научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР КНИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И СРАЩИВАНИЯ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР КНИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И СРАЩИВАНИЯ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ»

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР

621.382

ПОЛУЧЕНИЕ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР КНИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И СРАЩИВАНИЯ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ

© 2004 г. С. П. Тимошенков1, В. В. Калугин1, Е. П. Прокопьев2

Московский институт электронной техники (Технический университет) 2ГНЦ РФ. Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва E-mail: epprokopiev@mail.ru; spt

chem.miee.ru Поступила в редакцию 25.09.2003 г.

В данной работе приведено описание технологии изготовления структур кремний на изоляторе методом сращивания и газового скалывания. Представлены результаты исследований параметров структур кремний на изоляторе, полученных с использованием методов сращивания для изготовления ИС, полупроводниковых приборов, микромеханических устройств и сенсоров специального назначения. Обсуждаются результаты исследования характеристик поверхности исходных пластин Si и полученных структур кремний на изоляторе.

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 4, с. 296-301

УДК

1. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА КОНТАКТНУЮ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН

Для получения качественного соединения в структуре кремний на изоляторе необходимо тщательно подготовить поверхность полупроводниковых пластин. В процессе подготовки подложек к процессу сращивания может происходить адсорбирование загрязнений, нежелательное изменение поверхностных свойств пластин, приводящее к локальным изменениям энергии связи при проведении сращивания [1]. Предлагается измерением величины контактной разности потенциала контролировать состояние поверхности пластин в процессе получения структур кремний на изоляторе [2-6].

В процессе обработки и послеоперационного контроля на поверхности полупроводниковой пластины адсорбируются молекулы воды в виде отдельных диполей или осложняться диссоциацией на фрагменты, имеющие малый дипольный момент, либо образующие водородные связи. Для оценки количества воды, сорбированной поверхностью в атмосферных условиях, использовался метод тепловой десорбции с использованием масс-спектрометра МХ-7302 при температурах до 900°С.

Результаты исследований показали, что снижение контактной разности потенциала (на 0.6 В в диапазоне температур от 100 до 900°С) после термообработки связано с удалением молекул Н20 и групп ОН, сорбированных на поверхности

(иными словами приобретением поверхностью пластины гидрофобных свойств). Наибольшее

изменение контактной разности потенциала, имеющее место при температурах обработки 300-400°С, согласуется с температурным диапазоном максимальных потерь воды.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУР КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ

Процесс получения структур кремний на изоляторе проводился с использованием различных способов сращивания полупроводниковых пластин: непосредственного термокомпрессионного сращивания двух поверхностей пластин (НТКС), сращивания с использованием расплавления стекловидного слоя [7-16]. Для подготовки поверхности

пластин использовались различные методы химической обработки. Проведено частичное изменение режимов обработки, в частности снижена температура смеси КИ40Н/Н202/Н20 для уменьшения агрессивного воздействия на поверхность подложек:

- Последовательная обработка подложек аэро-зольно-капельным распылением растворов Н2Б04, Н202 в объемном соотношении 4:1, при температуре 110°С, в течение 90 с; затем обработка в растворе смеси КН40Н, Н202 и воды в объемном соотношении 1:2:12, при температуре 20°С, в течение 4 мин; в заключении отмывка в воде, сушка.

- Обработка подложек погружением в раствор смеси КН40Н, Н202 и воды в объемном соотношении 1:1:6.5, при температуре 20°С, в течение 10 мин,

81

2.76 А

2.76 А

2.76 А

н -О н

Поверхность пластины 1

1.01А

0

1

81

81 I 81 81

Поверхность пластины 2

Рис. 1. Схема соединения гидрофобных поверхностей пластин 81.

81

81

Поверхность пластины 1

Б

н

Б

/

' н I

Б

н

/

2.55 А

2.55 А

2.55 А

Поверхность пластины 2 н

81

81

81 81 81

н — н

Б

Б — н

н

81

81

81 81 81

Рис. 2. Схема соединения гидрофильных поверхностей пластин 81.

н

н

Б

н

с применением звуковых волн частотой 850 кГц, мощностью 250 Вт; далее отмывка в воде, сушка.

Подготовленные поверхности полупроводниковых пластин приводились в соприкосновение друг с другом в обеспыленной атмосфере. Для этого нами разрабатывается устройство, позволяющее соединять 81 пластины непосредственно после химической обработки. Пластины, "слипшиеся" за счет возникших сил адгезии, отжигают в окислительной атмосфере.

На рис.1, 2 схематично изображена граница соединения пластин в зависимости от свойств по-

верхности, полученных в результате химической обработки пластин 81 (гидрофобной после обработки в травителях оксидных слоев и гидрофильной после обработки в растворах н28О4/н2О2,

кн4он/н2о2/н2о).

Сращивание 81 пластин также проводили с использованием нанесенного на поверхность 81 ба-риево-алюмо-силикатного стекла (ВаО-А12О3-81О2), синтезированного в высокочастотной индукционной плазме.

Использование стекла позволило снизить требования, предъявляемые к качеству обработки и

Слой оксида кремния

Приборный слой

Нарушенный слой

А

Рис. 3. Скол структуры кремний на изоляторе после имплантации протонов водорода и термического отжига сращенных 81 пластин при Т = 450°С; t = 20 мин (изображение получено с использованием РЭМ.

отмывки соединяемых поверхностей по сравнению с требованиями, необходимыми для непосредственного термокомпрессионного сращивания (НТКС) или спекания окисленных поверхностей и дают возможность соединять различные поверхности, упрощая процесс подготовки и соединения. Однако диффузия примеси в рабочий слой 81 пластины ограничивает применение данного метода.

Для получения структур кремний на изоляторе были разработаны и использованы два технологических варианта получения изолированного слоя 81 разных толщин. Толщина технологического слоя менее 1 мкм достигалась проведением модифицированного процесса газового скалывания части пластины 81 по нарушенному слою, образованному посредством имплантации протонов водорода на заданную глубину в полупроводниковую пластину (рис. 3).

На рис. 3 представлен скол структуры после имплантации ионов водорода с энергией 100 кэВ и дозой 4.5 х 1016 см2.

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

Рассмотренными способами были получены структуры кремний на изоляторе для производства ИС с повышенной радиационной и термической устойчивостью датчиков и микроэлектромеханических систем специального назначения.

а. Исходные пластины

А

б. Имплантация ионов водорода

А

в. Очистка поверхностей пластин и сращивание

А

3

г. Термическая обработка

д. Суперфинишная полировка

Рис. 4. Технологическая схема процесса получения структур кремний на изоляторе с использованием сращивания подложек и газового скалывания: А -приборная пластина (полированная окисленная пластина кремния); Б - опорная пластина (полированная пластина кремния); 1 - слой оксида кремния; 2 - приборный слой

3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУР КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРАЩИВАНИЯ ПОДЛОЖЕК И ГАЗОВОГО СКАЛЫВАНИЯ

На основе анализа литературных данных и практического опыта по изготовлению структур кремний на изоляторе с применением механического и плазменного утонения приборной пластины разработана технологическая схема изготовления структур кремний на изоляторе методами сращивания полупроводниковых пластин и газового скалывания части приборного слоя, представленная на рис 4.

Согласно этой схеме в методе прямого сращивания используется технология отслаивания (скалывания) части рабочей подложки кремния в области слоя, легированного водородом при имплантации протонов на заданную глубину в подложку крем-

1

2

ния. Основными операциями данной технологии являются:

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

2) имплантация ионов водорода в приборную пластину;

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

4) отщепление приборной пластины от структур кремний на изоляторе , второй предварительный контроль полостей, шероховатости рабочей поверхности приборного слоя, его толщины и ее однородности;

5) окончательный контроль (геометрических и электрофизических параметров структур кремний на изоляторе).

Ниже кратко рассмотрены особенности технологических операций получения струкутур кремний на изоляторе.

- Ключевой операцией является подготовка поверхности опорных и приборных пластин перед их стыковкой и контроль состояния стыкуемых поверхностей.

1) Перед окислением опорной и приборной пластин проводились:

- аэрозольно-капельное распыление растворов

Н280УН202, КН40Н/Н202/Н20;

- погружение в раствор

1ЧН40Н/Н202/Н20

с использованием мегазвуковой энергии.

2) Удаление слоя оксида кремния после имплантации водорода:

- травление слоя оксида кремния в 10%-ном водном растворе плавиковой кислоты.

3) Активация поверхностей приборной и опорной пластин сопровождалась проведением химической обработки:

- аэрозольно-капельное распыление растворов

Н2Б04/Н202, 1ЧН40Н/Н202/Н20.

- Имплантация протонов водорода в окисленную приборную пластину сопровождается загрязнением поверхности слоя окисла и приборного слоя металлами, распыляемыми с конструкций имплантера. Для исключения загрязнения на данной технологической операции поверхность рабочей пластины окислялась. Затем слой БЮ2 стравливали в 10%-ном водном растворе плавиковой кислоты.

- Стыковку пластин выполняли на воздухе и в вакууме при остаточном давлении <10-3 Па сразу после их жидкостной химической обработки и сушки пластин. В этих случаях операцию стыковки выполняли вручную.

1

Рис. 5. Приборный слой и опорная пластина структуры кремний на изоляторе, полученной методом сращивания подложек и газовым скалыванием.

- Отщепление части приборной пластины от сращенной структуры выполняли путем быстрого, со скоростью более 50°С/мин, н

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»