. 204-206). Механизм деактивации мелких акцепторов (А^-) можно представить в виде: А^-+Н⁺ (АН)⁰. Термическая устойчивость комплексов (АН)⁰ зависит от выбора акцепторных примесей и составляет для бора 160° С (Pearton S.J., Corbett J.W., Shi T.S. Hydrogen in crystalline semiconductors. - Appl. Phys. A,1987, V.43, № 2, p. 153-195). Хорошо известно, что водород в кремнии уже при комнатных температурах имеет высокий коэффициент диффузии. Поэтому при прогревах с увеличением длительности термообработки слой с деактивированной мелкой акцепторной примесью бора будет увеличиваться в глубь кристалла. При увеличении температуры выше 160° С толщина слоя будет наоборот уменьшаться в результате распада комплексов (АН)⁰. Именно по этой причине в известном техническом решении этап сращивания рабочей кремниевой пластины со слоем кремния n-типа с окисленной поверхностью подложечной кремниевой пластины осуществляют при температуре ниже 200° С. Однако из литературы известно, что после сращивания при комнатной температуре прочность соединения между сращиваемыми поверхностями начинает резко возрастать начиная с температуры 200-300° C (Maszara WP, Goetz G, Caviglia A, McKitterick JB. - J. Appl. Phys, 1988. Vol. 64, pp. 4943-4950).

Известно, что низкотемпературный отжиг кислородосодержащего кремния в диапазоне температур 300-500° С приводит к образованию электрически активных центров с участием атомов кислорода (термодоноров). Максимальная скорость введения донорных центров наблюдается при 450° С. Эффективность образования донорных центров во многом определяется дефектно-примесной подсистемой кристалла. Неконтролируемые примеси углерода, водорода, собственные точечные дефекты, присутствующие в исходных кристаллах или вносимые в ходе технологических обработок в процессе производства полупроводниковых приборов, могут как ускорять, так и замедлять скорость образования термодоноров (В.М. Бабич, Н.И. Блецкан, Е.Ф. Венгер. Кислород в монокристаллах кремния. - Киев: Интерпрес ЛТД, 1997. – 240 с.). Ускоренный рост донорных центров в кремнии наблюдается после предварительной гидрогенизации. Присутствие водорода в концентрациях 10¹⁵-10¹⁶ см^-3 приводит к существенному возрастанию (до 10⁶ раз при Т 300° С) коэффициента диффузии кислорода в кристаллах кремния. Донорные центры формируются также и за счет взаимодействия атомов водорода с точечными дефектами, возникающими в процессе введения водорода в приповерхностный слой.

Совпадение температурных интервалов образования связей между сращиваемыми поверхностями и формирования слоя с типом проводимости, отличным от типа проводимости рабочей пластины, позволяет одновременно проводить сращивание и формировать слой с инверсным типом проводимости. Однако также в предлагаемом способе возможно после введения водорода сначала сформировать слой с инверсным типом проводимости, а затем приступить к сращиванию рабочей и подложечной пластин.

Для получения кремниевой пленки заданной толщины, отсеченной от подложки, например, на слое окисла кремния, КНИ-структуры, после сращивания рабочей и подложечной пластин, поперечное сечение которых схематично изображено на фиг.2, проводят стадию утонения. Эту стадию лучше проводить в два этапа. На первом этапе с рабочей пластины удаляют лишний слой кремния механической шлифовкой и химико-механической полировкой, не достигая при этом границы р-n-перехода 5 на 5-50 мкм. На втором этапе утонение проводят травлением, из которых предпочтительным является хорошо известный метод электрохимического травления. Травление кремния прекращается при достижении границы р-n-перехода 5. В результате на окисленной поверхности подложечной пластины 3 остается слой кремния, который имеет точно контролируемую толщину.

После утонения полученную кремниевую пленку на подложечной пластине отжигают в стандартной печи (например, СДО-125) в контролируемой газовой среде (в смеси азота с кислородом) при температуре до 1150° С в течение 1-2 часов. При такой термообработке удаляют водород из гидрогенизированного слоя 2, в результате чего в нем восстанавливают тот же тип проводимости и уровень легирования, что и в исходном кремнии рабочей пластины 1.

В качестве сведений, подтверждающих реализацию предлагаемого способа, приводим нижеследующие примеры.

Пример 1

В приповерхностный слой исходной зеркально полированной рабочей пластины кремния р-типа проводимости марки КДБ-7,5 осуществляют введение водорода, создавая гидрогенизированный слой в приповерхностной области рабочей пластины, обработкой в плазме атомарного водорода. Плазму возбуждают с помощью емкостной связи высокочастотным (~13,56 МГц) генератором. Рабочую пластину обрабатывают в плазме водорода при температуре 250° С в течение 45 минут.

Затем рабочую пластину и подложечную пластину, в качестве которой используют пластину кремния, покрытую окисным слоем кремния, подвергают химической обработке, а именно очистке поверхности от посторонних частиц, органических и неорганических загрязнений и формированию на поверхности ионных гидроксильных групп (гидрофилизация) при помощи RCA обработок в перекисно-кислотном и перекисно-аммиачном растворах.

После химической обработки рабочую и подложечную пластины соединяют, сращивают и одновременно с этим в рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, слой n-типа проводимости, за счет ускоренного образования донорных центров. При этом слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, создают в гидрогенизированном слое, а сращивают рабочую и подложечную пластины соответственно по поверхностям, при которой был создан гидрогенизированный слой, и со слоем окисла кремния при температуре 450° С и времени выдержки 2 часа. Заключение о наступлении инверсии проводимости проводят по измерениям ЭДС Холла.

После наступления инверсии проводимости для удаления лишнего слоя кремния с рабочей пластины проводят механическую шлифовку и химико-механическую полировку, не достигая при этом границы p-n-перехода, а затем осуществляют травление до границы p-n-перехода.

Чтобы изготавливаемая кремниевая пленка имела тот же самый тип проводимости, что и исходная рабочая пластина, после травления осуществляют отжиг при температуре 1050° С в течение 2 часов.

Пример 2

В приповерхностный слой исходной зеркально полированной рабочей пластины кремния р-типа проводимости марки КДБ-7,5 осуществляют введение водорода, создавая гидрогенизированный слой в приповерхностной области рабочей пластины, обработкой в плазме атомарного водорода. Плазму возбуждают с помощью емкостной связи высокочастотным (~13,56 МГц) генератором. Рабочую пластину обрабатывают в плазме водорода при температуре 250° С в течение 45 минут.

В рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, слой n-типа проводимости, за счет ускоренного образования донорных центров. При этом слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, создают в гидрогенизированном слое, сформированном в приповерхностной области рабочей пластины, при температуре 500° С.

Затем рабочую пластину и подложечную пластину, в качестве которой используют пластину кремния, покрытую окисным слоем, подвергают химической обработке, а именно очистке поверхности от посторонних частиц, органических и неорганических загрязнений и формированию на поверхности ионных гидроксильных групп (гидрофилизация) при помощи RCA обработок в перекисно-кислотном и перекисно-аммиачном растворах.

После химической обработки рабочую и подложечную пластины соединяют и сращивают соответственно по поверхностям, при которой был создан гидрогенизированный слой, и со слоем окисла кремния при температуре 375° С и времени выдержки 20 минут.

После сращивания для удаления лишнего слоя кремния с рабочей пластины проводят механическую шлифовку и химико-механическую полировку, не достигая при этом границы р-n-перехода, а затем осуществляют травление до границы p-n-перехода.

Чтобы изготавливаемая кремниевая пленка имела тот же самый тип проводимости, что и исходная рабочая пластина, после травления осуществляют отжиг при температуре 1150° С в течение 1 часов.

Пример 3

В приповерхностный слой исходной зеркально полированной рабочей пластины кремния р-типа проводимости марки КДБ-7,5 осуществляют введение водорода, создавая гидрогенизированный слой в приповерхностной области рабочей пластины, обработкой в плазме атомарного водорода. Плазму возбуждают с помощью емкостной связи высокочастотным (~ 13,56 МГц) генератором. Рабочую пластину обрабатывают в плазме водорода при температуре 250° С в течение 60 минут.

В рабочей пластине кремния создают слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, слой n - типа проводимости, за счет ускоренного образования донорных центров. При этом слой противоположного типа проводимости, чем тип проводимости рабочей пластины, создают в гидрогенизированном слое, сформированном в приповерхностной области рабочей пластины, при температуре 350° С.

Затем рабочую пластину и подложечную пластину, в качестве которой используют пластину кремния, покрытую окисным слоем, подвергают химической обработке, а именно очистке поверхности от посторонних частиц, органических и неорганических загрязнений и формированию на поверхности ионных гидроксильных групп (гидрофилизация) при помощи RCA обработок в перекисно-кислотном и перекисно-аммиачном растворах.

После химической обработки рабочую и подложечную пластины соединяют и сращивают соответственно по поверхностям, при которой был создан гидрогенизированный слой, и со слоем окисла кремния при температуре 500° С и времени выдержки 15 минут.

После сращивания для удаления лишнего слоя кремния с рабочей пластины проводят механическую шлифовку и химико-механическую полировку, не достигая при этом границы р-n-перехода, а затем осуществляют травление до границы p-n-перехода.

Чтобы изготавливаемая кремниевая пленка имела тот же самый тип проводимости, что и исходная рабочая пластина, после травления осуществляют отжиг при температуре 1150° С в течение 1 часа.

Высокое структурное совершенство рабочего слоя, возможность получения отсеченных слоев кремния на диэлектрике (КНИ-структуры) с различной кристаллографической ориентацией, широкая возможность вариации толщины отсеченного слоя и разделительного диэлектрика, лучшие электрофизические характеристики, получение структур с различным уровнем легирования в рабочем слое обуславливает перспективность технологии для широкого применения в современной микроэлектронике. Применение настоящего способа позволяет перейти к изготовлению КНИ-структур партиями групповым способом, составляющим основу массового производства. При этом основные технологические операции проводят на серийном промышленном оборудовании, что дает огромный экономический эффект.

Положительным эффектом предлагаемого способа также является возможность использовать кремниевые пластины с менее жесткими требованиями по плоскостности (прогиб, коробление) и применять для повышения производительности грубую механическую шлифовку при удалении лишнего кремния с рабочей пластины перед травлением.