Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 11 Снижение уровня упругих напряжений в структурах, полученных прямым сращиванием кремния й Т.С. Аргунова, Р.Ф. Витман, И.В. Грехов, М.Ю. Гуткин, Л.С. Костина, Т.В. Кудрявцева, А.В. Штурбин, J. Hrtwig, M. Ohler, E.D. Kim, S.Ch. Kim Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт проблем машиноведения Российской академии наук, 199178 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия European Synchrotron Radiation Facility, Av. des Martyrs-B.P. 220, 38043 Grenoble Cedex, France Power Semiconductor Research Laboratory, Korea Electrotechnology Research Institute, P.O. Box 20, Changwon, 641Ц600 Gyongnam, Rep. of Korea E-mail: argunova@tania.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 9 февраля 1999 г.

В окончательной редакции 10 марта 1999 г.) Упруго-деформированное состояние интерфейса в структурах, полученных прямым сращиванием кремния, было исследовано методами рентгеновской дифракционной топографии и ИК-спектрометрии. Характер контраста, наблюдавшийся на рентгеновских топограммах, и осцилляции интенсивности на ИК-спектрах свидетельствовали о периодическом распределении деформации, обусловленном длиннопериодной микрошероховатостью поверхности сращиваемых пластин. При этом локальная микрошероховатость не превышала 2 и не оказывала заметного влияния на структурное состояние интерфейса. Был проведен сравнительный анализ двух типов структур: (1) с гладким интерфейсом, изготовленных по традиционной технологии сращивания, и (2) с интерфейсом в виде регулярного рельефа. В структурах второго типа было обнаружено снижение уровня деформации более чем на порядок. Предложена модель, объясняющая наблюдавшееся снижение уровня упругих напряжений от сросшихся участков интерфейса как результат упругой релаксации свободных поверхностей полостей искусственного рельефа, выражавшейся в виде их прогиба и перемещения.

Сращивание кремниевых пластин является перспек- щиной 0.5 mm максимальное напряжение в напративной технологией, в последние годы нашедшей про- влении, перпендикулярном границе сращивания равно мышленное применение для изготовления структур, ис- max 9 108 dyn/cm2 = 0.09 GPa [11]. В работе [12] = пользуемых в силовых полупроводниковых приборах и был сделан расчет упругих напряжений, возникающих микроэлектронике [1,2]. Применение этой технологии вследствие сглаживания шероховатых поверхностей кондля создания биполярных приборов основано на сра- тактирующих пластин, по формуле, взятой из теории щивании термически неокисленных пластин кремния Ч контактных напряжений. Полученная величина оказалась так называемое прямое SiЦSi сращивание [3]. Согласно равна max 1 108 dyn/cm2 = 0.01 GPa. Сравнив = модели, предложенной в [4,5], идеальное сращивание значение max с напряжением спонтанного зарождения начинается со слабого электростатического контакта дислокаций в идеальном кристалле, которое было призеркальных поверхностей пластин и завершается в ре- нято равным 2.5 1010 dyn/cm2 = 2.5GPa, авторы зультате отжига формированием бездефектного и нена- пришли к выводу, что напряжения, возникающие в грапряженного SiЦSi интерфейса с прочностью, практически нице сращивания, не влияют на структурное качество равной прочности объемного кремния. Однако путем ис- интерфейса. Однако многочисленные случаи наблюдения следования электрических характеристик p-n-переходов дислокаций вблизи пузырей показывают, что на наив SiЦSi бикристаллах [3,6,7], а также прямыми методами более нарушенных участках интерфеса возможен перенаблюдения структурного качества интерфейса были ход упругой деформации в пластическую. При высокой обнаружены дефекты структуры, оказывающие заметное температуре имеет место скольжение дислокаций на отрицательное влияние на протекание тока через p-n довольно большие расстояния, особенно при прямом переход: аморфные слои [8,9], дислокации [3,7] и газовые SiЦSi сращивании, когда процесс скольжения не затрудпузыри [10]. нен наличием аморфного слоя термического окисла. Но Упругие напряжения в SiЦSiO2ЦSi структурах были и оставаясь на уровне упругой, деформация тем не исследованы рядом авторов [11,12]. В работе [11] был менее влияет на подвижность носителей заряда, что сделан вывод, что непланарность поверхности пластин было отмечено в ряде работ [13,14]. Таким образом, является причиной возникновения упругой деформа- можно сделать вывод, что снижение уровня упругих ции и разориентации плоскостей решетки в области напряжений является актуальной задачей в технологии интерфейса. Было установлено, что для пластин тол- прямого сращивания.

1954 Т.С. Аргунова, Р.Ф. Витман, И.В. Грехов, М.Ю. Гуткин, Л.С. Костина, Т.В. Кудрявцева...

Ранее авторами данной работы был предложен моди- на линии ID-19, где диапазон энергий равен 8Ц100 keV.

