Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

Если поверхности соединяемых кремниевых пластин покрыты тонким слоем естественного окисла, то они обладают гидрофильными свойствами. В этом случае на соединяемых поверхностях всегда присутствуют адсорбированные молекулы воды, и решающую роль в соединении приведенных в соприкосновение при комнатной температуре пластин играют водородные связи, образующиеся между адсорбированными на поверхностях водяными молекулами. При последующем высокотемпературном отжиге сформированные таким образом водяные кластеры распадаются, молекулы воды диффундируют по границе соединения на поверхность, оставляя достаточно прочные силаксановые связи Si-0-Si, обеспечивающие образование монолитной композиции.

Если поверхность исходной кремниевой пластины обработать в растворе плавиковой кислоты, то присутствующий на ней тонкий слой естественного окисла растворяется, и поверхность приобретает гидрофобные свойства. Для такой поверхности характерно наличие поверхностных связей Si-Н, Si-H2, Si-F. Связи Si-H и Si-H2 слабо поляризованы. В отличие от них связи Si-F поляризованы достаточно сильно, имеют ионный характер и локализованы в основном на химически активных участках поверхности (ребра атомных ступеней, поверхностные дефекты). При приведении в контакт гидрофобных поверхностей прочное соединение между ними реализуется за счет образования связей типа Si-F, H-Si. При последующем высокотемпературном отжиге происходит десорбция водорода и фтора и их последующая диффузия вдоль границы соединения на поверхность. При этом связи Si-H и Si-F заменяются связями Si-Si. Так как связи Si-F достаточно прочны, то они могут частично сохраняться на границе соединения пластин даже после отжига при 1100 °С. Кроме того, при использовании растворов HF с концентрацией более 30 % на соединяемых поверхностях может происходить адсорбция молекул HF, которые препятствуют получению прочного сцепления.

Если величины изгиба и/или неплоскостности соединяемых пластин не превышают некоторых критических значений, то возникающие при приведении в контакт поверхностей пластин при комнатной температуре силы межатомного взаимодействия (и для гидрофильных, и для гидрофобных поверхностей) достаточны для того, чтобы обеспечить стягивание пластин и надежное их сцепление по всей площади соприкосновения. Однако при этом пластины упруго деформируются. В процессе последующего высокотемпературного отжига возникающие упругие напряжения могут релаксировать с образованием дислокационных скопле-

НИИ в непосредственной близости от границы раздела. Чтобы исключить это крайне нежелательное явление, геометрия соединяемых пластин должна удовлетворять самым высоким требованиям. Особенно опасны в этом отношении локальные нарушения плоскостности, приводящие не только к возникновению в этих областях скоплений структурных дефектов, но и являющиеся одной из причин возникновения на поверхности раздела пластин локальных нарушений сплошности соединения, так называемых пузырей . Достигнутый к настоящему времени уровень качества бездислокационных пластин кремния большого диаметра обеспечивает создание высококачественных многослойных приборных структур методом прямого соединения. Тем не менее, с целью полного исключения возможности генерации дислокаций в создаваемых прямым соединением многослойных структурах из-за возможных геометрических нарушений в исходных пластинах, целесообразно снижать температуру процесса на стадии отжига создаваемой композиции. Проведенные за последние годы исследования показывают, что достаточно прочное соединение пластин кремния удается обеспечивать уже при температурах отжига 200...400 °С.

Локальные нарушения сплошности соединения ( пузыри ) являются одним из наиболее распространенных видов дефектов в многослойных структурах, создаваемых методом прямого соединения. Помимо уже упомянутой выше локальной неплоскостности, источником пузырей могут быть мельчайшие частицы пыли и другие химические загрязнения, попадающие на поверхность пластин при осуществлении процессов их финишной обработки в недостаточно чистых условиях или с использованием недостаточно чистых химических реактивов. В случае соединения поверхностей, обладающих гидрофильными свойствами, дополнительным источником пузырей могут быть водяные кластеры, способные сохраняться на поверхности раздела до достаточно высоких температур. В этом плане более предпочтительны поверхности, обладающие гидрофобными или слабыми гидрофильными свойствами.

Для неразрушающего контроля сплошности соединения пластин используются методы рентгеновской топофафии, ультразвуковой микроскопии и просвечивающей ИК-фотометрии. В последнем случае хорошо зарекомендовал себя метод лазерного сканирования, обеспечивающий определение не только формы и размеров пузырей, но и величины оптического зазора между поверхностями пластин. При использовании лазера с длиной волны излучения Х= 1,15 мкм, этим методом удается фиксировать наличие пузырей размером до 0,25...0,30 мкм. Использова-



ние неполяризованного излучения позволяет исключить влияние на получаемые результаты упругих напряжений, наличие которых в объеме соединенных пластин достаточно вероятно. Среди разрушающих методов контроля наибольшее распространение получил метод избирательного травления поперечных сечений составной структуры в водном растворе КОН, с последующим наблюдением картин травления в оптическом микроскопе достаточно высокого разрешения. При этом удается надежно фиксировать пузыри размером до 0,1...0,3 мкм.

Использование исходных пластин, обладающих низкими величинами общей и локальной неплоскостности, проведение подготовительных операций в особо чистых условиях с использованием чистых технологических газов и химических реактиюв, а также оптимизация температурных режимов на стадии отжига соединенных при комнатной температуре пластин - все это в совокупности обеспечивает создание высококачественных многослойных приборных композиций, не содержащих пузырей.

Структурное совершенство поверхности раздела соединяемых пластин и прилежащих к ней областей играет очень важную роль, особенно при создании многослойных композиций для силовой электроники. При прямом соединении пластин одинаковой кристаллографической ориентации с разворотом одной поверхности относительно другой в плоскости контакта, не превышающим 0,5°, формируется композиция, которая практически является аналогом многослойной структуры, создаваемой методом эпитаксиального наращивания. Увеличение угла разворота до 45° приводит к формированию на границе соединения супертонкого нарушенного слоя. При соединении поверхности ориентации (111) с поверхностью ориентации (100) на границе раздела возможно образование очень тонкого (2...3нм) аморфного слоя. Таким образом, получение структурно совершенной границы раздела требует строгого контроля взаимной ориентации соединяемых поверхностей.

Принципиально важно исключить возможность генерации дислокаций в области границы раздела соединяемых пластин. Как мы уже отмечали выше, одним из основных источников дислокаций в формируемой композиции является релаксация в процессе высокотемпературного отжига упругих напряжений, обусловленных нарушениями общей и локальной плоскостности исходных пластин. В данном случае гарантом получения структурно совершенных композиций является использование пластин с высокими геометрическими показателями их качества. При современном уровне развития технологии изготовления кремниевых пластин выполнение этого условия затруднений не вызывает.

При создании структур типа п-п , р-р, п-п-р приходится использовать пластины, отличающиеся типом вводимых легирующих примесей и уровнем легирования. Это является причиной различия величин периодов кристаллической решетки соединяемых пластин и, как следствие, причиной возникновения напряжений несоответствия вблизи границы раздела. Если различие в уровнях легирования достаточно велико, а отжиг соединяемых пластин производится при достаточно высокой температуре, то возникающие напряжения несоответствия могут частично релаксировать с образованием вблизи фаницы соединения дислокаций несоответствия. Для устранения несоответствия периодов кристаллической решетки в данном случае в качестве сильнолегированных пластин целесообразно использовать сложнолегированные пластины. При этом в исходный монокристалл, в процессе его выращивания, наряду с основной легирующей примесью, в соответствующем количестве вводится вторая примесь, вызывающая противоположное по знаку изменение периода его кристаллической решетки. В качестве компенсирующих изменение периода решетки легирующих добавок, как правило, используют изовалентные примеси, обладающие достаточно высокой растворимостью в соответствующем полупроводниковом материале и практически не проявляющие в нем электрической активности. Для кремния такими примесями являются элементы TV фуппы Периодической системы. Например, при создании изопериодных композиций п-п и р-р*, легированных соответственно фосфором и бором, используется дополнительное легирование пластин германием. К уменьшению вероятности релаксации напряжений несоответствия с образованием дислокаций несоответствия приводит и снижение температуры отжига на втором этапе формирования монолитной композиции до 600...700°С.

В случае, если отжиг соединенных пластин проводится при достаточно высоких температурах, когда пластичность соответствующего полупроводникового материала достаточно высока (для кремния это температуры выше 800 °С), заметную роль в генерации дислокаций в создаваемой композиции могут ифать термические напряжения, обусловленные наличием перепадов температур по поверхности формируемой композиции. В связи с этим необходимо обеспечивать условия отжига, близкие к изотермическим.

К дополнительному дефектообразованию в области фаницы соединения поверхностей пластин, обладающих гидрофильными свойствами, может приводить обогащение этой области кислородом. Источником из ыточного кислорода в данном случае является запечатываемый



очень тонкий слой естественного окисла на поверхности пластин, а также кислород в силаксановых связях. С помощью электронно-микроскопических исследований высокого разрешения на границах раздела в такого рода композициях иногда наблюдали даже образование очень тонкого (~2...3нм) промежуточного окисного слоя состава SiO.. В случае отсутствия этого слоя, на границе раздела присутствовали дисперсные (10...20нм) кислородсодержащие преципитаты, обусловленные, скорее всего, распадом пересыщенного твердого раствора кислорода в процессе высокотемпературного отжига формируемой композиции. При соединении поверхностей, обладающих гидрофобными свойствами, обогащения границ раздела кислородом (а соответственно, и связанного с этим явлением дефектообразования) удается избежать. Путем оптимизации содержания кислорода в соединяемых пластинах, а также режимов высокотемпературного отжига удается исключить концентрацию кислорода на границе раздела и в случае соединения гидрофильных поверхностей.

Следует специально остановиться на использовании метода прямого соединения пластин для создания структур кремния на диэлектрике, которые исключительно актуальны. Это продиктовано, в первую очередь, такими преимуществами этих структур, как возможность существенного снижения паразитных емкостей, обеспечение надежной диэлектрической изоляции приборов в интефальной схеме, сравнительная простота управления токовыми режимами, возможность снижения рабочих напряжений и мощностей. Первоначально использование структур кремния на диэлектрике было ориентировано на создание высокотемпературных, ра-диационно-стойких ИС, обеспечивающих разработку электронной аппаратуры для аэрокосмической, автомобильной, атомной и оборонной промышленности. Однако наибольший интерес, особенно в последнее десятилетие, вызывают перспективы применения этих структур для создания низковольтных и маломощных, высокочастотных УСБИС, широко используемых в портативной электронной аппаратуре (сотовые телефоны, переносные миникомпьютеры и т. д.). Для создания таких УСБИС необходимы структуры, в которых как тонкий рабочий слой монокристаллического кремния, так и диэлектрический слой были бы практически бездефектны и ненапряжены, имели одинаковую толщину по всей площади структуры, а фаница раздела между ними обладала низкой плотностью поверхностных состояний. Такие традиционные методы создания структур кремния на диэлектрике, как эпитаксиальное наращивание кремниевых слоев на сапфировые подложки или форми-

Оксид

Пластина А

Исходные материалы

Стадия 1

о °

Пластина В

Стадия 2

Расщепление

Стадия 3

Стадия 4

Рис. 2.3. Технологическая схема изготовления структур кремния на диэлектрике с использованием Smart-Cut -npouecca:

стадия 1 - имплантация водорода в пластину А; стадия 2 - очистка и прямое соединение пластин А и В; стадия 3 - термообработка; стадия 4 - финишная полировка

6 ~ 692S

рование диэлектрического слоя на основе поликристаллического кремния, не обеспечивают выполнение этих требований.

В применении к структурам кремния на диэлектрике метод прямого соединения реализуется в двух вариантах: соединение окисленных пластин с последующим утонением одной из них путем полировки ее обратной стороны (BESOI-процесс) и прямое соединение окисленной пластины с тонким слоем монокристаллического кремния, отделяемым от другой пластины с помощью ионной имплантации в нее водорода и последующей низкотемпературной термообработки (Smart-Cut-процесс). Особенно перспективен Smart-Cut -npouecc, обеспечивающий возможность получения ультратонких, однородных по толщине высокосовершенных бездислокационных кремниевых рабочих слоев, без использования весьма трудоемких операций многоступенчатой полировки, в условиях многократного повторного использования одной и той же исходной пластины. Технологическая схема изготовления структур кремния на диэлектрике с использованием Smart-Cut -npouecca представлена на рис. 2.3. Процесс отличается достаточной простотой, обеспечивает несомненные экологические преимущества и существенное сокра-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка