RU2817080C1 - Способ получения локально легированной кремниевой плёнки с заданными характеристиками для устройств микроэлектроники - Google Patents

Способ получения локально легированной кремниевой плёнки с заданными характеристиками для устройств микроэлектроники Download PDF

Info

Publication number
RU2817080C1
RU2817080C1 RU2023134126A RU2023134126A RU2817080C1 RU 2817080 C1 RU2817080 C1 RU 2817080C1 RU 2023134126 A RU2023134126 A RU 2023134126A RU 2023134126 A RU2023134126 A RU 2023134126A RU 2817080 C1 RU2817080 C1 RU 2817080C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon film
plasma
sample
reactor
film
Prior art date
Application number
RU2023134126A
Other languages
English (en)
Inventor
Илья Григорьевич Марголин
Евгений Владимирович Коростылёв
Анастасия Александровна Чуприк
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2817080C1 publication Critical patent/RU2817080C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение может быть использовано в нанотехнологиях как метод наноструктурирования для разработки устройств полупроводниковой микроэлектроники. Способ реализуется путём роста аморфной кремниевой плёнки методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы с помощью подачи в реактор потока моносилана при температуре до 700°С; локального плазменного легирования кремниевой плёнки через маску из фоторезиста или электронного резиста по заданному рисунку путём подачи в реактор потока трихлорида бора и прикладывания напряжения смещения между образцом и плазмой; после чего осуществляют термический отжиг образца для активации легирующей примеси при температуре 600-1000°С. Изобретение обеспечивает возможность варьировать и контролировать характеристики плёнки в широком диапазоне и применять данный способ в массовом производстве устройств полупроводниковой микроэлектроники. 3 ил.

