Применение высокотемпературного сращивания. Процесс сращивания заключается в процессе взаимодействия двух гидратированных и гидроксилированных поверхностей SiO2 при температурах обработки до 8000С, подробно рассмотренном в 1.6.

Очевидно, что для достижения связывания без наличия пор необходимы чрезвычайная чистота поверхностей перед сращиванием. При отсутствии и частиц на поверхности сращивания могут получаться достаточно качественные КНИ структуры, что подтверждается данными электронно-микроскопических исследований их поперечного сечения (рис.1.6).

Теоретические расчеты показывают [20,21], что частица диаметром около 1 мкм приводит к несвязываемому пространству диаметром около 0,5 см для стандартной пластины кремния диаметром 100 мм и толщиной 525 мкм.

Рис.1.6. Микрофотография разреза кремниевой структуры, полученной методом сращивания (по данным РЭМ): 1 - опорная подложка кремния; 2 - граница сращивания; 3 - приборная подложка кремния, подвергаемая процессу утончения

1.10 Получение структур КНИ с использованием методов термического сращивания подложек

В идеальном случае прочность соединения состыкованных пластин должна быть равна 2,5·109 Н/м2 - начало пластической деформации кремния. Наибольшая прочность прихвата при стыковке кремниевых пластин, достигнутая на практике, меньше 107 Н/м2. Это уменьшение объясняется несколькими причинами:

1) зазор между стыкуемыми поверхностями практически всегда превышает межатомное расстояние в монокристаллической решетке кремния (0,14 нм), во-первых из-за шероховатости этих поверхностей, оставшейся после их механической полировки, во-вторых из-за наличия "подушки" из сорбированных молекул газов, воды и других веществ или присутствия распорных механических частиц. Поверхности стандартных пластин кремния массового производства обычно имеют шероховатость существенно большую шероховатости идеальной плоскости, в том числе и по причине возможной разориентации поверхности полирования и кристаллографической плоскости;

2) для существующей технологии жидкостной химической очистки поверхности пластин характерен двухмолекулярный слой сорбированной воды, который увеличивает расстояние между атомами кремния (до 0,7 нм) и экранирует взаимодействие между ними. Вместо ковалентного взаимодействия между поверхностями (атомами кремния) в этом случае реализуется взаимодействие Ван-дер-Ваальса, для которого характерна прочность связывания на уровне 107 Н/м2. В процессе термообработок молекулы воды из стыка удаляются, зазор между пластинами уменьшается при условии отсутствия загрязнений;

3) зазор между состыкованными пластинами увеличивается (до 1 мкм и более) при попадании в него механических частиц. Эти загрязнения являются препятствиями при стыковке и сращивании подложек, образуя дефекты в виде проколов, трещин, пор в приборном и диэлектрическом изолирующих слоях.

Рис.1.7. Образование сквозных отверстий в приборном слое в местах присутствия пор между сращиваемыми пластинами

Рис.1.8. Микрофотография структуры после имплантации ионов Н+ и термообработки: 1 - слой монокристаллического кремния; 2 - место отслаивания части кремниевого слоя; 3 - пластина кремния

Самыми опасными дефектами являются поры. Образование пор в процессе сращивания пластин кремния приводит к выходу из строя создаваемых ИС на структурах КНИ. При отслаивании части приборного слоя в нем в местах присутствия пор между сращиваемыми пластинами происходит образование сквозных отверстий. На рис.4.7 представлена фотография дефектной части приборного слоя структуры КНИ. На рис.4.8 изображен полученный на растровом электронном микроскопе (РЭМ) профиль кремниевой структуры, подверженной ионной имплантации и термообработке при 5000С. На рис. 4.9 представлена профилограмма дефектной части структуры КНИ.

Рис.1.9. Профлограмма дефектной части структуры КНИ: 1 - поверхность приборного кремниевого слоя структуры КНИ; 2 - край отверстия в приборном слое; 3 - поверхность опорной пластины

В результате проведенных исследований и экспериментов по сращиванию кремниевых пластин и газовому скалыванию монокристаллического слоя кремния сделаны выводы о причинах и механизме образования пор в процессе сращивания пластин кремния. При проведении термического сращивания подложек количество частиц и их размер непосредственно влияют на качество соединения пластин и размер пор. На рис.4.10 представлен механизм образования пор из-за присутствия частиц при получении структур КНИ сращиванием подложек. При удалении части приборного слоя происходит нарушение целостности слоя кремния в местах локального прогиба опорной или рабочей подложки кремния, что наиболее вероятно, в местах, содержащих механические частицы.

