Способ формирования гексагональной фазы кремния путём имплантации ионов криптона в плёнку оксида кремния на пластине монокристаллического кремния

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при изготовлении светоизлучающих приборов на основе гексагональной фазы кремния, обеспечивающей эффективное возбуждение фотолюминесценции.

Наиболее технологичными с точки зрения совместимости с традиционной технологией микроэлектроники являются известные способы ионно-лучевого (имплантационного) формирования гексагональной фазы кремния путем имплантации ионов, имеющих атомный радиус, превышающий атомный радиус кремния, и инициирующих возникновение в алмазоподобном монокристаллическом кремнии механических напряжений, создающих энергетические условия преобразования алмазоподобной (кубической) фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу (см., например, статью на англ. яз. авторов Т. Y. Tan, & S. М. Нu «Оn the diamond-cubic to hexagonal phase transformation in silicon» - Philosophical Magazine A. 1981, v. 44, №1, c. 127-140; или статью Королёва Д.С. и др. «Формирование гексагональной фазы кремния 9R при ионной имплантации» - Письма в ЖТФ. 2017, т. 43, в. 16, с. 87-92).

Толщина слоя получаемой при этом гексагональной фазы кремния и ее качество (степень заполнения слоя алмазоподобного монокристаллического кремния, преобразуемого в гексагональную фазу, этой фазой и однородность такого заполнения), а также стабильность образования этой фазы зависят от уровня указанных выше механических напряжений и имплантационных условий их возникновения в алмазоподобном монокристаллическом кремнии.

Так известен интенсивный способ формирования гексагональной фазы кремния путем имплантации в изготовленную из алмазоподобного монокристаллического кремния пластину ионов мышьяка, имеющих атомный радиус, превышающий атомный радиус кремния, и образующих в результате указанной имплантации при наличии нагрева пластины ионным пучком в приповерхностном слое алмазоподобного монокристаллического кремния пластины твердый раствор атомов мышьяка, инициирующих возникновение в нем повышенных механических напряжений, создающих энергетические условия преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу (см. статью на англ. яз. авторов Т. Y. Tan, & S. М. Нu «Оп the diamond-cubic to hexagonal phase transformation in silicon» - Philosophical Magazine A. 1981, v. 44, №1, c. 127-140).

В указанном способе имплантация ионов мышьяка производится непосредственно в поверхность пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, вследствие чего в приповерхностном слое пластины эффективность действия зоны механических напряжений, создающих энергетические условия преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в приповерхностном слое пластины в гексагональную фазу, высокая, но в связи с низкой контролируемостью и воспроизводимостью неустойчивого формирования гексагональной фазы кремния в этом способе из-за слабо контролируемого нагрева пластины ионным пучком при имплантации, нет стабильного возникновения в приповерхностном слое пластины зоны повышенных механических напряжений, создающих энергетические условия преобразования в нем алмазоподобной фазы в гексагональную с высоким уровнем заполняемости указанного приповерхностного слоя гексагональной фазой кремния и, поэтому, снижена эффективность формирования гексагональной фазы кремния, сопровождающегося кроме того появлением в приповерхностном слое пластины, содержащем полученную гексагональную фазу кремния, нежелательных примесных атомов мышьяка.

Известен, также менее интенсивный, чем предыдущий способ-аналог, способ формирования гексагональной фазы кремния, выбранный в качестве прототипа заявляемого способа, путем имплантации в пленку оксида кремния, предварительно полученную на поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, (в результате термического окисления пластины этой пластины) ионов галлия и азота, образующих в результате этой имплантации в указанной пленке оксида кремния при отжиге пластины включения нитрида галлия, инициирующие возникновение механических напряжений, создающих энергетические условия преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в подповерхностном слое пластины, граничащем с поверхностным слоем оксида кремния, в его гексагональную фазу (см. статью Королёва Д.С.и др. «Формирование гексагональной фазы кремния 9R при ионной имплантации» - Письма в ЖТФ. 2017, т. 43, в. 16, с. 87-92).

Основными недостатками способа - прототипа являются технологическое усложнение формирования гексагональной фазы из-за необходимости образования в результате имплантации ионов галлия и азота в слое оксида кремния при отжиге пластины включений нитрида галлия, обеспечивающего формирование в подповерхностном слое пластины гексагональной фазы кремния без появления в указанном подповерхностном слое пластины нежелательных примесных атомов галлия и азота, и связанное с изложенным технологическим усложнением снижение уровня механических напряжений, создающих включениями нитрида галлия, образуемых на втором этапе способа -прототипа (при отжиге) энергетические условия преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в подповерхностном слое пластины, граничащем с пленкой оксида кремния, в его гексагональную фазу, что приводит, в свою очередь, к снижению стабильности образования гексагональной фазы кремния и снижению заполнения указанного подповерхностного слоя пластины гексагональной фазой кремния, а также к неоднородному заполнению указанной фазой.

Технический результат от использования предлагаемого способа формирования гексагональной фазы кремния - повышение эффективности формирования указанной фазы за счет повышения технологичности указанного формирования в результате его упрощения (исключения необходимости образования в на втором этапе способа - прототипа (при отжиге) включений нитрида галлия для формирования в подповерхностном слое пластины гексагональной фазы кремния) в условиях образования гексагональной фазы кремния без появления в его слое нежелательных примесных атомов в связи с имплантацией их ионов, обеспеченных имплантацией ионов криптона в пленку оксида кремния, предварительно полученную на поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, и повышения при этом заполнения подповерхностного слоя пластины самой фазой при высокой стабильности и однородности указанного заполнения за счет экспериментально обнаруженных предлагаемых режимных параметров имплантации ионов криптона.

Для достижения указанного технического результата в способе формирования фазы гексагонального кремния, включающем получение на поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, пленки оксида кремния, имплантацию в нее ионов, имеющих атомный радиус, превышающий атомные радиусы элементов, входящих в состав этой пленки, и вызывающих в указанной пленке и прилегающем к ней подповерхностном слое пластины повышенные механические напряжения, достаточные для преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу, и постимплантационный отжиг, в упомянутую пленку оксида кремния производят имплантацию ионов криптона, причем толщину получаемой пленки оксида кремния и энергию и дозу ионов криптона выбирают из интервалов величин толщины пленки оксида кремния от 50 до 150 нм, энергии ионов криптона от 40 до 80 кэВ и дозы ионов криптона от 1⋅10¹⁶ до 1⋅10¹⁷ см^-2 при условии обеспечения при этом максимальной концентрации ионов криптона в пленке оксида кремния на глубине, составляющей 40-60% от толщины этой пленки.

В частном случае при толщине полученной методом термического окисления в сухом кислороде при 1100°С пленки оксида кремния 100 нм, энергии ионов криптона 70 кэВ и дозе ионов криптона 5⋅10¹⁶ см^-2 и обеспечении концентрации ионов криптона 2⋅10²² см^-3 в пленке оксида кремния на глубине 50 нм с уменьшением указанной концентрации до 1⋅10²¹ и 2⋅10²¹ см^-3, соответственно, на глубинах 20 и 80 нм формируют в прилегающем к пленке оксида кремния подповерхностном слое пластины гексагональную фазу кремния в виде заполняющего этот слой пластины более чем на 90% массива гексагональной фазы кремния толщиной 20 нм при высокой однородности заполнения.

При этом постимплантационный отжиг пластины проводят при температуре 700-1000°С.

На фиг. 1 представлено электронно-микроскопическое изображение фрагмента граничащего с предварительно полученной на поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, тонкой пленкой оксида кремния подповерхностного слоя указанной пластины, подвергнутой имплантации в указанный тонкий слой оксида кремния ионов криптона, с сформированной в указанном подповерхностном слое гексагональной фазой кремния с повышенным и однородным заполнением этой фазой указанного подповерхностного слоя.

