RU2687087C1 - Method for formation of hexagonal phase of silicon - Google Patents
Method for formation of hexagonal phase of silicon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2687087C1 RU2687087C1 RU2018125828A RU2018125828A RU2687087C1 RU 2687087 C1 RU2687087 C1 RU 2687087C1 RU 2018125828 A RU2018125828 A RU 2018125828A RU 2018125828 A RU2018125828 A RU 2018125828A RU 2687087 C1 RU2687087 C1 RU 2687087C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- layer
- diamond
- phase
- plate
- Prior art date
Links
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 59
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 58
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- -1 gallium ions Chemical class 0.000 claims abstract description 27
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 64
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 23
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 8
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 3
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- LOPFACFYGZXPRZ-UHFFFAOYSA-N [Si].[As] Chemical compound [Si].[As] LOPFACFYGZXPRZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HAYXDMNJJFVXCI-UHFFFAOYSA-N arsenic(5+) Chemical compound [As+5] HAYXDMNJJFVXCI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001534 heteroepitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/26—Bombardment with radiation
- H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
- H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при изготовлении светоизлучающих приборов на основе гексагональной фазы кремния, обеспечивающей эффективное возбуждение фотолюминесценции.The invention relates to semiconductor technology and can be used in the manufacture of light-emitting devices based on the hexagonal phase of silicon, which ensures the effective excitation of photoluminescence.
Среди известных методов формирования гексагональной фазы кремния: синтеза под высоким давлением (см., например, статью на англ. яз. авторов Wentorf R.H., Kasper J.S. «Two New Forms of Silicon» - Science. 1963, v. 139, p.338), лазерной абляции (см., например, статью на англ. яз. авторов Zhang Y., Iqbal Z., Vijayalakshmi S., Grebel H. «Stable hexagonal-wurtzite silicon phase by laser ablation» - Appl. Phys. Lett. 1999, v. 75, p.2758), плазмохимического осаждения (см., например, статью на англ. яз. авторов Bandet J., Despax В., Caumont М. «Vibrational and electronic properties of stabilized wurtzite-like silicon» - J. Phys. D: Appl. Phys. 2002, v. 35, p.234), гетероэпитаксии (см., например, статью Павлова Д.А. и др. «Эпитаксиальный рост гексагональных политипов кремния на сапфире» - Физика и техника полупроводников. 2015, т.49, в. 1, с. 98-101), пластической деформации при высокой температуре (см., например, статью на англ. яз. авторов Tan T.Y. Foll Н. Нu S.M. «Оп the diamond-cubic to hexagonal phase-transformation in silicon» - Phil. Mag. A. 1981, v. 44, p.127) и др., 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.Among the known methods of formation of the hexagonal phase of silicon: synthesis under high pressure (see, for example, an article in English. Authors Wentorf RH, Kasper JS "Two New Forms of Silicon" - Science. 1963, v. 139, p. 388) , laser ablation (see, for example, an article in English. Authors Zhang Y., Iqbal Z., Vijayalakshmi S., Grebel H. "Stable hexagonal-wurtzite silicon phase by laser ablation" - Appl. Phys. Lett. 1999 , v. 75, p.2758), plasma chemical deposition (see, for example, an article in the English. Authors Bandet J., Despax B., Caumont M. “Vibrational wurtzite-like silicon” - J . Phys. D: Appl. Phys. 2002, v. 35, p. 234), heteroepitaxy (see, for example, the article by Pavlova DA and others. "Epi taxable growth of hexagonal silicon polytypes on sapphire "- Physics and Technology of Semiconductors. 2015, Vol.49, V.1, p. 98-101), plastic deformation at high temperature (see, for example, an article in the English. Tan authors TY Foll N. Hu SM “Op the diamond-cubic to hexagonal phase transformation in silicon” - Phil. Mag. A. 1981, v. 44, p.127) and others, the most technologically advanced from the point of view of compatibility with traditional microelectronics technology are known methods of ion-beam (implantation) formation of the hexagonal silicon phase by implanting ions having an atomic radius exceeding the atomic radius of silicon and initiating the occurrence of diamond-like monocrystalline silicon mechanical stresses that create energy conditions for the conversion of the diamond-like (cubic) phase of single-crystal silicon to its hexagonal phase.