Рис.1.10. Образование поры от механической частицы при проведении процесса сращивания пластин кремния

Рис.1.11. Зависимость размера пор между сращиваемыми пластинами от величины механических частиц

Расчетная зависимость размера пор на границе сращиваемых полупроводниковых пластин толщиной 525 мкм от величины механических частиц представлена на рис.4.11.

Расчеты показывают, что присутствие 150 частиц размером более 0,3 мкм, равномерно распределенных по поверхности пластины диаметром 150 мм перед термокомпрессионным сращиванием подложек, приведет к невозможности изготовления на подобной структуре интегральных схем с размером более 1 см2. Таким образом, на операции сращивания средняя величина полезной площади изолированного монокристаллического кремния, не включающей поры, при вышеуказанном уровне загрязнения пластины может быть менее 1 см2. Таким образом, процесс получения структур КНИ необходимо осуществлять в условиях, исключающих попадание микрочастиц на поверхность исходных пластин.

При имплантации протонов загрязнения экранируют поверхность пластины. Это приводит к неравномерности распределения внедренной дозы протонов, неравномерности области среднего пробега имплантированных протонов и, как следствие, к образованию сквозных пор при отслаивании части приборного слоя. На рис.4.12 приведена схема экранирования механическими частицами поверхности пластин кремния при проведении процесса имплантации.

Рис.1.12. Схема экранирования механическими частицами имплантированной поверхности кремния

В результате проведенных исследований выявлены причины, приводящие к браку структур КНИ, получаемых сращиванием пластин. К этим причинам можно отнести: 1) загрязнение перед операцией имплантации протонов водорода, при сращивании пластин кремния; 2) шероховатость поверхности; 3) геометрическое несовершенство поверхности (прогиб, коробление, локальная неплоскостность). Загрязнения на поверхности полупроводниковых пластин перед проведением сращивания являются основной причиной брака. Ужесточение требований к чистоте и совершенству поверхности пластин кремния необходимо не только для получения структур "кремний на изоляторе", но и для производства интегральных схем на основе этих структур. Причем при уменьшении минимальных топологических норм Bmin увеличиваются требования к размеру и количеству поверхностных механических загрязнений подложек. В случае Bmin = 1,0 мкм размер частиц должен быть меньше 0,5 мкм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ

1. Stengl R, Tan T, Goesele U. A model for the silicon wafer bonding process // J. Appl. Phys. 1989. V. 28. № 10. P. 1735 - 1741

2. Герасименко Н.Н. Кремний, облученный протонами. Современные проблемы ядерной физики, физики и химии конденсированных сред // Труды 1-й Московской Международной школы физики ИТЭФ. 17 - 26 февраля 1998 г., Звенигород, Московской обл. 1998. С. 173 - 179.

3. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Суворов А.Л., Шарков Б.Ю., Залужный А.Г., Графутин В.И., Козодаев М.А. Особенности технологии изготовления КНИ структур прямым сращиванием пластин кремния и контроля их качества // Препринт ИТЭФ 24 - 00. M., 2000. 20 с.

4. Суворов А.Л., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Дьячков С.А., Залужный А.Г., Калугин В.В., Прокопьев Е.П., Реутов В.Ф., Шарков Б.Ю. Анализ преимуществ, перспектив применений и технологий производства структур КНИ // Препринт ИТЭФ 27 - 00. М., 2000. 51 с.

5. Sensor Technology Devices Ed. Ljubisa Rustic. Boston - London: Artech House, 1994. P. 157 - 201.

6. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Модель прямого низкотемпературного соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания: обзор // Материаловедение. 2001. № 1. С. 44 - 52.

7. Прокопьев Е.П., Петров С.В. Модель сращивания пластин кремния по данным газовыделения. М., 1996. С. 103-112. - Деп. в ЦНИИ "Электроника". Р-5502.

8. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Особенности процесса прямого соединения пластин кремния // Материаловедение. 1999. № 5. С.43 - 45.

9. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дягилев В.В. Движение и залечивание пор и полостей вблизи границы сращивания стандартных пластин кремния // Известия вузов. Электроника. 1998. № 5. С. 39 - 44.

10. Ежовский Ю.К., Вайнштейн П.М. Химическая активность и особенности взаимодействия ОН-групп на поверхности монокристаллического кремния // Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. № 2. С. 227 - 231.

11. Алесковский В.Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений. Л.: Наука, 1976. 140 с.

12. Алесковский В.Б. Химия твердых веществ. М.: Высшая школа, 1978. 258 с.

13. Малыгин А.А. Метод молекулярного наслаивания - основа химической нанотехнологии материалов твердотельной электроники // Петербургский журнал электроники. 1996. № 1. С. 22.

14. Кольцов С.И. Химическое конструирование твердых веществ. Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1990. 48 с.

15. Алесковский В.Б. Химия надмолекулярных соединений. Учеб. пособие. Спб: Изд-во С. - Петербург. ун-та, 1996. 256 с.

16. Малыгин А.А. Химическая сборка поверхности твердых тел методом молекулярного наслаивания // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 7. С. 58 - 63.

17. Tong Q.-Y., Goesele U. A Model of Low-Temperature Wafer Bonding And Its Applications // J. Electrochem. Soc. 1996. V. 143. № 5. P. 1773 - 1779.

18. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Определение энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации трещины между поверхностями сращивания: обзор // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 1999. № 3. С. 45 - 49.

19. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Возможность прямого соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания // Материало-ведение. 1999. № 4. С. 49 - 51.

20. Tong Q.-Y., Goesele U. Wafer Bonding and Layer Splitting for Microsystem // Adv. Mater. 1999. V. 11. № 17. P. 1409 - 1425.

21. Tong Q.-Y., Goesele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology. Wiley. New York. 1998. 326 p.

22. Суворов А.Л., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Крамер П.В., Залужный А.Г., Прокопьев Е.П., Шарков Б.Ю. Smart-cut технология получения структур КНИ // В кн.: Водородная обработка материалов, Труды 3-ей Международной Конференции "ВОМ-2001". Украина. Донецк. 14 - 18 мая 2001 г. Ч. 1,2. Донецк - 2001. С. 262 - 264.

23. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. К вопросу определения энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации (вскрытия) трещины между поверхностями сращивания // Материаловедение. 2000. № 8. С. 25 - 28.

24. Суворов А.Л., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Залужный А.Г., Прокопьев Е.П., Шарков Б.Ю. Smart-cut технология получения структур КНИ с использованием методов химической сборки поверхности // Научная сессия МИФИ-2001 года. Сборник научных трудов. Т. 9. М.: МИФИ, 2001. C. 22, 23.

25. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Некоторые вопросы теории сращивания стандартных пластин кремния // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 1999. № 3. С. 35 - 44.

26. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Прямое соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания в технологии получения КНИ структур // Тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием "Сенсор-2000". Сенсоры и микросистемы 21 - 23 июня 2000. Санкт-Петербург. Изд-во НИИ химии СПбГУ, 2000. С. 208.

27. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Калугин В.В. Технология КНИ структур // Петербургский журнал электроники. 2000. № 1. С. 8 - 25.

28. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дьячков С.А., Калугин В.В. Очистка и активация поверхности в методе прямого соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания с целью получения КНИ структур // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2000. № 3. C. 75 - 84.

29. Timoshenkov S.P., Prokopiev E.P. Possibility of silicon wafers bonding with chemical assembling of surface by molecular layers arrangement method. Abstracts on NATO Advanced Research Workshop (NATO ARW). Ukraine. Kyiv, October 2 - 5, 2000. C. 23,24.

30. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М.: Радио и Связь. 1991. 528 с.

31. Буренков А.Ф. и др. Пространственное распределение энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах. М.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с

32. Александров П.А. и др. // Труды 9-ого Межнационального совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь, 28.06 - 03.07 1999. М.: Наука, 1999. Т. l, с.330.

