Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология прямого сращивания пластин кремния и технологические маршруты изготовления структур КНИ

1. Анализ перспектив применения структур КНИ

1.1 Преимущества структур КНИ перед структурами на основе объемного кремния

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.

1.2 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].

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]

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.

1.3 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 Е составляет 50 Е. 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

Таблица 1.3Схемы некоторых методов изготовления составных структур КНИ

• 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 1.4Характеристики наиболее известных промышленных технологий получения структур КНИ

Параметры	SIMOX	ELTRAN	SMART-CUT
Плотность электрически активных кристаллографических дефектов, см-2:
в приборном слое	104-106	102-104	102
в изолирующем диэлектрическом слое	101	0,1	0,1
Наивысшая температура термообработок, используемых при изготовлении структур, С	1300	1040	1150
Производительность лимитирующего оборудования, структур диаметром 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:

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

имплантация ионов водорода в приборную пластину;

стыковка и первый предварительный контроль полостей и прочности прихвата;

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

Окончательное сращивание приборного слоя с опорной пластиной;

окончательный контроль (геометрических и электрофизических параметров структур КНИ).

Таблица 1.5Технологический 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)
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
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 имплантированного водорода в приборной пластине	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
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.

1.4 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 ? 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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).

1.5 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.

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.

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…450С [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

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 710¹⁶ 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].

1.6 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).

Размещено на http://www.allbest.ru/

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).

1.7Скалывание 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.

1.8 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 Омсм, 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 МОмсм², 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.

1.9 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 2.210^_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 3610^_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.