Глава 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО СРАЩИВАНИЯ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУР КНИ

 

1.1. Анализ перспектив применения структур КНИ

 

1.1.1. Преимущества структур КНИ перед структурами

на основе объемного кремния

 

Анализ развития полупроводниковых технологий [1–25] показы-вает, что в перспективе на структурах "кремний на изоляторе" удаст-ся получать приборы (микросхемы) с улучшенными характерис-тиками по сравнению с аналогичными приборами, изготовленными на обычных кремниевых пластинах. Технологические процессы из-готовления ИС, адаптированные для таких структур, могут стать наиболее подходящей основой для производства аналоговых, сме-шанных и цифровых ИС с наивысшими техническими характе-ристиками [1–3,9].

Технологии производства ИС с полной диэлектрической изоля­цией стали развиваться в начале 60-х годов 20-го столетия. Замена изоляции p-n- переходом компонентов ИС на полную диэлектриче­скую изоляцию позволяла надеяться на улучшение таких характери­стик микросхем, как быстродействие, повышенные радиационная и температурная устойчивость и т.д. Однако подобные структуры от­личались высокими стоимостью и уровнем дефектности рабочего слоя кремния, и большинство производственных технологий долгое время не выходило на уровень стабильности и качества, достаточный для снижения издержек в условиях массового производства. В по­следнее время интерес специалистов к структурам с диэлектриче­ской изоляцией компонентов значительно вырос благодаря появле­нию массовой продукции (структур КНИ и микросхем на их ос­нове) [26–51].

Основные преимущества структур КНИ перед структурами на основе объемного кремния заключены в уменьшении влияния па­разитных эффектов по периметру границы прибора и надежной изоляции рабочего объема прибора от остальной схемы и под­ложки.

Приборы с изоляцией p-n- переходом имеют более значительные паразитные элементы. Диэлектрическая изоляция позволяет сущест­венно уменьшить паразитные емкости, что повышает быстродейст­вие. Транзистор в ИС с изоляцией p-n- переходом содержит паразит­ную тиристорную структуру, которая может привести к защелкива­нию при воздействии переходных процессов и высоких уровнях на­пряжения. Полная диэлектрическая изоляция исключает подобные нежелательные эффекты, устраняет взаимовлияние между элемен­тами схемы и обеспечивает повышенное пробивное напряжение [5,6]. Поскольку все проблемы, связанные с паразитными элементами и генерацией зарядов в объеме полупроводника, обостряются с ростом температуры или при действии ионизирующего излучения, ИС с полной диэлектрической изоляцией компонентов в общем случае от­личаются от обычных схем лучшими параметрами при высоких тем­пературах или воздействии радиации. Диэлектрическая изоляция по­зволяет увеличить возможности снижения потребляемой мощности и повышения быстродействия при пониженном уровне напряжения пи­тания ИС. Диэлектрическая изоляция компонентов на кристалле бо­лее компактна (по сравнению с изоляцией p-n- переходом) и, соответ­ственно, на всей площади кремниевой пластины занимает меньше места, что приводит к увеличению интегральной плотности элемен­тов. Надежность диэлектрической изоляции компонентов сущест­венно выше надежности изоляции p-n- переходом. Таким образом, использование кремниевых структур, позволяющих изготавливать ИС с полной диэлектрической изоляцией, является не только пер­спективным, экономически целесообразным, но и, возможно, единст­венным способом получения приборов с необходимыми рекордными параметрами.

Таким образом, реально существует ряд факторов (перечисленных выше), позволяющих не только производить продукт (ИС) улуч-шенного качества, но и получать экономическую выгоду от исполь-зования структур КНИ вместо кремниевых подложек.

 

1.1.2. Применение структур КНИ

 

Структуры КНИ могут использоваться практически для любых типов микросхем. Наиболее широкое применение структуры КНИ нашли в процессах получения: высоковольтных ИС, изготавливае­мых по биполярной и смешанной технологиям; высокоскоростных КМОП схем; схем "разумной мощности"; оптоэлектронных микро­схем; низкоэнергопотребляющих схем, а также при изготовлении устройств в интегрально-оптические приборы и волноводы, сенсо­ров и микроэлектромеханических систем. В последнее время инте­рес специалистов к структурам с диэлектрической изоляцией ком­понентов постоянно растет. Это объясняется улучшением кристал­лографического совершенства изолированного кремния, сравни­мого с параметрами объемного кремния в подложке. Значительное увеличение спроса на структуры КНИ связано также с возможно­стью высокой плотности размещения элементов на кристалле и бы­стродействием ИС, изготовленных по этой технологии [7–10].

На рис.1.1 представлена диаграмма состояния стоимости и объ­ема продаж КНИ пластин [9].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1. Стоимость и объем продаж структур КНИ

 

 

Очевидно, что стоимость пластин КНИ постоянно снижается и в 2000 году достигла 6 $/дюйм². Резкий рост потребления пластин КНИ начался в 1997 г. и неуклонно увеличивается. В 2000 г. по­требление структур КНИ достигло 58 млн квадратных дюймов (около 4,6 млн пластин диаметром 100 мм). В табл. 1.1. представ­лены параметры исходных полупроводниковых пластин и полу­чаемых структур КНИ.

 

Таблица 1.1

Характеристики и параметры исходных полупроводниковых пластин и получаемых структур КНИ [9]

 

Характеристики	Cz–Si	эпи-Si	эпи-Si
Приборный слой Толщина, мкм общий разброс толщины, мк	20–700 +/- 2.0	1.5–20 +/- 0.5	0.05–1.5 +/- 0.02
Составные пластины Si–SiO2–Si: толщина захороненного оксида, мкм	0.01-3.0	0.01-3.0	0.01-2.0
Утончение пластины шлифовка полировка стоп-травление	Да Да Нет	Да Да Да	Да Да Да

 

Cz – кремний, выращенный по методу Чохральского

 

Ниже приведены основные сферы применений структур КНИ

Применение в оптоэлектронике. Формирование приборов, осуществляющих функции усилителя, фотоприемника и излуча­теля, возможно реализовать на одном кристалле. Изготовление по различным технологическим маршрутам сложных структурно-не­зависимых элементов схемы, выполняющих различные функцио­нальные задачи, наиболее целесообразно на структурах с полной диэлектрической изоляцией элементов, например, производство оптронных пар на структурах КНИ. В то же время остается пер­спективной задача получения и использования планарной техноло­гии микроэлектроники для изготовления элементов интегральной оптики на основе многослойных структур КНИ, включающих, на­пример, пористый кремний, волноводно-оптические слои много­компонентных стекол и т.п. [9].

Применение для схем с пониженным напряжением питания. При использовании структур КНИ можно получать активные при­боры с пониженным напряжением питания, что, в свою очередь, позволяет изготавливать приборы, которые функционируют в гига­герцевом диапазоне с очень низкой потребляемой энергией. Тем самым обеспечивается возможность интеграции высокоскорост­ных средств связи и цифровых элементов на одной подложке с низкой стоимостью и высокой производительностью [9,11].

Применение для производства интегральных схем. КНИ подложки создают коллекторно-эмиттерную подложечную емкость С_ts, улучшают защиту от ионизирующего излучения и позволяют реализовать возможность изготовления ультраскоростных бипо­лярных схем. Для биполярных схем эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) уровень интеграции ограничивается рассеиванием энергии. Единственный путь решения данной проблемы - БиКМОП-техно­логия на структурах КНИ. Основное же применение структур КНИ - это коммерческие КМОП СБИС, дающие существенный выиг­рыш в скорости и снижении потребления энергии (примерно в 3 раза) по сравнению со схемами на основе кремния. Структуры КНИ незаменимы при создании мембран для сенсоров давления и панелей акселерометров. Особая роль принадлежит приборам и ИС на основе структур КНИ, работающим при повышенных темпера­турах.

 

1.2. Технологии создания структур КНИ

 

К настоящему времени разработано и активно используется более десятка различных методов получения структур типа КНИ. Каждый метод имеет, как минимум, несколько вариантов технологических решений. Следует отметить, что структуры с полной диэлектри-ческой изоляцией пытались изготавливать почти одновременно с развитием интегральной планарной технологии. Многие методы, развиваемые десятилетиями, не утратили своей актуальности до сих пор, имеют свои области применения, и продолжают совершенст-воваться с использованием новых технологических возможностей.

В литературе существует несколько вариантов сокращений, обозначающих различные (а иногда и схожие) типы структур с диэлектрической изоляцией. Наиболее известными являются следую-щие: "кремний на сапфире" (КНС) – гетероэпитаксиальное наращива-ние слоя кремния на Al₂O₃, обособившееся в самостоятельное на-правление; кремний на изоляторе; кремний на диэлектрике; кремний в диэлектрике; полупроводник-изолятор-полупроводник; кремний на стекле; кремний на различных подложках (например, керамике); кремниевые структуры с полной диэлектрической изоляцией, полу-чаемые наращиванием толстого слоя поликремния на рабочую подложку [8,9].

Наиболее популярными в настоящее время являются техноло-гические маршруты изготовления структур КНИ, использующие: рекристаллизацию слоя кремния [10]; формирование изолирующего слоя с помощью прокисления пористого кремния; имплантацию ионов водорода [11,52–69]; молекулярно-лучевую эпитаксию на пористом кремнии; латеральное эпитаксиальное заращивание [12]; имплантацию ионов кислорода (азота) в кремниевую подложку [13,14]; сращивание (связывание) кремниевых пластин с после-дующим формированием тонкого (и/или толстого) изолированного слоя кремния [15]. Существует множество других методов изготов-ления структур КНИ, которые, не получив широкого распростра-не-ния, тем не менее являются интересными и используются для раз-работки специализированных схем, микромеханических устройств и датчиков [16].

Среди перечисленных методов получения структур КНИ техно-логия сращивания кремниевых пластин и последующего утончения рабочего слоя кремния занимает особое место, поскольку обладает практически неограниченными возможностями реализации получае-мых структур и их параметров (например, по качеству изолиро-ванного кремния, его толщине, толщине изолирующего оксида, диа-метру используемых подложек и т.д.). В структурах, полученных этим методом, кристаллографическое совершенство изолированного монокристаллического кремния сравнимо с качеством объемного кремния и зависит в основном от параметров исходных подложек и технологии утончения [16–20].

Температурный диапазон сращивания – от комнатной темпера-туры до 1300 °С. Объектами сращивания являются подложки крем-ния, кварцевого стекла, ситалла, карбида кремния, алюмонитридной керамики, алундовой керамики, сапфира, металлы, композиционные материалы и т.д.

Метод сращивания реализуем на основе следующих процессов: 1) формирования стоп-слоя методами ионной имплантации, диф-фузии, эпитаксии или формирования механического стопора SiO₂ и/или Si₃N₄ (в некоторых случаях, например, при прецизионном плазменном травлении или при получении толстых слоев изолиро-ванного кремния может не использоваться); 2) соединения поверх-ностей; 3) сращивания подложек; 4) получения необходимой толщи-ны изолированного слоя кремния в структуре КНИ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.2. Технологические варианты утончения приборного слоя структур КНИ

 

Многие фирмы рекламируют параметры получаемых структур КНИ. Например, фирма Hughes Aircraft Company производит структуры КНИ диамет-ром от 100 до 200 мм методом сращивания и последующего плазменного травления, с толщиной (выбираемой по заказу) от 0,1 до 3 мкм, при этом разброс по толщине изолированного слоя не превы-шает 5%. Точность процесса плазменного утончения при толщине 1000 Å составляет ±50 Å. Методами химико-механического полиро-вания устойчиво получают толщину изолированного монокристал-лического кремния 0,3 мкм. Минимальная толщина кремния, по-лучаемая химико-механическим полированием, составляет 0,05 мкм [21–24].

