Способ создания мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии


 

H01L29/00 - Полупроводниковые приборы для выпрямления, усиления, генерирования или переключения, а также конденсаторы или резисторы, содержащие по меньшей мере один потенциальный барьер, на котором имеет место скачкообразное изменение потенциала, или поверхностный барьер, например имеющие обедненный слой с электронно-дырочным переходом или слой с повышенной концентрацией носителей; конструктивные элементы полупроводниковых подложек или электродов для них (H01L 31/00-H01L 47/00,H01L 51/00 имеют преимущество; способы и устройства для изготовления или обработки приборов или их частей H01L 21/00; конструктивные элементы иные чем полупроводниковые приборы или электроды для них H01L 23/00; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированные на одной общей подложке или внутри нее, H01L 27/00; резисторы

Владельцы патента RU 2523732:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН) (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "научно-исследовательский институт Физических проблем им. Ф.В. Лукина (ФГУП НИИФП им. Ф.В. Лукина) (RU)

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. Предложенное изобретение решает задачу упрощения технологии с одновременным улучшением качества создаваемых мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии. Способ создания мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии включает 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. 1 ил.

 

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 BCl3 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/см2 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 11B в исследованном образце кремния показывает, что атомы бора расположены в узкой приповерхностной области кремния толщиной ~ 30 нм на уровне концентрации 1·1018 ат/см3. Концентрация атомов бора в максимуме составляет 2,2·1020 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/см2 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 1·1018 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/см2 в течение 120 секунд. Благодаря явлению имплантации атомов отдачи происходило внедрение атомов кислорода из пленки CO2 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 1018 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.

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.



 

Похожие патенты:

Использование: для изготовления СВЧ полевого транзистора. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют создание n+-n-i-типа полупроводниковой структуры путем ионного легирования полуизолирующих пластин арсенида галлия ионами кремния, при этом после формирования n+-n-i-типа структуры и топологических элементов транзистора на этой структуре проводится дополнительное легирование пластины ионами кремния и имплантация в пластину ионов бора, вследствие чего значительно сокращается канал транзистора, а на открытой поверхности n+-n-i-структуры формируется пассивный слабопроводящий слой.

Изобретение относится к области химической технологии высокомолекулярных соединений. .

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для определения заданного уровня тока в диапазоне от 150 мА и выше. .

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к материалам, воздействующим на электромагнитные поля с целью управления ими и их преобразования, и может быть использовано при создании гетероэлектриков с наперед заданными оптическими, электрическими и магнитными характеристиками.

Изобретение относится к устройствам для электромагнитного воздействия на биологический объект и может быть использовано в медицине и ветеринарии для изменения биологической активности биологических объектов.

Изобретение относится к электронной технике. .

Изобретение относится к технологии получения алмаза для использования в электронике. .

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике. .

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к приборам с зарядовой связью. .

Использование: для изготовления полевых эмиссионных элементов на основе углеродных нанотрубок. Сущность изобретения заключается в том, что прибор на основе углеродосодержащих холодных катодов, содержит полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован изолирующий слой, катодный узел, расположенный над изолирующим слоем, состоит из токоведущего слоя катодного узла, каталитического слоя и массива углеродных нанотрубок (УНТ), расположенных на поверхности каталитического слоя перпендикулярно его поверхности, опорно-фокусирующую система, состоящая из первого диэлектрического, затворного электропроводящего и второго диэлектрического слоев, содержит сквозную полость, анодный токоведущий слой, расположенный на внешней поверхности второго диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы, в котором сформированы сквозные технологические отверстия, катодный узел дополнительно содержит слой проводящего материала, который расположен в сквозной полости на боковой поверхности первого диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы, высота углеродных нанотрубок одинакова по всей площади массива, на поверхности массива углеродных нанотрубок расположен слой интеркалированного материала, а токоведущий слой катодного узла и слой проводящего материала катодного узла обладают адгезионными свойствами. Технический результат: обеспечение возможности повышения тока эмиссии и временной стабильности этой величины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Использование: для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что транзистор с металлической базой, содержащий эмиттер, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор, при этом между эмиттером и базой сформирован барьер Шотки, эмиттер выполнен из полупроводникового материала с n+-типом проводимости, коллектор - из материала с n-типом проводимости, причем между базой и коллектором размещен тонкий буферный слой из материала с p-типом проводимости, при этом между базой и буферным слоем сформирован омический контакт, а между буферным слоем и коллектором - p-n-переход. Технический результат: обеспечение возможности увеличения статического коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой. 1 ил.
Наверх