Так, известен способ формирования гексагональной фазы кремния путем имплантации в поверхностный слой оксида кремния, предварительно полученный в результате термического окисления пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, ионов галлия и азота, образующих в результате указанной имплантации в указанном слое 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 Королева Д.С. и др. «Формирование гексагональной фазы кремния 9R при ионной имплантации» - Письма в ЖТФ. 2017, т. 43, в. 16, с. 87-92).Thus, there is a known method of forming a hexagonal silicon phase by implanting gallium and nitrogen ions into a surface layer of silicon oxide, previously obtained as a result of thermal oxidation of a plate made of diamond-like monocrystalline silicon, forming as a result of said implantation in a specified layer of silicon oxide nitride gallium, initiating the occurrence of mechanical stresses that create the energy conditions for the transformation of the diamond-like phase of a single crystal of silicon in the subsurface layer of the plate bordering the surface layer of silicon oxide in its hexagonal phase (see the article by Korolev DS and others. “Formation of the hexagonal phase of silicon 9R upon ion implantation” - Letters in ZhTF. 2017, V. 43 , in. 16, p. 87-92).
Недостатком этого способа формирования гексагональной фазы кремния в подповерхностном слое алмазоподобного монокристаллического кремния пластины, граничащем с поверхностным слоем оксида кремния, является то, что несмотря на предварительную (перед имплантацией ионов азота и галлия) имплантацию ионов азота в поверхностный слой оксида кремния и отжиг пластины для уменьшения выхода имплантированного галлия из пластины при отжиге, имеет место ненадежное сохранение имплантируемых ионов галлия в поверхностном слое оксида кремния (поверхностный слой оксида кремния не препятствует обратной диффузии атомов галлия из подложки), необходимое для образования в этом слое при отжиге пластины включений нитрида галлия, инициирующих механические напряжения, создающие энергетические условия преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу в подповерхностном слое пластины алмазоподобного монокристаллического кремния, граничащем с поверхностным слоем оксида кремния.The disadvantage of this method of forming a hexagonal silicon phase in a subsurface layer of a diamond-like single-crystal silicon wafer bordering the surface layer of silicon oxide is that despite preliminary (before implantation of nitrogen and gallium ions) implantation of nitrogen ions into the surface layer of silicon oxide and annealing the plate to reduce the release of implanted gallium from the plate during annealing, there is unreliable preservation of implanted gallium ions in the surface layer of silicon oxide (above The remaining silicon oxide layer does not prevent the back diffusion of gallium atoms from the substrate) required for the formation of gallium nitride inclusions in this layer during annealing, initiating mechanical stresses that create energy conditions for the conversion of the diamond-like phase of single-crystal silicon to its hexagonal phase in the subsurface layer of the diamond-like single-crystal silicon bordering the surface layer of silicon oxide.
Кроме того, физический механизм, основанный в этом способе -аналоге на образовании при отжиге пластины включений нитрида галлия в поверхностном слое оксида кремния, отдаляет данный аналог от заявляемого способа (он некорректен для сравнения в качестве прототипа в связи с несовпадением с заявляемым способом существенного признака - расположения области образования включений нитрида галлия в поверхностном слое оксида кремния, в отличие от расположения области образования включений нитрида галлия непосредственно в слое алмазоподобного монокристаллического кремния, прилегающем к поверхностному слою нитрида кремния подповерхностного слоя пластины в заявляемом способе), т.к. создает ослабленные энергетические условия преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в подповерхностном слое пластины алмазоподобного монокристаллического кремния пластины, граничащем с поверхностным слоем оксида кремния, из-за преимущественной локализации эффективной зоны действия напряжений, инициируемых включениями нитрида галлия, непосредственно в поверхностном слое оксида кремния, а не в кремниевой подложке.In addition, the physical mechanism based on this method — an analogue on the formation of an annealing plate of gallium nitride inclusions in the surface layer of silicon oxide — separates this analogue from the proposed method (it is incorrect for comparison as a prototype due to a discrepancy with the claimed method the location of the area of formation of inclusions of gallium nitride in the surface layer of silicon oxide, in contrast to the location of the area of formation of inclusions of gallium nitride directly in the layer of diamond-like monocrystalline silicon adjacent to the surface layer of silicon nitride subsurface layer of the plate in the present method), because creates weakened energy conditions for the conversion of a diamond-like monocrystalline silicon phase in the subsurface layer of a diamond-like monocrystalline silicon wafer plate adjacent to the surface layer of silicon oxide, due to the preferential localization of the effective zone of action of stresses initiated by inclusions of gallium nitride directly in the surface layer of silicon oxide, and not silicon substrate.
В итоге в рассмотренном способе - аналоге не всегда обеспечивается возникновение в подповерхностном слое алмазоподобного монокристаллического кремния пластины зоны достаточно больших механических напряжений, создающих энергетические условия преобразования в нем алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу, что приводит к снижению эффективности формирования гексагональной фазы кремния, выражающемуся в снижении заполняемости указанного подповерхностного слоя гексагональной фазой кремния, а присутствие в этом способе-аналоге имплантации ионов азота и галлия не противоречит изобретательскому уровню заявляемого способа, т.к. назначение указанной имплантации в способе-аналоге - иное: для внедрения атомов азота и галлия в поверхностный слой оксида кремния с последующим образованием из этих элементов включений нитрида галлия в этом же слое, в отличие от назначения имплантации ионов азота и галлия в заявляемом способе: для внедрения атомов азота и галлия в прилегающий к поверхностному слою нитрида кремния подповерхностный слой пластины алмазоподобного монокристаллического кремния с последующим образованием из них (при отжиге) пластины включений нитрида галлия в данном подповерхностном слое, усиливающие в нем напряжение и приводящие к повышению эффективности формирования гексагональной фазы кремния, а именно, к повышению заполняемости указанного подповерхностного слоя гексагональной фазой кремния.As a result, in the considered method - analog it is not always ensured that in the subsurface layer of diamond-like monocrystalline silicon a zone of sufficiently large mechanical stresses creates energy conditions for the conversion of the diamond-like monocrystalline silicon phase into its hexagonal phase, which leads to a decrease in the efficiency of formation of the hexagonal silicon phase, which is expressed in reducing the occupancy of the specified subsurface layer of the hexagonal phase of silicon, and the presence The implication of nitrogen and gallium ions in this method is analogous to the inventive step of the proposed method, since The purpose of this implantation in the analog method is different: to introduce nitrogen and gallium atoms into the surface layer of silicon oxide with the subsequent formation of gallium nitride inclusions from these elements in the same layer, unlike the purpose of implantation of nitrogen and gallium ions in the claimed method: for implementation Nitrogen and gallium atoms in the subsurface layer of a silicon-like monocrystalline silicon plate adjacent to the surface layer of silicon nitride, followed by the formation of gallium nitride inserts from them (during annealing) in the subsurface layer, reinforcing it and causing the voltage to increase the efficiency of formation of the hexagonal phase of silicon, namely, an increase in the occupancy of said subsurface hexagonal phase silicon layer.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявляемого способа, является известный 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, Н.
