Получение структур кни с использованием методов химической обработки и сращивания кремниевых пластин

Вид материала

Документы

Содержание 5.2. Использование процессов химической обработки для получения структур КНИ 5.3. Исследование характеристик структур КНИ, полученных методами сращивания кремниевых пластин и газового скалывания 5.4. Результаты разработки процесса формирования островковых структур КНИ Список литературы к главе 5

Подобный материал:

• Технология прямого сращивания пластин кремния и технологические маршруты изготовления, 689.61kb.
• Технология прямого, 498.19kb.
• Технология прямого, 496.93kb.
• Рабочей программы дисциплины Структуры и алгоритмы обработки данных по направлению, 21.62kb.
• Исследован паразитный биполярный эффект в кни моп транзисторах. Создана модель взаимодействия, 28.42kb.
• Рабочая программа по дисциплине "Организация ЭВМ и систем" для специальности 230102, 93.42kb.
• Методика проектирования инструмента. Содержание рабочего чертежа на него. Формы, геометрия, 172.74kb.
• Правила обработки и анализа результатов эксперимента с использованием методов математической, 47.52kb.
• Тема 7: Организации обучения с использованием активных методов, 369.95kb.
• Программа дисциплины структуры и алгоритмы компьютерной обработки данных для специальности, 506.16kb.

Глава 5. ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР КНИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И СРАЩИВАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН

В данной главе приведены технологическая схема изготовления и результаты исследований параметров структур КНИ, полученных методами сращивания подложек для изготовления ИС, полупро­водниковых приборов, микромеханических устройств и сенсоров специального назначения.

5.1. Влияние химической обработки на контактную разность потенциала поверхности пластин Si

В процессе обработки и послеоперационного контроля на по­верхности полупроводниковой пластины адсорбируются молекулы воды в виде отдельных диполей или фрагментов, имеющих малый дипольный момент, либо образуются водородные связи. Измере­нием величины контактной разности потенциала (КРП) контроли­ровалось состояние поверхности пластин кремния в процессе по­лучения структур КНИ [2–6]. Для оценки количества воды, сорби­рованной поверхностью кремния в атмосферных условиях, исполь­зовался метод тепловой десорбции с использованием масс-спек­трометра МХ-7302 при температурах до 900 С.

Результаты исследований показали, что снижение КРП (на 0,6 В в диапазоне температур от 100 до 900 С) после термообработки связано с удалением молекул Н₂О и групп ОН, сорбированных на поверхности кремния (иными словами, с приобретением поверхно­стью пластины гидрофобных свойств). Наибольшее изменение КРП, имеющее место при температурах обработки 300 – 400 С, согласуется с температурным диапазоном максимальных потерь воды.

В течение нескольких часов после химической обработки под­ложек в атмосферных условиях значения КРП стабилизируются и далее практически не меняются. Это объясняется появлением есте­ственного слоя оксида кремния на поверхности пластин кремния [1].

5.2. Использование процессов химической обработки для получения структур КНИ

Процесс получения структур КНИ проводился с использова­нием различных методов сращивания полупроводниковых пластин: непосредственного термокомпрессионного сращивания (НТКС) двух поверхностей Si пластин, сращивания с использованием рас­плавления стекловидного слоя [7–16]. Для подготовки поверхности Si пластин использовались различные методы химической обработки. Проводилось частичное изменение режимов обработки, в частности, снижалась температура смеси NH₄OH/H₂O₂/H₂O для уменьшения агрессивного воздействия на поверхность подложек.

Последовательная обработка подложек аэрозольно-капельным распылением растворов H₂ SO₄, H₂O₂ осуществлялась в объемном соотношении 4:1, при температуре 110 С, в течение 90 с; затем проводилась обработка в растворе смеси NH₄OH/H₂O₂/H₂O в объемном соотношении 1:2:12, при температуре 20 С, в течение 4 мин; в заключение осуществлялась отмывка в воде и сушка.

Обработка подложек погружением в раствор смеси NH₄OH/H₂O₂/H₂O осуществлялась в объемном соотношении 1:1:6,5, при температуре 20 С, в течение 10 мин, с применением звуковых волн частотой 850 кГц, мощностью 250 Вт; далее прово­дились отмывка в воде и сушка.

Подготовленные поверхности полупроводниковых пластин при­водились в соприкосновение друг с другом в обеспыленной атмо­сфере. Для этого применялось устройство, позволяющее соединять Si пластины непосредственно после химической обработки (рис.4.5). Пластины, "слипшиеся" за счет возникших сил адгезии, отжигались в окислительной атмосфере.

На рис.5.1, 5.2 представлены схемы пластин в зависимости от свойств поверхности, полученных в результате химической обработки пластин Si (гидрофобной после обработки в травителях оксидных слоев и гидрофильной после обработки в растворах H₂SO₄/H₂O₂, NH₄OH/H₂O₂/H₂O).





Рис. 5.1. Схема соединения гидрофильных поверхностей пластин Si






Рис. 5.2. Схема соединения гидрофобных поверхностей пластин Si


Сращивание Si пластин также проводили с использованием на­несенного на поверхность Si бариево-алюмо-силикатного стекла (BaO–Al₂O₃–SiO₂), синтезированного в высокочастотной индукци­онной плазме.

Использование стекла позволило снизить требования, предъяв­ляемые к качеству обработки и отмывки соединяемых поверхно­стей и дало возможность соединять различные поверхности, упрощая процесс подготовки и соединения. Однако возможная диффузия примеси в рабочий слой Si пластины при длительных термообработках при высокой температуре ограничивает применение данного метода.

На рис.5.3 представлен скол кремниевой структуры, полученной после химической обработки, имплантации ионов водорода с энергией 100 кэВ, дозой 4,5∙10¹⁶ см² и термического отжига кремниевой пластины при T = 450 C; t = 20 мин в процессе получения структур КНИ с тонкими изолированными слоями методом газового скалывания.





Рис. 5.3. Микрофотография скола кремниевой структуры после имплантации ионов водорода и термического отжига пластины при T = 450 C; t = 20 мин (изображение получено с использованием РЭМ)


Получение структур с толщиной рабочего слоя более 5 мкм проводили методами сращивания подложек и последующего химико-механического удаления части рабочей пластины до заданной толщины.

Рассмотренными методами были получены структуры КНИ для производства ИС с повышенной радиационной и термической ус­тойчивостью, а также элемнты микроэлектромеханических систем специального назначения [1].

5.3. Исследование характеристик структур КНИ, полученных методами сращивания кремниевых пластин и газового скалывания

На основе анализа литературных данных и практического опыта по изготовлению структур КНИ с применением механического и плазменного утончения приборной пластины разработан техноло­гический маршрут изготовления структур КНИ методами сращива­ния и газового скалывания, представленный в главе 2. Ключевой операцией этого маршрута является подготовка поверхности опор­ных и приборных пластин перед их стыковкой, и контроль состоя­ния стыкуемых поверхностей. Ниже подробнее рассмотрены осо­бенности операций маршрута.

Имплантация ионов водорода в приборную пластину сопровож­дается процессами, которые могут приводить к загрязнению по­верхности слоя оксида и приборного слоя металлами, распыляе­мыми с конструкций имплантера. Для исключения загрязнения на данной технологической операции поверхность рабочей Si пла­стины окислялись. После имплантации перед стыковкой пластин слой SiO₂ стравливали.

Стыковку пластин выполняли на воздухе и в вакууме сразу по­сле их жидкостной химической обработки и сушки. Операцию стыковки выполняли вручную.

Отщепление части приборной пластины от сращенной струк­туры выполняли путем быстрого, со скоростью более 50 °С/мин, нагрева состыкованной структуры в специализированной печи СДО. Такая скорость нагрева достигалась быстрым вводом ло­дочки со структурами в горячую зону печи, имеющую температуру 600 С.

Процессы химической обработки и травления поверхности Si пластин применялись:

1. Перед окислением опорной и приборной пластин

- аэрозольно-капельным распылением растворов H₂SO₄/H₂O₂, NH₄OH/H₂O₂/H₂O;

- погружением в раствор NH₄OH/H₂O₂/H₂O с использованием мегазвуковой энергии;

2. При удалении слоя оксида кремния после имплантации водорода:

- травлением слоя оксида кремния в 10%-м водном растворе плавиковой кислоты;

3. При активации поверхностей приборной и опорной пластин:

- аэрозольно-капельным распылением растворов H₂SO₄/H₂O₂, NH₄OH/H₂O₂/H₂O;

- обработка в воде в течение одного часа.

На основе разработанных процессов химической очистки были получены образцы по технологии сращивания и последующего утончения (аналог BESOI) и технологии сращивания и газового скалывания (аналог smart-cut). Качественную оценку степени со­вершенства кристаллической структуры изолированных кремние­вых слоев структур КНИ осуществляли на основе анализа кривых качания. Полуширина дифракционных пиков кривых качания от поверхности приборного слоя полученных структур КНИ соста­вила 20 – 25", что близко к аналогичным параметрам исходных кремниевых пластин. Данный результат свидетельствует о низкой дефектности кремниевых слоев структур КНИ и отсутствии в них значительных напряжений. Исследования сколов и шлифов полу­ченных структур на оптическом, растровом электронном, атомно-силовом микроскопах, а также неразрушающий контроль много­слойных структур методом ИК-фотометрии показали, что в об­ласти спая структур отсутствуют как макро-, так и микродефекты – несоединившиеся участки, полости, поры.

По технологии сращивания подложек и газового скалывания были изготовлены опытные образцы структур КНИ, предназначен­ные для производства радиационно-стойких ИС со следующими характеристиками:

- диаметр структур, мм……………………….………100, 150;

- удельное сопротивление, Ом∙см ………………………….20;

- толщина изолированного слоя Si, мкм…………..0,5, 0,8, 37;

- тип используемого диэлектрического слоя.…………….SiO₂;

SiO₂/Si₃N₄/SiO₂ + многокомпонентное стекло (BaO/Al₂O₃–SiO₂);

- толщина изолирующего слоя диэлектрика, мкм…1,2; 4 – 10;


- тип опорной подложки………..КЭФ-4,5 (100), КДБ-12 (100),

КДБ-10 (111), стекло ЛК 105;

- толщина структуры, мкм……………………...460-525, 2000.

На границе газового скалывания наблюдаются неровности по­верхности приборного и рабочего слоев структуры КНИ, вызван­ные разрывом пор, образующих нарушенный слой (рис. 5.4). Эти неровности удаляются последующей суперфинишной химико-механической полировкой.





Рис. 5.4. Поверхность приборного слоя структуры КНИ, полученной газовым скалыванием: а – внешний вид поверхности образца сверху; б – профиль шерохо­ватости поверхности; в – внешний вид поверхности в изометрии; г – распределе­ние неровностей поверхности по размерам

5.4. Результаты разработки процесса формирования островковых структур КНИ


На основе процессов сращивания кремниевых пластин через слои многокомпонентного стекла и удаления части рабочей пла­стины кремния была разработана технологическая схема изготов­ления островковых структур КНИ.

1. Подготовка опорных пластин:

1.1. Контроль геометрических, кристаллографических пара­метров пластин, механической и химической чистоты их рабо­чей поверхности.

1.2. Обработка аэрозольно-капельным распылением раство­ров H₂SO₄/H₂O₂, NH₄OH/H₂O₂/H₂O либо погружением в раствор NH₄OH/H₂O₂/H₂O с использованием мегазвуковой энергии.

1.3. Окисление во влажном кислороде или парах воды для получения слоя двуокиси кремния толщиной 1,80,1 мкм.

1.4. Контроль параметров пластин после окисления:

- толщины слоя SiO₂;

- электрофизических параметров слоя SiO₂ (напряжения пробоя, наличия подвижного заряда, плотности зарядовых состояний на границе с кремнием);

- шероховатости окисленной поверхности;

- пористости.

2. Подготовка приборных пластин.

2.1. Контроль геометрических, кристаллографических пара­метров пластин, механической и химической чистоты их рабо­чей поверхности.

2.2. Обработка кремниевых пластин аэрозольно-капельным распылением растворов H₂SO₄/H₂O₂, NH₄OH/H₂O₂/H₂O .

2.3. Диффузия сурьмы.

2.4. Удаление стекла травлением в 10%-ном водном растворе плавиковой кислоты и очистка поверхности аэрозольно-капель­ным распылением растворов H₂SO₄/H₂O₂, NH₄OH/H₂O₂/H₂O.

2.5. Контроль типа проводимости и уровня легирования при­борного слоя.

3. Нанесение стекловидного материала на поверхность полупро­водниковых пластин.

4. Очистка, активация, взаимная ориентация и стыковка опорной и приборной пластин. Обработка пластин кремния аэрозольно-капельным распылением растворов H₂SO₄/H₂O₂, NH₄OH/H₂O₂/H₂O либо погружением в раствор NH₄OH/H₂O₂/H₂O с использованием мегазвуковой энергии.

5. Контроль качества предварительного соединения:

- наличия полостей;

- взаимной ориентации.

6. Термообработка стыкованных пластин. Термическое сращи­вание заготовок структур КНИ.

7. Контроль качества сращивания.

8. Шлифовка приборной пластины и травление в растворе КОН.

9. Контроль параметров структуры после шлифовки и травления в растворе КОН:

- толщины остаточного слоя;

- морфологии поверхности остаточного слоя;

- внешнего вида.

10. Полировка приборной пластины.

11. Контроль параметров КНИ структуры после полировки прибор­ной пластины:

- толщины остаточного слоя;

- морфологии поверхности остаточного слоя;

- внешнего вида.

12. Окончательный контроль структуры:

- внешнего вида, морфологии поверхности и кромки прибор­ного слоя;

- толщины приборного слоя;

- толщины диэлектрического изолирующего слоя;

- типа проводимости приборного слоя;

- уровня легирования приборного слоя;

- плотности кристаллографических дефектов в приборном слое;

- плотности дефектов в изолирующем диэлектрическом слое;

- плотности заряда в изолирующем диэлектрическом слое;

- плотности зарядовых состояний на границе между прибор­ным и диэлектрическим слоями;

- кристаллографической ориентации приборного слоя по от­ношению к опорной пластине;

- подвижности носителей заряда в приборном слое.

Определены параметры изготовленных экспериментальных об­разцов структур. Ниже приведены типовые характеристики экспе­риментальных образцов структур КНИ, являющихся основой для биполярной технологии:

Диаметр структур, мм……………………………..100, 150;

Ширина краевой зоны, на которой

приборный слой отсутствует, мм…………….…..…….3-4;

Общая толщина структуры, мкм…………….……480-720;

Параметры приборного слоя:

- толщина, мкм………………….….…….…8, 12, 18, 36;

- тип проводимости………………..…………..……n, p;

- концентрация носителей заряда, см^-3………..…10¹⁵;

- плотность распределения дефектов,

выявляемых травлением, см^-2………………….…....10;

- неоднородность толщины, %…………………...….10;

- шероховатость внешней поверхности, нм……….…3.

На рис. 5.5 представлено изображение островковой структуры КНИ, полученной на основе разработанной технологической схемы.





Рис. 5.5. Изображение островковой структуры КНИ


Параметры полученных образцов подтверждают перспектив­ность выбранных технологических маршрутов получения структур КНИ. На островковых структурах КНИ были изготовлены работо­способные микросхемы. Полученные результаты подтверждают целесообразность подобного производства на предприятиях микро­электроники для ИС с повышенной радиационной и термической устойчивостью, а также датчиков и элементов микроэлектромеха­нических систем специального назначения.

В результате исследований разработан маршрут изготовления и получены образцы структур КНИ различными методами с исполь­зованием технологических операций сращивания через слои SiO₂, многокомпонентного стекла, а также газового скалывания и раз­личных способов утончения. Исследованы поверхности пластин кремния и приборного слоя структур КНИ, полученных с исполь­зованием указанных методов. Результаты исследований параметров полученных образцов позволяют говорить о перспективности вы­бранных технологических процессов получения структур КНИ.

В ходе изучения работоспособности полученных ИС на основе изготовленных образцов сделан вывод о том, что технология полу­чения структур КНИ методами сращивания кремниевых пластин и газового скалывания, а также утончения (в том числе и технология получения островковых структур КНИ), несомненно, найдёт широ­кое применение в разработке и производстве оптоэлектронных, си­ловых, трехмерных, микроэлектромеха-нических, квантовых и ва­куумно-микроэлектронных ИС, радиационно- и термостойких ИС, различного рода датчиков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 5

1. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Калугин В.В., Дьяч­ков С.А. Очистка и активация поверхности в методе прямого со­единения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания // Оборонный комплекс – научно-техническому развитию России. № 3. 2000. С. 75   85.

2. Жарких Ю.С. и др. Контроль результатов химических обработок кремния безконтактными методами // Микроэлектро-ника. 1980. № 1. C. 82 – 85.

3. Мажулин А.В. Исследование возможности производствен­ного контроля качества отмывки поверхности кремния методом Кельвина // Электронная техника. Сер. Материалы ЭТ. 1981. Вып.1. С. 30, 31.

4. Белановский А.С. Абсорбция и адсорбция на поверхности полупроводников // Обзоры по ЭТ. Сер. Микроэлектроника. 1969. Вып. 58(127). С. 201.

5. Абессонова Л.Н. Влияние толщины окисла на характеристики структуры Si–SiO₂ // Тезисы докладов конференции. Сер. 3. Микроэлектроника. 1989. Вып. 1. С. 17.

6. Александров Е.В Дигностика и контроль физико–химиче­ского состояния поверхности кремниевых пластин методом кон­тактной разности потенциалов // Тезисы доклада конференции. Сер. 3. Микроэлектроника. 1989. Вып. 1.

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

8. Masaru S. Технология прямого соединения кремниевых пластин и ее применение // J. Inst. Electron. аnd Соmmun. Еng. Jар. 1987. V. 70. № 6. P. 593 – 595.

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

10. 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.

11. 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. Vol. 73.P. 52-57.

12. 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.

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

14. Дьячков С.А., Калугин В.В. Анодное соединение элементов микроэлектромеханических приборов // Тезисы докладов Всерос­сийской межвузовской научно-технической конференции "Микро­электроника и информатика – 99". Москва. 1999. C. 62.

15. Tong Q.-Y., Goesele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology // Wiley. New York. 1988.

16. Попов В.П. Создание КНИ-структур для ультрабольших интегральных схем // Известия вузов. Электроника. 1998. № 5. C. 22 – 29.