Description

Изобретение относится к способам создания устройств на основе тонких полупроводниковых плёнок и может быть использовано в нанотехнологиях как метод наноструктурирования для разработки устройств полупроводниковой микроэлектроники.
Известен ряд патентов и статей, в основе которых лежит метод получения in situ легированной кремниевой плёнки:
1) Так в патенте США № 4400409, кл. H01L 31/04 1983 г. описан метод роста in situ легированной кремниевой плёнки, которая характеризуется высокой концентрацией свободных носителей заряда.
2) Встатье A. Learn и др., "Deposition and electrical properties of in situ phosphorus doped silicon films formed by low pressure chemical vapor deposition", J. Appl. Phys. 61, 1898-1904 (1987) описан метод роста in situ легированной кремниевой плёнки, включающий осаждение из газовой фазы с помощью смешивания моносилана и фосфина перед введением в камеру. Данный метод характеризуется высокой концентрацией атомов фосфора 1021 атомов/см3 в кремниевой плёнке.
3) В патенте США № 5198387, кл. C23C 16/24 1993 г. описан метод роста in situ легированной кремниевой плёнки, включающий осаждение из газовой фазы с помощью смешивания моносилана и паров трибутилфосфина перед введением в камеру. Данный метод характеризуется относительно низкой температурой во время осаждения (~550°С), высокой концентрацией носителей в плёнке, а также высокой однородностью и конформностью осаждённой плёнки.
4) В статье M. Firat и др., "In situ phosphorus-dopedpolycrystallinesiliconfilmsbylowpressurechemicalvapordepositionforcontactpassivationofsiliconsolarcells", SolarEnergy 231, 78-87 (2022) описан метод роста in situ легированной поликристаллической кремниевой плёнки, включающий осаждение из газовой фазы в смеси моносилана, фосфина и водорода, а также оптимизацию параметров осаждения (температуры и потока газов). Данный метод характеризуется высокой концентрацией легирующей примеси в диапазоне от 1019 1/см3 до 1020 1/см3.
Однако все вышеперечисленные методы получения легированной кремниевой плёнки имеют ряд существенных недостатков:
Нет возможности локального легирования кремниевой плёнки, поскольку легирование осуществляется in situ, а не ex situ (во время роста, а не после), что ограничивает использование плёнки в устройствах полупроводниковой микроэлектроники.
Демонстрируется возможность получать плёнки только лишь с высокой концентрацией носителей (>1019 носителей/см3), что сильно ограничивает их применение. В частности, нельзя использовать такие плёнки для изготовления нормально открытого полевого транзистора.
Большинство известных методов роста требуют использование чрезвычайно опасных газов диборана или фосфина (примеры 2 и 4), что ограничивает использование этих технологий в массовом производстве.
Помимо технологий получения in situ легированной кремниевой плёнки, также известны патенты, в основе которых лежит метод получения локально легированной кремниевой плёнки:
1) Так в патенте США № 6165876, кл. H01L 21/266 2000 г. описан метод локального легирования кристаллической кремниевой плёнки, включающий имплантацию ионов бора или фосфора и последующую активацию примеси с помощью лазерного облучения. Данный метод характеризуется концентрацией легирующей примеси в широком диапазоне от 1015 атомов/см3 до 1019 атомов/см3 в кристаллической кремниевой плёнке.
2) В патенте Китая № 112103368, кл. H01L 31/18 2020 г. описан метод локального лазерного легирования поликристаллической кремниевой плёнки, включающий активацию легирующей примеси лазерным излучением в поликристаллической кремниевой плёнке.
Тем не менее, известные аналоги получения локально легированной кремниевой плёнки обладают существенными недостатками:
Пример 1 применим только лишь для легирования кристаллической кремниевой плёнки, которую на практике получить затруднительно, а с помощью подавляющего большинства известных методов можно вырастить либо аморфную, либо поликристаллическую кремниевую плёнку.
В примере 2 не демонстрируется возможность контролировать свойства легированных областей плёнки, такие как концентрация свободных носителей и удельное сопротивление.
В основу настоящего изобретения положена задача создать способ ex situ легирования аморфной или поликристаллической кремниевой плёнки, открывающий возможность варьировать и контролировать характеристики плёнки (в частности, концентрацию свободных носителей и проводимость) в широком диапазоне, а также не требующий использование чрезвычайно опасных газов диборана и фосфина, что позволило бы применять данный способ в массовом производстве устройств полупроводниковой микроэлектроники (например, в производстве тонкоплёночного нормально открытого полевого транзистора).
