способ создания мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии

Формула изобретения

Способ создания мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии, включающий в себя нанесение из газовой фазы на кремний тонкой пленки химического соединения легируемого элемента, облучение полученной структуры пучком ионов и удаление остатков пленки с поверхности, отличающийся тем, что процесс проводят непосредственно в камере ионного облучения, предварительно подложку кремния охлаждают до температуры ниже температуры плавления химического соединения легируемого элемента, а нанесение из газовой фазы на кремний тонкой пленки производят путем напуска в камеру ионного облучения газообразного химического соединения легируемого элемента и после ионного облучения при этой температуре удаление остатков пленки проводят нагревом подложки кремния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технологии микроэлектроники и может быть использовано для получения тонкого легированного примесью слоя в кремнии для создания мелко залегающих p-n-переходов.

Тенденция современной микроэлектроники - постоянное уменьшение геометрических размеров элементов микросхем как в латеральном, так и в вертикальном направлении. Переход к нанометровым размерам элементов микросхем исключает применение мокрых (химических) методов, имеющих низкую разрешающую способность, и требует их замены на сухие (плазменные, ионно-пучковые) методы в технологических процессах изготовления микросхем. Повышение надежности, экономичности, воспроизводимости диктует необходимость уменьшения количества технологических операций. При этом возникают большие трудности с формированием мелко залегающих p-n-переходов (глубина залегания единицы-десятки нанометров). Используя традиционную для технологии микроэлектроники ионную имплантацию, трудно решить эту проблему, так как для уменьшения пробега ионов примеси, имплантируемых в материал, необходимо уменьшать энергию ионов. Формирование пучков ионов низкой энергии (меньше 5 кэВ) - это большая техническая проблема, особенно для легких ионов (например, ионов бора). Альтернативным способом ультрамелкого легирования, позволяющим решить эту задачу, является метод имплантации атомов отдачи примеси из тонкой пленки, нанесенной на поверхность материала при бомбардировке ее ионным пучком.

Известен способ получения мелко залегающих слоев атомов бора в кремнии методом имплантации атомов отдачи [Henley L. Liu, Steven S. Gearhard, John H. Booske, Reid F. Cooper «Recoil implantation method for ultrashallow p ⁺ /n junction formation», Journal of Applied Physics, v.87, № 4, p.1957, 2000]. Способ заключается в нанесении на кремниевую подложку пленки бора методом магнетронного напыления в отдельной вакуумной установке, переносе полученной структуры в камеру ионного облучения, бомбардировке структуры пучком ионов германия, переносе облученной структуры в установку химического травления, удалении остатков пленки химическим травлением в горячем растворе азотной кислоты. Азотная кислота практически не травит кремний, но поскольку приповерхностный слой кремния сильно обогащен атомами бора, то нет четкой границы пленка-кремний и неизбежно частичное стравливание приповерхностного слоя кремния из-за невозможности точно определить время окончания процесса травления или, наоборот, неполное удаление пленки. Неопределенность времени окончания процесса стравливания пленки по глубине может составлять единицы нанометров, что сравнимо с требуемой глубиной залегания профиля атомов отдачи бора в кремнии.

Недостатком известного способа является сложность из-за проведения его стадий в разных установках, а также невозможность стабильного получения воспроизводимых концентрационных профилей бора в кремнии из-за применения для удаления остатков пленки химических методов травления.

Известен принятый за прототип, способ получения мелкозалегающих наноразмерных слоев атомов бора в кремнии [В.И. Зиненко, Ю.А. Агафонов, А.Ф. Вяткин, А.Н. Пустовит. Получение мелкозалегающих профилей распределения атомов бора в кремнии методом имплантации атомов отдачи , Вестник Нижегородского университета, серия Физика твердого тела, вып.1(8), (2005), 5-8], включающий нанесение из паровой фазы на кремний тонкой пленки, содержащей бор в виде химического соединения (BCl₃) путем экспонирования кремния в парах BCl₃ в течение 5-20 минут при давлении паров BCl ₃ 20-35 кПа в отдельной установке, перенос получившейся структуры в камеру ионного облучения, бомбардировку структуры пучком ионов аргона, перенос облученной структуры в установку химического травления, удаление остатков пленки химическим травлением в 5% растворе плавиковой кислоты.

Однако недостатком известного способа является сложность из-за проведения его стадий в разных установках и процедуры подбора необходимых параметров процесса нанесения пленки, а также невозможности регулирования толщины пленки, что влияет на качество создаваемых мелко залегающих наноразмерных слоев бора в кремнии.

Предложенное изобретение решает задачу упрощения технологии с одновременным улучшением качества создаваемых мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии.

Поставленная задача решается способом создания мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии, включающим в себя нанесение из газовой фазы на кремний тонкой пленки химического соединения легируемого элемента, облучение полученной структуры пучком ионов и удаление остатков пленки с поверхности, новизна которого заключается в том, что процесс проводят непосредственно в камере ионного облучения, предварительно подложку кремния охлаждают до температуры ниже температуры плавления химического соединения легируемого элемента, а нанесение из газовой фазы на кремний тонкой пленки производят путем напуска в камеру ионного облучения газообразного химического соединения легируемого элемента и после ионного облучения при этой температуре удаление остатков пленки проводят нагревом подложки кремния.

Технический результат при этом заключается в получении пленок с возможностью регулировки их толщины для оптимизации параметров профиля мелко залегающих слоев примеси в материале и последующего удаления пленки без нарушения приповерхностных слоев материала с одновременным упрощением технологии за счет проведения всех процессов в одной камере ионного облучения.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Сущность настоящего изобретения для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «избирательный уровень».

Возможность получения мелко залегающих профилей наноразмерных легированных слоев в кремнии из доступных промышленно выпускаемых компонентов на традиционном оборудовании с помощью предлагаемого способа свидетельствует о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».

На фиг.1 приведен профиль распределения атомов ¹¹B в исследованном образце кремния.

Приведенные примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

ПРИМЕР 1. Создание мелко залегающих наноразмерных слоев атомов бора в кремнии из трифторида бора (BF₃ ).

Образец из монокристаллического кремния Si (100) крепился на столике, являющемся стенкой криостата. Для измерения температуры образца к столику была закреплена хромель-алюмелиевая термомара. Криостат с образцом помещался в вакуумную камеру ионного имплантера и камера с криостатом откачивалась до давления 1,3·10 ^-4Па (~ 1·10^-6 мм рт.ст.). После этого криостат заполнялся жидким азотом и ~ через 40 минут образец охлаждался до температуры -170°C (температура плавления BF₃ составляет -128,3°C). Далее из баллона с газообразным BF₃ через натекатель в вакуумную камеру производился напуск газообразного BF₃ таким образом, что парциальное давление BF₃ в вакуумной камере выдерживалось на уровне 4·10° Па в течение 20 секунд. За это время на поверхности кремниевого образца конденсировалась твердотельная пленка из молекул BF₃. После этой процедуры кремниевый образец с пленкой BF₃ подвергался облучению пучком ионов аргона с энергией 40 кэВ и плотностью тока пучка 2 мкА/см ² в течение 65 секунд, что соответствовало набранной дозе ионов аргона 2,2·10¹⁴ ион/см². Благодаря явлению имплантации атомов отдачи происходило внедрение атомов бора из пленки BF₃ в кремний. После окончания облучения для удаления остатков пленки образец кремния отогревался до комнатной температуры.

Проверка наличия атомов бора в кремнии была подтверждена анализом, проведенным методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на масс-спектрометре Cameca IMS-4F (Фиг.1). Приведенный профиль распределения атомов ¹¹ B в исследованном образце кремния показывает, что атомы бора расположены в узкой приповерхностной области кремния толщиной ~ 30 нм на уровне концентрации 1·10¹⁸ ат/см ³. Концентрация атомов бора в максимуме составляет 2,2·10 ²⁰ ат/см³, данная концентрация вполне достаточна для формирования p-n-переходов в различных типах микроэлектронных приборов. Тот факт, что максимум распределения бора начинается не на поверхности кремния, а отстоит от нее (глубже на 3 нм), свидетельствует о том, что остатки пленки BF₃ были полностью удалены.

Параметры концентрационного профиля распределения бора (положение максимума распределения и максимальная концентрация) можно регулировать, изменяя толщину сконденсированной на кремнии пленки (за счет изменения времени экспонирования кремния в газовой среде BF₃), а также выбором типа первичных ионов для облучения полученной структуры, их энергии и дозы облучения.

ПРИМЕР 2. Создание мелко залегающих наноразмерных слоев атомов бора в кремнии из трихлорида бора (BCl₃)

Образец из монокристаллического кремния (Si (100) крепился на столике, являющимся стенкой криостата. Для измерения температуры образца к столику была закреплена хромель-алюмелиевая термомара. Криостат с образцом помещался в вакуумную камеру ионного имплантера и камера с криостатом откачивалась до давления 1,3·10 ^-4Па (~ 1·10^-6 мм рт.ст.). После этого криостат заполнялся жидким азотом и ~ через 40 минут образец охлаждался до температуры -170°C (температура плавления BCl₃ составляет -107°C). Далее из ампулы с жидким BCl₃ через натекатель в вакуумную камеру проводился напуск паров BCl₃ таким образом, что парциальное давление паров BCl₃ в вакуумной камере выдерживалось на уровне 4·10^-3 Па в течение 30 секунд. За это время на поверхности кремниевого образца конденсировалась твердотельная пленка из молекул BCl₃. После этой процедуры кремниевый образец с пленкой BCl₃ подвергался облучению пучком ионов аргона с энергией 40 кэВ и плотностью тока пучка 2 мкА/см ² в течение 147 секунд, что соответствовало набранной дозе ионов аргона 5-10¹⁴ ион/см². Благодаря явлению имплантации атомов отдачи происходило внедрение атомов бора из пленки BCl₃ в кремний. После окончания облучения для удаления остатков пленки образец кремния нагревался до температуры 200°C и выдерживался при этой температуре в течение 5 минут. Проверка наличия атомов бора в кремнии была подтверждена анализом, проведенным методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на масс-спектрометре Cameca IMS-4F. Полученный профиль распределения концентрации атомов бора в кремнии подобен приведенному на Фиг.1 (максимум распределения располагается на глубине 2-3 нм, но концентрация в максимуме составляет ~7·10²⁰ ат/см³ , а ширина профиля распределения на уровне концентрации 1·10 ¹⁸ ат/см³ составляет ~ 35 нм). Сравнение параметров распределения концентрации атомов бора в кремнии из примеров 1 и 2 показывает, что, меняя время экспонирования образца кремния в газовой среде и дозу первичных ионов, можно управлять параметрами концентрационного профиля атомов бора в кремнии.

ПРИМЕР 3. Создание мелко залегающих наноразмерных слоев атомов кислорода в кремнии из газообразного CO₂.

Образец из монокристаллического кремния (Si (100) крепился на столике, являющемся стенкой криостата. Для измерения температуры образца к столику была закреплена хромель-алюмелиевая термомара. Криостат с образцом помещался в вакуумную камеру ионного имплантера и камера с криостатом откачивалась до давления 1,3·10 ^-4 Па (~ 1·10^-6 мм рт.ст.). После этого криостат заполнялся жидким азотом и ~ через 40 минут образец охлаждался до температуры -170°C (температура сублимации CO₂ составляет -78°C). Далее из баллона с газообразным CO₂ через натекатель в вакуумную камеру производился напуск газообразного CO₂ таким образом, что парциальное давление CO₂ в вакуумной камере выдерживалось на уровне 4·10^-3 Па в течение 15 секунд. За это время на поверхности кремниевого образца конденсировалась твердотельная пленка из молекул CO₂. После этой процедуры кремниевый образец с пленкой CO₂ подвергался облучению пучком ионов аргона с энергией 40 кэВ и плотностью тока пучка 2 мкА/см ² в течение 120 секунд. Благодаря явлению имплантации атомов отдачи происходило внедрение атомов кислорода из пленки CO ₂ в кремний. После окончания облучения для удаления остатков пленки образец кремния отогревался до комнатной температуры.

Проверка наличия атомов кислорода в кремнии была подтверждена анализом, проведенным методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на масс-спектрометре Cameca IMS-4F. Приведенный профиль распределения атомов кислорода в исследованном образце кремния показывает, что атомы кислорода расположены в узкой приповерхностной области кремния толщиной ~ 25 нм на уровне концентрации 10 ¹⁸ ат/см³. Концентрация атомов кислорода в максимуме составляет порядка 1·10²¹ ат/см³.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемое изобретение позволяет получить пленки с возможностью регулировки их толщины для оптимизации параметров профиля мелко залегающих слоев примеси в материале и последующего удаления пленки без нарушения приповерхностных слоев материала с одновременным упрощением технологии за счет проведения всех процессов в одной камере ионного облучения.