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
-О
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.