Указанная задача решается следующим образом: локальное легирование аморфной или поликристаллической кремниевой плёнки осуществляется ex situ плазменно-химическим методом(после этапа осаждения плёнки) через маску из фоторезиста или электронного резиста путём подачи в реактор потока негорючего газа трихлорида бора и прикладыванием напряжения смещения между образцом и плазмой без дополнительного подогрева, после чего осуществляется термический отжиг для активации легирующей примеси при температуре 600-1000°С.
В качестве резиста для маски, через которую осуществляется локальное легирование, могут использоваться фоторезисты, чувствительные к ультрафиолету, глубокому ультрафиолету, рентгену или ионным потокам, а также электронные резисты. В качестве источника легирующей примеси для плазменно-химического легирования, могут использоваться намного менее опасные соединения, по сравнению с дибораном или фосфином, такие как трихлорида бора, триметилборан, трибутилфосфин, метан, этан, бензол, хлорид германия.
Изобретение способа получения локально легированной кремниевой плёнки с варьируемыми и контролируемыми характеристиками, не требующего использование чрезвычайно опасных газов диборана и фосфина, позволяет:
1) Применять данный способ для изготовления устройств полупроводниковой микроэлектроники, в которых требуется использование локально легированной кремниевой плёнки с заданными свойствами (например, в тонкоплёночном или гибком полевом транзисторе, в тонкоплёночном или гибком мемристоре и т.д.), благодаря
ex situ плазменному легированию через маску, при котором образец дополнительно не нагревается, в результате чего полимерная маска не запекается (отжиг для активации примеси производится уже после удаления маски из фоторезиста).
возможности получать концентрацию носителей и удельное сопротивление в легированной плёнке в широком диапазоне (~1016 - 1019 1/см3 и 0.001 - 1 Ом⋅см соответственно), варьируя рабочее давление в камере во время плазменного легирования, время и температуру отжига во время последующей активации легирующей примеси.
1) Применять данный способ в массовом производстве устройств полупроводниковой микроэлектроники благодаря использованию негорючего газа трихлорида бора (который к тому же активно используется в производстве микроэлектроники для плазменного травления) во время процесса плазменного легирования.
Перечень фигур чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен процесс осаждения аморфной кремниевой плёнки 3 (на подложку 1 с диэлектрическим слоем 2) методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы с помощью подачи в реактор потока моносилана при температуре до 700°С; на фиг. 2 - процесс локального плазменного легирования кремниевой плёнки 3 через маску из фоторезиста или электронного резиста 4 по заданному рисунку путём подачи в реактор потока трихлорида бора и прикладыванием напряжения смещения между образцом и плазмой; на фиг. 3 - процесс термического отжига образца для активации примеси в легированных бором областях кремниевой плёнки 5 при температуре от 600°С.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1.
Был изготовлен тонкоплёночный сегнетоэлектрический полевой транзистор. В качестве подложки использовался монокристаллический кремний размером 1 x 1 см, вырезанный из пластины толщиной 530 мкм. В качестве затворного электрода использовался слой вольфрама толщиной 40 нм, нанесённый на кремниевую подложку при помощи магнетронного распыления. Затем была выращена 10-нанометровая аморфная плёнка оксида гафния-циркония (Hf0.5Zr0.5O2, HZO) методом атомно-слоевого осаждения при температуре 240°C. В процессе атомно-слоевого осаждения в качестве прекурсоров использовались Hf[N(CH)3(C2H5)]4 (TEMAH), Zr[N(CH)3(C2H5)]4 (TEMAZ) и H2O, а в качестве газа-носителя и продувочного газа - N2. Далее методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы была выращена плёнка нелегированного гидрогенизированного аморфного кремния (aSi:H) толщиной 50 нм. Рост осуществлялся из моносилана (SiH4) при поддержании постоянного потока 1000 ст. см3, давления в реакторе 600 мТорр, температуры 550°C и мощности генератора РЧ-сигнала 15 Вт. Далее с помощью оптической