Способ формирования геттерного слоя в пластине кремния

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕТТЕРНОГО СЛОЯ В ПЛАСТИНЕ КРЕМНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Садовский Павел Кириллович Челядинский Алексей Романович Оджаев Владимир Борисович Турцевич Аркадий Степанович Плебанович Владимир Иванович Белоус Анатолий Иванович Васильев Юрий Борисович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ формирования геттерного слоя в пластине кремния, включающий имплантацию ионов в нерабочую сторону пластины и последующую ее термообработку для создания слоя кремния, содержащего микропустоты, отличающийся тем, что имплантацию проводят ионами сурьмы с энергией 60 кэВ и дозой от 21015 до 31015 см-2, а термообработку осуществляют в атмосфере азота сначала при 850 С в течение 30 мин, и затем - при температуре 1220 С в течение 4-6 ч. Фиг. 2 Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к способам геттерирования быстродиффундирующих примесей в кремнии, и может быть использовано при изготовлении кремниевых полупроводниковых приборов и интегральных схем. 18107 1 2014.04.30 Известен способ 1 геттерирования неконтролируемых быстродиффундирующих примесей металлов с помощью структурно нарушенного слоя, создаваемого ионной имплантацией электрически нейтральных примесей (, , , ), включающий имплантацию ионов и последующий длительный отжиг имплантированного кремния при температурах 600-900 С для перестройки точечных радиационных дефектов во вторичные протяженные нарушения (дефекты упаковки, дислокационные петли) и геттерирования неконтролируемых примесей на образовавшиеся нарушения. Недостатком этого способа является невысокая эффективность геттерирования неконтролируемых примесей в кремнии. Известен способ 2 формирования геттерного слоя в структурах КНИ (кремний-наизоляторе), заключающийся в имплантации в лицевую сторону пластины ионовс энергией 30 кэВ дозами 11016-11017 см-2 с последующим отжигом при температуре 700 С в течение 30 мин. В результате формируется слой микропустот на глубине около 0,3 мкм между лицевой поверхностью пластины и изолирующим слоем, который является геттером быстродиффундирующих примесей. Геттерирующая эффективность слоя сохраняется даже при высоких температурах и длительном времени последующих отжигов (вплоть до 1200 С в течение 5 ч), что позволяет формировать геттерный слой до проведения операций по формированию приборных структур. Недостатком этого способа является необходимость формирования эпитаксиального слоя кремния поверх подложки с геттерным слоем, поскольку в результате имплантации в лицевую сторону пластины высокой дозы ионови последующего отжига в подложке образуются остаточные протяженные дефекты. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ 3, заключающийся в создании в пластинах кремния слоя, содержащего микропустоты (микропоры). Этот способ включает имплантацию в нерабочую сторону пластины кремния ионовс энергией 30 кэВ до доз 21016-11017 см-2. Для создания геттерного слоя проводят термообработку при температуре 700 С в течение 30 мин, в результате чего гелий улетучивается, оставляя в пластине кремния микропустоты. Затем проводят процесс геттерирования при температурах 700-1180 С в течение 0,5-1 ч (в зависимости от вида и концентрации геттерируемой примеси), который заключается в диффузии и осаждении неконтролируемых примесей на стенки (поверхность) микропустот. Недостатком способа является необходимость использования специального дорогостоящего оборудования для имплантации ионов гелия. Задачей изобретения является создание способа формирования геттерного слоя в пластине кремния, не требующего использования специального дорогостоящего оборудования для имплантации. Поставленная задача решается тем, что в способе формирования геттерного слоя в пластине кремния, включающем имплантацию ионов в нерабочую сторону пластины и последующую ее термообработку для создания слоя кремния, содержащего микропустоты,имплантацию проводят ионами сурьмы с энергией 60 кэВ и дозой от 21015 до 31015 см-2, а термообработку осуществляют в атмосфере азота при 850 С течение 30 мин и затем при температуре 1220 С в течение 4-6 ч. Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что для создания геттерного слоя в платинах кремния используется имплантация ионов сурьмы ( ) на существующем в микроэлектронном производстве оборудовании вместо использования специального дорогостоящего оборудования для имплантации ионов гелия. Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем. В настоящем изобретении для создания геттерного слоя проводят имплантацию в нерабочую сторону пластины кремния ионовс энергией 60 кэВ и дозой 21015-31015 см-2, обеспечивающей объемную концентрацию внедренной примеси в слое выше предела растворимости в кремнии при температуре 850 С, в результате чего часть примеси сурьмы активируется,2 18107 1 2014.04.30 т.е. располагается в узлах решетки, а часть образует включения второй фазы (преципитаты). Затем проводится термообработка при температуре 1220 С в течение 4-6 ч в зависимости от дозы, обеспечивающая распад включений второй фазы сурьмы и ее полное растворение в объеме кристалла кремния. Уход атомов сурьмы из включений второй фазы в объем кремния оставляет микропустоты, на которые геттерируются неконтролируемые примеси из всего объема пластины. Изложенная сущность поясняется на фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена микрофотография, полученная на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ), слоя кремния, имплантированного ионами сурьмы с энергией 60 кэВ,доза 11015 и 21015 см-2, отжиг при температуре 850 С в течение 30 мин на фиг. 2 - микрофотография ПЭМ слоя кремния, имплантированного ионами сурьмы с энергией 60 кэВ, доза 21015 см-2, отжиг при температуре 850 С в течение 30 мин, и затем при 1220 С в атмосфере азота в течение 6 ч на фиг. 3 - микрофотография ПЭМ слоя кремния, имплантированного ионами сурьмы дозой 210 см-2 и отожженного при 700 С в течение 30 мин на фиг. 4 - зависимость коэффициента усилениябиполярного транзистора от тока коллектора. Для формирования геттерного слоя пластины кремния -типа с удельным сопротивлением 10 Омсм имплантировались в нерабочую сторону ионамис энергией 60 кэВ и дозой 21015 см-2. После имплантации проводилась термообработка при температуре 850 С в течение 30 мин для электрической активации внедренной примеси. Измерения показали,что степень электрической активации сурьмы после отжига составила 21(слоевая концентрация носителей заряда составила 4,31014 см-2). Остальная часть примеси вследствие превышения предела растворимости в кремнии при данной температуре выпадает в виде включений второй фазы (фиг. 1). Затем проводилась термообработка в атмосфере азота при температуре 1220 С в течение 6 ч. При этом примесьиз включений второй фазы растворяется из преципитатов и уходит в объем кристалла, занимая положение в узлах решетки кремния (электрическая активация после отжига составляет 100 ), оставляя за собой слой микропустот (фиг. 2). Оборванные связи на поверхности микропустот являются геттерами неконтролируемых примесей. Выбор диапазона доз имплантации обусловлен пределами растворимости сурьмы при температурах термообработок, проводимых при создании геттерного слоя. На первом этапе при отжиге при 850 С необходимо сформировать преципитаты сурьмы, то есть обеспечить объемную концентрацию внедренной примеси выше предела растворимости. Данное условие выполняется уже при дозе 11015 см-2, однако при дозе 21015 см-2 плотность преципитатов (и образующихся в последствии микропустот) значительно выше (фиг. 1). При более низкой температуре отжига (700 С) на первой стадии формирования геттера наблюдается сильное нарушение кристаллической структуры кремния (микродвойникование), препятствующее формированию преципитатов сурьмы (фиг. 3). Электрическая активация сурьмы при этом в 1,5 раза выше, чем при температуре 850 С, следовательно,образуется меньше включений второй фазы (преципитатов). При второй стадии отжига в процессе формирования микропустот при 1220 С требуется полная активация и диффузия примеси сурьмы в объем кристалла. При температуре отжига 1220 С полная электрическая активация примеси обеспечивается вплоть до доз 11016 см-2 при длительности отжига 8 ч. Затем следует геттерирующая термообработка при 1000 С (оптимальная температура геттерирования неконтролируемых примесей 800-1000 С 4). При дозе имплантации 51015 см-2 и отжиге при температуре 1220 С в течение 4 ч электрическая активация примесипосле последующего геттерирующего отжига при 1000 С составила 80 , что свидетельствует о превышении предела растворимости объемной концентрации примеси. Вследствие этого примесьможет осаждаться на сформированные микропустоты и 3 18107 1 2014.04.30 уменьшать эффективность геттерирования. При дозе имплантации 21015 см-2 после 4 ч отжига при 1220 С концентрация примесиниже предела растворимости впри 1000 С,а при дозе 31015 см-2 - после 6 ч отжига. Увеличение дозы имплантации выше 31015 см-2 требует значительного увеличения длительности термообработки при температуре 1220 С(от 8 ч и дольше). Таким образом, для формирования геттерного слоя оптимальными дозами имплантации ионов сурьмы с энергией 60 кэВ являются 21015-31015 см-2, оптимальные режимы отжига - 850 С в течение 30 мин, затем 1220 С в течение 4-6 ч (в зависимости от дозы имплантации) в атмосфере азота. Для проверки эффекта геттерирования было исследовано время жизни неравновесных носителей заряда в пластинах до и после процесса геттерирования в соответствии с заявляемым способом. Измерение времени жизни неравновесных носителей зарядапроводилось СВЧ фазовым методом с объемным возбуждением носителей заряда на пластинах-типа с удельным сопротивлением 4,5 Омсм (КЭФ 4,5) и -типа с удельным сопротивлением 10 Омсм (КДБ 10). Перед измерениями имплантированный слой кремния стравливался, а сами пластины для подавления поверхностной рекомбинации носителей заряда обрабатывались в растворах 2 (КЭФ 4,5) и 4 (КДБ 10). Результаты измерений времени жизнинеравновесных носителей заряда представлены в табл. 1. Таблица 1 исходное, мкс 6,3 6,5 3,5 3,4 Как видно из табл. 1, время жизни неравновесных носителей заряда значительно увеличивается после проведения обработок в соответствии с заявляемым способом. Данный результат свидетельствует об уменьшении в объеме кремния концентрации центров рекомбинации - атомов быстродиффундирующих металлов, что подтверждает геттерирующий эффект. Способ формирования геттерного слоя в пластинах кремния был апробирован на приборных структурах. Одну половину исследуемых пластин кремния -типа с удельным сопротивлением 10 Омсм (КДБ 10, ориентация (111 имплантировали ионами сурьмы с энергией 60 кэВ и дозой 21015 см-2 в нерабочую сторону, другая половина оставалась неимплантированной. Затем имплантированные пластины проходили термообработку в соответствии с заявляемым способом. После формирования геттерного слоя на рабочей стороне пластин формировались интегральные микросхемы на вертикальных биполярных транзисторах. Область коллектора формировалась эпитаксией слоя кремния -типа толщиной 2,15 мкм и сопротивлением 1 Омсм (2,15 КЭФ 1,0), контакт к коллектору, области эмиттера и базы формировались диффузией легирующей примеси в эпитаксиальный слой. В табл. 2 приведены параметры и режимы формирования областей транзисторов. Таблица 2 Поверхностное Глубина,Примесь сопротивление,мкм Ом/кв фосфор 20 0,6 бор 1000 1,0 Эмиттер База Контакт фосфор к коллектору 18107 1 2014.04.30 Измерения показали, что коэффициент усилениябиполярных транзисторов интегральных микросхем, расположенных на половинах пластин кремния с геттерным слоем,на 15-20 выше, чем у микросхем, расположенных на неимплантированных ионами сурьмы половинах пластин (фиг. 4). Увеличение коэффициента усиления свидетельствует об уменьшении рекомбинации носителей заряда, что подтверждает геттерирующий эффект формируемого слоя в соответствии с заявляемым способом. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в том,что для создания геттерного слоя в пластинах кремния используется стандартное оборудование для имплантации ионов сурьмы вместо специального дорогостоящего оборудования для имплантации ионов гелия. Источники информации 1. Патент США 4885257, П 01 21/322, 1989. 2. Патент США 6083324, МПК 01 21/322, 2000. 3. Патент США 5840590, МПК 01 21/306, 1998. 4..,,.,.,.,// . . . - 1995. - . 78. - . 6. - . 3727-3735. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5