33. Александров П.А. и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Физика твердого тела. Вып.2. По материалам 4-ого Всероссийского семинара "Физические и физико-химические основы ионной имплантации". Н.Новгород 9 - 11.06.1998. Сборник докладов. Н.Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 1998. С. 17.

34. Колобов Н.А., Самохвалов М.М. Диффузия и окисление полупроводников. М.: Металлургия, 1975. С. 228 - 233.

35. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 517 с.

36. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. 404 с.

37. Прокопьев Е.П. // Письма в ЖТФ. 1992. Т.18. Вып.18. С. 80 84.

38. Прокопьев Е.П. // Журнал прикладной химии. 1993. Т. 66. Вып.6. С. 1242 - 1245.

39. Реутов В.Ф., Ибрагимов Ш.Ш. Способ изготовления тонких пластин кремния. Авторское свидетельство СССР № 1282757, 30.12.1983.

40. Bruel M. Silicon on insulator material technology // Electronics Letters. 1995. V. 31. № 14. P. 1201 - 1202.

41. Калугин В.В. Исследование и разработка процессов подготовки поверхности кремниевых пластин при изготовлении структур кремний на изоляторе // Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. МИЭТ (ТУ), 2001.

42. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V., Puchkov A.V. Material properties modification by means of high-voltage injector with mixed electron-proton beam // European Conference on accelerators in applied research and technology, August 26 - 30, 1997, P. 133.

43. Bogdanovich B.Yu., A.Nesterovich A.V., Korenev S., Masunov E.S. Conception of electron linac with regulation of main parameters for radiation technologies // Proceeding of the 2001 particle accelerator Conference., June 12 - 22, 2001, Chicago, USA, Abstracts, P. 153.

44. Bogdanovich B.Yu., Gavrilov N.M., Nesterovich A.V., Ostrikov S.V., Stepanov S.S., Zubovsky V.P. Multibam RF ion source with grounded RF generator for high current accelerators and neutron generators // Proceeding of the 1999 particle accelerator Conference. New York, P. 1932 - 1933.

45. Nesterovich A.V., Puchkov A.N. A versatile injector of ion, electron and ion-electron beams // Instruments and experimental techniques. 1999. V. 42, № 5. P. 658 - 661.

46. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V., Puchkov A.N. Experimental study of system for a simultaneous bend of unidirectional electron and proton beams // Proceeded of the XX international linac Conference, Monterey, California, USA, August 21 - 25. 2000. V. 1, P. 287 - 289.

47. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Пучков А.Н., Успенский М.Н. Электронно-ионный источник для модификации свойств материалов // Материалы 4-ой Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. 13 - 17 мая. 1996. Томск ТПУ, С. 26 - 28.

48. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V. Accelerator with electron-ion beam. New materials in Russia // The proceeded for the 5th Workshop on advanced technology in Russia. October 15. 1997. JST. Tokyo. Japan. P. 23.

49. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V. A multifactoring charged particles accelerator for medicine and industry applications. New materials in Russia // The proceeded for the 5th Workshop on advanced technology in Russia, October 15, 1997, JST, Tokyo, Japan, P. 23.

50. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V., Abramenko N.I. Ion microwave source for linear accelerator // Proceeded of the 5th european particle accelerator Conference EPAC-96, Barcelona, June 10 - 14. 1996. P. 2773 - 2774

51. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В. Пучки и плазма в высокочастотных полях ускорителей. М.: МИФИ, 2000.

52. Абраменко Н.И., Гаврилов Н.М., Нестерович А.В., Громов Е.В., Шальнов А.В., Волков А.П. и др. Линейный ускоритель протонов РУЛ МИФИ. Теория, расчет и экспериментальные работы по ускорителям заряженных частиц. М.: Энергоатомиздат, 1982. С. 75 - 79.

53. Абраменко Н.И., Гаврилов Н.М., Нестерович А.В., Громов Е.В., Капин В.В., Остриков С.В. и др. Семипучковый ВЧ-инжектор с изолированным вводом мощности // Тезисы докладов на 2-ом Всесоюзн. научно-техн. совещ. "Вопросы разработки и применения портативных генераторов нейтронов". М., ГККАЭ, 1987, С. 149, 150.

Размещено на Allbest.ru