Способ изготовления тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике (варианты)

Использование: в микроэлектронике, а именно в технологии изготовления структур тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике, используемых в производстве СБИС, в частности структур кремний-на-диэлектрике. Техническим результатом изобретения является повышение качества структур тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике за счет выбора режимов имплантации, устойчиво препятствующих образованию блистеров. Сущность изобретения: в способе, включающем имплантацию поверхности полупроводниковой пластины через слой диэлектрика ионами водорода или благородных газов, соединение полупроводниковой пластины с несущей пластиной, термообработку при температурах, обеспечивающих сращивание пластин и расслоение облученной пластины, облучение полупроводниковой пластины проводят в два или три этапа. В первом этапе облучение проводят на глубину расслоения облученной пластины, а в другом (других) этапе (этапах) облучение с дозой, меньшей дозы облучения для расслоения пластины, проводят на глубину, отличающуюся от глубины расслоения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления структур тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике, используемых в производстве СБИС, микроэлектромеханических систем, сенсоров и т.п.

Известны способы изготовления тонких пленок полупроводникового материала [1, 2, 3], в которых тонкие слои монокристаллического кремния отслаиваются от массивного слитка или от пластины методом имплантации водорода или других газов, путем накопления газа до концентрации, приводящей к формированию на глубине, равной длине пробега ионов, области расширения, обеспечивающей скол пластины заданной толщины.

Особенностью способов [2, 3] является создание радиационных дефектов, вызванных имплантацией ионов газов, внутренних напряжений, вызывающих появление стесненной деформации, разделяющей пластину на две части. При этом недостатком указанных способов является одновременное воздействие стесненной деформации на границу соединения пластин, вызывая локальные несоединения пластин (полости), снижающие качество структур.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ изготовления тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике [4], включающий имплантацию поверхности полупроводниковой пластины через слой диэлектрика ионами водорода или благородных газов, соединение полупроводниковой пластины с несущей пластиной, термообработку при температурах, обеспечивающих сращивание пластин и расслоение облученной пластины.

На фиг.1.1-1.3 приведены этапы способа создания структуры, выполненные в соответствии с прототипом.

На фиг.1.1 представлен разрез структуры после имплантации поверхности полупроводниковой пластины 1 через слой диэлектрика 9 ионами водорода или благородных газов 2, образования в пластине слоя микропузырьков 3 параллельно поверхности пластины 4 и отделяющего тонкую пленку 5 от остальной части 6 пластины. В правой части фигуры приведено распределение атомов имплантированного газа с концентрацией N.

На фиг.1.2 представлен разрез структуры после соединения полупроводниковой пластины 1 с несущей пластиной 7 и термообработки при температурах, обеспечивающих сращивание пластин.

Н фиг.1.3 представлен разрез структуры после расслоения облученной пластины 1 по зазору 8 (соответствующему слою микропузырьков 3), переноса тонкой пленки 5 на несущую пластину 7 и отделения части 6 пластины 1.

Однако способ, описанный в прототипе [4], имеет недостатки, которые обусловлены самой технологией водородного (газового) расслоения пластины.

Основой технологии водородного (или с помощью благородных газов) расслоения является эффект формирования на глубине проективного пробега ионов водорода микротрещин размерами до 100 нм, в которых при последующей обработке идет накопление газообразного водорода, приводящее к повышенному давлению в микротрещине, ее росту и к отделению пленки кремния от остального кристалла [5].

В нарушенном ионами слое кремния (полупроводникового материала), после отжига при 400÷600°С, образуются уже крупные микротрещины размерами примерно 1 мкм. Характерной особенностью водорода является его активное взаимодействие с примесями и дефектами. В результате водород захватывается на растянутые и ослабленные связи кремний-кремний на краях микротрещин. Размеры трещин увеличиваются по мере накопления водорода, происходит полный разрыв связей и формирование куполов (блистеров) на поверхности размерами 10÷50 мкм. Появление куполов наблюдается при отжиге имплантированного кристалла, начиная с некоторой дозы водорода. Подобный рельеф на поверхности может также образовываться при имплантации, если доза будет превышать другое критическое значении. Таким образом, существует некоторый интервал доз, внутри которого не происходит нарушение поверхности в процессе облучения и в то же время концентрация водорода уже достаточна для отслоения кремния при отжиге [5].

Если поверхность облученного кристалла покрыть механически прочной пленкой или соединить с другой пластиной, то формирование высоких куполов будет подавлено, а трещины будут развиваться преимущественно параллельно поверхности, приводя к полному отделению пленки от остального кристалла [6]. Интервал доз, в котором блистеры не образуются, зависит от многих факторов: температуры облучения, используемой энергии и интенсивности потока ионов, наличия дополнительных покрытий на поверхности кремния (например, пленки двуокиси кремния) и исходного материала [5].

Таким образом, как показано выше, основным недостатком способа является образование блистеров, нарушающих сплошность перенесенного слоя, появление которых трудно контролируемо из-за большого количества факторов, от которых зависит их появление.

Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, заключающегося в повышении качества структур тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике за счет выбора режимов имплантации, устойчиво препятствующих образованию блистеров.

Для достижения названного технического результата в способе, включающем имплантацию поверхности полупроводниковой пластины через слой диэлектрика ионами водорода или благородных газов, соединение полупроводниковой пластины с несущей пластиной, термообработку при температурах, обеспечивающих сращивание и расслоение облученной пластины, облучение полупроводниковой пластины проводят по меньшей мере в два этапа, в одном этапе облучение проводят на глубину расслоения облученной пластины, а в других этапах облучение с дозой, меньшей дозы облучения для расслоения пластины, проводят на глубину, большую или меньшую глубины расслоения, причем осуществление имплантации всех этапов может происходить одновременно.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что облучение полупроводниковой пластины проводят по меньшей мере в два этапа, в одном этапе облучение проводят на глубину расслоения облученной пластины, а в других этапах облучение с дозой, меньшей дозы облучения для расслоения пластины, проводят на глубину, отличающуюся от глубины расслоения.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

На фиг.2 и 3 приведены этапы расслоения пластины в способе создания структур тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике в прототипе [4] и в предлагаемом изобретении.

На фиг.2а представлен разрез структуры прототипа [4] после имплантации при комнатной температуре поверхности полупроводниковой пластины ионами водорода или благородных газов и образования в пластине слоя высокой концентрации ионов имплантированных газов (распределение ионов схематически показано в виде прямоугольника), параллельного поверхности пластины и в последующем отделяющего тонкую пленку от остальной части пластины.

На фиг.2б представлен разрез структуры прототипа [4] после обработки при температуре 500°С. Показаны два диффузионных потока водорода, один внутрь на радиационные дефекты (с выделением газообразного водорода), другой наружу в сторону наименьших концентраций, снижающий концентрацию газообразного водорода и в результате обуславливающий увеличение дозы имплантации.

На фиг.3а представлен разрез структуры в соответствии с изобретением после имплантации при комнатной температуре поверхности полупроводниковой пластины в три этапа. В одном этапе облучение проводят на глубину расслоения облученной пластины, а в двух других этапах облучение проводят на глубину, меньшую и большую глубины расслоения с дозами, меньшими дозы облучения, необходимыми для расслоения пластины (распределение ионов схематически показано в виде трех прямоугольников).

На фиг.3б представлен разрез структуры после обработки при температуре 500°С. Показано три диффузионных потока водорода, два внутрь на радиационные дефекты из основного имплантационного профиля и из боковых (с выделением газообразного водорода), третий (значительно меньший, чем в прототипе) - наружу в стороны наименьших концентраций.

При этом концентрация в центральном распределении выбирается меньшей, чем в прототипе, и общее количество примеси не превышает количества имплантированной примеси по прототипу.

В результате в предлагаемом способе устраняются недостатки, присущие прототипу.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемой структуры и способа ее изготовления. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

Пример реализации способа:

Пластины кремния (КЭФ-4,5 (100), толщиной 460 мкм) подвергались стандартной обработке в буферном растворе HF:NH₄F:H₂О для удаления естественного оксида с поверхности кремния. На первой пластине термическим окислением формировался диэлектрический слой толщиной 100 нм и проводилась имплантация ионами водорода с энергией 30, 60 и 90 кэВ с дозами 5,0×10¹⁵ см^-2, 3,0×10¹⁶ см^-2 и 5,0×10¹⁵ см^-2.

На второй пластине толщина диэлектрического слоя составляла 300 нм. Контрольная пара пластин обрабатывалась аналогичным образом, отличие было только в режиме имплантации водорода: энергия - 60 кэВ, доза - 4,0×10¹⁶ см^-2.

Затем соединенные пластины подвергались термообработке при температуре 500°С в течение 30 мин. На этой стадии происходило расслоение полупроводниковой пластины на тонкую пленку, соединенную с несущей пластиной, и основную часть пластины. При этом было установлено, что количество блистеров в структуре, полученной в соответствии с предлагаемым изобретением, значительно ниже (на порядок), чем в контрольной структуре, выполненной в соответствии с прототипом.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №1282757 А1, 30.12.1983 г.

2. Патент РФ 2164719 С1.

3. Тимошенков С.П., Прокофьев Е.П. и др. \Получение структур КИИ методами химической сборки поверхности и газового скалывания\. Электронная промышленность, №1, 2002 г., стр.51.

4. Патент США №5374564.

5. Попов В.П. и др. \Свойства структур и приборов на кремний-на-изоляторе\. ФТП, 2001 г., том 35, вып.9, стр.1075.

6. M.Bruel, Electron. Lett., 31, 1201 (1995 г.).

1. Способ изготовления тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике, включающий имплантацию поверхности полупроводниковой пластины через слой диэлектрика ионами водорода или благородных газов, соединение полупроводниковой пластины с несущей пластиной, термообработку при температурах, обеспечивающих сращивание пластин и расслоение облученной пластины, отличающийся тем, что облучение полупроводниковой пластины проводят в два этапа, на одном этапе облучение проводят на глубину расслоения облученной пластины, а на другом этапе облучение с дозой, меньшей дозы облучения для расслоения пластины, проводят на глубину, отличающуюся от глубины расслоения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на другом этапе облучение проводят на глубину, большую глубины расслоения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на другом этапе облучение проводят на глубину, меньшую глубины расслоения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществление имплантации всех этапов происходит одновременно.

5. Способ изготовления тонких пленок полупроводникового материала на диэлектрике, включающий имплантацию поверхности полупроводниковой пластины через слой диэлектрика ионами водорода или благородных газов, соединение полупроводниковой пластины с несущей пластиной, термообработку при температурах, обеспечивающих сращивание пластин и расслоение облученной пластины, отличающийся тем, что облучение полупроводниковой пластины проводят в три этапа, на одном этапе облучение проводят на глубину расслоения облученной пластины, а на двух других этапах облучение проводят на глубину, меньшую и большую глубины расслоения, с дозами, меньшими дозы облучения для расслоения пластины.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что осуществление имплантации всех этапов происходит одновременно.