 

 

Рис.1.3. Общая технологическая схема получения составных структур КНИ:

а - исходные пластины; б - сращивание приборной и опорной пластин; в - удале­ние излишней части приборной пластины; г - готовая продукция; А – приборная пластина (полированная окисленная пластина из монокристаллического кремния или кремниевая структура); Б – опорная пластина (монокристаллическая или аморфная пластина из полупроводника (кремния), стекла, керамики, металла, либо аморфная структура); 1 – приборный слой; 2 – слой оксида кремния.

Хотя в мировой практике известно множество методов изго­товления структур "кремний на изоляторе", в последние 3 – 5 лет всё большее предпочтение отдаётся группе технологий составных структур КНИ. Составными эти структуры названы потому, что они вследствие сращивания двух окисленных кремниевых пластин (приборной и опорной) и последующего удаления части приборной пластины, по сути, представляют собой составную конструкцию, состоящую из частей разных пластин (рис.1.2 – 1.5 и табл.1.2 – 1.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.4. Технологическая схема ELTRAN: а – исходные структура и пластина; б – сращивание; в – расщепление; А – исходная структура; Б – опорная пластина; 1 – оксид кремния; 2 – эпитаксиальный слой кремния; 3 – пористый слой кремния; 4 – приборная подложка кремния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.5. Технологическая схема smart-cut: а – исходные пластины; б – имплан-тация ионов водорода; в – очистка поверхностей пластин и сращивание; г – терми-ческая обработка (расщепление); д – суперфинишная полировка; А – приборная пластина (полированная окисленная пластина кремния); Б – опорная пластина (полированная пластина кремния); 1 – слой оксида кремния; 2 – приборный слой

Повышенный интерес к составным структурам КНИ и их техно­логии объясняется их существенными достоинствами:

- низким уровнем дефектности приборного слоя, сравнимым с дефектностью монокристаллического кремния наивысшего каче­ства (плотность дислокаций и дефектов упаковки не превышает 10² см^-2);

- возможностью изготовления приборного слоя практически любой толщины с погрешностью не более 10 %;

- практически любыми заданными уровнем и типом легирования и распределением легирующих примесей;

- практически любой толщиной изолирующего диэлектрическо-го слоя;

- широким спектром комбинаций прослоек диэлектриков, ме­таллов и полупроводников в изолирующем слое;

- возможностью комбинировать кремний с множеством других материалов (А³В⁵, А²В⁶, SiC, стеклом, керамикой, металлами);

- возможностью изготавливать структуры практически любого диаметра (76, 100, 150, 200 и 300 мм);

- возможностью составления технологического маршрута изго­товления структур на основе традиционных операций и процессов кремниевой технологии;

- практическим отсутствием коробления в процессе изготовле­ния структур;

- возможностью изготавливать многоуровневые структуры КНИ, трёхмерные ИС и микроэлектромеханические системы;

- возможностью изготавливать вакуумные ИС и элементы на основе традиционной технологии микроэлектроники.

Шероховатость внешней поверхности приборного слоя, остав­шуюся после травления следов пористого кремния, планаризуют термомиграцией атомов кремния, имеющей место во время термо­обработки кремния в среде водорода при высоких температурах (обычно при 1040 °С).

По технологии фирмы SOITEC (см. рис.1.5) "пористую" про­слойку формируют имплантацией ионов водорода в приборную пластину. Затем часть приборной пластины удаляют "взрывным" отделением от приборного слоя при выделении и расширении во­дорода в "пористой" прослойке в процессе нагрева состыкованных опорной и приборной пластин.

 

 

Таблица 1.2.

Сравнение основных групп технологий составных структур КНИ

 

Группы технологий структур КНИ	Недостатки	Достоинства
Эпитаксиальное наращива­ние на монокристалличе­ские диэлектрики (сапфир, шпинель, фтористый каль­ций, оксид циркония)	Высокая кристалло-графическая дефект-ность, автолегирова-ние, дороговизна; на-пряжение и дефор-мации подложки	Минимальный расход кремния и кремнийсодер­жащих материалов; боль­шой опыт работ
Боковая эпитаксия кремние­вых слоёв на аморфном ди­электрике из локальных за­травок; боковая эпитаксия кремния на аморфном ди­электрике из ионно-молеку­лярных пучков	Высокая кристалло­графическая дефект­ность в виде границ блоков	Минимальный расход кремния и кремнийсодер­жащих сверхчистых мате­риалов
Жидкофазная микрозонная рекристаллизация поли­кремния на аморфном ди­электрике (оксид кремния)	Высокая дефектность в виде дислокаций, дефектов упаковки и малоугловых границ между их блоками	Малые затраты расходуе­мых материалов
SIMOX. Термохимический синтез скрытых слоёв ди­электрика (SiO2 и Si3N4) из импланти­рованных в крем­ний кисло­рода и азота	Высокая дефектность приборного и диэлек­трического слоёв, сложность оборудо­вания	Большой опыт работ; соз­дана промышленная тех­нология
Твердофазная микрозонная рекристаллизация поликри­сталлического кремния ион-ными пучками	Высокая дефектность приборного слоя	Экономичность процесса
Сращивание приборной и опорной пластин и после­дующее удаление при-бор­ной пластины	Высокие требования к чистоте (класс 10 или лучше) чистых комнат	Высокое кристаллографи­ческое совершенство при­борного слоя, наибольший и наилучший диапазон получаемых параметров структур КНИ и их харак­теристик по качеству

 

 

 

Таблица 1.3

Схемы некоторых методов изготовления составных структур КНИ

 

№ п/п	Direct Bonding [8]	p-n stop boundary Bonding [10]	p+ stop layer Bonding [10], [11]	SiOx-SixNy stop layer Bonding [12]	Eltran Bonding [15]
1.	Окисление	Формирование p-n стопорной границы	Формирова-ние p+ стоп-слоя	Формирова-ние стоп-слоя SiOx или SixNy	Электрохими-ческое фор-мирование слоя пористо-го кремния
2.	Сращивание	Окисление	Окисление	Окисление	Термомигра-ционное эпи-таксиальное формирова-ние прибор-ного слоя на пористом слое
3.	Механичес-кое удале-ние части приборной пластины	Стыковка	Стыковка	Стыковка	Окисление
4.	Суперфи­нишное по-лирование (доводка) приборного слоя	Сращивание	Сращивание	Сращивание	Стыковка
5.	–	Механическое удаление при-борной пласти-ны	Механическое удаление при-борной плас-тины	Механичес-кое удале-ние прибор-ной пласти-ны	Сращивание
6.	–	Электрохими-ческая довод-ка приборно-го слоя	Химическая доводка при­борного слоя	Химико-ме-ханическая полировка до стоп-слоя	Механическое удаление при-борной плас-тины
7.	–	–	–	–	Термомиграци-онная планари-зация прибор-ного слоя

В табл. 1.4 дано сопоставление основных технологий изготовле­ния, параметров, применяемых в промышленном производстве структур КНИ. Как видно из этой таблицы, технология smart-cut позволяет изготавливать наиболее дешёвые и совершенные КНИ.

 

Таблица 1.4

Характеристики наиболее известных промышленных технологий получения структур КНИ

 

Параметры	SIMOX	ELTRAN	SMART-CUT
Плотность электрически активных кристалло-графических дефектов, см-2:
в приборном слое	104-106	102-104	<102
в изолирующем ди­электрическом слое	>101	<0,1	<0,1
Наивысшая температура термообработок, ис-пользуемых при изго­товлении структур, °С	1300	1040	1150
Производительность ли-митирующего оборудо-вания, структур диамет-ром 100 мм в месяц	<104	>105	>105
Расход кремниевых пластин на одну струк­туру, шт.	1	2	1

 

Для практических исследований использовалась эксперимен­тальная технологическая схема, приведённая в табл. 1.5. Из этой схемы для специальных исследований выделены следующие клю­чевые совокупности операций:

1)    подготовка поверхности опорных и приборных пластин пе­ред их стыковкой и контроль состояния стыкуемых поверхностей;

2)    имплантация ионов водорода в приборную пластину;

3)    стыковка и первый предварительный контроль полостей и прочности прихвата;

4)    отщепление приборной пластины от структур КНИ, второй предварительный контроль полостей, шероховатости рабочей по­верхности приборного слоя;

5)    Окончательное сращивание приборного слоя с опорной пла­стиной;

6)    окончательный контроль (геометрических и электрофизических параметров структур КНИ).

 

Таблица 1.5

Технологический маршрут изготовления структур КНИ методами газового скалывания

 

№№ п/п	Технологические и контрольные операций	Технологическое оборудование и контрольно-измерительная аппаратура	Примечание
1	2	3	4
1	Входной контроль ис­ходных пластин Измерение загрязний, шероховатости, дефект­ности, матовости, элек­трофизических и гео­метрических парамет­ров: неплоскостности (об­щей и локальной), тол­щины, прогиба, короб­ления, клина, наличия ямок, бугров, царапин и т.д. Контроль наличия свирлей и микроскопи­ческих неоднородно­стей, и т.д.	Микроскопия-оптиче­ская, атомно-силовая, туннельная, растровая электронная Диагностика поверх­ности и приповерхно­стного слоя с исполь­зованием оптическо­ого, ИК, рентгенов­ского, лазерного излу­чения (рассеивания, диагностики) Емкостные, кондук­тометрические методы Профилометрия; и т.д.	Измерения выполня­ются в чистой комнате класса 1 (10) Допустимые значения: Ra=0,2 нм, Rz=1,5 мкм Допустимое значе­ниенеплоскостности 0.1 (0.5) мкм Не допускаются свир-ли и микровключения, царапины Электрофизические параметры, допусти­мый уровень микро­примесей и др. пара­метры на уровне тре­бований стандарта на исх. пластины
2	Технологическая обра­ботка (очистка)	Технологическая ли­ния химических про­цессов	Автоматическая за­грузка, обработка и выгрузка кассеты с пластинами в чистой комнате класса 1(10)

 

 

Продолжение табл. 1.5

1	2	3	4
3	Окисление приборных пластин; контроль стыкуемых по-верхностей по п.1	Диффузионные печи горизонтальные или вертикальные с за­грузчиком; эллипсо­метрия	Загрузка, термообра­ботка и выгрузка пла­стин в чистой комнате класса 1(10)
4	Имплантация ионов во­дорода в приборную пластину, контроль сты-куемых поверхностей пластин после имплан-тации ионов водорода по п.1	Имплантер	Остаточное давление (кроме водорода) в приемной камере ~ 10‑8 Па Напыление распыляе­мых со стенок ион­ного тракта материа­лов за время имплан­тации – не более 5·1010 ат/см2 (контро­лируется методом ESCA) Безмасленная откачка форвакуумные, тур­бомолекулярные, криогенные насосы, Доза имплантации 6·1016 см-2, энергия ионов ~ 20 – 100 КэВ, ток пучка 10 – 100 мА Автоматическая за­грузка и выгрузка пла­стин в чистой комнате класса 1(10) Держатель пластин на карусели – не загряз­няющий металлами (SiC, стеклоуглерод, кремний, композит)
5	Освежение слоя оксида кремния после имплан­тации водорода	Технологическая ли­ния по п.2 Эллипсометр по п.3	Травление слоя оксида кремния в химических растворах с после­дующей отмывкой в воде

 

Продолжение табл. 1.5

1	2	3	4
6	Активация поверхнос­тей приборной и опор­ной пластин	Технологическая ли­ния по п.2	Выдержка в воде в те­чение 1 ч
7	Стыковка приборной и опорной пластин	Автомат стыковки пластин	Остаточное давление газов в рабочем про­странстве ~ 10-8 Па
8	Уплотнение состыко­ванных пластин	Вакуумная печь с ос­таточным давлением ~ 104 Па	Термообработка структур
9	Сжатие профиля им-плантированного водо-рода в приборной плас-тине	Термошкаф (печь) с атмосферой водорода (или аргона)	Термообработка пла­стин при температуре 300 °С в течение 2 ч
10	Расщепление структуры	Печь по п.3	Термообработка структур при темпера­туре до 600 °С в тече­ние 10 мин
11	Контроль полостей под приборным слоем	"Surfscan", сканирую­щая акустическая то­пография, Оптическая, ИК мик­роскопия, сканирова­ние поверхности и границы сращивания	Полости не допуска­ются
12	Закрепление границы сращивания	Печь по п.3	Термообработка структур в инертной атмосфере при темпе­ратурах до 1100 - 1200 °С в тече­ние 0,5 – 4 ч
13	Контроль шероховато­сти внешней поверхно­сти приборного слоя	Mикроскопия атомно-силовая, туннельная, оптическая, профило-метрия.	См. п. 1

 

 

 

Окончание табл. 1.5

1	2	3	4
14	При необходимости: су­перфинишная химикро­механическая полировка поверхности прибор­ного слоя	Полировальный уча­сток	Съем 1 – 20 нм при-борного слоя (при необходимости) для доведения шерохова­тости приборного слоя до ~ 0,2 нм
15	Окончательный кон­троль структур: толщины прибор­ного слоя толщины раздели­тельного диэлектрика полостей     шероховатости         Электрофизических параметров: -слоевого сопротив­ления приборного слоя -концентрации носи­телей заряда в при­борном слое -заряда в раздели­тельном диэлек­трике -зарядовых состояний на границе прибор­ный слой – диэлек­трик	Эллипсометрия, ин­терферометрия           "Surfscan", прибор "волшебное зеркало" Микроскопия атомно-силовая, туннельная, оптическая, ИК, про­филометрия	Измерения выполня­ются в чистой комнате класса 1 (10)

 

 

Ниже рассмотрены ключевые операции этих схем подробнее.