фицированный метод прямого сращивания [15Ц17]. В На линии ID-19 источник с фокусом 0.15 0.03 mmмодифицированных структурах интерфейс был специ- (H V) расположен на расстоянии 145 m от исследуально изготовлен в виде регулярной сетки полостей емого образца, что обеспечивает расходимость пучка мезоскопической глубины. Теоретически и эксперимен- 1 0.2 rad2 (H V). Уникальные параметры схемы тально было показано, что дислокации, возникающие позволяют формировать рентгеновский пучок, паралв SiЦSi бикристаллах при разориентированном сращи- лельность и когерентность которого очень слабо завивании, притягивались свободными поверхностями кана- сят от расстояния. Геометрическое разрешение схемы вок. Было продемонстрировано уменьшение плотности меньше 1 m, но разрешение фотоматериала Ч высозарядовых состояний в p-n структурах с рельефным коразрешающих KODAK эмульсий Ч ограничивало его интерфейсом [18Ц19]. величиной 1 m. Эксперименты проводились как в В данной работе мы продолжаем систематическое белом 35Ц50 keV, так и в монохроматическом синхроизучение свойств структур, изготовленных прямым сра- тронном излучении (СИ). Кристалл-монохроматор из щиванием кремния по традиционной [3] и модифициро- высокосовершенного кремния был установлен в симмеванной [15] технологиям. Основное внимание уделено тричное брэгговское отражение (111) для длины волны упруго-деформированному состоянию структур. В статье излучения 0.2.

представлены экспериментальные результаты, получен- Для исследования напряженного состояния интерные методами рентгеновской дифракционной топогра- фейса применялся также метод просвечивающей фии и ИК-спектрометрии, а также некоторые результаты ИК-спектрометрии в интервале длин волн 2.5Ц25 m.

теоретического рассмотрения, более подробное изложение которого будет опубликовано отдельно.

2. Экспериментальные результаты 2.1. Рентгено- дифракционное исследова1. Образцы и методы исследования н и е. В процессе исследования были получены и проОбразцы представляли собой p-n структуры. Исход- анализированы изображения структур с гладким инные пластины были вырезаны из бестигельного кремния терфейсом, а также изображения SiЦSi бикристаллов, ориентации (111) или (100) с удельным сопротивле- интерфейс которых был изготовлен в виде регулярного нием = 30 cm или из кремния, выращенного рельефа. Для гладких структур контраст изображений, по методу Чохральского. Толщина исходных пластин полученных в СИ методе белого пучка, был сходным;

была 0.5-1 mm, диаметр равен 20Ц60 mm. Качество существенные отличия возникали только при перехообработки их поверхности контролировалось методом де к монохроматическим изображениям. Рис. 1 демонатомной силовой микроскопии, и выявленная локальная стрирует рентгеновскую топограмму структуры с гладмикрошероховатость не превышала 2. ким интерфейсом, полученную методом белого пучка.

При модифицированном сращивании рельеф в виде На рисунке можно видеть волнообразное усиление и ортогональной сетки канавок изготавливался на поверх- ослабление интенсивности с периодом приблизительно ности одной из пластин каждой пары при помощи метода 200 m. Зоны сильного контраста вытянуты примерно фотолитографии. Параметры рельефа были следующими: перпендикулярно плоскости рассеяния. Монохроматичеширина канавок Ч 50 m, расстояние между боковы- ские изображения выглядели совсем иначе; они состояли ми стенками ближайших канавок Ч 200 m, глубина канавок Ч 0.3-0.5 m. Перед сращиванием зеркально отполированные пластины подвергались стандартной отмывке и гидрофилизации с последующей промывкой в деионизованной воде с удельным сопротивлением 18 M cm. Для защиты от пыли соединение пластин перед сращиванием производилось в воде. Отжиг образцов проводился при температуре 95C в течение 5 часов, при 1000 Ч в течение 1 часа, а затем при 1100C в течение 2 часов. При соединении пластин мы не соблюдали их кристаллографического соответствия.

Структурное качество пластин и бикристаллов исследовалось методами рентгеновской дифракционной топографии [20]. В данной работе использовались как методы проекционной топографии на коммерческом источнике рентгеновского излучения [21], так и методы синхроРис. 1. Типичная рентгеновская топограмма, полученная тронной топографии [22,23]. Синхротронные эксперисинхротронным методом белого пучка от структуры с глад менты были проведены в Европейском Центре Синхро- ким интерфейсом. Отражение 022, длина волны излучения тронного Излучения (ESRF) в г. Гренобле, Франция, 0.4.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Снижение уровня упругих напряжений в структурах, полученных прямым сращиванием кремния Рис. 2. Схема, объясняющая контраст рентгеновского изображения на рис. 1: a Ч интерфейс синусоидальной формы в бикристаллах без искусственного рельефа: b, c, d Ч рентгеновское отражение от изогнутых плоскостей, представленное в пространстве обратной решетки.

