Способ радиационно-индуцированного газового скалывания хрупких кристаллических материалов (варианты)

Изобретение относится к области технологии производства тонких плоскопараллельных пластин из хрупких кристаллических материалов и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых устройств типа "полупроводник на изоляторе", а также поверхностных субмикронных углублений различного геометрического профиля при производстве микроэлектронных устройств. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности радиационно-индуцированного газового скалывания плоскопараллельных пластин путем уменьшения дозы легирования при однокомпонентном облучении ионами водорода, за счет совмещения энергетических профилей повреждения и легирования. Сущность: способ радиационно-индуцированного газового скалывания включает облучение объекта ионами атомов газа, причем в процессе облучения ионами одного типа атомов газа, объект последовательно и/или периодически имплантируется ионами, ускоренными до разных энергий, причем облучение производится ионами водорода. Также предложен второй вариант способа радиационно-индуцированного газового скалывания, который включает облучение объекта ионами атомов газа, причем в процессе облучения ионами одного типа атомов газа, объект последовательно и/или периодически наклоняют на заданный угол по отношению к падающему пучку ионов, а угол наклона определяют из расчетного расстояния между максимумами профиля повреждения и легирования для заданных параметров материала, типа и энергии ионов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области технологии производства тонких плоскопараллельных пластин из хрупких кристаллических материалов и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых устройств типа "полупроводник на изоляторе", а также поверхностных субмикронных углублений различного геометрического профиля при производстве микроэлектронных устройств.

Известно, что в основе технологического комплекса изготовления полупроводниковых устройств лежит процесс разделения монолитных слитков полупроводниковых или диэлектрических материалов на плоскопараллельные пластинки заданной толщины от десятых долей до единиц микрометра. В основном разделение осуществляется путем механической резки с помощью алмазных дисков, полотен или проволочек. Основными недостатками всех способов механического разделения является следующее.

1. Необходимость наличия прецизионных станков и дорогостоящих алмазных инструментов.

2. Высокая трудоемкость операции крепления сложных форм слитков для обеспечения плоскопараллельных срезов.

3. Невозможность получения пластин толщиной менее 100 мкм больших площадей.

4. Высокий процент потерь дорогостоящих материалов при разделении.

В 1983 году авторами работы [1] предложен способ изготовления тонких плоскопараллельных пластин кремния путем ионно-имплантационного формирования в материале на заданной глубине поверхности скола. В основу способа положено ионно-имплантационное формирование в материале на заданной глубине и параллельно его бомбардируемой поверхности "поверхности скола" в виде тонкого (нанометрового) имплантированного слоя, насыщенного атомами газа. В процессе ионной имплантации и в результате послерадиационного нагрева в этом слое формируются газонаполненные поры, вызывающие его объемное изменение (газовое распухание). Последнее (газовое распухание) и является причиной возникновения в имплантированном слое бокового напряжения, которое способствует образованию и распространению вдоль имплантированного слоя сквозной трещины и раскалыванию по ней материала. Изменяя энергию легирующих ионов тех или иных газовых атомов можно изменять глубину залегания слоя легирования, а следовательно, и толщину скалываемой пластинки.

Применение данного метода радиационно-индуцированного газового скалывания тонкой пластины материала и дополнение его послерадиационным этапом переноса этой сколотой пластины на другую массивную необлученную пластину послужило основой для развития новой технологии производства структур типа "полупроводник на изоляторе", названной автором "smart cut" технологией [2, 3].

В настоящее время развито промышленное производство структур типа "кремний на изоляторе" (КНИ) с использованием "smart cut" технологии. При этом в качестве бомбардирующих ионов в основном применяют ионы атомарного или молекулярного водорода. Использование ионов других химически инертных газовых атомов (гелий, аргон, неон и др.) рассматривается с целью получения сверхтонких пластин (менее 100 нм).

Физической основой для проявления радиационно-индуцированного скалывания является термически активируемое взаимодействие радиационных дефектов (вакансий) с атомами легирующего газа с образованием, в конечном счете, газонаполненных пор, вызывающих распухание легированного слоя и являющимися причиной образования в нем непрерывной трещины. Процессы зарождения и роста газонаполненных пор контролируются не только концентрацией водорода, но и концентрацией радиационно-индуцированных вакансий. В этой связи, определяющим фактором радиационно-индуцированного газового скалывания является концентрация радиационных дефектов и атомов газа в слое легирования. Проведенные исследования позволили установить оптимальную величину дозы облучения ионами водорода: атомарного - (0,4÷1)·10^-17 см^-2, молекулярного - (2,0÷5,0)·10¹⁶ см^-2, а также температуру послерадиационного отжига в интервале 400-550°С. При этом, с целью сохранения в процессе облучения большего количества внедренного водорода в области ионно-легированного слоя, необходимо обеспечить условия минимизации радиационного нагрева кремниевой пластины. Это условие ограничивает интенсивность пучка ионов величиной не более 100 мкА/см²·с, а следовательно, и производительность процесса на этапе ионного легирования.

Поэтому, в настоящее времяувеличение производительности связывают с решением проблемы увеличения облучаемой площади с одновременным увеличением мощности имплантера (увеличение тока ионного пучка). Однако этот путь связан не только с решением сложных технических проблем, но и со значительным увеличением стоимости имплантера.

Альтернативным путем повышения производительности производства структур КНИ на этапе облучения является уменьшение дозы облучения при сохранении оптимальной интенсивности пучка ионов, исключающей радиационный нагрев, например, за счет повышения эффективности сохранения в имплантированном слое максимального количества имплантированного газа, участвующего в процессе "газового" скалывания.

Развитая в работе [4] технология основана на послерадиационном (после облучения тяжелыми заряженными частицами) внедрении атомов водорода электрохимическим или плазмохимическим способами. Несмотря на то, что предварительное облучение тяжелыми ионами происходит при относительно низких дозах облучения (10¹⁴÷10¹⁵ см^-2), этот способ требует введения дополнительного физико-химического способа внедрения водорода, что усложняет технологию и, следовательно, снижает производительность производства структур типа "полупроводник на изоляторе".

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ радиационно-индуцированного газового скалывания, взятый нами за прототип и описанный в [5, 6]. Авторы предложили способ уменьшения дозы облучения путем использования последовательного облучения кремния двумя видами ионов. При первом облучении используют ионы с большей, чем ионы водорода, массой, например ионы атомов гелия или бора. Цель - создание на заданной глубине, в области последующего легирования водородом, большей концентрации радиационных дефектов при относительно низкой дозе облучения тяжелыми ионами (10¹⁶ см^-2 и менее) центров для захвата и удержания ими атомов водорода в процессе второго этапа облучения ионами водорода. В результате, эффективность процесса облучения (уменьшение общей дозы двухэлементного облучения) с проявлением эффекта радиационно-индуцированного газового скалывания возросла в несколько раз. Тем не менее, облучение двумя различными ионами имеет существенный недостаток, значительно снижающий получаемый эффект - это усложнение технологии и увеличение трудоемкости на этапе облучения из-за необходимости изменений не только типа газа, но и режимов и параметров формирования пучка ионов и их ускорения.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности радиационно-индуцированного газового скалывания плоскопараллельных пластин, путем уменьшения дозы легирования при одноэлементном облучении, например, только ионами водорода, за счет совмещения энергетических профилей повреждения и легирования.

Вариант I. Поставленная задача решается в способе радиационно-индуцированного газового скалывания хрупких кристаллических материалов, включающем облучение объекта ионами атомов газа, причем в процессе облучения ионами одного типа атомов газа, объект последовательно и/или периодически имплантируется ионами, ускоренными до разных энергий, причем облучение производится ионами водорода. Таким образом, отличительным признаком изобретения (I вариант) является то, что объект в процессе облучения имплантируется ионами, ускоренными до разных энергий.

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь названного технического результата.

Вариант II. Поставленная задача решается в способе радиационно-индуцированного газового скалывания хрупких кристаллических материалов, включающем облучение объекта ионами атомов газа, причем в процессе облучения ионами одного типа атомов газа, объект последовательно и/или периодически наклоняют на заданный угол по отношению к падающему пучку ионов, а угол наклона определяют из расчетного расстояния между максимумами профиля повреждения и легирования для заданных параметров материала, типа и энергии ионов. Угол наклона находится в интервале 20-40° (в зависимости от начальной энергии ионов), а время нахождения объекта под заданным углом определяют исходя из требуемого значения величины отношения количества радиационных дефектов к количеству легирующих атомов.

Таким образом, отличительными признаками изобретения (II вариант) является то, что в процессе облучения объект последовательно и/или периодически наклоняют на заданный угол в интервале 20-40°, по отношению к падающему пучку ионов, а время нахождения объекта под заданными углами определяют исходя из требуемого значения величины отношения количества радиационных дефектов к количеству легирующих атомов.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет достичь названного технического результата.

Сущность изобретения заключается в том, что в процессе облучения объекта любыми ионами вдоль траектории их пробега происходит образование радиационных дефектов и накопление соответствующих атомов. При этом, в соответствии с физикой торможения бомбардирующих ионов, вдоль пути их пробега, формируются пространственные профили концентрации радиационных дефектов и легирующих атомов. Важным обстоятельством является пространственное разделение этих профилей. На фиг.1 видно, что максимальное количество дефектов в энергетическом профиле концентрации радиационных дефектов находится ближе к бомбардируемой поверхности, чем максимальное количество легирующих атомов в концентрационном профиле. Следствием этого обстоятельства является пространственное (вдоль траектории пробега) изменение величины отношения количества дефектов к количеству внедренных атомов. Другими словами, например, в области максимальной концентрации легирующих атомов образуется минимальное количество радиационных дефектов. Известно, что взаимодействие вакансий и атомов газа приводит к эффективному образованию из них малоподвижных комплексов, являющихся центрами зарождения и последующего роста газонаполненных пор. В области отсутствия достаточной концентрации радиационных дефектов подобные комплексы не образуются и не связанные с дефектами подвижные атомы водорода могут диффундировать из образца. Вследствие этого, доля внедренных атомов водорода, участвующих в развитии газовой пористости в области ионного легирования, значительно уменьшается.

Таким образом, для развития газовой пористости, являющейся основной причиной радиационно-индуцированного газового скалывания материалов, необходимы вакансии. В процессах зарождения и роста газонаполненных пор в условиях облучения или послерадиационного низкотемпературного нагрева объекта, участвуют вакансии радиационного происхождения. Чем больше концентрация радиационных дефектов и их скоплений в области легирования, тем эффективней идет процесс зарождения и роста газовых пор, а следовательно, и процесс газового распухания. Благоприятные условия для роста газовых пор могут быть достигнуты, когда энергетические профили радиационного повреждения и ионного легирования будут совмещены. Поскольку взаимный пространственный сдвиг профилей повреждения и легирования обусловлен физическим принципом (в конце пробега энергия ионов становится недостаточной для образования дефектов, но еще позволяет ионам проникать вглубь образца), то условие наложения профилей повреждения и легирования возможно реализовать на практике лишь при изменении их энергии или при изменении угла входа бомбардирующих частиц в облучаемый образец. Действительно, при изменении энергии бомбардирующих частиц в процессе облучения, или в результате последовательного и/или периодического изменения угла падения частиц на бомбардируемую поверхность образца за счет наклона образца на заданный угол, можно реализовать условие увеличения концентрации радиационных дефектов в области ионного легирования. Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг.1 видно, что максимальная концентрация радиационных дефектов при ионном облучении приходится на область пика энергетического профиля радиационного повреждения. При этом на эту область приходится минимальная концентрация атомов газа. В этом случае только часть внедренных атомов водорода может взаимодействовать с радиационными дефектами и формировать газовую пористость. Другая часть атомов водорода, из концентрационного профиля легирования, лишена возможности взаимодействовать с радиационными дефектами и поэтому может свободно мигрировать из образца.

На фиг.2 приведены расчетные профили концентрации дефектов (С_d, смещений на атом -сна) и атомов водорода (ат.% Н) при облучении кремния ионами водорода с энергией 100 и 90 кэВ при нормальном падении частиц (угол падения 0°) на бомбардируемую поверхность и при энергии 100 кэВ при падении под углом 0° и 25°. Угол наклона рассчитывается исходя из условия совпадения максимумов профилей энергетических повреждений и легирования и обычно составляет 20-40° для протонов с энергиями в интервале "единицы - сотни" кэВ. Время нахождения образца под тем или иным углом определяется из расчета требуемого соотношения между количеством дефектов и атомов газа, необходимого для развития максимального размера газовых пор и обычно составляет, по меньшей мере, 1:10.

Исходя из концентрационных профилей радиационных дефектов и легирующей примеси, представленных на фиг.1, при предлагаемых условиях облучения, возможно, по меньшей мере, трехкратное уменьшение дозы облучения по сравнению с обычными условиями облучения. Учитывая, что при максимальных интенсивностях создания дефектов и накопления атомов газа стимулируются процессы зарождения и роста газовых пор, то следует ожидать еще большего уменьшения дозы облучения для реализации условий радиационно-индуцированного скалывания материалов.

Примеры реализации изобретения:

На фиг.1 видно, что при энергии ионов водорода, равной 100 кэВ, максимальные концентрации (пик профилей) радиационных дефектов и атомов водорода приходятся на глубины в образце кремния соответственно около 0,8 мкм и 0,9 мкм (т.е. сдвинуты относительно друг друга на 0,1 мкм). В этом случае в области пика концентрации атомов водорода на два атома водорода приходится одна вакансия (V). Для формирования стабильного комплекса типа НУ необходимо, по крайней мере, выполнить условие - на один атом водорода одну вакансию. С учетом высокой степени рекомбинации радиационных дефектов в процессе облучения величина отношения количества атомов водорода к количеству радиационных дефектов еще больше уменьшится. Не связанные с дефектами атомы водорода могут мигрировать из образца, т.е. не участвовать в формировании газовой пористости. С целью получения расчетной величины отношения количества вакансий к количеству атомов водорода, равной, по крайней мере, единице, необходимо обеспечить условия формирования равного количества дефектов и атомов водорода.

С этой целью необходимо провести облучение, например, ионами водорода в два этапа. На первом этапе при заданной энергии и дозе облучения формируется профиль радиационного повреждения. На втором этапе облучения, например, при изменении (уменьшении) энергии ионов или при изменении угла их падения на образец обеспечиваются условия пространственного смещения и наложения профиля легирования водородом на профиль радиационных повреждений.

Пример 1. Для того чтобы совместить пик профиля концентрации радиационных дефектов от ионов водорода при Е=100 кэВ с пиком профиля концентрации атомов водорода необходимо, согласно расчету, использовать при повторном облучении ионы водорода с Е=90 кэВ (см. фиг.2).

Пример 2. Вместе с тем, аналогичный результат (наложение профиля концентрации водорода на профиль радиационного повреждения от ионов водорода) можно реализовать и при условии облучения объекта ионами водорода с одной энергией. В этом случае достаточно облучать объект при двух разных углах. Поскольку профиль радиационного повреждения пространственно сдвинут по отношению к профилю ионного легирования ближе к бомбардируемой поверхности, то на первом этапе облучения используется нормальное падение пучка на бомбардируемую поверхность. Второй этап облучения продолжают при падении пучка под заданным углом. На фиг.2 приведены профили радиационного повреждения и ионного легирования кремния при облучении ионами водорода с Е=100 кэВ при нормальном падении пучка и при падении пучка под углом 25°. Видно, что профиль водородного легирования при втором облучении наложен на профиль радиационного повреждения, сформированный при первом облучении.

Заметим что в вышеописанных вариантах предлагаемых способов реализуются благоприятные условия для захвата атомов водорода радиационными дефектами, поскольку их накопление происходит в поле уже сформированных комплексов радиационных дефектов. Это не только способствует образованию малоподвижных при температуре облучения комплексов типа Н_mV_n, являющихся центрами зарождения водородных пор в процессе послерадиационного отжига, но и не позволяет водородным атомам мигрировать из профиля повреждения. Именно эти обстоятельства и являются основой для снижения общей дозы облучения, по меньшей мере, в 3-5 раз в условиях одноэлементного облучения ионами одной энергии.

Литература

1. В.Ф.Реутов, Ш.Ш.Ибрагимов. Способ изготовления тонких пластин кремния. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1282757, 30.12.1983.

2. M.Bruel. Patent USA №5374564, 1995.

3. M.Bruel. Silicon on insulator material technology // Electronics Letters. V.31, №14, (1995), pp.1201-1202.

4. A.Y.Usenko, A.G.Ulyashin. Thiner Silicon-on-Insulator using plasma hydrogenetion. Jpn. J.Appl. Phus. vol.41.(2002), pp.5021-5023

5. A.Agarwall, T.E.Haynes and et.al. Efficient production of silicon-on-insulator films by co-implantation of He⁺ with H⁺. Appl.Phys.Lett 72(9), (1998), pp.1086-1088.

6. Q.Y.Tong, R.Scholz, U.Gosele and at.al. A ″smart-cut″ apporoach to low temperature silicon layer transer. Appl. Phys. Lett. 72 (1), (1998), pp.49-51.

1. Способ радиационно-индуцированного газового скалывания хрупких кристаллических материалов, заключающийся в облучении объекта ионами атомов газа, отличающийся тем, что в процессе облучения ионами одного типа атомов газа объект последовательно и/или периодически имплантируется ионами, ускоренными до различных энергий, причем облучение производится ионами водорода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что доза легирования объекта при заданной энергии определяется исходя из требуемого значения величины отношения количества дефектов к количеству легирующих атомов.

3. Способ радиационно-индуцированного газового скалывания хрупких кристаллических материалов, заключающийся в облучении объекта ионами атомов газа, отличающийся тем, что в процессе облучения ионами одного типа атомов газа объект последовательно и/или периодически наклоняют на заданный угол по отношению к падающему пучку ионов, а время нахождения образца под заданными углами определяют исходя из требуемого значения величины отношения количества дефектов к количеству легирующих атомов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что угол наклона определяют из расчетного расстояния между максимумами профиля повреждения и легирования для заданных параметров материала, типа и энергии частиц и находится, по крайней мере, в интервале 20-40°.