В способе - прототипе 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, более высокая, чем в предыдущем аналоге; но в связи с низкой контролируемостью и воспроизводимостью неустойчивого формирования гексагональной фазы кремния в способе - прототипе из-за слабо контролируемого нагрева пластины ионным пучком при имплантации, нет стабильного возникновения в приповерхностном слое пластины зоны повышенных механических напряжений (требующих, также для их возникновения достаточно больших плотностей ионного тока и потому завышенных энергетических затрат), создающих энергетические условия преобразования в нем алмазоподобной фазы в гексагональную с высоким уровнем заполняемости указанного приповерхностного слоя гексагональной фазой кремния и, поэтому также снижена эффективность формирования гексагональной фазы кремния.In the prototype method, arsenic ion implantation is performed directly into the surface of a plate made of diamond-like monocrystalline silicon, as a result of which, in the surface layer of the plate, the efficiency of the mechanical stress zone creates energy conditions for the conversion of the diamond-like phase of monocrystalline silicon into a hexagonal phase that is higher, than in the previous analogue; But due to the low controllability and reproducibility of the unstable formation of the hexagonal silicon phase in the prototype method, due to poorly controlled heating of the plate by the ion beam during implantation, there is no stable appearance of increased mechanical stresses in the surface layer of the plate ion current and, therefore, increased energy costs), which create energy conditions for the transformation of a diamond-like phase into a hexagonal The high level of occupancy of the indicated surface layer of the hexagonal phase of silicon and, therefore, the efficiency of the formation of the hexagonal phase of silicon is also reduced.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения - повышение стабильности возникновения в подповерхностном слое пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, граничащем с предварительно полученным тонким слоем нитрида кремния, зоны повышенных механических напряжений, вызываемых имплантацией ионов азота и галлия через указанный тонкий поверхностный слой нитрида кремния непосредственно в указанный подповерхнотный слой и образованием ими в нем при отжиге включений нитрида галлия, обеспечивающих энергетические условия преобразования в нем алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу при высокой заполняемости указанного подповерхностного слоя гексагональной фазой кремния.The technical result from the use of the present invention is to increase the stability of the appearance in the subsurface layer of a wafer made of diamond-like monocrystalline silicon, bordering on a previously obtained thin layer of silicon nitride, zones of increased mechanical stresses caused by implantation of nitrogen and gallium ions through the thin surface layer of silicon nitride directly into specified subsurface layer and the formation of them in it during the annealing of inclusions of gallium nitride, ensure vayuschih energy conversion conditions therein silicon monocrystalline diamond phase to hexagonal phase at its high occupancy of said subsurface hexagonal phase silicon layer.
Указанный технический результат заключается также в повышении экологических и снижении имплантационных энергозатратных показателей технологии формирования гексагональной фазы кремния.This technical result is also to increase the environmental and reduce the implantation energy-consuming indicators of the formation technology of the hexagonal silicon phase.
Кроме того, предлагаемое изобретение расширяет арсенал имплантационных технологических средств формирования гексагональной фазы кремния, который в настоящее время является довольно узким.In addition, the present invention expands the arsenal of implantation technological means for the formation of the hexagonal phase of silicon, which is currently rather narrow.
Для достижения указанного технического результата в способе формирования фазы гексагонального кремния путем имплантации в изготовленную из алмазоподобного монокристаллического кремния пластину ионов, имеющих атомный радиус, превышающий атомный радиус кремния, и образующих в результате указанной имплантации в алмазоподобном монокристаллическом кремнии пластины включения, инициирующие возникновение в нем повышенных механических напряжений, создающих энергетические условия преобразования алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу, и для повышения стабильности возникновения в алмазоподобном монокристаллическом кремнии упомянутой пластины зоны повышенных механических напряжений производят имплантацию ионов азота и галлия через предварительно полученный на поверхности исходной пластины тонкий слой нитрида кремния толщиной, с одной стороны, не препятствующей прохождению сквозь слой имплантируемых ионов галлия и азота, с другой стороны достаточной при подобранной энергии имплантации для запирания под ним в прилегающем к указанному слою нитрида кремния подповерхностном слое алмазоподобного монокристаллического кремния указанной пластины имплантированных ионов азота и галлия с образованием ими при последующем отжиге пластины в указанном подповерхностном слое включений нитрида галлия, приводящем к стабильному формированию в этом слое гексагональной фазы кремния с повышенными заполнением этого слоя указанной фазой.To achieve this technical result in the method of forming a hexagonal silicon phase by implanting into a wafer made of diamond-like monocrystalline silicon ions having an atomic radius exceeding the atomic radius of silicon, and forming as a result of said implantation in a diamond-like monocrystalline silicon, insertion plates initiating the appearance of elevated mechanical stresses that create the energy conditions for the transformation of the diamond-like phase of the single-crystal about silicon in its hexagonal phase, and to increase the stability of the above-mentioned zone of increased mechanical stresses in diamond-like monocrystalline silicon, nitrogen ions and gallium ions are implanted through a thin layer of silicon nitride previously obtained on the surface of the original plate, which does not hinder the passage through the layer implantable ions of gallium and nitrogen, on the other hand, with sufficient implantation energy for locking under it in the adjacent decree nnomu layer of silicon nitride subsurface diamond monocrystalline silicon wafer of said nitrogen and gallium ions implanted to form them during the subsequent annealing of the plate in said subsurface layer of gallium nitride inclusions, leading to stable formation of the hexagonal phase silicon layer with increased filling of the layer of said phase.