из узких петель, изменявшихся в размере при повороте вить в виде синусоиды с перидом T и амплитудой A0:

образца между склонами его кривой отражения. A(x) =A0 sin(2x/T ) (рис. 2, a). Формирование контраПри изменении межплоскостного расстояния отража- ста схематически представлено на рис. 2, b-d при помощи ющих плоскостей d, обусловленном деформацией образ- построения, выполненного в пространстве обратной реца, условия дифракционного отражения не нарушаются шетки. Для возникновения дифракционного отражения до тех пор, пока в потоке ФнаходитсяФ излучение с нормаль к отражающей плоскости должна быть паралдлиной волны, связанной уравнением ВульфаЦБрэгга лельна дифракционному вектору H(r) =SH - S0, где SH с соответствующим значением d. Поскольку в мето- и S0 Ч радиус-векторы отраженного и падающего пучков де белого пучка непрерывно меняется в широком соответственно, и конец вектора H(r) должен быть интервале значений, чувствительность данной схемы к расположен в пределах узла на сфере Эвальда, размеры изменению деформации является низкой. Однако ма- которого определяются расходимостью S0 и SH пучков лая угловая расходимость СИ обеспечивает высокую (рис. 2, c). Контраст зависит от соотношения между чувствительность схемы к разориентации отражающих величиной угловой расходимости излучения и степенью плоскостей. Следовательно, причиной контраста на рис. 1 отклонения отражающей плоскости от ее положения должен быть наклон плоскостей решетки относительно в совершенном кристалле. Отсутствие дифракционного их положения в недеформированном материале. Еще отражения схематически показано на рис. 2, b,d: конец одним подтверждением локальной кривизны плоскостей вектора H(r) выходит за пределы узла на сфере Эвальда.

в исследованных образцах было наблюдение усиления Оценка величины разориентации плоскостей была выи ослабления контраста в результате фокусировки и полнена в эксперименте по фокусировке и дефокусировдефокусировки отраженной интенсивности. На источни- ке изображения. На источнике синхронного излучения ке синхротронного излучения путем изменения рассто- путем изменения расстояния пленкаЦобразец от 10 cm яние пленка-образец был установлен интервал расстоя- до 1 m было установлено, что наилучшая фокусировний, при котором достигается наилучшая фокусировка ка изображений достигалась в интервале расстояний изображений. 10-30 cm. При использовании белого пучка рентгеновДля объяснения периодического распределения рент- ских лучей максимальный наклон плоскостей, равный геновской интенсивности на рис. 1 изменение кривизны 2A0/T0, фокусировал отраженные лучи на расстоянии плоскостей решетки вблизи интерфейса можно предста- f =(T0)2/(82A0). Для T0 = 200 mи f0 = 30 cm макФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1956 Т.С. Аргунова, Р.Ф. Витман, И.В. Грехов, М.Ю. Гуткин, Л.С. Костина, Т.В. Кудрявцева...

Вработе [11] SiЦSiO2ЦSi композиции были исследованы методами плосковолновой рентгеновской топографии и дифрактометрии, а гладкость поверхности пластин оценивалась при помощи профилометра. Было показано, что период чередования черно-белого контраста на рентгеновских топограммах коррелировал с периодом микрошероховатости поверхности пластин. Был сделан вывод, что периодический характер рентгеновского контраста обусловлен периодически распределенной микрошероховатостью поверхности сращиваемых пластин.

огично предположить, что и в нашем случае наиболее вероятной причиной возникновения деформации и разориентации кристаллических плоскостей вблизи интерфейса является микрошероховатость поверхности. По данным метода атомной силовой микроскопии, микрошероховатость пластин не превышала 2. Однако эти измерения проводились в области площадью не более (1 1) m2. Методы рентгеновской топографии имеют существенно большее поле зрения и позволяют выявить Рис. 3. Рентгеновская проекционная топограмма, полученная волнистый характер интерфейса в SiЦSi бикристаллах, методом БергаЦБарреттаЦНьюкирка на коммерческом источнипериод которого T 200 m.

ке излучения. Отражение 224, CuK.

На рентгеновских топограммах от структур с интерфейсом в виде периодического рельефа, распределение контраста было существенно другим. На рис. 3 показана симальная разориентация была равна примерно 10 углопроекционная топограмма такой структуры, полученная вым секундам. Столь слабые искажения могли быть в геометрии Брэгга (отражение) на коммерческом исзарегистрированы благодаря высокой чувствительности точнике рентгеновского излучения. Из рис. 3 видно, схемы.

что максимальное изменение интенсивности наблюдаИзображения замкнутых петель, которые наблюда- ется вблизи краев полостей искусственного рельефа.

ись в монохроматическом излучении, не могли быть Для проекционных топограмм, полученных в потоке объяснены на основе эффекта разориентации. Наиболее излучения с расходимостью существенно большей, чем вероятной причиной их возникновения на топограммах расходимость синхротронного излучения, контраст не является упругая деформация кристаллической решетки.

может быть объяснен на основании эффектов слабой При установке образца в геометрии Лауэ (прохождение) разориентации и слабой деформации, описанных ранее.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам