Процессы геттерирования начали широко использоваться в технологии создания интегральных схем уже при работе с пластинами диаметром 75 мм. Пока толщина пластины оставалась сравнительно небольшой наиболее удачной областью для формирования геттерирующей среды являлась обратная сторона пластины. В качестве геттерирующих сред использовались: нарушенные слои, создаваемые путем прецизионной механической обработки; имплантированные слои; слои, создаваемые диффузионным введением до высоких концентраций тех или иных легирующих примесей; пленки поликристаллического кремния и различных силикатов, осаждаемые на нерабочей поверхности пластины.

Одним из наиболее эффективных оказался метод создания нарушенных слоев путем механической обработки с последующим отжигом пластин при сравнительно невысоких температурах. В этом методе в результате шлифовки свободным абразивом в приповерхностной области пластины формируются регулярные микротрещины. Устья этих трещин являются областями концентрации упругих напряжений. В процессе последующего отжига пластин в атмосфере аргона при 750 °С в устьях трещин формируются дислокационные скопления, являющиеся результатом релаксации упругих напряжений и состоящие в основном из скользящих 60-градусных дислокаций. Одновременно в процессе отжига в местах генерации дислокаций происходит достаточно интенсивный локальный распад пересыщенного твердого раствора кислорода (содержание кислорода в образцах составляло (7...9) 10см ) с образованием преципитатов двуокиси кремния и эмиссией ими межузельных атомов кремния в кристаллическую матрицу. Сток инжектируемых растущими преципитатами межузельных атомов на дислокации приводит к переползанию последних и формированию в приповерхностной области пластины характерных малоподвижных дислокационных сеток, являющихся эффективным геттером для загрязняющих быстродиффундирую-щих металлических примесей.

По мере увеличения диаметра пластин возрастает и их толщина, тем самым увеличивается диффузионный путь, который должны преодолеть атомы загрязняющих примесей, перемещаясь из активной области приборной структуры к геттеру. Соответственно, процесс геттерирования с размещением геттера на обратной стороне пластины становится все менее эффективным и требует все возрастающих энергетических и временных затрат. Необходимо найти возможность формирования геттера внутри пластины в непосредственной близости от области, где расположена сама приборная композиция. И такая возможность была найдена.

В качестве внутреннего геттера стали использовать дефектную среду, формируемую в объеме пластины в процессе распаца пересыщенного твердого раствора кислорода при ее многоступенчатой термообработке. Процесс внутреннего геттерирования бьш успешно опробован на пластинах диаметром 100 мм и в настоящее время широко используется при работе с пластинами еще больших диаметров.

В основе процесса формирования внутреннего геттера в пластинах кремния, вырезанных из выращиваемых по методу Чохральского монокристаллов, лежит хорошо контролируемый процесс распаца пересыщенного твердого раствора кислорода. Исследованию закономерностей распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии посвящено большое количество работ [7, 13]. Как отмечалось, при распаде в пластине образуются кислородсодержащие преципитаты, инжектирующие в кристаллическую матрицу избыточные межузельные атомы кремния. В результате в пластине формируется достаточно сложная дефектная среда, характерные особенности которой определяются содержанием и характером распределения в исходном кристалле кислорода, условиями выращивания кристалла (скорости охлаждения в определенных интервалах температур, тип и концентрация собственных точечных дефектов), а также режимами термообработки самих пластин.

По нашим данным, процесс дефектообразования, сопровождающий распад, протекает по следующей схеме. На начальном этапе в кристаллической решетке формируются дисперсные преципитаты оксида кремния со сферическим полем деформации, затем образуются мелкие пластинчатые преципитаты с четкой кристаллографической огранкой. В дальнейшем в непосредственной близости от преципитатов начинается образование различного рода преципитатно-дислокационных скоплений и дефектов упаковки внедренного типа, в формировании которых активную роль играют инжектируемые преципитатами в матрицу кристалла межузельные атомы кремния. Конечными продуктами распада являются достаточно крупные оксидные преципитаты, полные дислокационные петли и дефекты упаковки внедренного типа. Все перечисленные типы дефектов были обнаружены при электронно-микроскопических (на просвет) исследованиях термообработанных пластин.

Как показали наши исследования, а также исследования, выполненные в [14], наибольшей эффективностью геттерирования быстродиффун-дирующих металлических примесей обладает дефектная среда, в которой превалируют преципитатно-дислокационные скопления и дефекты упаковки. Для обеспечения необходимого уровня геттерирования объем-

ная плотность геттерирующих центров должна быть не ниже 1 10 см . При формировании внутреннего геттера используют многоступенчатую (трех- или четырехступенчатую) термообработку пластин в чистейших условиях. Типичная температурно-временная схема термообработки в случае четырехступенчатого процесса выглядит следующим образом: 1000 °С/15 мин + 650 °С/16 ч + 800 °С/4 ч + 1000 °С/4 ч. На первой высокотемпературной стадии происходит образование обедненного по кислороду (за счет диффузии на поверхность) приповерхностного слоя пластины и растворение в кристаллической решетке мелких ростовых кислородсодержащих преципитатов. В процессе последующей термообработки при 650 °С в гомогенизированной кристаллической матрице объема пластины происходит гомогенное зародышеобразование будущих оксидных преципитатов. При дальнейшей термообработке при 800 °С происходит рост образовавшихся ранее зародышей, сопровождающийся процессом коалесценции. Выжившие в процессе конкурентного роста наиболее крупные преципитаты увеличивают свои размеры до необходимых кондиций на заключительном этапе термообработки при 1000 °С. Все эти процессы протекают в объеме пластины. Обедненная по кислороду приповерхностная область пластины (где пересыщение отсутствует) остается при этом практически бездефектной и используется в дальнейшем для формирована в ней элементов интегральной схемы. Толщина этой приповерхностной области, в зависимости от конкретных режимов термообработки (в первую очередь используемой атмосферы), может составлять 30...50 мкм.

Описанная схема формирования внутреннего геттера основана на создании в приповерхностной области пластины слоя, обедненного кислородом до такой степени, что соответствующий твердый раствор перестает быть пересыщенным и обусловленное распадом дефектообразование в нем не происходит. При таком подходе возможность создания эффективно геттерирующей дефектной среды в объеме пластины в значительной степени зависит от тепловой предыстории исходного кристалла, содержания и характера распределения в нем кислорода, что существенно влияет на воспроизводимость получаемых результатов. Существует и другая возможность создания эффективного внутреннего геттера в пластинах, основанная на отмеченной выше существенной зависимости интенсивности распада пересыщенного твердого раствора кислорода от концентрации присутствующих в кристаллической решетке вакансий.

Как показано в работе [15], при концентрациях вакансий в кристалле, превышающих уровень ~10 см -, наблюдается резкая активация

процесса распада твердого раствора кислорода. Создавая контролируемый профиль распределения вакансий по толщине термообрабатывае-мой пластины, легко можно контролировать эффективность распада пересыщенного твердого раствора кислорода со всеми вытекающими отсюда практическими последствиями. В частности, если концентрация вакансий в приповерхностной области пластины будет ниже критической величины (-10* см -), то распад твердого раствора кислорода в этой области будет практически подавлен. При этом концентрация вакансий в объеме пластины должна существенно превышать критический уровень, что обеспечит интенсивный распад пересыщенного твердого раствора кислорода в этой области с образованием необходимого количества эффективно геттерирующих дефектных центров. Необходимый профиль распределения вакансий легко реализуется в процессе быстрого термического отжига пластины при температурах, превьпиаю-щих 1175°С. При последующей преципитатообразующей двухступенчатой термообработке (800°С/4ч+ 1000°С/16ч) в объеме пластины образуется большое количество кислородсодержащих преципитатов, в то время как приповерхностная область пластины толщиной ~80мкм остается практически бездефектной. Такой процесс формирования эффективного внутреннего геттера получил название MDZ-процесса (создание магической бездефектной зоны). Как показано в [16], этот процесс обладает целым рядом принципиальных преимуществ: обеспечивается прецизионный контроль объемной плотности кислородсодержащих преципитатов; обеспечивается строго контролируемая и воспроизводимая толщина бездефектной приповерхностной области на уровне -80 мкм; результат слабо зависит от возможньгх колебаний содержания кислорода в пластине; результат не зависит от тепловой предыстории исходного кристалла; возможность использования такого рода пластин в различных схемах последующего изготовления приборных композиций. Кроме того, процесс обладает и неоспоримыми технико-экономическими преимуществами.

В связи с переходом микроэлектроники на субмикронный, а в ближайшем будущем и на нанометровый уровень изготовления приборных стр5,таур интенсивно исследуются и другие возможности создания эффективно геттерирующих сред в непосредственной близости от приборной композиции (на расстоянии единиц микрометров). Одна из них связана с созданием имплантированных слоев с рабочей стороны пластины [12]. При этом для имплантации используются ионы легких элементов (водород, гелий, бор, углерод, кремний и т. д.), чтобы исклю-

чить возможную аморфизацию в приповерхностной области пластины. Весьма перспективно использование в качестве среды для формирования элементов интегральной схемы тонких (микронных и субмикронных) эпитаксиальных слоев, наращиваемых на сильно легированные подложки. При оптимизации условий эпитаксиального наращивания такие слои обладают очень высоким структурным совершенством. Сильно же легированная подложка выполняет в данном случае роль эффективно геттерирующей среды.

В заключение следует отметить, что достаточно серьезной и пока до конца нерешенной проблемой в технологии геттерирования является обеспечение высокой стабильности используемого геттера в условиях многократных высокотемпературных воздействий. Другая проблема связана с тем, что современные приборы представляют собой весьма сложные и миниатюрные композиции, содержащие слои разного типа проводимости с разным уровнем легирования, напряженные слои, гетерог-раницы типа Si/Si02, имплантированные слои и т. д. В результате сам прибор становится достаточно эффективной геттерирующей средой. В этих условиях создание геттера, который бы позволил исключить попадание загрязняющей примеси в активную область приборной композиции, превращается в далеко непростую задачу.

Если исследования по геттерированию зафязняющих примесей из активных областей кремниевых приборных структур успешно ведутся уже на протяжении многих лет, то для других полупроводниковых материалов (за редким исключением) эти работы находятся практически на начальном этапе и нуждаются в серьезной интенсификации.

Прямое соединение монокристаллических пластин -новый перспективный метод формирования приборных структур

Основу большинства современных интегральных схем и дискретных приборов составляют многослойные полупроводниковые композиции (р-п, гомо- и гетеропереходные структуры, гетероструктуры типа полупроюдник-диэлектрики т. д.), формируемые в процессах диффузионного легирования или ионной имплантации, а также эпитаксиального наращивания и термического окисления. Далеко не всегда используемые технологические процессы обеспечивают получение высококачественных приборных композиций, отвечающих требованиям современных производств, гарантирующих не только достижение необходимьос рабочих ха-

рактеристик, но и высокую экономическую эффективность и экологическую чистоту всего многоступенчатого производственного цикла.

С этой точки зрения несомненный интерес представляет новый метод формирования многослойных приборных композиций путем прямого соединения монокристаллических пластин. Несмотря на то, что идея метода была сформулирована еще в 1961 году, его широкое развитие началось лишь в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого столетия, что было обусловлено, в первую очередь, достигнутыми к этому времени серьезными успехами в технологии получения высококачественных крем-ниевьгк пластин. Наличие высококачественных исходных пластин является одним из важнейших условий успешного использования этого метода для получения высококачественных приборных композиций. Вот почему к настоящему времени метод прямого соединения завоевал достаточно прочные позиции именно в кремниевом приборостроении: в технологии формирования структур кремния на диэлектрике, широко используемых для создания современньгх низковольтных и маломощных высокочастотных УСБИС; в технологии формирования разнообразных многослойных /(- -структур для силоюй электроники. В обоих случаях метод доведен до уровня достаточно широкого промышленного использования [17, 18, 19].

В методе прямого соединения в качестве исходньгк используются полированные пластины, характеризующиеся малым изгибом, обладающие низкой общей и локальной неплоскостностью. Поверхность таких пластин должна быть чистой и обладать определенными физико-химическими свойствами. С целью выполнения последнего требования исходные пластины подвергаются химической активации , путем специальной жидкостной обработки. Процесс прямого соединения является двухстадий-ным. На первой стадии, осуществляемой при комнатной температуре, производится квазиадгезионное соединение пластин путем приведения их поверхностей в непосредственный контакт (иногда при приложении небольшого внешнего сжимающего усилия). Затем следует стадия достаточно высокотемпературного отжига, в процессе которого формируется монолитная композиция. Необходимая толщина рабочих слоев достигается либо путем химико-механического полирования обратной стороны одной из соединенных гитастин, либо с использованием так называемого Smart-Cut - процесса, когда в одну из пластин, в которой создается рабочий слой будущей приборной структуры, предварительно имплантируется водород, обеспечивающий отделение от нее очень тонкого рабочего слоя в процессе последующей термообработки уже соединенньгк пластин [20].