Научные основы и практические аспекты разработки технологии создания тонких полупроводниковых слоев кремния на изолирующих подложках применением процессов ионной обработки Мустафаев, Арслан Гасанович

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Мустафаев, Арслан Гасанович. Научные основы и практические аспекты разработки технологии создания тонких полупроводниковых слоев кремния на изолирующих подложках применением процессов ионной обработки : диссертация ... доктора технических наук : 05.27.06 / Мустафаев Арслан Гасанович; [Место защиты: ГОУВПО "Южно-Российский государственный технический университет"].- Новочеркасск, 2011.- 278 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность темы

Повышенный интерес к технологии изготовления структур кремний на изоляторе (КНИ) обусловлен возможностью улучшить такие характеристики интегральных схем, как быстродействие, предельная рабочая температура, радиационная стойкость. Благодаря уменьшению геометрических размеров, утечек, паразитных емкостей и повышению изоляционных параметров элементов также можно снизить потребление энергии. Кроме того, приборы на структурах КНИ можно применять в экстремальных условиях эксплуатации. Необходимо отметить, что КНИ- технология является одним из наиболее динамично развивающихся направлений полупроводникового материаловедения. Однако проблема обеспечения высоких электрофизических и функциональных параметров приборов, а также их радиационной стойкости и надежности в существенной мере определяется высокой дефектностью приборных слоев кремния. Для структур «кремний на сапфире» эта дефектность обусловлена, в частности, различием кристаллографического строения кремния и сапфира, а также автолегированием кремниевой пленки алюминием из сапфировой подложки до концентраций 10¹⁸- 10²⁰ см^-3. При формировании скрытого изолирующего слоя имплантацией в кремний ионов кислорода, высокая дефектность приборного и изолирующего слоев обусловлена повреждениями кристаллической решетки и различием температурных коэффициентов линейного расширения кремния и оксида.

В связи с этим особую актуальность приобретает решение проблемы по разработки способов и технологии получения качественных слоев кремния, обеспечивающих возможность формирования структур на изолирующих подложках с требуемым набором структурных и электрофизических параметров и позволяющих расширить область применения КНИ-структур и повысить надежность приборов на их основе.

Работа выполнена в соответствии с федеральными целевыми программами: «Электронная Россия» на 2002- 2006 годы; «Национальная технологическая база» на 2007- 2011 годы».

Цель работы состоит в выявлении закономерностей применения воздействия ионов и ионизирующих излучений, и разработке научно обоснованных принципов управления электрофизическими параметрами тонких слоев кремния на изолирующих подложках и границ раздела пленка-подложка.

Для достижения этой цели были сформулированы и решены следующие научно-технические задачи:

Исследовать влияние ионизирующего облучения на гетеро- и полупроводниковые структуры, изготовленные по различным конструктивно-технологическим вариантам.
Установить эффективность использования имплантации ионов для управления зарядовым состоянием и параметрами структур на подложках сапфира.
Определить возможность управления параметрами тонких кремниевых пленок на подложках сапфира, обработкой подложки ионами Si⁺, O⁺ и Ar⁺.
Установить взаимосвязь между параметрами процесса роста и характеристиками эпитаксиального слоя и определить возможность получения пленок кремния на сапфире заданного состава.
Определить технологические режимы воспроизводимого получения качественных пленок кремния на сапфировых подложках.
Разработать новые технологические способы изготовления структур на подложках сапфира с улучшенными параметрами.
Исследовать возможность получения КНИ-структур на основе окисленного пористого кремния.
Исследовать возможность разработки технологии формирования КНИ-структур с применением скрытого изолирующего слоя на основе Si₃N₄.
На основе проведенных исследований разработать технологические режимы формирования скрытых изолирующих диэлектрических слоев SiO₂ и Si₃N₄, для создания КНИ-структур с высокими электрофизическими параметрами.
Исследовать пути совершенствования и оптимизации технологических процессов изготовления полупроводниковых приборов.

Научная новизна

Впервые установлены закономерности и принципы управления электрофизическими параметрами тонких слоев кремния на изолирующих подложках и границ раздела пленка-подложка, отличающиеся тем, что они основаны на создании условий, обеспечивающих получение структур кремния на изоляторе с пониженной дефектностью путем воздействия ионов и ионизирующих излучений.
Разработаны способы предэпитаксиальной подготовки подложек сапфира, отличающиеся от известных тем, что для получения пленок кремния на сапфире с пониженной дефектностью проводится обработка сапфировой подложки ионами Si⁺, O⁺, Ar⁺, режимы которой обеспечивают уменьшение несоответствия решеток между эпитаксиальной пленкой кремния и подложкой, и улучшение структуры пленок кремния за счет образования тонкой слабо разупорядоченной переходной области в поверхностном слое подложки.
Предложен способ изготовления КНС-структуры, отличающийся от известных трехступенчатым процессом эпитаксиального выращивания пленок кремния, включающим осаждение тонкого (0.1- 0.2 мкм) слоя кремния из газовой фазы, частичную аморфизацию начального слоя кремния ионной имплантацией, рекристаллизацию кремния в твердой фазе и последующее наращивание кремния до необходимой толщины методом газовой эпитаксии, режимы которого обеспечивают улучшение качества КНС-структуры.
Разработан способ изготовления КНИ-структуры, отличающийся от известных формированием под слоем кремниевой пленки слоя диоксида кремния, имплантацией ионов кислорода с последовательным набором интегральной дозы в три этапа, режимы которого обеспечивают снижение дефектности приборного слоя кремния и получение КНИ-структуры с высокими электрофизическими параметрами за счет снижения механических напряжений.
Предложены и защищены патентами России способы снижения дефектности и токов утечки в полупроводниковых структурах на изолирующих подложках.
Предложены и защищены патентами России способы повышения быстродействия и радиационной стойкости полупроводниковых приборов.

Практическая ценность. Установленные теоретические и экспериментальные закономерности улучшения свойств тонких полупроводниковых пленок кремния на изолирующих подложках и структур на их основе открывают возможности их использования при разработке новых и оптимизации существующих технологических процессов создания изделий микроэлектроники. Полученные экспериментальные и теоретические результаты используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам специальностей: 210104.65 - Микроэлектроника и твердотельная электроника, 210803.65 - Микроэлектроника и полупроводниковые приборы, и направления: 210100.68 и 210100.62 - Электроника и микроэлектроника в ГОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет».

Ниже приводятся конкретные результаты и их применение.

Полученные результаты по влиянию ионизирующего облучения на параметры и характеристики полупроводниковых структур на основе кремния расширяют возможность создания радиационно-стойких приборов электроники. Результаты внедрены в ОАО СКБ «Элькор».
Разработаны способы обработки ионами и ионизирующим излучением обеспечивающие снижение зарядового состояния и повышение стабильности параметров полупроводниковых приборов. Результаты внедрены в ОАО «НЗПП».
Разработаны способы создания скрытых изолирующих слоев на основе SiO₂, Si₃N₄, SiO₂+Si₃N₄ обеспечивающие снижение дефектности структур кремний на изоляторе. Результаты внедрены в ОАО «НЗПП».
Разработан способ формирования слоя диоксида кремния в хлорсодержащей среде обеспечивающий снижение дефектности и повышение стабильности параметров полупроводниковых приборов. Результаты внедрены в ОАО «НЗПП».
Полученные результаты по влиянию ионной имплантации и воздействию ионизирующих излучений на границу раздела диэлектрик-полупроводник расширяют возможность создания полупроводниковых приборов на основе МДП-структур. Результаты внедрены в ЗАО «ЭПЛ».
Разработаны способы изготовления транзисторных n-p-n-структур методом самосовмещения, с применением поликристаллического кремния, с минимальным отклонением линейных размеров (< 0.1 мкм). Результаты внедрены в ОАО СКБ «Элькор».
Разработаны оптимизированные конструктивно-технологические варианты формирования транзисторных n-p-n-структур с применением межкомпонентной диэлектрической изоляции диоксидом кремния, обеспечивающие повышение радиационной стойкости. Результаты внедрены в ОАО СКБ «Элькор».
Разработанные способы изготовления структур кремний на изоляторе с пониженной дефектностью могут быть использованы для оптимизации типовой структуры и получения полупроводниковых приборов с улучшенными параметрами и характеристиками. Патенты РФ № 2210141, №2284611, №2330349, №2356125.
Разработаны способы формирования пленок кремния на сапфире обеспечивающие уменьшение рассогласования кристаллических решеток между эпитаксиальной пленкой кремния и подложкой с применением обработки ионами Si⁺, O⁺, Ar⁺, B⁺ и оптимизацией скорости роста пленки кремния на сапфире. Результаты внедрены в ЗАО «ЭПЛ».
Разработаны способы формирования структур кремний на изоляторе на основе окисленного пористого кремния, селективным анодированием скрытого n⁺ слоя. Результаты внедрены в ЗАО «ЭПЛ».
Разработаны и предложены для практического применения способы изготовления структур на изолирующих подложках. Патенты РФ №2256980, №2275712, №2280915, №2292607, №2298250, №2302055, №2340038, №2344511.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются согласованностью полученных результатов и следствий из них с известными литературными, теоретическими и экспериментальными данными, результатами апробирования и внедрения при изготовлении полупроводниковых приборов и ИС.

Личный вклад автора. Автором лично определена идеология всей работы, сформулированы цель и задачи работы, осуществлена постановка теоретических и экспериментальных исследований, проведено обобщение полученных лично им результатов, а также в соавторстве с сотрудниками ДагГТУ, КБГУ и ОАО СКБ «Элькор». В цитируемых автором работах ему принадлежит выбор основных направлений и методов решения задач, трактовка и обобщение полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту

Технология получения полупроводниковых слоев кремния на сапфировой подложке с заданными электрофизическими параметрами воздействием ионов на диэлектрическую подложку.
Воздействие облучения высокоэнергетичными электронами полупроводниковых структур изготовленных по различным конструктивно-технологическим вариантам изоляции элементов, позволяющее оптимизировать технологию изготовления и структуру элементов ИС и уменьшить влияние излучения на параметры полупроводниковых структур.
Технологические режимы получения пленок кремния на сапфире с улучшенной структурой.
Влияние температуры подложки и дозы внедряемого кислорода, при имплантации ионов, на параметры слоя кремния в КНИ-структуре.
Технология формирования скрытого изолирующего слоя в КНИ-структурах имплантацией ионов кислорода.
Технология получения приборного слоя кремния на изолирующих подложках для формирования полупроводниковых приборов на КНИ-структурах с высокими электрофизическими параметрами.
Новые технологические способы формирования пленок кремния и изготовления полупроводниковых структур на изолирующих подложках обладающих улучшенными параметрами.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на: 5, 6, 7 и 10 международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы твёрдотельной электроники" (Таганрог 1998г, Таганрог 1999г, Таганрог 2000г, Таганрог 2006г); Международном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва 1999г, Москва 2000г, Москва 2001г, Москва 2007г, Москва 2008г, Москва 2009г); 8, 9, 10 и 12 международных совещаниях "Радиационная физика твёрдого тела"' (Севастополь 1998г, Севастополь 1999г, Севастополь 2000г, Севастополь 2002г); 2 и 3 Российских школах ученых и молодых специалистов по материаловедению и технологиям получения легированных кристаллов кремния (Москва 2001г, Москва 2005г); 3, 4 и 6 Российских конференциях по материаловедению и физико-химическим основам технологии получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Москва 2003г, Москва 2007г, Новосибирск 2009); Северо-Кавказской региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспектива" (Нальчик 1999г, Нальчик 2000г); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива» (Нальчик 2005г, Нальчик 2006г); Международном симпозиуме "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах" (Сочи 2002г); Второй Всероссийской научной internet- конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (Тамбов 2001г); 6 и 7 Российско-Китайском симпозиумах «Новые материалы и технологии» (Пекин 2001г, Москва 2003г); Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (Сочи 2003г); 5, 6, 7 и 8 международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск 2005г, Кисловодск 2006г, Кисловодск 2007г, Кисловодск 2008г); Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике» (Нальчик 2009г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 научных работ, из них 67 приведенные в конце автореферата отражают основные результаты диссертации, в том числе 35 работ в центральной печати (19 патентов и 16 научных статей).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Работа содержит 285 страниц машинописного текста, 109 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 374 наименований.