 

 

 

1.3. Подготовка поверхности подложек

 

Реальные поверхности кремниевых пластин не бывают ато­марно-гладкими и атомарно-чистыми, как это необходимо для их идеального сращивания. В идеальном случае прочность прихвата одной из состыкованных пластин к другой должна быть равна 2·10⁸ Па – предельной прочности (рис.1.6).

Наибольшая прочность прихвата при стыковке кремниевых пла­стин, достигнутая на практике, примерно на порядок меньше ~2.10⁷ Па. Это объясняется несколькими причинами, которые бу­дут рассмотрены ниже [48,63,69].

 

 

Рис.1.6. Зависимость прочности прихвата  состыкованных кремниевых пла­стин от величины остаточного зазора между ними: 1 – предельная прочность кремния на растяжение [48,63,69]; 2 – шероховатость стыкуемых поверхностей ~ 2 Ǻ и гидроксильные группы занимают менее 10% этих поверхностей [48,63,69]; 3 – гидроксильные группы покрывают около 100% стыкуемых поверхностей [48,63,69]

 

 

1. Зазор между стыкуемыми поверхностями практически всегда превышает межатомное расстояние в монокристаллической ре­шётке кремния (0,14 нм), во-первых, вследствие шероховатости этих поверхностей, оставшейся после их механической полировки, во-вторых, из-за наличия "подушки" из сорбированных молекул газов, воды и других веществ. Поверхности стандартных пластин массового производства обычно имеют шероховатость на уровне постоянной решетки (~ 0,4 нм), в особых случаях ее можно сделать несколько меньше: в работах [48,63,69] она составляет ~ 0,2 нм. Кроме того, зазор между пластинами может быть еще больше вследствие неполного прилегания стыкуемых поверхностей в местах, где имеются лунки локальной неплоскостности пластин, характерные для существующей технологии полировки.

2. Для существующей технологии жидкостной химической очи­стки поверхности пластин характерен двухмолекулярный слой сорбированной воды [48,63,69]. Эта вода увеличивает расстояние между атомами кремния (до 0,7 нм) и экранирует взаимодействие между ними. Вместо ковалентного взаимодействия между поверх­ностями (между атомами кремния) в этом случае реализуется взаи­модействие Ван-дер-Ваальса, для которого характерна прочность прихвата на уровне 10⁶ Па. В процессе термообработок молекулы воды из стыка удаляются, зазор между пластинами уменьшается. Уменьшение толщины слоя воды достигается подбором состава раствора для жидкостной химической очистки поверхности кремниевых пластин [48,63,69].

3. Зазор между состыкованными пластинами может быть боль­шим при попадании в него пылевидных частиц (кремниевой и кварцевой крошки, частиц металлов, органических и неорганиче­ских соединений). Эти частицы срабатывают как инденторы при стыковке и сращивании, образуя дефекты в виде проколов и тре­щин в приборном и диэлектрическом изолирующем слоях. По на­блюдениям фирмы Canon, плотность распределения таких дефек­тов достигала 1 см^-2, когда пластины обрабатывались в условиях, соответствующих классу чистоты 1000, и снижалась до 0,06 см^-2, если класс чистоты был на уровне 1 [3].

При длительном пребывании пластин на воздухе на их поверхностях сорбируются боросодержащие соединения, которые при стыковке пластин запечатываются между ними. При по­следующих термообработках получившихся структур бор из них диффундирует в приборный слой и неконтролируемо (нежела­тельно) легирует его. Чтобы избавиться от этой помехи, припо­верхностный слой оксида кремния толщиной 0,1 – 0,2 нм с при­борной и опорной пластин стравливают и после отмывки их в воде и сушки немедленно стыкуют.

4. Окисление приборных пластин кроме формирования изоли­рующего диэлектрического слоя преследует еще две цели:

- оксид кремния пластичнее и прочнее кремния и поэтому мо­жет использоваться как демпфер для смягчения инденторного эф­фекта, возникающего при попадании загрязняющих частиц в зазор между пластинами; при этом уменьшается вероятность образова­ния дефектов в приборном слое;

- оксид кремния является маской, защищающей поверхность пластины от загрязнений в процессе имплантации в них ионов во­дорода; накопившиеся загрязнения перед стыковкой снимаются мягким травлением пластин в растворах фтористого аммония и 100%-ной азотной кислоты или плазмохимической обработкой в кислороде.

Окисление приборной пластины необходимо выполнять в чис­тых условиях класса 10 или выше.

Окисление обычно выполняют стандартным способом в печи СДО.

5. Имплантация ионов водорода (протонов) в окисленную при­борную пластину сопровождается загрязнением поверхности слоя оксида и приборного слоя металлами, распыляемыми с конструк­ций имплантера. Это явление наблюдается, несмотря на тщатель­ную двойную сепарацию пучка и его диафрагмирование в имплан­тере. В лучших случаях поверхностная концентрация напыленных металлов имеет уровень 10¹⁰...5·10¹⁰ см^-2. Кроме того, на поверхно­сти обрабатываемых пластин сорбируются органические вещества (в основном, углеводороды), поступающие из откачных устройств и вакуумных уплотнений, устройств загрузки-выгрузки пластин. Сорбированные на поверхности приборной пластины металлы и углерод (в углеродсодержащих соединениях) в результате явления отдачи вбиваются в приповерхностную часть окисного слоя при­борной пластины, загрязняя и пассивируя его. Кроме того, сорби­рованные на поверхности пластины органические вещества поли­меризуются, обугливаются пучком и в итоге затрудняют очистку и активацию стыкуемой поверхности приборного слоя.

Чтобы уменьшить вероятность попадания органических соеди-нений, имплантеры оборудуются безмасляными средствами от­качки (турбомолекулярные и криогенные насосы), а приповерхно­стную часть слоя оксида кремния на приборной пластине стравли­вают вместе с загрязнениями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.7. Схема формирования локальной загрязняющей маски пылевидными частицами, "пришитыми" к поверхности приборной пластины треками импланти­руемых протонов: 1 – треки протонов, 2 – частица пыли, 3 – слой изолирующего оксида кремния, 4 – приборная пластина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.8. Схема формирования отверстий в приборном слое пылевидными час­тицами, толщина t которых больше проецируемого пробега протонов R_p: 1 – треки протонов, 2 – частица пыли, 3 – слой изолирующей оксида кремния, 4 – при­борный  слой,  5 – пузырьки,  образованные  под  воздействием  ионов  водорода, 6 – приборная пластина

Эта операция возможна, если загрязняющий слой не является резистивной маской для упомянутого травления. Такая маска фор­мируется, если сорбированные полимеризованные загрязнения об­разуют сплошные островки  или полностью покрывают стыкуемую поверхность приборной пластины. Поэтому островки маски фор­мируются пылеобразными частицами, "пришитыми" к поверхности пластины треками протонов (рис.1.7) [44].

Условие "пришивания" пыли к поверхности пластины:

 

t ~ R_p,

 

где t – "толщина" частицы (размер частицы вдоль трека протонов); R_p – проецируемый пробег протонов.

Частицы с t < R_p образуют отверстия в приборном слое (рис.1.8).

 

1.4. Особенности процесса имплантация ионов водорода в приборную пластину

 

Качество расщепления приборной пластины определяется оп­тимальным выбором технологического режима имплантации и сращивания подложек. В мировой практике для создания слоя, по которому происходит расщепление, используют имплантацию либо ионов H₂⁺, либо H⁺ (возможно и использование ионов легких га­зов). В первом случае при заданном токе пучка примерно в два раза повышается производительность процесса имплантации, но при заданной глубине имплантации требуется удвоение ускоряющего напряжения по сравнению со случаем имплантации протонов.

 

1.4.1. Энергия ионов

 

Как известно [9,44], энергию ионов выбирают такой, чтобы обеспечить их пробег, равный сумме заданных толщин слоя оксида кремния (на приборной пластине) и приборного слоя (ионы водо­рода, пройдя слой аморфного оксида кремния далее не каналируют в кремний). Обычно энергия протонов заключена в интервале 30 - 100 кэВ.

 

1.4.2. Температура пластины в процессе имплантации

 

В литературе приведены результаты исследований по определе­нию границ диапазона оптимальных температур обрабатываемой пластины в процессе имплантации в нее ионов водорода: ~ 50…450°С [48,63,69].

Нижняя граница определяется естественным нагревом пластины ионным пучком, когда не предпринимаются меры по их нагреву или охлаждению.

Верхняя граница определяется явлением недопустимо интен­сивного образования микрополостей в имплантированном слое и, как следствие, возможностью отщепления приборного слоя в про­цессе имплантации

 

1.4.3. Оптимальная доза имплантации ионов водорода

 

Границы диапазона доз имплантации ионов водорода, при которых происходит практически значимое образование полостей в имплантированном слое составляют около 10¹⁶…10¹⁷ ион/см².

Нижнее значение применяют, когда приборную пластину рас­щепляют струей газа (или жидкости).

Верхнее значение используют в случаях, когда имплантацию выполняют при высоких энергиях, т.е. когда сумма толщин оксида кремния и приборного слоя составляет несколько микрометров. При субмикронных толщинах приборный слой начинает коро­биться водородными полостями (пузырьками) уже при дозах >7×10¹⁶ ион/см². Это коробление приводит к образованию кристал­лографических дефектов в приборном слое (например, дислокаций) и уменьшению площади стыковки приборной и опорной пластин [48,63,69].

В идеальном технологическом процессе поверхность приборной пластины в процессе и после имплантации в нее ионов водорода должна быть атомарно-чистой. В реальных условиях к этому стремятся максимально приблизиться, используя бесмасленные средства откачки: турбомолекулярные и криогенные насосы.

В нашем случае использованы турбомолекулярные насосы типа ТМН-3000, обеспечивающие остаточное давление в камере ~ 10^‑5 Па [44].

1.5. Стыковка приборной и опорной пластин

 

В мировой практике известны способы стыковки приборной и опорной пластин в воде, на воздухе, в форвакууме, глубоком и сверхглубоком (10^-8 Па) вакууме. В нашем случае стыковку пла­стин выполняли на воздухе сразу после их жидкостной химической обработки и сушки в центрифуге. Операцию стыковки выполняли вручную.

Стыковку выполняли также в вакууме при остаточном давлении < 10^-3 Па в рабочей камере установки ВУП–5. Пластины после их технохимической обработки (очистки) устанавливали в специаль­ную кассету, которую защищали от запыления колпаком и контей­нером (рис.1.9).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.9. Схема кассеты для стыковки пластин в вакууме: 1 – кассета; 2 – крыш-ка; 3 – стыкуемые пластины; 4 – ось вращения кассеты в момент стыковки; 5 - расположение пластины после стыковки

 

 

В изолированном от внешней среды контейнере пластины пере­мещались на участок стыковки, где размещались в установке ВУП‑5. Стыковка пластин проводилась в вакуумированном рабо­чем объеме [48,63,69].

Стыковка в вакууме обеспечивает минимальное количество мо­лекул газов и воды на стыкуемых поверхностях и в микрополостях, образующихся вследствие неплоскостности пластин. Наличие и размеры макрополостей оценивали визуально по характерному контрасту, возникающему на внешних поверхностях структуры, получающейся в результате стыковки.

Кроме того, полости четко обнаруживаются сканирующим рентгеновским дифрактометром. Крупные полости можно фикси­ровать используя сканирующую акустическую топографию.

В случае, если внешние поверхности структуры полированы, полости наблюдаются с помощью прибора типа "волшебное зер­кало". В наших экспериментах использовалось "волшебное зер­кало" конструкции Войноловича. Прочность стыковки оценивалась на основе анализа данных по измерению энергии связывания путем оценки расстояния от введенного лезвия бритвы до границы сра­щивания и соответствующих расчетов (см. главу 8).

 

1.6. Скалывание части приборного слоя

 

Отщепление части приборной пластины от КНИ выполняли пу­тем быстрого, со скоростью более 50 °С/мин, нагрева состыкован­ной структуры в диффузионной печи СДО. Такая скорость нагрева достигалась быстрым вводом лодочки со структурами в горячую зону печи, имеющую температуру 600 °С. На полученной таким образом структуре шероховатость внешней поверхности прибор­ного слоя составляла величину близкую к шероховатости исходной пластины 30 нм.

На ступеньке на краю слоя этим же прибором измерена толщина приборного слоя, которая составляла в нашем случае 0,3; 0,8 мкм, что соответствовало нашим расчетным величинам.

Была проведена разработка лабораторного процесса сращивания кремниевых пластин с использованием многокомпонентных мате­риалов стекловидных систем BaO–Al₂O₃–SiO₂, B₂O₃–SiO₂ стекла ЛК–105, процесс твердооадгезионного сращивания подложек через слои SiO₂, сращивание с помощью промежуточных слоев металлов и силицидов. В последующих разделах представлены эксперимен­тальные результаты сращивания кремниевых пластин.

В свою очередь, в группе технологий составных структур КНИ наибольшее развитие получили технологии, в которых приборный слой выделяется (откалывается) от приборной пластины методом скалывания по слою пористого кремния. По этим технологиям ор­ганизовано массовое производство структур фирмой Canon (техно­логия ELTRAN) (см. рис.1.4), (структурам присвоена торговая марка ELTRAN) и фирмой SOITEC (технология smart-cut (см. рис.1.5), структурам присвоена торговая марка UNIBOND).

По технологии фирмы Canon (см. рис.1.4) пористую прослойку в приборной пластине формируют электрохимическим травлением кремния, после чего термомиграцией атомов кремния устья пор эпитаксиально заращивают, окисляют и приборную пластину сра­щивают с опорной. Затем приборную пластину механически уда­ляют до пористой прослойки и остатки пористого кремния страв­ливают в смеси HF+H₂O₂ с селективностью ~10⁵ по отношению к сплошному монокристаллическому кремнию. Шероховатость внешней поверхности приборного слоя, оставшуюся после травле­ния следов пористого кремния, планаризуют термомиграцией ато­мов кремния, имеющей место во время термообработки кремния в среде водорода при высоких температурах, в частности, использу­ется температура 1040 °С.

Наибольшее влияние на качество получаемых структур КНИ оказывает процесс прямого сращивания.

Следует отметить, что методы сращивания весьма разнообразны и в зависимости от назначения прибора технология сращивания может существенно отличаться.

 

1.7. Непосредственное термокомпрессионное сваривание двух поверхностей кремния

 

Подготовка подложек. Практическое применение непосредст­венной термокомпрессионная сварка (НТСК) получила лишь после того, как были найдены эффективные способы активации поверх­ности кремниевых пластин [17], среди которых наиболее извест­ными являются химические и плазмотермические методы. Напри­мер, работа [18] посвящена изучению адгезионных свойств по­верхности кремния, обработанной в тлеющем разряде, а работа [19] – исследованию влияния химической обработки на толщину пленки собственного оксида на кремнии. Показано, что после об­работки в средах, содержащих плавиковую кислоту, оксид на по­верхности кремния фактически отсутствует. В работах [18,19] опи­сывается метод контроля кремневодородных пленок на кремнии и даются варианты растворов для химической обработки с целью по­лучения пленок собственного оксида.

Помимо химического состояния поверхности, на качество тер­мокомпрессионного соединения влияет шероховатость сваривае­мых поверхностей. В первый момент адгезия пластин друг к другу обусловлена силами Ван-дер-Ваальса, которые действуют на рас­стояниях, не превышающих 10 нм, поэтому высота остаточных микронеровностей и волнистость поверхностей, соединяемых ме­тодом НТСК, должны быть менее 10 нм [69].

Технология соединения. Активированные и тщательно очи­щенные поверхности кремниевых пластин соприкасают друг с дру­гом в обеспыленной атмосфере. При этом возникает сильная адге­зия и далее как бы "слипшиеся" пластины отжигают в инертной среде или кислороде при температуре, превышающей 1000 - 1100 °С, в течение » 30 мин [15]. Прочность полученного соединения практически не отличается от прочности монокристал­лического кремния, хотя на границе НТСК наблюдаются дислока­ции и снижается время жизни неосновных носителей заряда. Гра­ница между соединенными пластинами имеет такую же упорядо­ченность решетки, как при эпитаксиальном наращивании.

Конструкции приборов. Преимуществом метода НТСК перед традиционными методами является то, что с его помощью могут быть получены самые разнообразные структуры: кремниевые с глубоколежащим p-n-переходом и глубоколежащими скрытыми слоями для мощных приборов, структуры КНИ, а также необычные структуры со встроенными полостями. Глубокий p‑n-переход с резкой границей получается с помощью НТСК двух кремниевых пластин противоположных типов проводимости. Эта технология, в отличие от традиционной эпитаксиальной, позволяет легко полу­чать на низкоомных подложках слои с удельным сопротивлением более 100 Ом×см, необходимые для высоковольтных приборов. Фирма Toshiba изготовила 1800-вольтный МОП-ПТ, работающий в биполярном режиме [6], используя НТСК для создания скрытого буферного слоя. Благодаря новой геометрии прибора удалось ус­пешно подавить паразитный эффект тиристорной защелки и полу­чить максимальную нагрузку по току более 150 А и время отклю­чения всего 0,4 мкс. Та же фирма провела исследова­ние характери­стик поверхности НТСК применительно к созданию мощных бипо­лярных транзисторов. Измеренное сопротивление поверхности НТСК оказалось лежащим в пределах от 0,03 до 0,1 МОм×см², т.е. незначительным для приборов. Методом НТСК был изготовлен n‑p-n-транзистор. Граница НТСК находилась в р‑базе на глубине около 38 мкм от планарной поверхности и совпа­дала с максимумом концентрации акцепторной примеси. Было обнаружено, что время жизни неосновных носителей заряда в базе находится в пределах от 0,5 до 1 мкс, т.е. мало по сравнению с таковым у традиционного n‑p-n-транзистора, однако неосновные носители проникают сквозь границу НТСК и транзистор достигает достаточно больших коэф­фициентов передачи тока (около 10).

Методом НТСК можно также получать структуры типа "крем­ний на диэлектрике", если на окисленную кремниевую подложку или диэлектрическую подложку нанести тонкий слой поликристал­лического кремния осаждением из газовой фазы и после соответст­вующей обработки, т.е. шлифовки, полировки и активации, соеди­нить одну подложку рассмотренным методом с другой кремниевой подложкой.

Применение НТСК позволяет экономить материал подложек при изготовлении КНИ, а также использовать геттерирующий эф­фект в термокомпрессионном соединении при изготовлении ком­бинированной подложки.

 

1.8. Соединение поверхностей, покрытых тонким слоем диэлектрика

 

Методы твердоадгезионного соединения двух поверхностей можно разделить на две группы. К первой группе можно отнести термокомпрессионную сварку поверхностей, из которых одна или обе покрыты слоем термического оксида. Ко второй группе можно отнести методы, при которых оксидные слои на соединяемых по­верхностях предварительно модифицируются.

Подготовка подложек. Подготовка подложек для первой группы методов соединения заключается в полировке и термиче­ском окислении одной или обеих из них до толщины оксидного слоя от 0,5 до 2 мкм.

Вторая группа методов соединения поверхностей кремния с тон­ким слоем диэлектрика включает такие виды подготовки подложек, как напыление на оксидный слой материала, способного образо­вать с ним изолирующее стекло [15], или модифицирование оксид­ной пленки, приводящее к образованию стекловидного слоя.

Технологии соединения. Спекание пластин со слоями термиче­ского оксида мало отличается от НТСК. В литературе [48,63] в ос­новном упоминается совмещение поверхностей и отжиг в инертной или кислородной атмосфере в диапазоне от температуры термиче­ского окисления кремния до 1200 – 1250 °С. Известен метод соеди­нения пластин, при котором две отполированные пластины, причем одна из них имеет углубления на присоединяемой поверхности, со­вмещаются и подвергаются термообработке в кислородсодержащей атмосфере. При этом поверхность между подложками окисляется, соединяя тем самым пластины [50,61,63].

Методами спекания пластин с тонкими слоями диэлектрика мо­гут быть получены различные структуры КНИ. Механическая прочность структур КНИ, полученных спеканием исходных под­ложек, составила 130 – 200 кг/см², что близко к прочности обыч­ных пластин монокристаллического кремния. Обнаружено, что прикладываемое при спекании к пластинам давление приводит к повышению плотности дислокаций вблизи свободных поверхно­стей, а вблизи скрытого диэлектрика плотность дислокаций оста­ется на исходном уровне. Вблизи границы Si/SiO₂ не было об­наружено новых дефектов [16]. Наличие дополнительных дис­локаций на нерабочей стороне структур позволяет использовать их в качестве геттера. Электрические измерения показали, что под­вижность и время жизни неосновных носителей заряда мало отличается от аналогичных параметров в обычных монокри­сталлических кремниевых пластинах как до, так и после термиче­ского отжига. Работа [21] посвящена разработке методики количе­ственной оценки поверхностной энергии сварного соединения двух окисленных пластин, проводимого в инертной атмосфере. Мето­дика основана на теории распространения трещин и позволяет ус­тановить, что прочность присоединения увеличивается с повыше­нием температуры сварки от (6 – 8,5)×10^-6 Дж/см² при комнатной температуре до 2.2×10^‑4 Дж/см² при 1400 °С.

Спайка кремниевых пластин ситаллом или стеклом. Идея создания кремниевых структур путем спекания (спайки) кремние­вой пластины с подложкой слоем стекла или стеклокерамики поя­вилась довольно давно, однако ее практическое воплощение, по-видимому, сдерживалось отсутствием материала, обладающего всеми необходимыми свойствами. Применяемый для этой цели си­талл должен иметь следующие параметры:

- воспроизводимую температуру кристаллизации в нужном диа­пазоне температур (обычно от 1000 до 1250 °С);

- температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), совпадающий или очень близкий к ТКЛР кремния (около 36×10^‑7 К^‑1), во всем диапазоне температур термообработок струк­тур и эксплуатации приборов;

- достаточно высокие прочность и адгезию к кремнию и диэлек­трическим пленкам;

- достаточную (для прохождения по технологическому мар­шруту изготовления ИС) химическую стойкость;

- не являться источником активных примесей, влияющих на параметры приборов.

Похожие требования предъявляются и к используемым для спайки стеклам, которые должны иметь воспроизводимую и доста­точно высокую температуру размягчения и быстрое нарастание вязкости с уменьшением температуры. Ситаллы и стекла, исполь­зуемые, например, для межкомпонентной изоляции и защиты по­верхности ИС, не удовлетворяют всем этим требованиям. По-види­мому, первые практические результаты в успешном применении стекол для диэлектрической изоляции элементов микросхем были получены при использовании ситалла С - 40 для сращивания крем­ниевых пластин и изготовления структур КНИ [22]. Однако этот материал не отвечал всем требованиям, так как неудовлетвори­тельной была воспроизводимость ТКЛР и имелось несовпадение его с ТКЛР кремния. В дальнейшем был разработан стекловидный материал, отвечающий большинству из предъявляемых требова­ний.

Традиционный способ получения стекла – тигельная варка с по­следующим измельчением стекломассы – накладывает свои огра­ничения на такие свойства получаемого порошка, как однород­ность химического и гранулометрического состава, а также мини­мальная и максимальная величина зерна и химическая чистота. Контроль гранулометрического состава, удельной поверхности и пористости синтезированных материалов длителен по времени и требует использования сложной специальной аппаратуры (обычно не имеющейся на предприятиях полупроводникового производ­ства). Наиболее перспективно получение пленок многокомпонент­ных стекловидных диэлектриков на кремнии c использованием ме­тодов плазменного синтеза и осаждения диэлектриков, которые снимают основные недостатки традиционного метода варки и по­зволяют синтезировать стекловидные материалы сложного состава непосредственно из оксидных шихт или шихт, приготовленных химическим методом. Методом спайки ситаллом или стеклом мо­гут быть получены структуры КНИ, а также структуры типа КВД, т.е. состоящие из островков монокристаллического кремния как бы "впаянных" в диэлектрическую подложку.

Использование стекловидных диэлектрических подложек при изготовлении структур типа КНИ обеспечивает высокое кристал­лическое совершенство тонких монокристаллических слоев крем­ния и позволяет создавать на их основе как МОП, так и биполяр­ные ИС. Однако исследование структурного совершенства в под­ложках типа КВД методом рентгеновской топографии показало, что в процессе технологической обработки при изготовлении ИС наибольшее количество структурных нарушений возникает после спекания кремния с ситаллом.

Использование стекла позволяет снизить требования, предъяв­ляемые к качеству обработки и отмывки соединяемых поверхно­стей, по сравнению с теми, что необходимы для НТСК или спека­ния окисленных поверхностей, и дает возможность соединять раз­личные диэлектрические поверхности друг с другом и с кремнием, упрощая процесс подготовки и соединения [8].

Спекание через слой металла (силицида). Суть этого метода соединения пластин в нанесении на одну из соединяемых поверх­ностей слоя металла (вакуумным испарением, напылением, осаж­дением из растворов и т.д.), совмещении поверхностей и спекании их в инертной среде. При этом образуется либо эвтектическое со­единение, либо силицид металла. Возможен также вариант диффу­зионной сварки металла с металлом или другими материалами (на­пример, с керамикой). Наиболее широко используемыми метал­лами являются алюминий, молибден, цирконий, вольфрам, золото, а также другие сплавы и композиции.

 

1.9. Прямое сращивание пластин с использованием приложенного внешнего давления

 

Этот метод давно известны и в то же время постоянно совершен­ствуются и находятся в стадии разработки, особенно с применениями специального технологического оборудования (например, автокла­вов), а также с использованием методов диффузионной сварки [45,62.63].

 

1.10. Исследование процессов химико-механической обработки кремниевых структур

 

Существуют многочисленные варианты утончения рабочей пла­стины в сращенной структуре. Для этого используют методы хи­мико-механического полирования (ХМП), электрохимического, плазменного, селективного химического травления, а также комби­нации этих и ряда других методов.

Получение заданной толщины монокристаллического кремния достигается при использовании установок прецизионного локаль­ного утончения и оборудования контроля толщины. Широко ис­пользуют формирование механических, химических (электрохими­ческих) стоп-слоев, а также индикаторных меток, позволяющих ви­зуально контролировать толщину утончаемого слоя. Несмотря на обилие новых методов утончения, традиционная химико-механиче­ская обработка остается одной из основных (как при обработке исходных кремниевых пластин, так и при изготовлении структур КНИ). Метод химико-механического утончения рабочей пластины кремния широко используется для получения структур с толщиной изолированного монокристаллического кремния от менее 1 до толщин более 70 мкм (используемых, например, в микромеханике).

Наибольший интерес (и, соответственно, наивысшую стои­мость) вызывают структуры со слоем изолированного монокри­сталлического кремния менее 0,5 мкм. Благодаря специализиро­ванным установкам локальной плазменной обработки удается по­лучать структуры с толщиной изолированного монокристалличе­ского кремния 0,1 – 0,3 мкм, полученной с точностью ± 50 Å на пластинах диаметром 150 и 200 мм.

Используемые методы утончения и выравнивания поверхности важны и для структур "кремний на кварце" и "кремний на крем­нии". Стоимость структур КНИ диаметром 200 мм, толщиной 1000Å и однородностью по толщине ± 50Å уже приближается к стоимости эпитаксиальной кремниевой структуры. Таким образом, развитие технологии обработки пластин и структур и совершенст­вование (разработка) оборудования для изготовления структур КНИ определяют успехи в достижении качества структур, что яв­ляются важнейшим фактором при получении предельных значений параметров изготовляемых ИС.

Ниже рассмотрен технологический процесс химико-механиче­ского утончения части рабочей пластины в кремниевых структурах с полной диэлектрической изоляцией компонентов [44]. Структуры КНИ были изготовлены методом соединения кремниевых пластин, одна из которых опорная, другая – рабочая, имеющая сформиро­ванную боковую изоляцию в виде вытравленных химическим ани­зотропным травлением V-образных канавок, с использованием ме­тодов плазмохимического травления. На вытравленных канавках сформирован изолирующий слой SiO₂ и в некоторых случаях для планаризации поверхности платины осажден слой поликристалли­ческого кремния.

Химико-механическая обработка поверхности структуры вклю­чала утончение основной части рабочей пластины кремния мето­дом шлифования и последующее травление в растворе КОН при температурах до 110 ºС, затем первичное и финишное полирование структуры. Структуры утончали до появления вершин изолирую­щих канавок, позволяющих визуально (с помощью индикаторных меток и оптического микроскопа) контролировать толщину изоли­рованного монокристаллического слоя кремния.

Основная сложность изготовления структуры КНИ заключена в получении заданной толщины изолированного монокристалличе­ского кремния с параметрами слоя и подложки, удовлетворяю­щими жестким требованиям по однородности толщины, прогибу, клину и другим геометрическим параметрам. Использование сто­порных слоев, замедляющих скорость утончения при химико-ме­ханическом полировании структуры, позволяет получать однород­ность толщины изолированного монокристаллического кремния ± 2 мкм. В качестве стопорных слоев были использованы слой SiO₂ толщиной от 1,2 до 3 мкм и слой Si₃N₄. При полировании ("вскры­тии") островковой структуры необходимо применение жесткого полировальника (в нашем случае использовано покрытие типа СК ‑ 4 с полиуретановой пропиткой, обладающей плотностью около 0,3 г/см³, а также полирующие материалы типа Suba - 4 с плотностью 0,33 ÷ 0,35 г/см³.). Полирующая суспензия состояла из водного раствора КОН с добавлением этилендиамина и алюмоси­ликатного порошка. Размер твердых частиц не превышал 0,2 мкм. Относительно высокая твердость порошковых компонентов (твер­дость по шкале Мооса Al₂O₃ модификаций a = 8.5, g = 9), а также щелочная среда (pН = 11,2÷11,6) обеспечивали высокую скорость съема нарушенного слоя кремния при первичном полировании. Финишное полирование при вскрытии изолированных островков монокристаллического кремния и суперфинишное полирование проводили, используя суспензии на основе плазменного порошка "Эльплаз К" с размером частиц менее 0,1 мкм и раствор щелочи с добавлением этилендиамина. При этом pН раствора находилась в пределах 10,2 ÷ 10,8. Для получения тонких структур использована суспензия на основе коллоидного раствора оксида кремния (сили­казоль, диоксид кремния). Развитие технологии ХМП позволило усовершенствовать процесс получения островковых структур с применением новых способов безприклеечной технологии обра­ботки пластин (структур), новых суспензий на основе золей крем­ниевой кислоты и введением двухстадийности при полировании.

Проведенные исследования профилограмм поверхности изго­товленных островковых структур КНИ показали, что величина микрорельефа (ступеньки между краем островка и изолирующими и стоп-слоями и центром островка) зависит от режимов полирова­ния и топологии изолированных областей. В изготовленных струк­турах величина ступеньки изменялась от 0,2 мкм при ширине изо­лированных островков около 300 мкм до 2 ‑ 3 мкм при ширине изо­лированных участков более 1500 мкм. На рис.1.10 представлены фотографии структур, полученных сращиванием кремниевых пла­стин и химико-механическим утончением части рабочей пластины кремния. Боковая изоляция сформирована в первом случае мето­дом анизотропного химического травления, а во втором случае – методом плазменного травления.

 

 

а

 

б

 

Рис.1.10. Разрез структуры с полной диэлектрической изоляцией островков монокристаллического кремния с использованием анизотропного химического травления и плазменного травления

 

Кристаллографическое совершенство изолированных островков кремния оценивали методом рентгеновской дифрактометрии по кривым качания. Полуширина кривых качания дифракционных пи­ков поверхности исходных пластины и структур, полученных методом сращивания кремниевых пластин с последующим химико-механическим утончением рабочей пластины, составляет соответ­ственно 18 и 36 мин.

На рис.1.11 показана деформация кремниевой подложки после операций термического окисления и наращивания слоя поликри­сталлического кремния.

 

 

 

Рис.1.11. Графическое изображение деформации кремниевой пластины после операций термического окисления и наращивания слоя поликристаллического кремния

 

 

Проведенные исследования показали, что методы химико-меха­нической обработки кремниевых пластин и структур являются оп­ределяющими при изготовлении структур КНИ.

Для изготовления составных структур КНИ можно использовать стандартные пластины кремния, выпускаемые основными отечест­венными производителями. Серийное производство структур КНИ потребует разработки специализированных технологических про­цессов химико-механической подготовки и обработки исходных подложек, отличающихся от процессов получения обычных крем­ниевых пластин, направленных на оптимизацию процесса по пара­метрам цена – качество. Промежуточная химико-механическая об­работка заготовок структур для островковых структур КНИ вклю­чает операции шлифования и полирования с последующей химиче­ской обработкой.

 

1.10.1. Электрохимическое травления кремниевых пластин и структур

 

Электрохимические методы обработки полупроводников и, в частности, кремния по-прежнему рассматриваются как весьма пер­спективные для использования на отдельных операциях в тех­нологии структур КНИ. Это связано в первую очередь с тем, что указанные методы позволяют добиться равномерной по всей пло­щади обработки поверхности полупроводниковой пластины и од­новременно, при необходимости, проводить локальный процесс со строго контролируемой скоростью. Кроме того, в процессе элек­трохимической обработки значительно легче обеспечить заданный уровень селективности, чем при обычном химическом травлении. Поэтому актуальной остается задача дальнейшего исследования электрохимических процессов на поверхности кремния с целью использования их на отдельных стадиях создания структур КНИ.

Теория метода электрохимической обработки. Поведение по­лупроводника при электрохимической обработке зависит от типа и концентрации основных носителей. Рассмотрим, например, вольт-амперные характеристики образцов кремния с разным типом про­водимости, помещенных в водный раствор плавиковой кислоты. При этом следует иметь в виду, что электрохимическая реакция сопровождается рядом сопряженных химических реакций, от соот­ношения скоростей которых зависит конечный результат электро­химической обработки полупроводника. Совокупность процессов, протекающих на поверхности кремния при его анодной поляриза­ции в указанном электролите, можно выразить следующей систе­мой химических реакций [44].

Электрохимическая стадия:

 

Si + 2F^- + 2p = SiF₂,                                    (1.1)

 

сопряженные химические реакции:

 

2SiF₂ = Si + SiF₄,                                       (1.2)

 

SiF₄ + 2F^- = SiF₆^2-,                                     (1.3)

 

SiF₂ + 2H₂O = SiO₂ + 2HF + H₂                           (1.4)

 

При повышении потенциала поверхности кремния свыше неко­торой критической величины характер электрохимических и хими­ческих процессов следующий.

Электрохимическая стадия:

 

Si + 2H₂O + 4p = SiO₂ + 4H⁺,                              (1.5)

 

сопряженная химическая реакция:

 

SiO₂ + 4H⁺ + 6F^- = SiF₆^2- + 2H₂O                          (1.6)

 

Электрохимическая реакция на поверхности кремния сопровож­дается захватом двух (реакция (1.1)) или четырех (реакция (1.5)) дырок, концентрация которых в кремнии n- типа сравнительно мала. Поэтому при повышении напряжения свыше определенного для данного типа кремния и концентрации электролита порогового значения скорость электрохимической стадии становится лимити­рующей вследствие недостаточной концентрации неосновных но­сителей. При этом процесс травления локализуется на микровы­ступах, где концентрация дырок выше. В результате характер трав­ления становится полирующим. При высокой концентрации ионов фтора в электролите полирующее травление возможно только для кремния n- типа, так как в кремнии р- типа концентрация дырок ве­лика и ограничение электрохимической реакции по скорости не на­ступает. Полирующее травление кремния р- типа оказывается воз­можным только в разбавленных электролитах при недостаточной концентрации ионов фтора.

Следует отметить, что режим травления может наблюдаться также и в том случае, если при формировании слоя пористого кремния толщина его становится такой, что поток ионов фтора к поверхности оказывается недостаточным из-за диффузионных ог­раничений. В этом случае формирование пористого кремния (ПК) прекращается и сменяется его травлением. Это в конечном счете приводит к отделению слоя ПК от пластины монокристаллического кремния. Критическая толщина ПК, при которой наблюдается этот процесс, зависит от плотности тока, состава и вязкости электролита и ряда других параметров. Важным является и тот факт, что в силу вышеприведенных обстоятельств, образующиеся при формирова­нии ПК поры имеют форму усеченного конуса, большое по пло­щади основание которого располагается в плоскости монокристал­лический кремний – ПК, а меньшее – в плоскости ПК – электролит.

Электрохимическое полирующее травление кремния осуществ­ляют либо во фторсодержащих электролитах, либо в щелочных электролитах различной концентрации [69]. Формирование порис­того кремния обычно проводят в электролитах на основе плавико­вой кислоты, воды и этанола, причем соотношение компонентов влияет на величину пористости и средний размер пор. При некото­рой минимальной концентрации плавиковой кислоты формирова­ние ПК вообще не происходит; наблюдается только электрохими­ческое травление.

Электрохимическое вскрытие окон в структурах КНИ. Од­ной из основных операций в существующей технологии, влияющих на качество получаемых структур КНИ, является удаление монокристаллического кремния до получения слоя заданной толщины и вскрытия рабочих областей (окон), разделенных меж­слойной изоляцией. По ряду причин при использовании в настоя­щее время методов удаления кремния (механическая шлифовка и полировка, химико-динамическое травление) часто не удается рав­номерно удалить монокристаллический кремний со всей поверхно­сти пластины и тем самым вскрыть все рабочие области. По на­шему мнению, задача финишного удаления кремния и вскрытия ра­бочих областей могла бы быть успешно решена при использовании метода электрохимической полировки.

Для проведения экспериментов была разработана специальная электрохимическая ячейка, позволяющая реализовать непрерыв­ный электрический контакт по всему торцу кремниевой пластины диаметром 100 мм, причем область контакта была надежно изоли­рована от электролита [44].

В качестве образцов использовались структуры КНИ на основе кремния КЭФ 4,5. Электрохимическая полировка проводилась как в стандартных электролитах на основе водных растворов плавико­вой кислоты различной концентрации, так и в растворах плавико­вой кислоты в смесях этанол – вода, этиленгликоль – вода, глице­рин – вода. Кроме того, была исследована возможность проведения процесса в электролитах на основе фторидов натрия и аммония и минеральных кислот, таких как соляная и  азотная. Электрохими­ческую обработку осуществляли в гальваностатическом режиме при начальной плотности тока 10 – 100 мА/см². Процесс контроли­ровался по изменению напряжения на ячейке. После вскрытия всех рабочих областей и, следовательно, окончания процесса наблю­дался резкий рост напряжения на электрохимической ячейке.

Установлено, что методом электрохимической полировки можно эффективно удалять монокристаллический кремний, причем процесс травления автоматически прекращается после вскрытия межкомпонентной изоляции. Скорость травления слоя кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты, располагающегося  над межкомпонентной изоляцией, оказалась выше, что, вероятно, обусловлено концентрацией механических напряжений в этих об­ластях. Кроме того, в этом случае наблюдается процесс параллель­ного химического травления межкомпонентной изоляции. Поэтому профиль поверхности кремния в рабочих областях (окнах) оказался выпуклым, что не всегда допустимо. Снижение концентрации пла­виковой кислоты в растворе электролита ниже 1 %, и замена ее на такие минеральные кислоты, как соляная и H₂SiF₆, приводит к из­менению характера травления. Растворение кремния происходит в отдельных локальных точках, так что на поверхности появляются многочисленные ямки травления. Вероятно, это связано с пассива­цией поверхности полупроводника вследствие низкой концентра­ции фторид-ионов. Поэтому электролиты на основе плавиковой ки­слоты в данном случае не подходят. Если в качестве межкомпо­нентной изоляции применять нитрид или оксинитрид кремния, использование этих электролитов окажется обоснованным и оправ­данным.

Также исследовался процесс электрохимического травления в растворах на основе фторидов натрия и аммония и азотной кислоты с добавками уксусной кислоты. В этом случае для перехода в ре­жим полирующего травления требуется более высокое значение плотности тока, что сопровождается разогревом и кипением элек­тролита. Из-за возникающего локального перегрева процесс трав­ления имеет неравномерный характер. Можно предположить, что использование дискового вращающегося электрода и термостати­рование обеспечат необходимую равномерность процесса поли­ровки по площади пластины.

Электрохимическое формирование слоя пористого кремния. В технологии структур КНИ пористый кремний иногда используют для формирования межкомпонентной изоляции (так называемый FIPOS-процесс). Исследовалась возможность использования слоя пористого кремния в качестве стоп-слоя для обеспечения равно­мерного вскрытия рабочих областей. Технологический процесс со­стоял из следующих операций:

- электрохимическое формирование слоя пористого кремния на поверхности подложки;

- формирование эпитаксиального слоя кремния на пористом кремнии;

- соединение двух пластин кремния лицевыми поверхностями через слой специального стекловидного диэлектрика;

- удаление монокристаллического кремния до слоя пористого кремния;

- финишная полировка поверхности с удалением пористого кремния.

Исходя из приведенной технологической схемы, можно сфор­мулировать следующие требования к слою ПК: во-первых, ПК должен обладать такой пористостью и структурой, которая позволила бы формировать на его поверхности эпитаксиальный слой соответствующего качества; во-вторых, толщина слоя ПК должна быть достаточно большой, чтобы в процессе формировании эпитаксиального слоя не происходило полного заращивания пор, в-третьих, диаметр поры должен возрастать от внешней поверхности в глубь подложки и достигать максимального значения на границе ПК – монокристаллический кремний, в-четвертых, граница ПК – монокристаллический кремний должна иметь хорошую компланарность и быть параллельной внешней поверхности пластины.

Для исследований по получению слоев ПК использовался мо­но­кристаллический кремний обоих типов проводимости: а) р‑ типа марок КДБ-0,03, КДБ-1, КДБ-10, КДБ-12; б) n- типа марок КЭС-0,01, КЭФ-0,3, КЭФ-2, КЭФ-4,5. Анодная обработка пластин крем­ния проводилась в биполярной электрохимической ячейке со вспо­мога­тельными платиновыми электродами в гальваностатическом режиме при плотностях тока 1 – 20 мА/см². Конструкция ячейки позволяла с высокой точностью контролировать поверхностный потенциал подложки в процессе формирования ПК. Процесс про­водился с использованием как стандартных электролитов на основе плавиковой кислоты, этанола и воды, так и смеси плавиковой ки­слоты и изопропилового спирта в объемном отношении 1:3.

Как показали предварительные эксперименты, на кремнии n‑ типа из-за малой концентрации неосновных носителей формиро­вание ПК в указанных электролитах практически не происходит либо идет с очень малой скоростью и на небольшую глубину. По­этому для получения слоя ПК заданной толщины на кремнии n‑ типа в процессе его формирования пластину освещали лампой накаливания мощностью 300 Вт.

Микроструктура слоя ПК коррелирует с величиной тока форми­рования, что следует из результатов исследований поперечного скола кремния со слоем ПК на поверхности на растровом элек­тронном микроскопе Н-800 фирмы Hitachi при ускоряющем на­пряжении 200 кВ. Толщина слоя ПК увеличивается с 16 мкм при плотности тока формирования 2,5 мА/см² до 100 мкм при 20 мА/см² (время формирования – 30 мин). При этом морфология пористого кремния переходит от слабоупорядоченной к четко вы­тянутой (столбчатой) по нормали к поверхности кремниевой пла­стины. Картина микродифракции ПК, сформированного при плот­ности тока 20 мА/см², обнаруживает сохранение монокристаллич­ности с незначительной разориентацией микроучастков. Этот факт представляет особый интерес в свете задачи последующего форми­рования эпитаксиального слоя на поверхности ПК. Граница раздела ПК – монокристаллический кремний обнаруживает небольшую не­плоскостность в пределах от 20 ÷ 30 нм (для плотности тока – 20 мА/см²) до нескольких десятых микрона (для плотности тока – 2,5 мА/см²).

Методами сканирующей туннельной и атомно-силовой микро­скопии в режимах максимального пространственного разрешения сканирующего зондового микроскопа P4 – SPM – MDT (атомарное разрешение с шагом сканирования 0,05 нм) исследована структура поверхности ПК для получения четкого изображения крупных эле­ментов структуры. Определены геометрические особенности структуры участков поверхности размерами 800´600 нм для крем­ния n- типа и 500´500 нм для кремния р- типа соответственно [9].

Эти данные позволили получить количественное представление о характере пористости ПК и выявить характерные размеры эле­ментов. Для определения параметров периодичности в структуре пористого кремния были получены и проанализированы 2D фурье-образы поверхности ПК. Характерные периоды структур состав­ляют: для ПК n-типа, нм: 282, 240, 190, 93, 80; для ПК р‑ типа, нм: 123, 108, 98, 94, 68, 42.

Для использования ПК в технологии структур КНИ в качестве стоп-слоя необходимо, чтобы в процессе последующего наращивания эпитаксиального слоя не происходило полного заращивания пор. Исходя из этого требования, а также из ха­рактерного размера пор, была рассчитана необходимая минималь­ная толщина слоя ПК. Для кремния n- типа она составила 5 мкм, в то время как для кремния р- типа – 3 мкм. Было установлено, что желаемую форму пор можно легко обеспечить плавным увеличе­нием плотности тока в процессе формирования ПК.

Другим, достаточно интересным, по нашему мнению, способом получения заданной формы пор и обеспечения необходимого каче­ства границы ПК – монокристаллический кремний является допол­нительное легирование поверхности монокристаллического крем­ния. Например, экспериментально установлено, что при использо­вании структур р⁺ - р рост слоя ПК продолжается до достижения границы легированного слоя. После этого рост поры вдоль ее оси практически прекращается и в то же время усиливается в перпен­дикулярном к оси направлении, в особенности на границе р⁺ - р. Это обстоятельство позволяет во-первых, сформировать поры не­обходимой формы, облегчающей последующее скалывание базо­вой пластины, а во-вторых, обеспечить необходимое качество по­верхности скола. В целом, можно сделать вывод, что слой ПК не­обходимо формировать при максимально возможной плотности тока (~ 20 мА/см²). В этом случае достигается как максимальная скорость роста слоя, так и оптимальная плоскостность границы ПК – монокристаллический кремний.

Электрохимическое формирование глубоких отверстий за­данной формы в монокристаллическом кремнии. Формирова­ние глубоких отверстий заданной формы в монокристаллическом кремнии часто необходимо при изготовлении микромеханических датчиков на его основе. При этом глубина отверстия должна со­ставлять не менее нескольких десятков микрон, а уход линейных размеров по глубине должен быть минимальным. Другими сло­вами, необходимо обеспечить вертикальность стенок отверстия по всей глубине, что практически невозможно при использовании традиционных методов химического травления монокристалличе­ского кремния. С другой стороны, как показали исследования ме­ханизма формирования пористого кремния, рост поры начинается в той точке поверхности пластины, в которой по какой-либо причине наблюдается высокая локальная концентрация дырок. При этом стенки поры остаются вертикальными до тех пор, пока не изменя­ется режим формирования или (и) структура самой пластины. Оче­видно, что необходимую локальную концентрацию дырок можно создать только в том случае, если они не являются основными но­сителями, т.е. в кремнии n- типа.

В экспериментах использовался кремний марки КЭФ 4,5 диа­метром 100 мм. Предварительно на поверхности пластины методом фотолитографии вытравливались неглубокие (~0,3...0,5 мкм) V-об­разные канавки, образующие крест размером 5 х 5 мм. Полученные таким образом структуры подвергались электрохимическому травлению в стандартном электролите, представляющем смесь плавиковой кислоты и этанола, взятых в отношении 1:3. В процессе травления обратная сторона пластины освещалась лампой накали­вания мощностью 300 Вт. Образовавшиеся в результате фотогене­рации неравновесные носители концентрировались в области вер­шины ямки травления. Поэтому дальнейшее травление кремния происходило строго по нормали к поверхности подложки. Процесс проводили в гальваностатическом режиме при плотности тока 20 мА/см². При этом удалось получить отверстия глубиной до 20 мкм со строго вертикальными стенками [9].

 

1.10.2. Химическое травление структур КНИ

 

Химическое травление использовалось, во-первых, для получе­ния сверхтонких пластин монокристаллического кремния, которые затем могут применяться для изготовления микромеханических устройств, а также структур КНИ с нестандартной толщиной рабо­чей области, а во-вторых, как альтернативный метод формирования пористого кремния, являющийся технологически более простым.

Получение тонких пластин монокристаллического кремния. Для получения тонких пластин монокристаллического кремния не­обходимо выполнение двух условий: полирующий характер трав­ления и высокая скорость процесса. Исследовался процесс травле­ния в щелочных растворах на основе гидроксида калия и неводных растворителей, таких как изопропанол, этиленгликоль, глицерин. Применение этиленгликоля и в особенности глицерина позволило значительно поднять температуру процесса и, тем самым, повысить его скорость. Полученные в ходе эксперимента результаты сравни­вались с данными по травлению кремния в водных травителях ана­логичной концентрации. Подтвержден тот факт, что независимо от типа растворителя скорость травления кремния закономерно уве­личивается с ростом концентрации дырок. При одной и той же температуре скорость травления растет с ростом диэлектрической проницаемости растворителя, достигая максимума для растворов на основе воды. Этот факт объясняется, во-первых, повышением степени диссоциации гидроксида калия, а во-вторых, увеличением коэффициента активности гидроксид-иона. Однако в силу того, что в растворах на основе этиленгликоля и глицерина травление можно проводить при температурах, превышающих 150 ºС, скорость трав­ления в этих травителях в конечном счете оказывается значительно выше. Уменьшение скорости травления с ростом вязкости раство­рителя вполне объяснимо, так как скорость полирующего травле­ния контролируется диффузией. Относительно высокая скорость травления в растворах на основе глицерина, вероятно, определя­ется его способностью связывать продукты реакции в комплекс и тем самым увеличивать скорость их увода из реакционной зоны.

Химическое формирование слоя пористого кремния. Метод химического формирования пористого кремния является более технологичным и простым по сравнению с электрохимическим методом, так как требует более простой оснастки и менее критичен к марке и типу кремния. К его недостаткам следует отнести малую (менее 3 мкм) толщину пористого слоя, что может затруднить его использование в качестве стоп-слоя в технологии структур КНИ. Образование пористого кремния при его химическом травлении происходит в том случае, если лимитирующей стадией процесса является окисление кремния. Поэтому химическое формирование пористого кремния ведут в кислотных травителях на основе азотной и плавиковой кислот при очень малом содержании первой. В этом случае травление кремния происходит в отдельных точках поверхности, что способствует формированию слоя ПК.

Была исследована кинетика этого процесса, для чего использо­вались растворы, в которых содержание плавиковой кислоты по отношению к азотной менялось от 1:400 до 1:100, причем концен­трация плавиковой кислоты оставалась постоянной [9]. Для экспе­риментов использовались пластины монокристаллического крем­ния марки КЭФ 4,5 диаметром 100 мм. Скорость формирования пористого кремния определялась по уменьшению массы пластины, для чего она взвешивалась на аналитических весах с точностью до 0,0001 г до и после процесса. При этом удалось установить, что формирование пористого кремния происходит в кинетическом ре­жиме, длительность которого не превышает 10 мин. В диффузион­ном режиме идет равномерное травление слоя, так что слой порис­того кремния почти без изменений переносится параллельно са­мому себе. Зависимость скорости формирования слоя ПК от кон­центрации азотной кислоты описывается уравнением V ~[HNO₃]². При отношении плавиковой кислоты к азотной 1:50 формирование пористого кремния прекращается и заменяется обычным химиче­ским травлением.

 

1.10.3. Плазмохимическое травление структур КНИ

 

Исследование процессов ПХТ кремниевых структур проводи­лось с целью оптимизации технологических параметров, значений скорости травления кремния и обеспечения высокого качества об­рабатываемых поверхностей.

Для экспериментов в качестве рабочего газа использовалась шестифтористая сера SF₆, а также смесь состава SF₆+O₂. Кроме того, в число регулируемых технологических параметров входили: расстояние между электродами, мощность разряда, расход и рабо­чее давление газовой смеси.

В ходе экспериментов определялась область изменения техно­логических параметров, в пределах которой предполагался поиск оптимального режима ПХТ.

В ходе исследований были получены следующие результаты.

Влияние изменения расстояния между электродами на качество травления не обнаружено. В дальнейших экспериментах расстоя­ние между электродами было зафиксировано и составляло 25 мм. При изменении мощности разряда от 50 до 300 Вт скорость травле­ния пропорционально увеличивалась от 0,1 до 0,6 мкм/мин. При мощности разряда свыше 300 Вт было отмечено более резкое уве­личение скорости травления, что связано, по-видимому, с появле­нием ионного распыления. При мощности разряда менее 60 Вт на поверхности обрабатываемой структуры осаждалась полимерная пленка черного цвета. При мощности разряда более 150 Вт на по­верхности обрабатываемой структуры появлялась матовость, ин­тенсивность которой возрастала по мере увеличения мощности разряда. В дальнейших экспериментах мощность разряда была за­фиксирована и составляла 100 Вт.

При изменении давления газа SF₆ в камере от 15 до 100 Па ско­рость травления сначала медленно уменьшалась (в диапазоне дав­лений 15 – 30 Па) от 0,25 до 0,2 мкм/мин, а затем резко падала, и при давлениях свыше 50 – 60 Па травление практически прекраща­лось. В диапазоне давлений 15 – 20 Па наблюдалась неравномер­ность травления кремниевой структуры. Влияния изменения давле­ния газа SF₆ на качество обрабатываемой структуры практически не обнаружено. В дальнейших экспериментах давление газа SF₆ было зафиксировано и составляло 25 Па.

При изменении расхода газа SF₆ в пределах от 3,6 до 7,2 л/ч скорость травления кремния возрастала от 0,2 до 0,3 мкм/мин. Дальнейшее увеличение расхода газа было ограничено возможно­стями откачной системы. Влияния изменения расхода газа SF₆ на качество обрабатываемой структуры практически не обнаружено.

Заметное влияние на скорость травления оказывает добавка ки­слорода. Было установлено, что зависимость скорости травления кремния от содержания кислорода в газовой смеси SF₆+O₂ может быть описана кривой в виде обращенной параболы с максимумом в точке. При этом скорость травления увеличивается примерно в 2 раза и достигает 0.4 мкм/мин. Однако на поверхности кремниевой структуры при содержании кислорода в смеси (SF₆ + O₂) более 5отн% появлялись кристаллиты. Вероятная причина их появления связана с увеличением анизотропии травления при добавлении ки­слорода. В этом случае появление кристаллитов обусловлено де­фектами на поверхности кремниевой структуры, которые травятся с меньшей скоростью. По этой причине кислород в дальнейших экспериментах не использовался.

В результате проведенных экспериментов были выбраны опти­мальные технологические параметры ПХТ кремниевых пластин и макетов структур КНИ: рабочий газ – SF₆, расход рабочего газа – 3,6 л/ч, давление рабочего газа – 25 Па, мощность разряда – 100 Вт. В этом режиме скорость ПХТ кремниевой структуры составляла 0,2 мкм/мин. Характер травления был полирующим, и качество травления было высоким (качество обработанной поверхности полностью соответствовало качеству исходной поверхности).

 

1.10.4. Ионная имплантация и эпитаксиальное наращивание, используемые для получения структур КНИ

 

Приборный слой структур Unibond отличается от приборного слоя других составных структур КНИ наличием в них радиацион­ных дефектов, порождённых имплантацией ионов водорода. На­ряду с дефектами, образованными частицами-инденторами, дефор­мациями приборного слоя на выемках и выпуклостях реально не­плоской поверхности опорной пластины, имеющиеся радиацион­ные дефекты определяют общий уровень плотности распределения дислокаций в приборном слое на уровне 10²÷(2 – 3)·10⁴ см^-2. Тща­тельная очистка пластин перед сращиванием позволяет понизить плотность таких дефектов до ~ 10² см^-2.

Шероховатость внешней поверхности приборного слоя после его отщепления от приборной пластины больше шероховатости ис­ходных кремниевых пластин. Поэтому первыми разработчиками технологии smart-cut предусматривалась лёгкая химико-механиче­ская полировка внешней поверхности приборного слоя, в резуль­тате которой они доводили шероховатость до S_a = 0,15 (средне­квадратичное значение высоты выступов). Уменьшить указанную шероховатость можно также лёгким полирующим травлением, окислением, термомиграцией (термообработкой в водороде).

Однородность толщины приборного слоя определяется в ос­новном нестабильностью энергии имплантируемых ионов водорода и непостоянством угла их падения на поверхность приборной пластины при сканировании пучка. Современные имплантеры по­зволяют изготавливать структуры с неоднородностью толщины приборного слоя на уровне 2 – 5%.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 1

 

1. Nakamura. T. Method of Making a Semiconductor Device. U.S. Patent № 3,239,908, 1962.

2. Cave. E. F. Method of Making a Composite Insulator Semi-conductor Wafer. U.S. Patent № 3,290,760, 1966.

3. New SOI Technology . Techno Japan. 1987. V. 20. № 5. Р. 354.

4. Frank Goodenough. New processes to spawn next-generation analog, mixed-signal, power Ics // ED. 1992. № 1. Р. 59 – 62, 64 – 66, 68, 70.