В частном случае на поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния с ориентацией его кубической структуры (100), получают слой нитрида кремния толщиной 20-50 нм путем имплантации ионов азота с энергией выбираемой из интервала 10-20 кэВ при дозе, выбираемой из интервала 5⋅1016-2⋅1017 см-2, с последующим отжигом пластины при 1100°С в течение 30 мин, затем через полученный слой нитрида кремния производят последовательно имплантацию ионов азота и галлия с энергиями, соответственно, 80 кэВ и 40 кэВ при дозах, соответственно 5×1016 см-2 и 2.5×1016 см-2 и последующий отжиг пластины при 800°С в течение 30 мин с образованием в прилегающем к полученному слою нитрида кремния подповерхностном слое алмазоподобного монокристаллического кремния пластины включений нитрида галлия и формированием в указанном подповерхностном слое пластины гексагональной фазы кремния в виде заполняющего этот слой пластины более чем на 60% массива гексагональной фазы кремния толщиной 100 нм.In the particular case on the surface of a plate made of diamond-like monocrystalline silicon with an orientation of its cubic structure (100), a layer of silicon nitride with a thickness of 20-50 nm is obtained by implanting nitrogen ions with an energy selected from the interval 10-20 keV at a dose selected from the interval 5 ⋅10 16 -2⋅10 17 cm -2 , followed by annealing the plate at 1100 ° C for 30 min, then through the resulting layer of silicon nitride, nitrogen ions and gallium ions with energies of 80 keV and 40 keV, respectively, are implanted sequentially at doses of appropriate 5 × 10 16 cm –2 and 2.5 × 10 16 cm –2 and subsequent annealing of the plate at 800 ° C for 30 min with the formation of a plate of gallium nitride inclusions in the subsurface layer of the diamond-like monocrystalline silicon adjacent to the silicon nitride layer and the formation of The subsurface layer of the plate of the hexagonal phase of silicon in the form of a plate filling this layer is more than 60% of an array of hexagonal phase of silicon with a thickness of 100 nm.
На фиг. 1 представлено электронно-микроскопическое изображение фрагмента приповерхностного слоя пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния без предварительного получения на ней поверхностного слоя нитрида кремния и подвергнутой имплантации ионов азота и галлия, с сформированной в указанном приповерхностном слое гексагональной фазой кремния с пониженным заполнением этой фазой указанного слоя; на фиг. 2 - электронно-микроскопическое изображение фрагмента граничащего с предварительно полученным на поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, тонким слоем нитрида кремния подповерхностного слоя указанной пластины, подвергнутой имплантации через указанный тонкий слой нитрида кремния ионов азота и галлия, с сформированной в указанном подповерхностном слое гексагональной фазой кремния с повышенным заполнением этой фазой указанного слоя.FIG. 1 shows an electron microscopic image of a fragment of the surface layer of a plate made of diamond-like monocrystalline silicon without first obtaining a surface layer of silicon nitride on it and subjected to implantation of nitrogen and gallium ions with a hexagonal silicon phase formed in said surface layer with reduced filling of this layer with this phase; in fig. 2 is an electron microscopic image of a fragment of a thin layer of silicon nitride on the surface of a wafer made of diamond-like monocrystalline silicon, a subsurface layer of the wafer implanted through a thin layer of silicon nitride of nitrogen and gallium ions formed with a hexagonal layer formed in the said subsurface a silicon phase with an increased filling of this layer with this phase.
Предлагаемый способ формирования гексагональной фазы кремния осуществляют в примере его проведения следующим образом.The proposed method of forming the hexagonal phase of silicon is carried out in the example of its conduct as follows.
На поверхности пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния с ориентацией его кубической структуры (100), получают тонкий слой нитрида кремния толщиной 40 нм путем имплантации ионов азота с энергией 10 кэВ при дозе 5⋅1016 см-2 с последующим отжигом пластины при 1100°С в течение 30 мин.On the surface of a plate made of diamond-like monocrystalline silicon with an orientation of its cubic structure (100), a thin layer of silicon nitride with a thickness of 40 nm is obtained by implanting nitrogen ions with an energy of 10 keV at a dose of 5⋅10 16 cm -2 with subsequent annealing of the plate at 1100 ° C for 30 min.
При этом толщина получаемого тонкого слоя нитрида кремния может составлять 20-50 нм в зависимости от энергии, выбираемой из интервала 10-20 кэВ.The thickness of the resulting thin layer of silicon nitride can be 20-50 nm, depending on the energy selected from the interval of 10-20 keV.
Затем через полученный слой нитрида кремния производят последовательно имплантацию ионов азота и галлия с энергиями, соответственно, 80 кэВ и 20 кэВ при дозах, соответственно 5×1016 см-2 и 2.5×1016 см-2, и осуществляют последующий отжиг пластины при 800°С в течение 30 мин с образованием в прилегающем к полученному слою нитрида кремния подповерхностном слое алмазоподобного монокристаллического кремния пластины включений нитрида галлия и формированием в указанном подповерхностном слое пластины гексагональной фазы кремния в виде заполняющего этот слой пластины более чем на 70% массива гексагональной фазы кремния толщиной 100 нм (см. фрагмент указанного подповерхностного слоя, заполненного гексагональной фазой кремния, на фиг. 2).Then, through the layer of silicon nitride obtained, the implantation of nitrogen and gallium ions with energies of 80 keV and 20 keV, respectively, is performed successively at doses of 5 × 10sixteen cm-2 and 2.5 × 10sixteen cm-2, and subsequent plate annealing at 800 ° C for 30 min with the formation of a plate of gallium nitride inclusions in the subsurface layer of a diamond-like monocrystalline silicon adjacent to the silicon nitride layer and the formation of more than 70% of the array of the hexagonal phase of silicon with a thickness of 100 nm (see a fragment of the indicated subsurface layer filled with the hexagonal phase of silicon in Fig. 2).
Для сравнения, подтверждающего существенность (для достижения указанного выше основного технического результата) предварительного получения на поверхности пластины тонкого слоя нитрида кремния, в пластину, изготовленную из алмазоподобного монокристаллического кремния без предварительного получения на ее поверхности тонкого слоя нитрида кремния, аналогично (с указанным режимом имплантации) последовательно имплантируют ионы азота и галлия, формируя в приповерхностном слое пластины гексагональную фазу кремния в виде заполняющего этот слой пластины не более чем на 10% массива гексагональной фазы кремния толщиной 100 нм (см. фрагмент указанного подповерхностного слоя, заполненного гексагональной фазой кремния, на фиг. 1).For comparison, confirming the materiality (to achieve the above main technical result) of preliminary obtaining a thin layer of silicon nitride on the wafer surface, into a wafer made of diamond-like monocrystalline silicon without preliminary obtaining a thin layer of silicon nitride on its surface, similarly (with the indicated implantation mode) ions of nitrogen and gallium are successively implanted, forming a hexagonal phase of silicon in the surface layer of the plate in the form of filling from the plate layer to no more than 10% of the hexagonal phase of silicon with a thickness of 100 nm (see a fragment of the indicated subsurface layer filled with the hexagonal phase of silicon in Fig. 1).
Для имплантации ионов азота и галлия использовалась установка ИЛУ-200.For the implantation of nitrogen and gallium ions, an ILU-200 unit was used.
Образование при отжиге пластины включений нитрида галлия при этом подтверждено методом просвечивающей электронной микроскопии совместно с методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии.The formation of gallium nitride inclusions during annealing of the plate was confirmed by the method of transmission electron microscopy together with the method of X-ray energy dispersive spectroscopy.
Формирование гексагональной фазы кремния подтверждено при помощи Фурье-преобразования изображений, полученных методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии.The formation of the hexagonal phase of silicon is confirmed by using the Fourier transform of images obtained by the method of high-resolution transmission electron microscopy.
Заполняемость гексагональной фазой кремния оценивалась по относительной площади включений гексагональной фазы на снимках с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100F (JEOL, Япония).The occupancy rate of the hexagonal phase of silicon was estimated from the relative area of inclusions of the hexagonal phase in the images using a JEM-2100F transmission electron microscope (JEOL, Japan).
Формирование гексагональной фазы в граничащем с поверхностным слоем оксида кремния подповерхностном слое пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, методом имплантации в соответствии со способом - аналогом, рассмотренным выше, характеризуется также пониженным заполнением гексагональной фазой кремния в виде массива гексагональной фазы кремния, заполняющего указанный подповерхностный слой пластины 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).The formation of the hexagonal phase in the subsurface layer of the wafer made of diamond-like monocrystalline silicon bordering on the silicon oxide layer by implantation method in accordance with the method described above is also characterized by reduced filling of the hexagonal silicon phase in the form of an array of hexagonal silicon phase filling the specified subsurface layer plates with a thickness of 20 nm by no more than 40% (see, in the above article, Korolev DS and others. electron microscopic cross-sectional image of thermally oxidized silicon irradiated with nitrogen and gallium ions after annealing at 800 ° C).
Таким образом, предлагаемый способ формирования гексагональной фазы кремния обеспечивает подтвержденное устойчивой экспериментальной статистикой повышение стабильности возникновения в граничащем с тонким поверхностным слоем нитрида кремния подповерхностном слое пластины, изготовленной из алмазоподобного монокристаллического кремния, зоны повышенных механических напряжений, вызываемых имплантацией ионов азота и галлия через указанный тонкий поверхностный слой нитрида кремния непосредственно в указанный подповерхнотный слой и образованием ими в нем при отжиге включений нитрида галлия, обеспечивающих энергетические условия преобразования в нем алмазоподобной фазы монокристаллического кремния в его гексагональную фазу при высокой заполняемости указанного подповерхностного слоя гексагональной фазой кремния.Thus, the proposed method for the formation of the hexagonal silicon phase provides an increase in the stability of a subsurface layer of a wafer made of diamond-like monocrystalline silicon, a zone of elevated mechanical stresses caused by implantation of nitrogen and gallium ions, confirmed by stable experimental statistics. a silicon nitride layer directly into the specified subsurface layer and they form in it during annealing of inclusions of gallium nitride, which provide energy conditions for the transformation in it of a diamond-like phase of single-crystal silicon into its hexagonal phase with a high occupancy rate of the specified subsurface layer of the hexagonal phase of silicon.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018125828A RU2687087C1 (en) | 2018-07-12 | 2018-07-12 | Method for formation of hexagonal phase of silicon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018125828A RU2687087C1 (en) | 2018-07-12 | 2018-07-12 | Method for formation of hexagonal phase of silicon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2687087C1 true RU2687087C1 (en) | 2019-05-07 |
Family
ID=66430386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018125828A RU2687087C1 (en) | 2018-07-12 | 2018-07-12 | Method for formation of hexagonal phase of silicon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2687087C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733924C1 (en) * | 2020-01-14 | 2020-10-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) | Super-fine junctions manufacturing method |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5212101A (en) * | 1989-04-14 | 1993-05-18 | Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom | Substitutional carbon in silicon |
| RU2248069C2 (en) * | 2002-10-31 | 2005-03-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for manufacturing thin semiconductor-on- insulator films (alternatives) |
| US9049061B2 (en) * | 2012-03-21 | 2015-06-02 | The Institute of Microelectronics Chinese Academy of Science | CMOS device and method for manufacturing the same |
-
2018
- 2018-07-12 RU RU2018125828A patent/RU2687087C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5212101A (en) * | 1989-04-14 | 1993-05-18 | Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom | Substitutional carbon in silicon |
| RU2248069C2 (en) * | 2002-10-31 | 2005-03-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for manufacturing thin semiconductor-on- insulator films (alternatives) |
