1.10 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].

1.11 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 Е 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 1000Е и однородностью по толщине 50Е 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 єС, 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 ч 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 = 8.5, = 9), а также щелочная среда (pН = 11,2ч11,6) 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 ч 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.

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 ч 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 800600 нм для кремния n- типа и 500500 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].

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 єС, 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.

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).

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 10²ч(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

кремниевый пластина химический механический

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.

Размещено на Allbest.ru