Способ устранения структурных нарушений в структурах кремний-на-изоляторе

 

Использование: в полупроводниковой технологии для создания современных материалов микроэлектроники, в частности структур кремний-на-изоляторе. Сущность изобретения: в способе устранения структурных нарушений в структурах кремний-на-изоляторе, включающем имплантацию ионов кислорода и последующий отжиг, отжиг проводят в атмосфере инертного газа при повышенном гидростатическом давлении 0,6 - 1,5 ГПа, при температуре 1100 - 1200°С, продолжительностью 2 - 10 ч. Техническим результатом изобретения является отсутствие структурных нарушений на границе раздела Si/SiO₂ при температурах отжига существенно более низких, чем те, что обычно используют для устранения дефектов в процессе создания КНИ-структур. 1 ил.

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

Переход от использования объемного материала к КНИ при производстве сверхбольших интегральных схем (СБИС) и других изделий микроэлектроники позволяет снизить потребляемую мощность, упростить технологию производства, создавать радиационно стойкие схемы, а также схемы, работающие при высоких температурах (до 400^oC), и дает многие другие преимущества.

Процесс создания КНИ-структур включает имплантацию в кремний ионов, например кислорода, и последующий высокотемпературный отжиг (метод SIMOX). В результате формируется захороненный слой диэлектрика SiO₂, отсекающий тонкий слой кремния, который и является рабочей областью КНИ-структуры.

Использование радиационной технологии для создания КНИ-структур приводит к проблемам, обусловленным наличием радиационных дефектов и необходимостью их полного устранения, а также к проблемам, связанным с напряжениями на границе раздела Si/SiO₂, влияющим на качество КНИ-структур. Для решения этих проблем ведутся работы по снижению дозы имплантируемого кислорода, используемого для создания слоя захороненного диэлектрика, и по оптимизации термообработок.

Известен способ устранения структурных нарушений в структурах кремний-на-изоляторе (SIMOX) (S. Krause, M. Anc, P. Roitman, MRS Bulletin, 1998, N 12, p. 25-29), включающий имплантацию в кремний ионов кислорода при повышенной температуре дозой, достаточной для образования сплошного слоя оксида кремния в области проникновения ионов, и последующий отжиг пластин кремния при температуре ~ 1350^oC в течение нескольких часов (до 6 ч). Использование повышенной температуры (до 550 - 600^oC) в процессе имплантации в значительной степени снижает концентрацию вводимых радиационных нарушений, что является важным моментом, особенно если учесть, что доза кислорода ~ (1 - 2)·10¹⁸ см^-2 очень высока. Послеимплантационный отжиг, кроме формирования захороненного оксида кремния, позволяет устранить радиационные дефекты и снизить напряжения на границе Si/SiO₂.

Данный способ обладает рядом недостатков, среди которых необходимость в специальных высокотемпературных печах из карбида кремния, позволяющих проводить термообработки при температурах 1300 - 1350^oC. Проведение послеимплантационного отжига при температурах, меньших 1350^oC, например при 1100 - 200^oC, приводит к формированию в областях, прилегающих к границам раздела Si/SiO₂, нарушений дислокационного типа.

Наиболее близким к заявляемому является способ устранения структурных нарушений в структурах кремний-на-изоляторе (ITOX) (S. Nakashima, Kizumi J. Mater. Res., 1993, N 8, p. 523), включающий имплантацию в кремний ионов кислорода при повышенной температуре дозой, достаточной для образования островкового слоя оксида кремния в области проникновения ионов, и последующий отжиг пластин кремния при температуре 1350^oC в течение нескольких часов (4 - 20 ч) в атмосфере кислорода. Проведение имплантации при повышенной температуре (300 - 400^oC) и меньшей дозе 2·10¹⁷ см^-2 уменьшают концентрацию вводимых радиационных дефектов. Однако так как использованная доза меньше необходимой для создания сплошного слоя SiO₂, то последующая термообработка пластин приводит к созданию только захороненного слоя островкового оксида кремния. Поэтому высокотемпературный отжиг пластин кремния проводят в атмосфере кислорода и достаточно большой длительностью. В результате такого отжига происходит диффузия кислорода в кремний и формирование сплошного слоя захороненного оксида кремния (так называемое внутреннее окисление).

Данный способ обладает теми же недостатками, а именно необходимостью в специальных высокотемпературных печах для проведения отжига при 1350^oC и выше и также не решает полностью проблемы, связанные со свойствами границы раздела Si/SiO₂, которая характеризуется наличием структурных нарушений (дислокационными петлями).

Техническим результатом изобретения является: - снижение температуры отжига; - устранение крупных структурных нарушений (дислокационных петель), образующихся на границе раздела Si/SiO₂; Технический результат достигается тем, что в способе устранения структурных нарушений в структурах кремний-на-изоляторе проводят имплантацию ионов кислорода и последующий отжиг, причем последующий отжиг проводят в атмосфере инертного газа при повышенном гидростатическом давлении 0.6 -1.5 ГПа, при температуре 1100 - 1200^oC, продолжительностью от 2 до 10 ч.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой к нему иллюстрацией.

Имплантация ионов кислорода проводилась в интервале доз 10¹⁶ - 10¹⁸ см^-2. Большие дозы в настоящее время не используются для создания структур кремний-на-изоляторе методом SIMOX. Нижнее значение дозы данного интервала соответствует дозе, при которой начинают наблюдаться включения оксида кремния и связанные с ними нарушения.

Нижнее значение интервала давлений аргона выбиралось на основании, проведенных исследований трансформации примесно-дефектных комплексов и агломератов в кремнии, которые показали, что заметные изменения наблюдаются, начиная с давления 0.6 ГПа. При меньших давлениях изменения в примесно-дефектных комплексах слишком слабые, хотя и имеют место, и для получения заметного эффекта необходимо проводить отжиги десятки и сотни часов. Верхнее значение интервала давлений обусловлено ограничением, связанным с переходом аргона при используемых температурах в твердое состояние.

Температуры отжига варьировались от 1100 до 1200^oC. Изменение температурного интервала в меньшую сторону стало возможным благодаря проведению отжига в атмосфере аргона при повышенном гидростатическом давлении. Продолжительность отжига составила от 2 до 10 ч.

Время отжига 2 ч было выбрано исходя из того, что этого уже достаточно для получения явного эффекта при "мягких" радиационных воздействиях (дозах от 10¹⁶ до 10¹⁷ см^-2) и высоких температурах отжига (1200^oC) в данном интервале давлений аргона от 1 до 1.5 ГПа. Длительность отжига свыше 10 ч нецелесообразна, так как не дает изменений даже при отжиге образцов, облученных максимальной дозой 10¹⁸ см^-2 при минимальной температуре отжига данного температурного интервала 1100^oC и давлении 0.6 ГПа.

Пример 1 Сечения образцов кремния, имплантированных ионами O⁺ с энергией 200 кэВ и дозой 1·10¹⁶ см^-2 и отожженных при T = 1200^oC в течение 2 ч при давлении аргона 1.5 ГПа, исследованных методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), показаны на фиг. 1а. Видно отсутствие крупных структурных нарушений. Для сравнения на фиг. 1б показаны сечения образцов кремния, имплантированных ионами O⁺ с энергией 200 кэВ и дозой 1·10¹⁶ см^-2 и отожженных при T = 1130^oC в течение 5 ч при атмосферном давлении, исследованных методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), которая демонстрирует формирование дислокационной сетки в окрестностях залегания имплантированных ионов (фиг. 1б).

Пример 2 В отсеченном слое кремния, сформированном имплантацией больших доз кислорода 10¹⁸ см^-2 и отожженном при T = 1100^oC под давление аргона 1.1 ГПа в течение 10 ч, метод ПЭМ также показывает резкое уменьшение концентрации структурных нарушений в области формирования оксида и уменьшение преципитатов в отсеченном слое.

Пример 3 В отсеченном слое кремния, сформированном имплантацией кислорода дозой 10¹⁷ см^-2 и отожженном при T = 1150^oC под давлением аргона 0.6 ГПа в течение 8 ч, также при помощи метода ПЭМ видно уменьшение концентрации структурных нарушений в области формирований включений оксида кремния и уменьшение преципитатов в отсеченном слое.

Таким образом, использование высокотемпературного отжига в атмосфере аргона при повышенном гидростатическом давлении дает отсутствие структурных нарушений на границе раздела Si/SiO₂ при температурах отжига существенно более низких, чем те, что обычно используют для устранения дефектов в процессе создания КНИ-структур.

Формула изобретения

Способ устранения структурных нарушений в структурах кремний-на-изоляторе, включающий имплантацию ионов кислорода и последующий отжиг, отличающийся тем, что последующий отжиг проводят в атмосфере инертного газа при повышенном гидростатическом давлении 0,6 - 1,5 ГПа, при температуре 1100 - 1200°С, продолжительностью 2 - 10 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1