| US9049061B2 (en) * | 2012-03-21 | 2015-06-02 | The Institute of Microelectronics Chinese Academy of Science | CMOS device and method for manufacturing the same |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Д.С. Королев, А.А. Никольская, А.Н. Михайлов, А.И. Белов, Н.О. Кривулин, Д.А. Павлов, Д.И. Тетельбаум, ФОРМИРОВАНИЕ ГЕКСАГОНАЛЬНОЙ ФАЗЫ КРЕМНИЯ ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ, 12-я Международная конференция, Взаимодействие излучений с твердым телом, Минск, Беларусь, 19-22 сентября 2017 г. * |
| Д.С. Королев, А.А. Никольская, Н.О. Кривулин, А.И. Белов, А.Н. Михайлов, Д.А. Павлов, Д.И. Тетельбаум, Н.А. Соболев, M. Kumar. Формирование гексагональной фазы кремния 9R при ионной имплантации, Письма в ЖТФ, том 43, вып. 16, 26 августа 2017. * |
| Д.С. Королев, А.А. Никольская, Н.О. Кривулин, А.И. Белов, А.Н. Михайлов, Д.А. Павлов, Д.И. Тетельбаум, Н.А. Соболев, M. Kumar. Формирование гексагональной фазы кремния 9R при ионной имплантации, Письма в ЖТФ, том 43, вып. 16, 26 августа 2017. Д.С. Королев, А.А. Никольская, А.Н. Михайлов, А.И. Белов, Н.О. Кривулин, Д.А. Павлов, Д.И. Тетельбаум, ФОРМИРОВАНИЕ ГЕКСАГОНАЛЬНОЙ ФАЗЫ КРЕМНИЯ ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ, 12-я Международная конференция, Взаимодействие излучений с твердым телом, Минск, Беларусь, 19-22 сентября 2017 г. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733924C1 (en) * | 2020-01-14 | 2020-10-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) | Super-fine junctions manufacturing method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5039912B2 (en) | Hetero-integrated strained silicon n-type MOSFET, p-type MOSFET and method of manufacturing the same | |
| EP1908097B1 (en) | Method for controlling dislocation positions in silicon germanium buffer layers | |
| TWI415169B (en) | Halbleiterschichtstruktur und verfahren zur herstellung einer halbleiterschichtstruktur | |
| US5063166A (en) | Method of forming a low dislocation density semiconductor device | |
| US6825102B1 (en) | Method of improving the quality of defective semiconductor material | |
| RU2687087C1 (en) | Method for formation of hexagonal phase of silicon | |
| TW200407984A (en) | Method for transferring an electrically active thin film | |
| JP2008244435A (en) | Method and structure using selected implant angle using linear accelerator process for manufacture of free-standing film of material | |
| CN117228641B (en) | Preparation method of nitride ferroelectric film for compensating nitrogen vacancy and inhibiting leakage current | |
| US20190221481A1 (en) | Methods for Splitting Semiconductor Devices and Semiconductor Device | |
| Titov et al. | The formation of radiation damage in GaN during successive bombardment by light ions of various energies | |
| Korolev et al. | Formation of hexagonal 9R silicon polytype by ion implantation | |
| US4916088A (en) | Method of making a low dislocation density semiconductor device | |
| Sreekumar et al. | H− ion implantation induced ten-fold increase of photoluminescence efficiency in single layer InAs/GaAs quantum dots | |
| RU2710479C1 (en) | Method of forming hexagonal silicon phase by implanting krypton ions in a film of silicon oxide on a monocrystalline silicon wafer | |
| Mikhaylov et al. | Effect of ion doping on the dislocation-related photoluminescence in Si+-implanted silicon | |
| Nikolskaya et al. | Photoluminescent properties of the SiO2/Si system with ion-synthesized hexagonal silicon of the 9R-Si phase: Effect of post-implantation annealing | |
| JP2014225506A (en) | Method of manufacturing gallium nitride-based semiconductor layer, gallium nitride-based semiconductor layer, and gallium nitride-based semiconductor substrate | |
| Kucheyev et al. | Polycrystallization and surface erosion of amorphous GaN during elevated temperature ion bombardment | |
| Jiang et al. | Irradiation-induced recovery of disorder in gallium nitride | |
| Pągowska et al. | Compositional dependence of damage buildup in Ar-ion bombarded AlGaN | |
| Williams et al. | Production and processing of semiconductor nanocrystals and nanostructures for photonic applications | |
| RU2699606C1 (en) | Method for ion-beam synthesis of gallium nitride in silicon | |
| Usov et al. | Reverse-annealing phenomenon during the high-temperature implantation of Ar+ into GaN | |
| Liliental-Weber et al. | Propagation of misfit dislocations from AlN/Si interface into Si |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200713 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220126 |