литографии была сформирована маска на поверхности кремниевой плёнки. Отверстия в маске имели форму прямоугольника, в котором длина одной стороны фиксировалась равной 10 мкм, а длина второй стороны варьировалась в диапазоне от 10 мкм до 50 мкм. Через отверстия в маске в течение 30 с выполнялось локальное плазменное легирование кремниевой плёнки бором путём подачи в реактор потока трихлорида бора 20 ст. см3 при давлении в реакторе 40 мТорр, а также прикладывании напряжения смещения между образцом и плазмой, которое обеспечивалось подачей мощности 100 Вт с генератора. После локального плазменного легирования кремниевой плёнки маска из фоторезиста удалялась в N-метил-2-пирролидоне. Для кристаллизации кремниевой плёнки, активации примеси бора, а также кристаллизации нижележащей плёнки HZO в сегнетоэлектрическую структурную фазу, образец слоистой структуры был подвержен термическому отжигу в атмосфере аргона при температуре 700°С в течение 5 мин. Легированная бором область кремниевой плёнки представляют собой канал проводимости транзистора p-типа. Изготовление верхних электродов транзистора, края которых совмещались с краями канала транзистора, осуществлялось при помощи электронной литографии и электронно-лучевого напыления алюминия толщиной 50 нм. Расстояние между верхними электродами транзисторных структур варьировалось в диапазоне от 35 нм до 5 мкм. Контакт к нижнему электроду из вольфрама был обеспечен благодаря локальному плазмохимическому травлению в плазме SF6.
Электрофизические измерения проводились на зондовой станции Cascade Microtech Summit 11000M с помощью характериографа Agilent B1500A, включающего в себя источник питания и измеритель тока. Был показан полевой эффект в тонкоплёночном транзисторе: напряжение на нижнем электроде модулирует проводимость канала между двумя верхними электродами. Кроме того, был показан сегнетоэлектрический эффект в транзисторе: два состояния проводимости канала, соответствующие двум направлениям вектора поляризации в сегнетоэлектрике, хорошо различимы.
Пример 2.
Способ локального легирования кремниевой плёнки осуществляют так же, как в примере 1, но отличие состоит в том, что применяется способ для изготовления гибкого сегнетоэлектрического полевого транзистора. Для этого в качестве подложки использовался не монокристаллический кремний, а слюда размером 1.5 x 1.5 см, вырезанная из листа толщиной 0.06 мм. Было показано, что и полевой эффект, и сегнетоэлектрический эффект в гибком транзисторе сохраняются как при статическом изгибе устройства, так и после более чем 100 циклов изгибных испытаний с радиусом закругления 1 см.
Пример 3.
Был изготовлен гибкий сегнетоэлектрический мемристор. В качестве подложки использовалась слюда размером 1.5 x 1.5 см, вырезанная из листа толщиной 0.06 мм. Далее так же, как и в примере 1 была выращена плёнка из вольфрама толщиной 40 нм методом магнетронного распыления, а затем - кремниевая плёнка толщиной 10 нм методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы. С помощью оптической литографии и плазменного легирования кремниевая плёнка была локально легирована бором через маску из фоторезиста, чтобы сформировать области p-типа размером 50 x 50 мкм. После чего образец был подвержен отжигу для активации примеси. Затем была выращена 10-нанометровая аморфная плёнка оксида гафния-циркония методом атомно-слоевого осаждения. Параметры легирования кремниевой плёнки, отжига и роста оксида гафния-циркония аналогичным тем, что описаны в примере 1. Верхний электрод толщиной 20 нм был изготовлен из TiN методом магнетронного распыления из титановой мишени в атмосфере N2 и Ar в соотношении 1:10 при температуре 250°C, после чего структура была повторно подвергнута быстрому термическому отжигу в атмосфере Ar при температуре 550°C в течение 30 с для кристаллизации нижележащей плёнки HZO. Дополнительный слой Al толщиной 200 нм был нанесён на электрод из TiN с помощью электронно-лучевого напыления. Паттернирование верхнего электрода осуществлялось при помощи безмасковой оптической литографии и плазмохимического травления.
Путём электрофизических измерений с помощью зондовой станции Cascade Microtech Summit 11000M и характериографа Agilent B1500A продемонстрирована модуляция проводимости мемристора при переключении поляризации в сегнетоэлектрике.
Изобретение может быть использовано в нанотехнологиях как метод наноструктурирования для разработки устройств полупроводниковой микроэлектроники.