5. Akio N., Yochihiro Y., Kiminori W., Hiromichi O., Masaru S. 1800v non-latch-up bipolar-mode MOSFETs (IGBT) fabricated by silicon wafer direct bonding. Extend. Abstrs 18 (1988 Ynt.). Conf. State Devices and Mater., Тоkуо. 20 – 22, 1986. Р. 88 – 92.

6. Nakadawa A., Ymamura K., Furukawa K. 1800v Bipolar-Mode MOSFETs (IGBT) // Toshiba Review. № 161, Autumn 1987.

7. Александров П.А., Баранова Е.К. и др. Применение ионной имплантации водорода в КНИ-технологии // Известия вузов. Электроника. 2000. № 5. С. 17.

8. Givargizov E.I., Limanov A.B. Artificial epitaxy (graphoepitaxy) as an approach to the formation of SOI // Microelectronic Eng. 1988. V. 8. № 1. P. 273.

9. Суворов А.Л., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. и др. Анализ преимуществ, перспектив применений и технологий производства структур КНИ: Препринт ИТЭФ 27–00, 2000. 51 с.

10. Pandy R., Martinez A. Large-area defect-free silicon-on-insulator films by zone-melt recrystallization // Appl.phys.lett. 1988. V. 52. P. 901 - 903.

11. Skorupa W. Ion beam processing for silicon-on-insulator. Physical and Tecnical Problems of SOI Structures and Devices. J.P.Colinge et al. (eds). Kluwer Academic Publishers. NATO ASI Series 3.Нigh Technology.1995. V. 4. Р. 39 – 54.

12. Fan J.C.C., Geis M.W., Tsaur B.-Y. Lateral epitaxy by seeded solidification for growth of single-crystal Si films on insulator // Appl. Phys. Lett. 1981. V .38. P. 365 – 367.

13. Allen L.P., Farley M., Datta R, Jones K.S. et al. Fundamental Material Analysis and SIMOX Improvement as a Function of Independent Implant Parameter Control // IEEE SOI Conference. 1996. P. 32 – 33.

14. Anc M.J., Allen L.P. et al. Characterization of Low Dose SIMOX for Low Power Electronics // IEEE SOI Conference. 1996. P. 54 – 55.

15. Maszara W.P. Silicon-on-Insulator by Wafer Bonding: a Review // J. Electrochem.Soc. 1991.V.138. № 1. P. 341 – 347.

16. Мальцев П.П., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П. Перспек-тивы развития технологии кремний-на-изоляторе // Известия вузов. Электроника. 1998 № 5. С. 5.

17. Furuhawa M. Silicon-to-Silicon direct bonding method // J.Appl.Phys. 1986. V. 60. № 8. P. 2987 – 2989.

18. Масару С. Технология прямого соединения кремниевых пластин и ее применениe. // Дэнси дзеко цуены гаккаиси. J. Inst. Electron. аnd Соmmun. Еng. Jар. 1987. V. 70. № 6 P. 593 – 595.

19. Field L. A., Muller R. S. Low-temperature silicon-silicon bonding with oxides // Acts polytechn. seand. Elec. End. Sr. 1988. № 63. P. 151 – 153.

20. Maszara W.P.,Goetz G., Cavigilia A. Mc.Kitterick J.B.  //. J. Appl. Phys. 1986. V. 64. № 10. P 1943 – 1950.

21. Tong Q.-Y., Lee T.-H., Goesele U., Reiche M., Ramm Y., Beck E. // J. Electrochem.Soc. 1997. V. 144. № 1. P. 384 – 389.

22. Stengl R, Tan T, Goesele U. // J. Appl. Phys. 1989. V. 28. № 10. P. 1735 – 1741.

23. Albaugh K.B., Cade P.E. Mechanisms of anodic bonding of silicon to pyrex. Tech. Dig., Solid-State Sensor and Actuator Workshop. 1988. P. 109 – 110.

24. Kanda Y., Matsuda K., Murayama C., Sugaya J., The mechanism of field-assisted silicon-glass bonding // Sensors and Actuators. 1990. V. A21-A23. P. 939.

25. Jeung Sang Go, Young-Ho Cho. Experimental evaluation of anodic bonding process based on the Taguchi analysis of interfacial fracture toughness // Sensors and Actuators. 1999. V. 73. P. 52 – 57.

26. Carison D.E. Ion depletion of glasses at a blocking anode: I. Theory and experimental results for alkali silicate glass // J. Am. Ceram. Soc. 1974. V. 57. P.291.

27. Albaugh K.B. Electrode phenomena during anodic bonding of silicon to sodium boro-silicate glass // J. Electrochem. Soc. 1991. V. 138 P. 3089.

28. Lange K., Grigull S.,  Harz M.,  KieissigU., B. Schmidt B. Ion drift behaviour in borosilicate glasses during anodic bonding to silicon or metals // PV 95-7. The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ, 1995, P. 371.

29. Cozma A., Puers B. Characterization of the electrostatic bonding of silicon and PYREX glass // J. Micromech. Microeng. 1995. V. 5. P. 98.

30. McIntyre D., Lim M., Tatic-Lucic S., Ames J., Boardman B., Jaramillo P., Starr L. Bond-quality characterization of silicon-glass anodic bonding // Sensors and Actuators A: Physical. 1997. V. 60. P. 223 – 227.

31. Masayoshi Esashi, Akira Nakano, Shuichi Shoji and Hiroyuki Hebiguchi. Low-temperature silicon-to-silicon anodic bonding with intermediate low melting point glass // Sensors and Actuators 1990. V. А21 – А23. P. 931 – 934.

32. Anthony T.R. Anodic bonding of imperfect surfaces // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. № 5. P. 2419 – 2428.

33. Щербачев Д.Р., Сорокин И.Н., Цветков Д.В., Назаров Н.Г. Моделирование кинетики роста барьерного анодного оксида // Электрохимия. 1991. Т. 27. С. 1121.

34. Овчинников B.B. // Электрохимия. 1988. Т. 24. С. 1163.

35. Ghowsi К., Gale R. // J. Electrochem. Soc. 1989. V. 136. P. 867.

36. Одынец Л. Л. // Электрохимия. 1984. Т. 20. С. 463.

37. Дель Ока С. Дж., Пулфи Д. Л., Янг Л. Физика тонких пленок. Т. 7. М.: Мир, 1973. С. 7 – 98.

38. Юнг Л. Анодные оксидные пленки. Л.: Энергия, 1967. С. 5 - 59.

39. А.с. 57-109920 Япония. Способ контроля параметров подложки с эпитаксиальным слоем Hагата Кохэй, Фудзицу К.К. 1982.

40. Аlbella J. М., Montero I., Sanchez O., Martinez-Duart J. M. // J. Electrochem. Soc. 1986. V. 133. P. 876

41. Способ изготовления тонких пластин кремния. Реутов В.Ф., Ибрагимов Ш.Ш. СССР 1282757, 30.12.1983.

42. Готра Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. М.: Радио и связь, 1991. С. 231.

43. Bruel M. Smart-Cut Technology: Basic Mechanisms and Applications NATO. Advanced Research Workshop: Perspectives, Science and Technologies for Novel Silicon on Insulator Devices. Kiev, October 12-15, 1998. Т. 1, P. 9.

44. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Суворов А.Л., Шарков Б.Ю., Залужный А.Г., Графутин В.И., Козодаев М.А. Особенности технологии изготовления КНИ структур прямым сращиванием пластин кремния и контроля их качества. M., Препринт ИТЭФ. 2000. № 24. 20 с.

45. Maszara W.P.,Goetz G., Cavigilia A. Mc.Kitterick J.B. Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator // J. Appl. Phys. 1986. V. 64. № 10. P. 1943 – 1950.

46. Stengl R, Tan T, Goesele U. A model for the silicon wafer bonding process // Japan J. Appl. Phys. 1989. V. 28. № 10. P. 735 - 1741.

47. Tong Q.-Y., Lee T.-H., Goesele U., Reiche M., Ramm Y., Beck E. The Role of Surface Chemistry in Bonding of Standart Silicon Wafers // J. Electrochem. Soc. 1997. V. 144. № 1. P. 384 – 389.

48. Sensor Technology Devices Ed. Ljubisa Rustic. Boston - London: Artech House, 1994. P. 157 – 201.

49. Прокопьев Е.П., Петров С.В. Модель сращивания пластин кремния по данным газовыделения. М., 1996. С. 103 – 112. - Деп. в ЦНИИ "Электроника". Р-5502.

50. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Особенности процесса прямого соединения пластин кремния // Материаловедение. 1999. № 5. С. 43 – 45.

51. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дягилев В.В. Движение и залечивание пор и полостей вблизи границы сращивания стандартных пластин кремния// Известия вузов. Электроника. 1998. № 5. С. 39 – 44.

52. Алесковский В.Б. Курс надмолекулярных соединений. Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленгосуниверситета, 1990. 284 с.

53. Алесковский В.Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений. Л.: Наука, 1976. 140 с.

54. Алесковский В.Б. Химия твердых веществ. М.: Высшая школа, 1978. 258 с.

55. Малыгин А.А. Метод молекулярного наслаивания - основа химической нанотехнологии материалов твердотельной электро­ники// Петербургский журнал электроники. 1996. № 1. С.22.

56. Кольцов С.И. Химическое конструирование твердых ве­ществ. Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1990. 48 с.

57. Алесковский В.Б. Химия надмолекулярных соединений. Учеб. пособие. Спб Изд-во С. - Петербург. ун-та, 1996. 256 с.

58. Малыгин А.А. Химическая сборка поверхности твердых тел методом молекулярного наслаивания // Соросовский образователь­ный журнал. 1998. № 7. С. 58.

59. Tong Q.-Y., Goesele U. A Model of Low-Temperature Wafer Bonding And Its Applications // J. Electrochem. Soc. 1996. V. 143. № 5. P. 1773 – 1779.

60. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П.  Определение энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации трещины между поверхностями сращивания: Обзор // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 1999. № 3. С. 45 – 49.

61. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Возможность прямого со­единения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания // Материалове­дение. 1999. № 4. С. 49 – 51.

62. Tong Q.-Y., Goesele U. Wafer Bonding and Layer Splitting for Microsystem // Adv. Mater. 1999. V. 11. № 17. P. 1409 – 1425.

63. Tong Q.-Y., Goesele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology. Wiley, New York. 1998. 326 c.

64. Попов В.П. Создание КНИ структур для ультра больших интегральных схем // Известия вузов. Электроника.1998.№ 5. С. 22.

65. Meuris M., Merteus P.W., Opdebeeck A. The IMEC clean: A new concept for particle and metal removal on Si surfaces // Solid State Technology. 1995. V. 38. № 7. P. 109.

66. Wolke K. Marangoni wafer drying avoids disadvantages // Solid State Technology. 1996. V. 39. № 8. Р. 87 – 90.

67. Britten J.A. A moving-zone Marangoni drying process for critical cleaning and wet processing // Solid State Technology. 1997. V. 40. № 10. Р. 143 – 148.

68. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Мясищева Г.Г., Фунтиков Ю.В. Позитроника ионных кристаллов, полупроводников и металлов. М.: МИЭТ (ТУ), 1999. 176 с.

69. Spierings G.A.S.M., Haisma J. In Semiconductor Wafer Bonding // Science, Technology and Applications U.Gosele, T.Abe, T.J.Letavic, R.D.Pinker and E.Arnold (eds.), The Electrochemical Society Proc. 1992. V. 92 – 7. P. 18 – 31.