Предлагаемый способ формирования гексагональной фазы кремния осуществляют в примере его проведения следующим образом.

В зависимости от времени оксидирования методом термического оксидирования на поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния КЭФ-4.5 с ориентацией его кубической структуры (100), получают тонкую пленку оксида кремния толщиной от 50 до 150 нм.

Затем в полученную тонкую пленку оксида кремния производят имплантацию ионов криптона, причем толщину получаемой пленки оксида кремния и энергию и дозу ионов криптона выбирают из интервалов величин толщины пленки оксида кремния от 50 до 150 нм, энергии ионов криптона от 40 до 80 кэВ и дозы ионов криптона от 1⋅10¹⁶ до 1⋅10¹⁷ см^-2 при условии обеспечения при этом максимальной концентрации ионов криптона в пленке оксида кремния на глубине, составляющей 40-60% от толщины этой пленки.

После чего, для снятия остаточных механических напряжений в подповерхностном слое пластины проводят постимплантационный отжиг пластины в течение 10-40 мин при температуре 600-1000°С.

Так в примере осуществления предлагаемого способа при толщине пленки оксида кремния 100 нм, энергии ионов криптона 70 кэВ и дозе ионов криптона 5⋅10¹⁶ см^-2 и обеспечении концентрации ионов криптона 2⋅10²² в пленке оксида кремния на глубине 50 нм с уменьшением указанной концентрации до 1⋅10²¹ и 2⋅10²¹ см^-3, соответственно, на глубинах 20 и 80 нм формируют в прилегающем к пленке оксида кремния подповерхностном слое пластины гексагональную фазу кремния в виде заполняющего этот слой пластины более чем на 90% массива гексагональной фазы кремния (с высокой однородностью заполнения) толщиной 20 нм с проведением постимплантационного отжига пластины в течение 30 мин при температуре 1000°С (см. фрагмент указанного подповерхностного слоя, заполненного гексагональной фазой кремния, на фиг. 1).

Отклонение режимных имплантационных параметров от предложенных интервальных величин приводит к уменьшению заполнения подповерхностного слоя пластины гексагональной фазой кремния на 10-15%.

Формирование гексагональной фазы в граничащем с поверхностным слоем оксида кремния подповерхностном слое пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, методом имплантации в соответствии со способом -прототипом, рассмотренным выше, характеризуется пониженным уровнем заполнения гексагональной фазой кремния в виде массива гексагональной фазы кремния, заполняющего указанный подповерхностный слой пластины в меньшей степени, чем при осуществлении предлагаемого способа формирования гексагональной фазы, а именно - указанный слой толщиной 20 нм не более чем на 40% (см. в указанной выше статье Королева Д.С. и др. электронно-микроскопическое изображение поперечного сечения термически окисленного кремния, облученного ионами азота и галлия после отжига при 800°С).

Для имплантации ионов азота и галлия использовалась установка ИЛУ-200.

Распределение концентрации ионов криптона по толщине пленки оксида кремния оценивалось при помощи рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии.

Формирование гексагональной фазы кремния подтверждено при помощи Фурье-преобразования изображений, полученных методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии.

Заполняемость гексагональной фазой кремния оценивалась по относительной площади включений гексагональной фазы на снимках с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100F (JEOL, Япония).

Предлагаемый способ формирования гексагональной фазы кремния обеспечивает возникновение в граничащем с тонкой пленкой оксида кремния подповерхностном слое пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, зоны повышенных механических напряжений, вызываемых имплантацией ионов криптона в указанную пленку оксида кремния и образование под ним слоя гексагональной фазы кремния в широком интервале его востребованных толщин (например, от 10 до 100 нм) с высоким и однородным заполнением этого подповерхностного слоя гексагональной фазой кремния (так при толщине получаемого слоя гексагональной фазы кремния от 40 до 80 нм в пределах заявляемых интервалов режимных параметров имплантации ионов криптона заполняемость стабильно достигает 90%).