Claims (1)

  1. Способ получения локально легированной кремниевой плёнки с заданными характеристиками для устройств микроэлектроники, заключающийся в том, что изготавливают структуру, включающую в себя подложку, нанесённый на неё диэлектрический слой и аморфную кремниевую плёнку, нанесённую методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы с помощью подачи в реактор потока моносилана при температуре до 700°С, отличающийся тем, что выполняют ex situ локальное плазменное легирование кремниевой плёнки через маску из фоторезиста или электронного резиста по заданному рисунку путём подачи в реактор потока трихлорида бора и прикладывания напряжения смещения между образцом и плазмой, после чего осуществляют термический отжиг образца для активации легирующей примеси при температуре 600-1000°С.
RU2023134126A 2023-12-20 Способ получения локально легированной кремниевой плёнки с заданными характеристиками для устройств микроэлектроники RU2817080C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2817080C1 true RU2817080C1 (ru) 2024-04-09

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5281546A (en) * 1992-09-02 1994-01-25 General Electric Company Method of fabricating a thin film transistor using hydrogen plasma treatment of the intrinsic silicon/doped layer interface
US6165876A (en) * 1995-01-30 2000-12-26 Yamazaki; Shunpei Method of doping crystalline silicon film
RU2204179C1 (ru) * 2002-08-19 2003-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Агентство маркетинга научных разработок" Способ формирования нанорельефа на поверхности пленок
RU2522930C2 (ru) * 2012-11-19 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова (КБГУ) Способ изготовления тонкопленочного транзистора
RU2660220C2 (ru) * 2016-12-28 2018-07-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Способ повышения эффективности легирования и изменения типа проводимости аморфного гидрогенизированного кремния, слабо легированного акцепторными примесями

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5281546A (en) * 1992-09-02 1994-01-25 General Electric Company Method of fabricating a thin film transistor using hydrogen plasma treatment of the intrinsic silicon/doped layer interface
US6165876A (en) * 1995-01-30 2000-12-26 Yamazaki; Shunpei Method of doping crystalline silicon film
RU2204179C1 (ru) * 2002-08-19 2003-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Агентство маркетинга научных разработок" Способ формирования нанорельефа на поверхности пленок
RU2522930C2 (ru) * 2012-11-19 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова (КБГУ) Способ изготовления тонкопленочного транзистора
RU2660220C2 (ru) * 2016-12-28 2018-07-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Способ повышения эффективности легирования и изменения типа проводимости аморфного гидрогенизированного кремния, слабо легированного акцепторными примесями

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5246886A (en) Process for depositing a silicon-containing polycrystalline film on a substrate by way of growing Ge-crystalline nucleus
US20190378898A1 (en) Monolayer films of semiconducting metal dichalcogenides, methods of making same, and uses of same
JP2880322B2 (ja) 堆積膜の形成方法
US8652944B2 (en) Method for making side growth semiconductor nanowires and transistors obtained by said method
US20040133361A1 (en) Method for CVD process control for enhancing device performance
US4741964A (en) Structure containing hydrogenated amorphous silicon and process
JPH05211127A (ja) プラズマ強化化学気相成長法
US5753541A (en) Method of fabricating polycrystalline silicon-germanium thin film transistor
IE52688B1 (en) Apparatus and method for making a photovoltaic panel
US5900646A (en) Method of preventing deterioration of film quality of transparent conductive film a semiconductor device
JP2947828B2 (ja) 半導体装置の製造方法
RU2817080C1 (ru) Способ получения локально легированной кремниевой плёнки с заданными характеристиками для устройств микроэлектроники
Takabayashi et al. Chemical structural analysis of diamondlike carbon films: I. Surface growth model
JPH0465120A (ja) 堆積膜の形成方法
KR102509798B1 (ko) 전이금속 칼코겐 화합물 도핑 방법
CN115074825A (zh) 碳化硅外延结构、脉冲式生长方法及其应用
EP0684632B1 (en) Method of forming a film at low temperature for a semiconductor device
Hartmann et al. Growth and thermal stability of SiGe/Si superlattices on bulk Si wafers
EP0481777A2 (en) Method of manufacturing gate insulated field effect transistors
JPH0786515A (ja) ポリシリコン抵抗体の形成方法
US5464795A (en) Method of forming polycrystalline silicon thin films for semiconductor devices
EP0243074B1 (en) Process for forming deposited film
JP2021111696A (ja) エピタキシャルウェーハの製造方法及びエピタキシャルウェーハ
Cosceev et al. Investigation of the electrical properties of the alkaline-earth oxides BaO, SrO and Ba0. 7Sr0. 3O on Si (001) as alternative gate dielectrics
Donahue et al. Low Temperature Silicon Epitaxy Deposited by Very Low Pressure Chemical Vapor Deposition: II. Autodoping