PDF - ИТЭФ

УДК 621.315.592
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВЯЗЫВАНИЯ (СРАЩИВАНИЯ) ПРОТОНИРОВАННЫХ
ПЛАСТИН КРЕМНИЯ С ГИДРОФИЛЬНЫМИ ПОДЛОЖКАМИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ
СТРУКТУР КРЕМНИЙ НА ДИЭЛЕКТРИКЕ, МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР Ge/Si,
(GexSi1-x)/Si И ТОНКИХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ, ГЕРМАНИЯ,
ПОЛУПРОВОДНИКОВ A3B5 И A2B6 ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НОВОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
ОПТО-, НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ
СУПЕРКОМПЬЮТЕРОВ,
СПЕЦИАЛЬНЫХ
ИС
И
ПРИБОРОВ,
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ, СЕНСОРОВ, ДАТЧИКОВ И СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
В.И.Графутин, А.Г.Залужный1, Е.П.Прокопьев, В.Ф.Реутов2, А.Л.Суворов,
С.П.Тимошенков3, Б.Ю.Шарков, Ю.А.Чаплыгин3
ГНЦ Институт теоретической и экспериментальной физики
117259, Москва, В-259, ул. Б.Черемушкинская, 25
Московский государственный инженерно-физический институт (Технический университет)
1
115409, Москва, Каширскон шоссе,31
Об`единенный институт ядерных исследований (ОИЯИ)
2
141980, Московская область, Дубна, ул. Жолио Кюри,6
Московский государственный институт электронной техники (Технический университет)
3
103498, Москва, К-498, Зеленоград
Поступила в редакцию
2001 г.
Аннотация
Предложены модифицированная технология газового скалывания и модель связывания
гидрофильных протонированных
пластин кремния, которая позволяет
увеличить прочность
связывания при низких температурах отжига. Рассмотрены различные технологические стадии и
схема процесса получения структур кремний на диэлектрике (КНИ), многослойных структур
Ge / Si, (Gex Si1 x ) / Si и тонких монокристаллических слоев кремния, германия, полупроводников
A3 B5 и A2 B6 и структур германий на изоляторе, полупроводниках A3 B5 и A2 B6 и др. во влажных
условиях (включая и возможность
использования химической сборки поверхности методом
молекулярного наслаивания).
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие (О возможности развития в области высоких технологий)
Введение
А. Преимущества структур КНИ перед структурами на основе объемного кремния
В. Перспективы применения структур "кремний на изоляторе" (КНИ)
1.Технологическая схема производства структур кремний на диэлектрике, многослойных
структур Ge / Si, (Gex Si1 x ) / Si и тонких монокристаллических слоев кремния, германия,
полупроводников A3 B5 и A2 B6 и структур германий на изоляторе, структур кремний на
полупроводниках A3 B5 и A2 B6 и др. в рамках smart-cut технологии в прямом сращивании
пластин кремния и пластин кремния и германия во влажных условиях (включая
возможность химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания)
2. Экспериментальные данные по очистке и окислению стандартных пластин кремния
2.1 Очистка пластин кремния в процессах полупроводникового производства
2.2 Окисление пластин кремния и германия
2.3. Процесс окисления кремния в структурах КНИ
2.4. Синергетический подход к процессу окисления
2.5. Возможность синергетического подхода к эволюции свойств структур КНИ
3.
Теоретическое обоснование метода протонирования стандартных пластин кремния
4.
Физико-химические основы smfrt-cut технологии
4.1.Стадия ядрообразования
4.2. Стадия роста
4.3. Стадия слипания
4.4.Отщепление
5.
Особенности процесса сращивания стандартных пластин кремния между собой и
пластинами изоляторов (стекла) и другими полупроводниковыми пластинами во
влажных условиях (включая и метод молекулярного наслаивания) с использованием
методов наблюдения выделения паров воды
6.
Постановка
задачи
и
предполагаемые
решения
проблемы
активирования,
гидрофилизации и сращивания поверхностей стандартных протонированных пластин
во влажных условиях
7. Технология Гёзеля-Тонга связывания гидрофильных пластин во влажных условиях
(включая и метод молекулярного наслаивания)
8. Экспериментальные данные по технологии газового скалывания получения структур
КНИ с использованием методов термообработки поверхности во влажных условиях
9. Рассмотрение технологии процессов обработки
9.1. Поры для случая SiO2// SiO2 связывания пластин
9.2.Состояние сращенных пластин
9.3. Плоскостность пластин
9.4. Утоньчение и полировка сращенных пластин
9.5. Микродефекты сращенных структур
10. Радиационные свойства smart-cut структур КНИ
Заключение.
Список литературы
Реферат
Подписи к рисункам
Общий список работ
Предисловие (О возможности развития в области высоких технологий)
Время бросило вызов обществу в послевоенные годы, связанное с развитием атомной,
ракетной и авиационно-космической промышленности. Это развитие, успешно осуществленное в
стране, способствовало невиданному прогрессу во всех областях науки, техники и во многих
отраслях народного хозяйства страны. В настоящее время дальнейшее развитие в ядерной,
ракетной и космической областях, как и во всех областях науки и техники, во многом определяется
прогрессом развития в области высоких технологий (в частности, в области опто-, нано- и
микроэлектроники). Фактически – это новый вызов обществу. Он должен быть решен на
основании опыта организационной и научно-технической работы в ядерной, ракетной и
космической областях с использованием большого числа наработанных ядерных, ракетных и
космических технологий. Вероятно речь может идти о создании Государственного комитета или
Комиссии по по высоким технологиям. Например, в развитых странах, таких как США, Германия,
Англия, Япония и т.д.) доля высоких технологий в общем промышленноя потенциале достигает
уровня   30-40 %. Особая роль принадлежит спецмикроэлетронике, во многом определяющей
политическую, экономическую и военную безопасность общества. К спецмикроэлектронике
можно отнести новую элементную базу электронной отрасли, позволяющую создавать
современные суперкомпьютеры, многие виды специальных приборов, интегральных схем,
сенсоров, датчиков и микромеханических устройств для ядерной, ракетной и авиационнокосмической и других отраслей. Это работа для многих научных и технических центров страны.
Решение задач спецмикроэлектроники в дальнейшем может позволить развивать на мировом
уровне отдельные отрасли коммерческой микроэлектроники.
Бондинг основных материалов электроники (например, получение структур кремний на
изоляторе (КНИ) и структур германий на изоляторе, многослойных структур Ge / Si, (Gex Si1 x ) / Si
и тонких монокристаллических слоев кремния, германия, полупроводников A3 B5 и A2 B6 на
полупроводниках
A3 B5
и
A2 B6
и
др.,
получение
высококачественных
монокристаллического кремния, полупроводников A3 B5 и A2 B6
тонких
слоев
на различных изолирующих
подложках, в том числе стекле) , основанной на так называемой smart-cut технологии, – это хотя и
частная, но важная задача электроники, находит широкое применение в разработке и производстве
новой элементной базы опто-, нано- и микроэлектроники для создания современных
суперкомпьютеров, специальных радиационно- и термостойких ИС, различного рода сенсоров,
датчиков, микромеханических устройств и солнечных элементов для ядерной, космической и
других отраслей.
Smart-cut технология [1-28] (относящаяся к технологиям газового скалывания в процессе
термообработки,
основанных
на
контролируемых
использованиях
следующих
основных
процессов: создание с помощью ионной имплантации микроскопических об`емных дефектов,
содержащих водород; трансформация этих созданных дефектов посредством термообработок;
скалывание тонкого слоя материала подложки по системам таких дефектов по всей площади
пластины) получения структур кремний на диэлектрике (КНИ), многослойных структур
Ge / Si, (Gex Si1 x ) / Si и тонких монокристаллических слоев кремния, германия, полупроводников
A3 B5 и A2 B6 и структур германий на изоляторе, полупроводниках A3 B5 и A2 B6 и др. находит
широкое применение в разработке и производстве новой элементной базы микроэлектроники и
наноэлектроники, специальных радиационно- и термостойких ИС, различного рода сенсоров и
датчиков. Эта же технология может быть использлвана для получения высококачественных тонких
слоев монокристаллического кремния, полупроводников
A3 B5
и
A2 B6
на различных
изолирующих подложках, в том числе стекле. Ниже предлагается физико-химическая модель
сращивания гидратированных (гидроксилированных) поверхностей двух пластин кремния и
пластин кремния и германия и других веществ. Для очистки и получения поверхности пластин
кремния и германия с заданным химическим составом, их активирования и модифицирования
предлагается использовать термообработку поверхности во влажных условиях (включая и
химическую сборку поверхности [1-18]) и газового скалывания (smart-cut технология) [19-28]. Эти
методы являются весьма перспективными для получения многослойных структур и структур с
использованием прямого сращивания пластин кремния, пластин кремния и германия [3,4].
Известно [9-18], что группы
Si  OH
и
Ge  OH , полученные методом молекулярного
наслаивания, полимеризуются при низких температурах с образованием сильных ковалентных
Si  O  Si , Ge  O  Ge и Si  O  Ge связей.
Основываясь на этом явлении, предложены
модифицированные модель и технология связывания гидрофильных пластин кремния и пластин
кремния и германия, которая позволяет увеличить прочность связывания при низких температурах
отжига. Рассмотрены различные технологические стадии и схема процесса производства структур
кремний на изоляторе (структур КНИ), получения тонких монокристаллических слоев кремния на
стекле с целью производства высококачественных солнечных элементов с к.п.д. ~ 14  15 %
(причем приборная пластина кремния толщиной ~ 500 мкм может быть многократно использована
(до нескольких десятков раз)) и структур германий на кремнии и изоляторе, а также структур
Si / Ge на кремнии и изоляторе с использованием химической сборки поверхности методом
молекулярного наслаивания. Проведенные нами успешные эксперименты по сращиванию
окисленных поверхностей кремния и германия подтвердили выводы рассмотренной модели и
модифицированной smart-cut технологии.
Введение
Smart-cut технология получения структур КНИ и структур германий на кремнии, изоляторе,
арсениде галлия, Si / Ge на кремнии и изоляторе и др. находит широкое применение в разработке и
производстве новой элементной базы микроэлектроники и наноэлектроники, специальных
радиационно- и термостойких ИС, различного рода сенсоров и датчиков и возможно
высококачественных солнечных элементов. Последние достижения в технологии производства
структур КНИ и нанотехнологии позволили повысить их совершенство и снизить цену, что
привело к существенному увеличению объёмов их производства.
Ниже построены схемы процесса изготовления структур КНИ (в том числе тонких слоев
монокристаллического кремния на стекле) и структур германий на кремнии, изоляторе, арсениде
галлия, Si / Ge на кремнии и изоляторе и др. и структур кремний на германии в рамках Smart-cut
технологии и определены направления исследований. Ранее [3,4] были
установлены ключевые
операции процессов: подготовка пластин, сращивание, режимы обработки поверхности и
термообработк. Были изучены процессы химико-механической, химической, электрохимической,
плазмохимической обработки кремниевых пластин и структур. Исследованы процессы ионной
имплантации и перспективы использования эпитаксиального наращивания. Определены режимы
обработок. Проведенные исследования подтвердили перспективность выбранного направления и
позволили определить необходимые методы контроля параметров структур. Эти же операции
процессов пригодны и для подложек германия.
В ряде предыдущих работ (см. [1-33]) были рассмотрены особенности и дан анализ
различных технологий производства структур кремний на изоляторе (КНИ). Особая роль в
настоящее время принадлежит технологиям Smart-cut (газового скалывания в процессе
термообработки), основанных на контролируемых использованиях следующих основных
процессов: создание с помощью ионной имплантации микроскопических об`емных дефектов,
содержащих водород; трансформация этих созданных дефектов посредством термообработок;
скалывание тонкого слоя материала подложки по системам таких дефектов по всей площади
пластины [2-4]. В связи с этим в данной работе рассматриваются современные представления об
этих процесса, используемых в технологии smart-cut (газового скалывания), посредством
исследования сращивания пластин кремния и германия между собой и различными изолирующими
подложками во влажных условиях (включая вогзможностьиспользования химической сборки
поверхности методом молекулярного наслаивания) по данным выделения паров воды [2,3, 918,28,31-33]. Отмечается, что закономерности сращивания подложек кремния в рамках smart-cu
технологии, установленные ранее [3,4], присущи процессам сращивания подложек кремния и
германия между собой и c изолирующими подложками.
А. Преимущества структур КНИ перед структурами на основе объемного кремния
Анализ развития полупроводниковых технологий показывает, что в перспективе на структурах
кремний на изоляторе (КНИ) удастся получать приборы (микросхемы) с улучшенными
характеристиками по сравнению с аналогичными приборами изготовленными на обычных
кремниевых пластинах. Технологические процессы изготовления интегральных схем (ИС),
адаптированные для таких структур, могут стать наиболее подходящей основой для производства
аналоговых, смешанных (биполярные-КМОП-ДМОП ИС) и
техническими характеристиками [1-33].
цифровых ИС с наивысшими
Основные преимущества структур КНИ перед объемным кремнием заключены в
уменьшении влияния паразитных эффектов по периметру границы прибора и надежной изоляции
рабочего объема прибора от остальной схемы и подложки.
Приборы с изоляцией p-n переходом имеют более значительные паразитные элементы.
Диэлектрическая изоляция позволяет существенно уменьшить паразитные емкости, что повышает
быстродействие. Транзистор в ИС с изоляцией p-n переходом содержит паразитную тиристорную
структуру, которая может привести к защелкиванию при воздействии переходных процессов и
высоких
уровнях
напряжения.
Полная
диэлектрическая
изоляция
исключает
подобные
нежелательные эффекты, устраняет взаимовлияние между элементами схемы и обеспечивает
повышенное пробивное напряжение. Поскольку все проблемы, связанные с паразитными
элементами и генерацией зарядов в объеме полупроводника, обостряются с ростом температуры
или при действии ионизирующего излучения, ИС с полной диэлектрической изоляцией
компонентов в общем случае отличаются от обычных схем лучшими параметрами при высоких
температурах или воздействии радиации. Диэлектрическая изоляция позволяет увеличить
возможности снижения потребляемой мощности и повышения быстродействия при пониженном
уровне напряжения питания ИС. Диэлектрическая изоляция компонентов на кристалле более
компактна (по сравнению с изоляцией p-n переходом) и соответственно на всей площади
кремниевой пластины занимает меньше места, что приводит к увеличению интегральной
плотности элементов. Надежность диэлектрической изоляции компонентов существенно выше
надежности изоляции p-n переходом. Поэтому использование кремниевых структур, позволяющих
изготавливать ИС с полной диэлектрической изоляцией, является не только перспективным,
экономически целесообразным, но и, возможно, единственным способом получением приборов с
необходимыми рекордными параметрами.
Таким образом, реально существует ряд факторов (перечисленных выше), позволяющих не
только производить продукт (ИС) улучшенного качества, но и получать экономическую выгоду от
использования структур КНИ вместо кремниевых подложек.
В. Перспективы применения структур "кремний на изоляторе" (КНИ)
Структуры КНИ могут использоваться практически для любых типов микросхем. Наиболее
широкое применение структуры КНИ нашли в процессах получения высоковольтных ИС,
изготавливаемых
по
биполярной
и
смешанной
технологиям,
в
процессах
получения
высокоскоростных КМОП схем, схем «разумной мощности», для изготовления оптоэлектронных
микросхем, в технологии получения низкоэнергопотребляющих схем, для изготовления устройств
для интегрально-оптических приборов и волноводов, для изготовления сенсоров и получения
микро-электро-механических систем. В последнее время интерес специалистов к структурам с
диэлектрической изоляцией компонентов постоянно возрастает в связи с увеличением выпуска
многими компаниями структур типа "кремний на изоляторе" для широкого использования и
значительным улучшением кристаллографического совершенства изолированного кремния,
сравнимого с параметрами объемного кремния в подложке. Также значительное увеличение спроса
на структуры КНИ связано с возможностью высокой плотности размещения элементов на
кристалле и быстродействием ИС, изготовленных по этой технологии. структур КНИ.
Ниже
построена схема процесса изготовления структур КНИ в рамках Smart-cvut
технологиии и определены направления исследований. Установлены ключевые операции
процессов: подготовка пластин, сращивание, режимы обработки поверхности и термообработки.
Исследованы
процессы
химико-механической,
химической,
электрохимической,
плазмохимической обработки кремниевых пластин и структур. Исследованы процессы ионной
имплантации и перспективы использования эпитаксиального наращивания. Определены режимы
обработок. Проведенные исследования подтвердили перспективность выбранного направления и
позволили определить необходимые методы контроля параметров структур.
В ряде предыдущих работ (см. [1-33]) были рассмотрены особенности и дан анализ
различных технологий производства структур кремний на диэлектрике (КНИ). Особая роль в
настоящее время принадлежит технологиям Smart-cut (газового скалывания в процессе
термообработки), основанных на контролируемых использованиях следующих
основных
процессов: создание с помощью ионной имплантации микроскопических об`емных дефектов,
содержащих водород; трансформация этих созданных дефектов посредством термообработок;
скалывание тонкого слоя материала подложки по системам таких дефектов по всей площади
пластины [2,3]. В связи с этим в данной работе рассматриваются современные представления об
этих процесса, используемых в технологии smart-cut (газового скалывания), посредством
исследования сращивания пластин кремния во влажных условиях (включая
использование
химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания) по данным выделения
паров воды [2,3, 9-18,28,31-33].
1.Технологическая схема производства структур кремний на диэлектрике,
многослойных структур Ge / Si, (Gex Si1 x ) / Si и тонких монокристаллических слоев кремния,
германия, полупроводников A3 B5 и A2 B6 и структур германий на изоляторе, структур
кремний на полупроводниках A3 B5 и A2 B6 и др. в рамках smart-cut технологии в прямом
сращивании пластин кремния и пластин кремния и германия во влажных условиях
(включая возможность химической сборки поверхности методом молекулярного
наслаивания)
На рис.1 приведен предлагаемый в работе возможный технологическая схема
изготовления структур КНИ и структур кремний на германии (или германий на кремнии) методом
отслаивания с использованием процессов прямого соединения пластин
и химической сборки
поверхности во влажных условиях (включая и метод молекулярного наслаивания).
Исходная (рабочая)
пластина
Очистка
(окисление)
Имплантация
Исходная (рабочая)
пластина
Исходная (рабочая)
пластина
Активация поверхности пластин
(молекулярное наслаивание)
Опорная
пластина
Si
SiO2
Si
Исходная (рабочая)
пластина
Сращивание
Отслаивание
(термообработка)
Полирование
Рис.1 Прямое связывание пластин кремния во влажных условиях и технологии
отслаивания при получении КНИ структур.
Согласно этому маршруту в методе прямого сращивания вместо технологии шлифовки и
травления для утончения одной из пластин предлагается использовать технологию отслаивания
(отщепления) части рабочей пластины кремния (германия) по области пористого слоя,
образованного посредством имплантации протонов на заданную глубину в пластину кремния.
Пористый слой включает в свой состав наполненные водородом нанопоры, созданные
имплантацией протонов в слое кремния через тонкую пленку SiO 2 или пористого слоя кремния,
полученного электрохимическим методом. В последнем случае на поверхности пористого кремния
выращивается эпитаксиальный слой необходимой толщины, который после прямого соединения с
опорной пластиной кремния или германия в последующем отслаивается (отщепляется)
посредством термообработки или часть рабочей пластины после соединения с опорной пластиной
удаляется до эпитаксиального слоя с использованием механических (химико-механических)
методов. В работах [22-24] в качестве примера использован процесс отслаивания слоя кремния с
помощью имплантации ионов водорода. В этом случае общая схема производства структур КНИ в
прямом сращивании пластин кремния с использованием во влажных условиях (включая
химическую
сборку
поверхности
методом
молекулярного
наслаивания)
соответствует
технологической схеме, изображенной на рис.1. В специально окисленную рабочую пластину
кремния (толщина оксида несколько сотен ангстрем) вначале производится
имплантация
протонов с дозой облучения порядка (1-8)·1016 см-2 и энергией 100-150 кэВ. Пленка SiO2
представляет собой защитный слой при имплантации, уменьшающий количество дефектов и
примесей в приграничной области. В дальнейшем она удаляется.
подвергается термическому окислению до толщины оксида
Опорная пластина кремния
(0,2-0,4 мкм), необходимого для
производства конечной структуры КНИ. После специальной очистки и активации методом
молекулярного наслаивания поверхности пластин соединяются лицевыми сторонами друг к другу
и прижимаются. Термообработка этой пары приводит к связыванию пластин кремния с
одновременным отслаиванием по слою, где находится в нанопорах имплантированный водород. В
таком процессе тонкая пленка кремния переходит с рабочей пластины на окисленную поверхность
опорной пластины. В дальнейшем структура КНИ подвергается кратковременному отжигу при
11000 С, в результате чего удаляются созданные в процессе имплантации радиационные дефекты и
водород.
Полученный
высококачественных
таким
структур
образом
КНИ
тонкий
особую
роль
слой
полируется.
играют
Для
производства
технологические
процессы
протонирования, очистки, окисления и активирования (активации) поверхности. Такого же типа
стадии технологии обработки пластин присущи и для процесса получения структур кремний на
германии, а также германий и германий/кремний на кремнии и изолирущих подложках
2. Экспериментальные данные по очистке и окислению стандартных пластин кремния
2.1 Очистка пластин кремния в процессах полупроводникового производства
Для того, чтобы провести прямое связывание пластин большого диаметра и избежать
большого количества пор, обе поверхности пластин не должны содержать загрязнений в виде
частиц, пленок органических соединений, ионных загрязнений. Существующие методы обработки
кремниевых пластин позволяют достигать достаточно высокого уровня очистки.
В производстве интегральных схем процессы химической обработки занимают около трети
всех технологических операций. Существует множество способов химической обработки [25].
Метод погружения полупроводниковых структур в растворы (технологические среды) является
доминирующим на предприятиях, использующих жидкостные способы очистки и травления.
Комплект оборудования данного способа очистки состоит из ванн различного назначения,
скомпонованых в единую технологическую линию, применяемых в соответстви с необходимыми
требованиями к уровню производства ИС [26, 27].
Завершающей стадией жидкостной химической обработки структур является сушка. Среди
наиболее известных методов сушки пластин, таких как сушка паром, сушка по методу движущейся
зоны Марангони, сушка центрифугированием является самым распространенным [26, 27].
Проведенные исследования показали, что сушка является критической операцией процесса
химической обработки кремниевых пластин. Очистка без обеспечения соответствующего уровня
сушки приводит к повторному загрязнению поверхности.
В процессе проведения химических обработок применяют различные способы контроля
чистоты поверхности структуры. Различают различные загрязнения: механические и ионные,
органические и неорганические. Например, в отечественном производстве ИС для экспрес-анализа
качества отмывки при выходном контроле партий пластин с операции химической обработки обычно
учитывают механические загрязнения. Методика контроля постоянно совершенствуется и изменяется
соответственно изменению требованиям к качеству отмывки.
В технологии производства полупроводниковых структур используются разнообразные
процессы жидкостной химической обработки. Нами были проведены эксперименты по выявлению
влияния химической обработки на состояние поверхности полупроводниковых структур. Контроль
качества поверхности осуществляли с помощью зондовой микроскопии применением сканирующего
зондового микроскопа
(СЗМ) SOLVER, производства фирмы NT-MDT. Образцами служили
пластины КДБ–12(100) диаметром 150 мм. Процессы химической обработки проводили методами
погружения в растворы и воздушно – капельного распыления растворов в кислотном процессоре
«Mercury MP». Сравнение полученных результатов воздействия реактивов и методов обработки
пластин проводили на основе анализа
изображения поверхности исследуемых образцов. На
поверхности исходной пластны максимальный размер неровностей (Rmax) равен 1,0 нм,
шероховатость (Ra) составляет величину большую 0,1 нм. На структуре, прошедшей обработку в
течение 10 сек в буферном травителе (аммоний гидродифторид - NH4(HF)2), величина максимальных
микронеровностей имела
значения около
Rmax=0,659 нм, что соответствовало наименьшим
значениям из всех образцов в проведенных экспериментах. Нами были исследованы поверхность
исходной и пластины обработанной в ваннах методом погружения и аэрозольно-капельного
распыления (рис.2а, 2b, 2c).
Рис2a. “Внешний вид структуры после обработки в буферном травителе”.
Рис.2б. “Внешний вид структуры после обработки в ваннах Каро+ПАР”.
Рис.2в. “Внешний вид структуры не подвергавшейся обработке”.
Рис.2. Микрофотография поверхности кремниевой пластины, полученной с применением
сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) SOLVER производства NT-MDT.
Обработку проводили в смеси серной кислоты и перекиси водорода, затем в смеси аммиака,
воды и перекиси водорода. Аэрозольно-капельное распыление проводили в кислотном процессоре
«Mercury MP» с последовательной обработкой в растворах серной кислоты и перекиси водорода,
раствора плавиковой кислоты, смеси аммиака, воды и перекиси водорода, водного раствора соляной
кислоты с перекисью водорода.
На пластине, обработанной в кислотном процессоре и термически окисленной до 0,6 мкм (во
влажном О2 при температуре 9000 С) наблюдались значения
Rmax=3,240 нм и Ra=0,195 нм, что
представляло наибольшие значения.
Таким образом,
проведенные нами исследования позволили проанализировать основные
факторы, влияющие на чистоту полупроводниковых структур в процессе производства интегральных
схем и КНИ структур. В процессе работы было установлено, что одним из основных факторов,
влияющих
на
показатель
уровня
дефектности
пластин
кремния
является
оборудование.
Технологический процесс сушки кремниевых пластин после химической обработки может быть
причиной высокого уровня привносимых загрязнений. Исследование распределения загрязнений при
сушке структур различными методами позволило выявить, что использование центрифуг с
фронтальной загрузкой пластин позволяет существенно снизить уровень привносимых загрязнений.
Исследование влияния химической обработки пластин кремния на морфологию поверхности на
сканирующем зондовом микроскопе позволило выявить происходящие изменения,
определить
шероховатость и величину микронеровностей поверхности. Отметим, что подробные исследования
очистки пластин кремния и германия в настоящее время нам неизвестны.
2.2 Окисление пластин кремния и германия
Поверхности кремния и германия, подвергнутые описанной выше очистке, содержат тонкий
естественный слой оксида (толщиной ~1-2 нм). Для получения поверхности с толщинами оксида
порядка 1 мкм необходима специальная стадия термического окисления, выполняемая в
диффузионной печи при температурах около 11500 С с помощью высокотемпературных реакций с
сухим или влажным кислородом. Эти процессы окисления хорошо исследованы и широко
используются в электронной промышленности.
Главное внимание нами было уделено рассмотрению процесса термообработки для
сращивания пластин кремния и германия во влажных условиях (включая использование
химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания).
2.3. Процесс окисления кремния в структурах КНИ
При сращивании пластин кремния в атмосфере кислорода следует учитывать наряду с
процессами типа (1) процессы окисления поверхностей сращиваемых пластин. Процесс окисления
кремния имеет фундаментальное значение в микроэлектронике [20]. Поэтому исследованиям этого
процесса посвящено множество экспериментальных и теоретических работ. Установлено, что
процесс окисления кремния в атмосфере кислорода является сложным и многостадийным. В
феноменологическом приближении, основанном на термодинамических расчетах, процесс
окисления в пренебрежении диссоциативными реакциями кислорода
характеризуется брутто-
рекциями [34]
2Si( s)  O2 ( g ) 
 2SiO ( g ),
'
k1 , k1
Si(s)  O2 ( g ) 
 SiO2 (s),
(1)
(2)
и
'
k2 ,k2
Si(s)  SiO2 (s) 
 2SiO( g ),
'
k 3 , k3
2SiO2 (s) 
 2SiO( g )  O2 ( g )
(3)
(4)
Сразу же отметим, что реакцией типа (1) можно пренебречь во всем интервале температур
окисления (800 ÷1600 К) и давлениях кислорода вплоть до 10-9 атм, так как парциальное давление
SiO
ничтожно мало. Термодинамический анализ реакций (1)-(4) и экспериментальные
исследования позволяют заключить, что при относительно низких температурах и достаточно
высоких парциальных давлениях кислорода скорость образования двуокиси кремния по реакции
(2) намного превышает скорость ее восстановления до моноокиси, и на поверхности кремния
образуется термодинамически стабильная пленка SiO 2 (кристаллическая или стеклообразная). При
достаточно высоких температурах и низких парциальных давлениях кислорода скорость
образования SiO по реакции (3) значительно превышает скорость образования SiO 2 по реакции
(2). В этом случае SiO отводится от поверхности окисления в газовую фазу, а пленка SiO 2 не
растет вовсе, то есть наблюдается активная фаза процесса окисления. Выделяющейся газ SiO
окисляется на поверхности по
реакции (4). Если на поверхности выращен толстый слой SiO 2 , а
затем образец нагрет до высоких температур в вакууме, то по реакции (4) SiO 2 диссоциирует на
SiO и O2 со скоростью, определяемой скоростью газофазного переноса молекул SiO и O2 от
реакционной поверхности раздела. Таким образом, концентрация SiO 2 в системе Si - SiO 2 - SiO -
O2 испытывает осцилляции.
2.4. Синергетический подход к процессу окисления
В этой связи интересно рассмотреть практически важный случай процесса окисления
кремния, протекающего вдали от термодинамического равновесия, когда исходные продукты ( Si и
O2 ) «подводятся», а продукты реакции (например, SiO ) «отводятся». Покажем ниже, что в этом
случае к процессу окисления кремния в атмосфере кислорода возможен синергетический подход
[35-38].
Допустим, что концентрации атомов Si и молекул SiO и O2 и константы скоростей k j и
k 'j поддерживаются
постоянными.
Обозначим
концентрации
этих
реагентов
[Si]  a,[O2 ]  b,[SiO2 ]  n,[SiO]  c. Согласно (2)-(4), скорости реакций r j могут быть записаны в
виде
r1  k1[Si(s)][O2 ( g )]  k1' [SiO2 (s)]  k1ab  k1' n,
(5)
r2  k 2 [ Si( s)][ SiO2 ( s)]  k 2' [ SiO ( g )] 2  k 2 an  k 2' c 2 ,
(6)
r3  k 3 [ SiO 2 ( s)] 2  k 3' [ SiO ( g )] 2 [O2 ( g )]  k 3 n 2  k 3' bc 2 ,
(7)
Согласно (2)-(4) и (5)-(7) полное изменение n  [SiO2 (s)] во времени dn / dt  n равно сумме
полных скоростей реакций r1 , r2 , r3 , так что
n  r1  r2  r3  k1ab  k1' n + k 2 an  k 2' c 2 + k 3 n 2  k 3' bc 2 =
 k 3 n 2  (k1'  k 2 a)n  (k 2' c 2  k 3' bc 2  k1 ab)
(8)
Изменяя в (8) соответствующим формальным образом единицы измерения времени и
концентрации, можно записать
k 3  1, k1'  1
(9)
Вводя обозначения
k 2 a   ,   (k 2' c 2  k 3' bc 2  k1 ab) ,
можно записать выражение (9) в виде
(10)
n  n 2  (1   )n  
(11)
Как и в [35], рассмотрим вначале стационарное состояние n  0 при   0 . Имеем
n

0
для   1
, (12)
1- 
для   1
то есть при   1 молекулы SiO 2 отсутствуют, а при   1 поддерживается
постоянная
концентрация SiO 2 . Этот переход из состояния «есть молекулы SiO 2 » в состояние «нет молекул
SiO 2 » при варьировании  похож на фазовый переход. Как и в [35,36], можно провести аналогию
с уравнением ферромагнетизма, записав (11) при n  0 в виде
  n 2  (1   )n ,
(13)
 n, H 
  , T / Tk 
  в
где отчетливо видны соответствия M 
H  M 2  (1  T / Tk ) M ,
(14)
где M - намагниченность, H - магнитное поле, T - абсолютная температура, Tk - критическая
температура.
Теперь проведем изучение временной эволюции, следуя общепринятым методам [35-38]. В
случае   0 задачу можно свести к решению уравнения
n  (   1)n  n 2
(15)
с начальными условиями
t  0, n  n0 ,
n  n0 (1  tn0 ) 1 ,
(16)
(17)
так что n асимптотически приближается к нулю.
В случае   1. Решение (15) с учетом (16) имеет вид
n
1    C exp( t )  1
,

2
2 C exp( t )  1
(18)
где
C
1    (1   )  2n0
1    (1   )  2n0
,
(19)
а
  1  .
(20)
Видим, что при t   решение (17) стремится к следующим равновесным значениям
0

n  

для   1
(21)
1 
для   1
Теперь рассмотрим случай   0 в (15). В этом случае его решение с учетом (16) имеет
такой же вид, как и в (18). Но в этом случае коэффициент  равен
  (1   ) 2  4
,
(22)
а C дается выражением типа (19).
Из (18) и (22) следует, что концентрация n монотонно стремится к равновесному значению,
а ее осцилляции отсутствуют.
Проведем вкратце обсуждение полученных результатов. Посмотрим, что означает в нашем
случае равенство   0 , представляющего равенство нулю трех слагаемых в (10). Равенства
k 3' bc 2  0 и k 2' c  0 означают необратимость реакций (3) и (4), а равенство k1ab  0 означает
отсутствие производства SiO 2 по реакции (2). Это может случиться либо при очень низких
температурах, либо в условиях изоляции системы от атмосферы кислорода, так что [O2 ( g )]  b  0 .
Согласно (13), слой окисла SiO 2 на поверхности кремния может претерпевать неравновесный
фазовый переход типа (12), (21): либо [SiO2 (s)]  n  0 для   1 (активная фаза окисления) [34],
либо [SiO2 (s)]  n  (1   ) для   1 (пассивная фаза окисления кремния [34]). Из (10) нетрудно
видеть, что этот переход определяется величиной константы скорости k 2 прямой реакции (3), так
как концентрацию кремния можно считать постоянной ( [ Si ( s )]  a  const ) ввиду большого
избытка. Величина k 2 существенно зависит от температуры. Таким образом, в определенном
температурном интервале слой окисла SiO 2 на поверхности кремния либо может исчезать вовсе
  1, n  0 , либо утончатся до величины (1   ) для случая   1. Временная эволюция n(t ) (см.
выражение (21)) также подтверждает этот практически важный вывод синергетического подхода к
проблеме окисления кремния в атмосфере кислорода. Временная эволюция n(t ) при   0 , также
подтверждает наличие изменения [SiO2 (s)]  n , когда толщина слоя
SiO 2
стремится к
равновесному значению [(1   ) / 2   / 2], а осцилляции n отсутствуют (см. выражения (18) и
(22)). Этот случай не что иное как обычная пассивная фаза окисления кремния в открытой системе
кремний-кислород, наблюдаемая в условиях отсутствия термодинамического равновесия [34].
2.5. Возможность синергетического подхода к эволюции свойств структур КНИ
Далее нами рассматривается возможность синергетического подхода к рассмотрению
эволюции свойств материалов, используемых в электронном материаловедении, и связанный с
появлением в материале под влиянием обмена с окружающей средой потоками энергии, вещества
и информации некоей новой фазы (например, аморфной), нарушающей его основные свойства
(например, прочностные и электрические, как в случае тонких эпитаксиальных слоев кремния и
структур КНИ), связанные с переходами типа кристалл  аморфная фаза. Ниже предлагается
модель такого перехода кристалл  стекло (аморфная фаза) в пленках SiO2 в структурах КНИ
Рассматривается идеальная система Si-SiO2 –Si, в слое которой равномерно распределены центры
кристаллизации, возникающие в аморфной фазе SiO2 в процессах термического воздействия.
Предполагается, что примеси металлов и область пространственного заряда в пленке SiO2 не
оказывают при этом влияния на переходы кристалл  аморфная фаза. Первоначальным
состоянием пленок SiO2 , получаемых при высоких температурах, является метастабильное
стеклообразное (аморфное) состояние. Предполагается, что в процессе производства и
эксплуатации структур КНИ при высоких температурах и воздействии энергетических потоков
(освещение,
электрическое
и
электромагнитные
поля)
реакционноспособные молекулы SiO 2* . Именно переходы типа
переход
аморфной фазы в кристаллическую. Здесь
генерируются
активные
SiO2*  SiO2kp обуславливают
SiO 2kp - символ молекул
SiO 2
в
кристаллической фазе. Решающее предположение взаимодействия между активными молекулами
SiO 2* и SiO 2kp состоит в том, что при взаимодействии с
энергетическими потоками наряду с
простыми переходами SiO2kp  SiO2 p еще возможны переходы, включающие автокаталитические
стадии:
SiO2*  SiO2kp  2SiO2kp
и
SiO2*  2SiO2kp  3SiO2kp . Здесь
SiO2 p -символ пассивных
молекул SiO 2 аморфной фазы. Эти процессы процессы переходов с учетом обозначений
SiO2*  M * , SiO2kp  N , SiO2 p  M можно
охарактеризовать
при
определенных
условиях
гомогенности и изотермичности схемами квазихимических реакций Шлегля
'
k1 ,k1
M   N 
 2 N ,
(23)
'
k2 ,k2
N 
 M ,
(24)
и
'
k1 ,k1
M   2 N 
 3N ,
(25)
'
k2 ,k2
N 
 M ,
Здесь полагаем, что
соответствующие
(26)
M * , N и M являются средними концентрациями ингредиентов, а k i -
константы
скоростей
реакций
типа
(25)-(28).
Используя
известные
синергетические методы [35-38], можно показать, что N может совершать переходы по принципу
«все или ничего» типа неравновесных фазовых перехода первого и второго рода. Действительно,
скорость изменения N  dN / dt по [35-38] можем записать в виде
N  dN / dt  r1  r2   ( N )
(27)
С учетом значения скоростей реакций (r1 , r2 ) в случае процессов типа (23), (24) имеем
 ( N )   N 2  (1   ) N   ,
(28)
а в случае процессов типа (24), (26)
 ( N )   N 2  3N 2  N   ,
(29)
Здесь, согласно [35-37], введены обозначения
k1'  1, k1 M   1, k 2   , k 2'   ,
(30)
в случае реакций (23), (24) и
k1'  1, k1 M   3, k 2   , k 2'   ,
(31)
в случае реакций (25), (26).
В стационарном состоянии из выражения (28) следует
  N 2  (1   ) N   ( N )
(32)
В случае   k 2' M  0 получаем из (32) выражение (33), описывающее переходы
0

N 

для   1 ,
(33)
1 
для   1 .
Естественно, что для безопасной работы материалов электронной техники (например, для слоев
SiO 2 в структурах КНИ) величина N должна отличной от нуля при минимальном значении  , то
есть равна максимальному значению. Нетрудно видеть, что переходы N типа (33) соответствуют
фазовому переходу второго рода, например, в ферромагнетике, так как намагниченность M  ,
напряженность магнитного поля H и температура T могут быть сопоставлены с величинами
N ,  ,  . Этот фазовый переход имеет место при H  0, что в нашем случае есть   0. Как и в
случае M   0 при T  Tkp , наш случай есть N  0 при   1. Более того, решая по методу Хакена
[36] уравнение (27) с граничным условием N (t )  N (0)  N 0 , можем найти N (t ). Эволюция же во
времени приводит N (t ) / t 0 к значению N () типа (33) при различных  .
Далее, из соотношений (27), (29) следует, что для конкретных значений  ,  имеются три
положительные вещественные значения N1 , N 2 , N 3 , для которых N  0 , Это не что иное, как
стационарные состояния. Диаграмма стационарных состояний дается уравнением
  N 3  3N 2  N   ( N )
(34)
Из этого выражения следует, что существует критическое значение  c , для которого три значения
N1 , N 2 , N 3 сливаются в одну точку, а именно
c  0
(35)
N c  1,   1
(36)
В этой критической точке
Диаграмма  (N )   подобна диаграмме равновесных состояний уравнения Ван-дер-Ваальса газа,
если считать, что N ,  , 
соответствуют концентрации v 1 , давлению
p и RT , где R -
универсальная газовая постоянная. При соответствующем выборе единиц критические величины
(корни) есть
vc  1, pc  1, RTc  8 / 3,
(37)
так что уравнение Ван-дер-Ваальса принимает вид
1
 N
p  1    ( N )
3

(38)
Адекватный (31) выбор единиц приводит (38) к уравнению
p   (N )
(39)
Таким образом получается полная аналогия, если переход между двумя стабильными состояниями
N назвать фазовым переходом первого рода.
Теперь, если реакции (25), (26), протекающие в материале, приводят к неоднородному
распределению N , то необходимо учитывать наряду с процессами химического превращения
диффузию N . В этом случае для одномерного случая можно записать
2
d N
N  D 2   ( N ),
dz
(40)
где D - коэффициент диффузии, а
 (N ) 

( N )
N
(41)
В стационарном состоянии имеем
D
где (N ) равна
d 2N


( N ),
2
N
dz
(42)
1

( N )   N 4  N 3  N 3  N 2  N
4
2
(43)
Видим, что уравнение (42) имеет ту же структуру, что и одномерное уравнение движения
материальной точки в механике с массой m в поле потенциала (N ) . Это видно из сопоставления
координаты x и N , времени t и координаты z , причем m  D.
Подробное исследование уравнения (42) было проведено Шлеглем [35,36]. Эти же
результаты могут быть использованы и для поведения N . В частности, учет диффузии в (42)
наряду с реакциями (25) и (26) может давать различные виды «фаз» N . Это могут быть состояния
типа «капелек» жидкости или «пузырьков» газа.
Условия существования фаз при этом
описываются уравнением движения (42). При наличии гомогенных фаз N в материале разделяется
на малые «капельки» или «пузырьки», которые при некотором критическом значении их радиусов
с определенным значением r0 будут уменьшаться или исчезать.
Посмотрим, какие же полезные результаты мы получим на основании синергетического
подхода к решению задачи феноменологической кинетики эволюции свойств SiO 2 в структурах
КНИ. Сразу отметим, что при высоких температурах термообработки (T  1100 0 ) в структурах
КНИ состояние производимого слоя SiO 2 является стеклообразным (аморфным). При этом в слое
SiO 2 всегда имеются некие дефекты структуры, представляющие собой центры кристаллизации
(вероятнее всего, кристобаллиты). В процессах производства и эксплуатации при перегревах и
термообработках и действии энергетических потоков (даже при низких температурах) протекает
процесс кристаллизации SiO 2 (переход кристаллстекло). Частичная кристаллизация в слое SiO 2
приводит к растрескиванию структуры слоя. При этом образуются трещины и поры, заполняемые
примесями металлов, приводящими к пробою структур КНИ. При этом структура КНИ может
выйти из строя. Предложенное нами решение кинетики эволюции свойств слоя SiO 2 с
использованием синергетического подхода позволяет на качественном уровне рассматривать
переходы кристаллстекло при воздействии энергетических потоков при низких температурах (то
есть при обычных условиях эксплуатации). Действительно, решение стационарной задачи (33)
позволяет сделать заключение о том, что при k1 M *  k 2 (скорость генерации молекул кристалла
SiO 2 меньше скорости перехода этих молекул в пассивное состояние аморфной фазы) молекулы
SiO 2kp отсутствуют - N  0 , а при k1 M *  k 2 поддерживается постоянная концентрация SiO 2kp N  (k1 M *  k 2 ) / k1' . Как уже отмечали, этот переход из состояния “нет молекул SiO 2kp ” в состояние
“есть молекулы сорта SiO 2kp ” при изменении нелинейного члена k 2 в уравнении (28) представляет
собой неравновесный фазовый переход второго рода.
Отсюда на основании предложенной феноменологической модели с использованием
синергетического подхода к эволюции свойств структур КНИ можно сделать вывод о том, что
имеется некий оптимальный режим их эксплуатации. При котором пленка SiO 2 является
полностью
аморфной.
Этот
оптимальный
режим
был
подобран
для
структур
КНИ
экспериментальным путем.Предложенная нами модель переходов кристаллстекло в рамках
синергетического подхода таким образом раскрывает существенные черты эволюции свойств
пленок при воздействии энергетических потоков при низких температурах.
Таким образом, фаза кристаллического материала
(структуры КНИ), нарушающая, например,
N  SiO2kp
электронной техники
свойства аморфного материала M  SiO2 p , под
влиянием внешних воздействий (потоки энергии, вещества и информации) может претерпевать
сложные динамические превращения, приводящие к неусточивостям, создающими переходы к
множественным стационарным состояниям вида, например, (35) и к пространственным
структурам, образуемой фазой N . При этом естественно могут нарушаться прочностные и
электрические свойства материалов, используемых в электронной технике (в нашем случае
структур КНИ)
В свою очередь предлагаемый синергетический подход к проблеме окисления кремния в
атмосфере кислорода позволяет сделать следующие выводы: 1) В условиях изоляции системы от
атмосферы кислорода, когда подводимым реагентом можно считать кремний Si (s ) , а отводимыми
- SiO (g ) и O2 ( g ) , в зависимости от величины параметра  слой окисла [SiO2 (s)]  n либо может
исчезнуть вовсе (n  0) , Либо утончится до некоторой постоянной величины (n  const ) ; 2) В
случае открытой системы, когда подводимыми реагентами являются кремний Si (s ) и кислород
O2 ( g ) , а отводимым – моноокись кремния SiO (g ) , толщина слоя окисла [SiO2 (s)] стремится к
равновесному значению, а осцилляции [SiO2 (s)]  n отсутствуют. Эти обстоятельства должны
учитываться при производстве и эксплуатации устройств и приборов микроэлектроники,
включающих в свой состав двуокись кремния (например, структур КНИ, для которых в рамках
синергетического подхода предсказываются возможные изменения толщин dок слоев двуокиси
кремния (SiO2) на границе двух сращиваемых пластин в условиях неравновесных процессов
различных внешних воздействий.
Как отмечают в [35,36], механические свойства этих технически важных материалов
невозможно рассматривать на чисто механической основе. Их следует рассматривать как часть
общей проблематики нелинейных динамических систем, работающих вдали от равновесия (см.
вводную часть статьи). Проведенное выше рассмотрение эволюции свойств технически важных
материалов электронной техники на основании простых моделей Шлегля, подтверждает этот
постулат Пригожина и Николиса. Это может служить ценным вкладом в науку о старении (то есть
процесс эволюции свойств материалов при эксплуатации) технически важных материалов
(металлы, сплавы, стекла, полимеры, различные спецматериалы атомной, термоядерной,
космической и электронной техники). Особое значение приобретают в связи с этим
экспериментальные исследования синергетических эффектов при синтезе и эксплуатации этих
технически важных материалов самыми различными физическими и химическими методами.
Пожалуй, это передний край развития и применений экспериментальных методов современного
материаловедения.
3. Теоретическое обоснование метода протонирования стандартных пластин кремния
В 1983 году был предложен способ получения кремниевых подложек и формирования
тонких монокристаллических пленок из кремния и германия, методом так называмого «газового
скалывания» (Smart-cut технология) (см. [2,3]). В его основу положено формирование
заглубленного слоя, легированного газовыми атомами, путем облучения соответствующими
ионами газовых элементов (Н, Не и т.п.) [2,3]. При соответствующих температурах облучения или
послеимплантационного отжига, в этом слое формируются газовые поры, вызывающие объемные
изменения легированного слоя. Следствием этого является возникновение в нем напряжений,
превышающих предел прочности материала и, естественно, вызывающее хрупкое скалывание
материала вдоль линии проективного пробега ионов. Изменяя энергию газовых ионов можно легко
варьировать толщину скалываемой монокристаллической пленки. Послерадиационный отжиг
данной пленки способствует уничтожению радиационно-индуцированных повреждений.
Методика расчета глубины слоя, в котором формируются газовые поры, приведена,
например, в [2-4]. Где проекция пробега протонов R p - в м; а его начальная энергия Е – в Дж.
Отметим, что формула в [2,3] пригодна для оценок R p как для протонов, так и ионов гелия и
других ионов.
Когда начальная энергия движущихся протонов достаточно велика, то имеем случай
преобладания электронного торможения. При этом проекция пробегов протонов для мишени из
кремния
R p  5E 1 / 2 .
(44)
Эта формула пригодна для оценок максимальной длины R p быстрых бомбардирующих
протонов в мишенях из кремния при отсутствии каналирования. Например, при энергии
падающих протонов 1,4·10-14 Дж R p  5(1,4  10 14 )1 / 2  6  10 7 м = 0,6 мкм (1 эВ =1,6·10-19 Дж).
Радиационные нарушения в мишени кремния создаются главным образом тогда, когда торможение
на ядрах превышает электронное торможение. Поэтому при внедрении протонов малых энергий
радиационные дефекты образуются вдоль всей траектории, а при высокой энергии протонов –
только в конце их пробега (!). Отметим, что более точные расчеты величин R p и профилей
внедрения протонов и ионов гелия в кремний может быть сделан на основании теоретических
расчетов в [31].
Важная особенность «газового скалывания» монокристаллических пленок кремния и
германия (по-видимому, всех кристаллических хрупких материалов) состоит в том, что
используются наиболее эффективные источники легких ионов. При этом:
-
исключается высокодозная имплантация тяжелых ионов, в частности, О2 и
высокотемпературный послеимплантационный отжиг для синтеза заглубленного
окисного слоя;
-
исключаются сложные и трудоемкие технологические процедуры формирования
«стоп слоя» и химического утончения;
-
нет ограничений к типам полупроводников.
Ниже рассмотрены различные технологические стадии и исследование процесса
производства структур КНИ и структур кремний на германии прямым сращиванием пластин во
влажных условиях (включая
использование химической сборки
поверхностей
методом
молекулярного наслаивания).
4. Физико-химические основы smart-cut технологии
Smart-cut технология создания структур КНИ и структур кремний на германии основана на
контролируемом использовании следующих основных процессов: создание путем ионной
имплантации пластинчатых дефектов (ПД), содержащих водород; преобразование этих дефектов
путем термообработки; скалывание тонкого слоя материала по системе таких дефектов на всей
площади пластины. Вкратце рассмотрим современные представления об этих процессах [32,33]. В
пером приближении ПД можно рассматривать как микротрещины, поверхность которых насыщена
водородом, создающим Si-H связи, а во внутреннем пространстве содержится водород. Процесс
образования пластинчатых дефектов можно рассматривать как преципитацию водорода из
пересыщенного раствора в кремнии и германии, сопровождаемую дополнительными химическими
и
физическими
взаимодействиями.
Согласно
теоретическим
представлениям,
процесс
преципитации состоит из стадий ядрообразования, роста и слипания (коагуляции). Рассмотрим эти
стадии.
4.1.Стадия ядрообразования
Установлено. что ПД наблюдаются при любом способе гидрогенизации (травлении,
диффузии, плазменной обработке, ионной имплантации) в кремнии обоих типов проводимости с
различным содержанием легирующих примесей. При этом температура образца не должна
превышать 200÷2500 С. В качестве зародышей ПД предлагаются различные комплексы с участием
водорода: 1) Гидрогеонизированный бор BH n 110 , содержащий несколько атомов водорода. Такой
центр вызывает значительные смещения окружающих атомов кремния. Тем самым ослабляются
соответствующие Si-Si связи, что облегчает их замену более сильными Si-H связями
2)
Гексавакансия V g , которая создается из дивакансий -типичного вакансионного дефекта с
температурой отжига 2000 С, является весьма устойчивой, электрически и оптически неактивной и
обладает той же симметрией, что и ПД (плоская кольцевая конфигурация) [32,33]. 3)
Гидрогенизированные вакансия -VН4 и дивакансия –V2Н6. Важная роль вакансионных центров в
образовании ПД установлена при экспериментальном исследовании соответствующих ИК полос
поглощения и сопоставлении этих результатов с данными просвечивающей электронной
микроскопии. Кроме того, теоретические расчеты показали, что образование ПД путем
присоединения водорода к таким комплексам энергетически выгодно. В связи с изложенным,
делается предпроложение о том, что в качестве зародышей при гетерогенном образовании ПД
могут выступать различные центры. В случае гидрогенизации путем ионной имплантации это,
предпочтительно, вакансионные центры; в сильнолегированных материалах - атомы основной
легирующей примеси. Отметим, что ими могут быть не только атомы В, но и атомы фосфора. (Для
фосфора также известны центры с несколькими атомами водорода типа РН 1÷3). Более того,
принципиально
возможно
гомогенное
образование
ПД,
обусловленное
флуктуациями
концентрации водорода. Однако такой механизм требует значительно большей степени
пересыщения и потому мало эффективен.
4.2.Стадия роста
Стадия роста определяется следующими процессами: диффузией водорода; захватом
водорода; перестройкой ПД, обусловленной внутренним давлением. Водород в Si и Ge может
находиться в решетке в различных междоузельных положениях ( Г или Т ) и иметь разные
зарядовые состояния ( +1, 0 или -1 ) в зависимости от положения соответствующих энергетических
уровней относительно уровня Ферми. Известно, что коэффициент диффузии водорода зависит от
его зарядового состояния, причем DH   DH 0 , DH  .
Отсюда следует, что скорость роста ПД
может зависеть от типа легирующей примеси и уровня легирования, так как зависит от локального
значения коэффициента диффузии [32,33].
4.3. Стадия слипания
Слипание происходит, когда концентрация ПД становится настолько большой, что они
начинают взаимодействовать друг с другом. Согласно теоретическим представлениям на этой
стадии происходит рост дефектов большого размера за счёт поглощения ими малых дефектов. При
этом происходит увеличение характерных размеров ПД и сужение их распределения по размерам.
Были проведены облучения кремния дозами Н+ примерно на порядок большими, чем дозы,
характерные для Smart-cut процесса [32,33]. После этого в обычный оптический микроскоп
наблюдались пластинчатые дефекты с размерами от 1,0 до 6,0 мкм. Распределение этих дефектов
по размерам зависело от глубины и энергии иона и было более узким, чем для ПД на стадии роста.
Более подробных исследований стадии слипания не проводилось.
4.4. Отщепление
Отщепление имеет ту же природу, что и блистеринг. Это подтверждается следующими
фактами. Для наблюдения блистеринга и наблюдения отщепления необходима некоторая
критическая доза имплантации. Время обоих процессов уменьшается с ростом дозы и одинаковым
активационным образом зависит от температуры. Энергия активизации образования блистеров и
полного отщепления пластины одинаковы. Однако время отщепления примерно на порядок
больше [32,33]. Однако есть и отличие. При блистеринге происходит вскрытие поверхности
отдельных микропор, заполненных газом (или отрыв локальных областей поверхности небольших чешуек). Отщепление же происходит по всей пластине. Чтобы это происходило,
необходимо объединение локальных микротрещин до того как образуются блистеры. Это
обеспечивается созданием «ребра жёсткости». В Smart-cut технологии ребро жёсткости создаётся
путём связывания с опорной пластиной. Обычно это связывание производится через термический
окисел. В принципе, возможна и другая комбинация материалов. Чтобы получить качественное
ребро жёсткости необходимо обеспечить вдоль всей связанной поверхности отсутствие пустот,
посторонних частиц и других загрязнений. Их наличие приводит к «неполному» прилеганию
соответствующих поверхностей, то есть отсутствию связывания на соответствующих участках.
Последнее ведёт к неполному отщеплению, что сказывается на качестве изготавливаемых структур
КНИ.
5. Особенности процесса сращивания стандартных пластин кремния между собой и
пластинами изоляторов (стекла) и другими полупроводниковыми пластинами во
влажных условиях (включая и метод молекулярного наслаивания) с использованием
методов наблюдения выделения паров воды
Процессы связывания стандартных пластин кремния с различными подложками имеют
большое значение в современной полупроводниковой технологии. Существует множество методов
связывания монокристаллических подложек. Это в первую очередь термокомпрессионный метод
связывания, осуществляемый при высоких температурах с приложением внешнего давления к
соприкасающимся очищенным поверхностям подложек. Для создания специальных приборов и
устройств используются методы связывания через слои двуокиси кремния, различных оксидов
металлов, стеклообразных промежуточных слоев и т.д. Особый интерес представляет метод
сращивания стандартных пластин кремния с нанесенными слоями двуокиси кремния посредством
химических реакций между гидроксилированными и гидратированными поверхностями пластин (
сращивание во влажных условиях [1-8]). Именно этот процесс получил наиболее широкое
распространение на практике. Ниже рассматриваются особенности теории процесса сращивания
стандартных пластин кремния во влажных условиях (включая
возможность использования
химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания [9-15]) по данным
выделения паров воды.
Имеются значительные трудности получения структур КНИ посредством технологического
роста слоев кремния, например, на сапфире и двуокиси кремния, связанные с несоответствием
постоянных решеток, в результате чего получаются некачественные слои кремния.
Выше
отмечалось, что в последние годы появилась новая технология получения качественных слоев
кремния до толщин ~ 10 мкм посредством сращивания двух стандартных пластин и последующего
утонения одной из них до требуемой толщины слоя монокристаллического кремния. Процесс
сращивания является очень сложным и заключается, по-существу дела, в процессе взаимодействия
двух гидратированных и гидроксилированных поверхностей SiO2 [20,21]. Физико-химическая
модель сращивания, предложенная в работе [21], влючает три последовательные стадии (рис.3). На
первой стадии при соприкосновении двух гидратированных поверхностей образуются водородные
связи между кислородом и водородными атомами адсорбированных молекул воды (четыре
молекулы воды могут образовать водные кластеры (циклические тетрамеры)). Максимальная
энергия связи, свойственная циклическим тетрамерам, составляет величину примерно 10 ккал/моль
[21] в расчете на одну молекулу воды, что соответствует 0,43 эВ. Это в три раза больше, чем
прочность связи для “гидроксиловой” воды в димере, которая равна примерно 3 ккал/моль.
Поверхность оксида
Si
O
H
H
O
O
H
H
H
7А
I
H
H
H
о
Граница связывания
O
O
H
H
O
Поверхность оксида
SiOH : OH 2
Si
2
: OH 2
2
: HOSi
T  200 o C
O
H
H
H
O
H
O
II
H
o
3,5 A
O
H
H
O
H
H
H
SiOH : HOSi  H 2 O
4
O
Si
Si
O
H
H
o
1,6 A
O
III
SiOSi : H 2 O
Si
Рис.3 Физико-химическая модель сращивания стандартных пластин кремния.
.
Вследствие этого энергетически выгодно отделение водных кластеров от SiOH групп с
образованием новых SiOH - OHSi связей. Так как образующиеся тетрамеры имеют эффективный
диаметр около 4 Å, то они не могут диффундировать от поверхности сращивания. Однако, при
температурах Т>7000 C
кластеры воды распадаются, а молекулы воды диффундируют сквозь
сетчатый каркас SiO2.. При этом единичные силанольные связи могут образовать SiOSi связи с
выделением молекул воды. В работах [20,21] отмечается, что при комнатной температуре энергия
связи двух осушенных гидратированных поверхностей пластин, обусловленная ОН-связями
молекул Н2О составляет величину примерно 85 эрг/см2. При температуре выше 3000 С возникают
Н-связи за счет ОН-групп поверхности SiO2, а (Н2О)4 распадается и молекулы Н2О диффундируют
от места сращивания. При этом предполагается, что имеются две Н-связи на одно место
сращивания; при этом получается структура, не имеющая места в воде, но возможная для
поверхностных ОН групп. Если взять, как наиболее вероятную, энергию связи в водном димере, то
получим для прочности связи величину 2х6,1 ккал/моль, соответствующую поверхностной энергии
сращивания 634 эрг/см2 в случае, если все силанольные группы связаны друг с другом. В области
очень высоких температур вплоть до 8000 С идет дальнейшее удаление воды и образование связей
SiOSi. Технология сращивания включает в свой состав процесс осушки пластин при 500 С перед
процессом непосредственного сращивания. Это очень важная стадия, так как она позволяет
избежать обильного образования пузырьков воды на поверхности сращивания. Отметим, что
образующиеся пузырьки исчезают сами по себе при комнатной температуре за несколько недель
или за более короткое время при высоких температурах. В рамках модели работы [21] проведенные
эксперименты по предварительной осушке говорят о том, что нагревание пластин перед этапом
непосредственного сращивания состоит в десорбции Н2О с гидратированной (гидроксилированной)
поверхности с освобождением пространства для развития SiOSi связей при последующих стадиях
отжига. Это может оказывать существенное влияние на температурную зависимость прочности
связывания пластин кремния.
Резюмируя, еще раз подчеркнем, что модель, предложенная в работах [20,21], состоит из
трехстадийного процесса сращивания с участием молекул воды. На стадии I две подложки
соединяются через кластеры воды и поверхностная энергия связи составляет величину примерно
100 эрг/см2. На стадии II уже Н-связи силанольных групп связывают пластины, а на поверхности
раздела присутствуют водные кластеры со средней плотностью (Н2О)4/13,35.Å2 . Максимальная
энергия связи на стадии II равна 634 эрг/см2. На стадии III энергия связи достигает величины 2х980
эрг/см2, где 980 эрг/см2 - поверхностная энергия связи кварца. В работах [20,21] были проведены
детальные экспериментальные исследования поверхностной энергии связывания в зависимости от
времени отжига и температуры. В связи с этим ниже, следуя модели [20,21], посвященную
кинетическому анализу поверхностной энергии связи, мы развили модель сращивания, основанную
на выделении паров воды. Выпишем основные реакции этой модели
k1
SiOH:(OH2)2:(OH2)2:OHSi 

SiOH:SiOH+ (H2O)4
Структуры, соотвествующие левой и правой частей уравнения (44),
(45)
соответствуют
реакциям между стадиями сращивания I и II. Естественно, что
(Н2О)4  (Н2О)3 + Н2О   (Н2О)2 + Н2О   2 Н2О 
(46)
Кроме того
SiOH:SiOH  SiOSI + H2O
(47)
k2
SiOH:SiOH  SiOSi + H2O 
(48)
Это протекающие реакции между стадиями сращивания II и III, соответствующие процессу прямого
связывания двух окисленных пластин кремния с гидроксильными группами на их поверхности
(пластины А и В) (рис.4). При нагревании соединенных двух таких пластин взаимодействие двух
противоположных ОН групп приводит к образованию молекул воды и силоксановых связей Si-OSi.
Подложка А
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Поверхность
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Si
Si
Si
Si
Подложка В
Si
Si
Si
Si
Si
Поверхность
(А)
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
(Б)
Рис.4 Гидроксильные группы на окисной Si пластине.
В работе [5] (рис.5) показаны сканирующие акустические томографические изображения (СAT)
границы раздела связывания. Обе сухие- (А) и влажно-окисленные пластины (С), соединенные в
сухих условиях, показывают несовершенную связь, что видно из затемненного пространства. С
другой стороны сухие- (В) и влажно-окисленные пластины (D), соединенные во влажных условиях,
указывают на более лучшее связывание за исключением пор от царапин и загрязнений. Следует
отметить, что чрезвычайно трудно удалить все следы воды в пространстве, окисленном в сухих
условиях. Таким образом, для получения качественных КНИ структур поверхности окисленных
пластин, синтезируемых с использованием химической сборки поверхности методом
Рис.5 Изображения SAT, иллюстрирующие влияние условий роста оксида и качества
связывания:
а) исходная пластина;
с) связанные в сухих условиях;
b) исходная пластина;
d) связанные во влажных условиях;
молекулярного наслаивания, целесообразно проводить процесс сращивания в условиях влажной
атмосферы.
Энергия активации реакции (45) должна быть порядка величины энергии водородной связи,
которая равна примерно 50 мэВ. Энергия активации для реакции (48) должна быть заключена в
пределах от 1,8 до 2,1 эВ, так как эта реакция подобна поверхностной реакции окисления кремния.
Естественно, что
d[SiOSi]/dt=d[H2O]/dt= k2(no-[SiOSi) = k2(no - [H2O])
(49)
Здесь к1 и к2 - константы скоростей реакций, no - число мест сращивания. Кроме того, согласно (47)
d[H2O]/dt = к1 [SiOH:SiOH] = k1 [H2O]
(50)
Решения уравнений (49) и (50), согласно [21], позволяют описать кинетику прочности связывания и
кинетику газовыделения
W = (1960 эрг/см2 - WB) [ 1 - exp(-k2t)] + WB
(51)
где 2х980 эрг/см2 - энергия связывания пластин кремния за счет SiOSi связей, а
WB = 630 exp(-0,05 эВ/кТ)
эрг/см2
(52)
Здесь к - постоянная Больцмана, Т - температура.
Нам удалось показать при этом, что кинетика выделения паров воды во многом может
описываться подобно уравнению (51)
[H2O](t) = {[no-no exp(-0,05/kT)] [1-exp(-k2t)]} + no exp(-0,05/kT)
(53)
Из выражений (51) и () следует, что зависимости W и [H2O](t) симбатны. Этот вывод теории
подтверждается на качественном уровне проведенными нами экспериментами по сращиванию
стандартных пластин кремния различных марок. Следует однако отметить, что при выводе
выражения (53) мы пренебрегли возможными процессами диссоциации воды на поверхности
сращивания. Этот вопрос нуждается в дальнейших экспериментальных и теоретических
исследованиях. Подчеркнем, что полученное нами выражение (53) может быть использовано в
качестве алгоритма моделирования и оптимизации процесса сращивания пластин кремния. Для
этого необходимо определять в ходе экспериментальных исследований величины n o и к2,
входящие в (53). На основании этих выводов в экспериментах [5] и теории сращивания [16,19,20]
приведем модифицированную теорию сращивания, основанную на предположении о возможности
наличия различного среднего числа ОН-групп на атоме кремния на поверхности сращиваемых
пластин во влажных условиях (включая использование химической сборки поверхности методом
молекулярного наслаивания [3,4,9-15,18]). Вначале рассмотрим основы этого метода.
6. Постановка задачи и предполагаемые решения проблемы активирования,
гидрофилизации и сращивания поверхностей стандартных протонированных пластин во
влажных условиях
Основная идея химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания [1218], возможно пригодного для прецизионного «синтеза поверхности» пластин с известным
составом и ее модифицирования, состоит в последовательном наращивании монослоев
структурных единиц заданного химического состава. Технология прямого соединения пластин
состоит в сращивании двух окисленных поверхностей пластин кремния, пластин кремния и
германия с заданными толщинами окисла SiO2 на каждой из них. Первоначальной задачей является
насыщение сращиваемых поверхностей ОН-группами на атомах кремния и германия. Каждый
поверхностный атом кремния или германия может присоединять одну или две ОН-группы. Этот
“монослой” ОН-групп может быть сформирован в специальном реакторе при обработке
поверхности пластин парами воды в инертном газе-носителе (воздух, азот, аргон, гелий и т.д.) при
температуре Т 2000 С [9-15]. Такого типа термообработка приводит к удалению сорбированной
воды (около 2000 С) и образованию гидроксилированной поверхности с функциональными
группами вида (Si-OH) и (Ge-OH).
Эти функциональные группы могут активно взаимодействовать, например, с молекулами
SiCl4 с образованием кремнийоксохлоридных групп по реакции
2(  Si  OH )  SiCl4 (  Si  O) 2 SiCl2  2 HCl
(54)
Этот процесс следует проводить в обогреваемом реакторе при 2000 С, куда загружаются пластины
кремния, прогревать их в потоке тщательно осушенного газа-носителя при 2000 С , а затем через
реактор можно продувать, например, азот, насыщенный парами SiCl4. Чтобы обеспечить 100% ное замещение ОН-групп
по реакции (54) ее нужно проводить в условиях максимального
удаления от равновесия. Как указывается в [3,4,9-15,18], экспериментально это достигается
проведением процесса в не менее чем трехкратном избытке SiCl4 по сравнению с количеством его
хемосорбированного по схеме (54) и удалением из зоны реакции газообразного продукта
взаимодействия (HСl), способного при накоплении в реакционной зоне разрушать связи Si-O-Si.
Следующая операция состоит в продувке сухим азотом пластин для удаления избытка SiCl4, HСl.
Отметим, что число связей с поверхностью, концентрация привитых по реакции (54)
функциональных групп (Si-O-)2SiCl2 зависит от количества и расположения ОН-групп на
исходной поверхности и будут уменьшаться с увеличением температуры.
Теперь можно сформулировать программу и пути ее реализации при синтезе методом
молекулярного наслаивания слоя SiO2 заданной толщины. Для этого вполне логично использовать
на стадии замещения хлор-ионов пары воды (донора кислорода) и активного хлорзамещающего
реагента. При обработке парами воды при Т 2000 С на поверхности протекают реакции по схеме
(  Si  O ) 2 SiCl2  2 H 2 O (  Si  O) 2 Si (OH ) 2  2 HCl
(55)
Этот процесс проводят до полного замещения Cl на ОН с последующим удалением избытка
физически адсорбированной воды и HСl, то есть получают гидроксилированную поверхность, но
ОН-группы уже связаны не с атомами исходной поверхности, а с атомами в составе привитых
функциональных групп. Гидроксилированную поверхность вновь обрабатывают парами SiCl4 и
образуется второй кремнийоксохлоридный монослой по схеме
\
(  Si  O  ) 2 Si  O  Si Cl 2
2( Si  O ) 2 Si (OH ) 2  2SiCl4 
/
o
 4 HCl
(56)
\
(  Si  O  ) 2 Si  O  Si Cl 2
/
Затем продукт реакции (56) может быть подвергнут обработке парами воды и т.д.
Таким образом, многократно и попеременно обрабатывая поверхность кремниевой
пластины SiCl4 и парами воды с соблюдением принципов молекулярного наслаивания можно
сформировать на поверхности слой SiO2, толщина которого определяется числом циклов
молекулярного наслаивания (один цикл в нашем случае включает реакции (54) и (55)) [3,4,915,18].
Исходя из вышесказанного можно видеть, что поверхность кремния в общем случае может
содержать только 1) функциональные группы (Si - OH), или 2) функциональные группы (Si - O
-)2SiCl2,
либо 3) функциональные группы (Si - O -)2Si(ОН)2 . Таким образом, в процессах
термообработки прямого соединения пластин можно выделить шесть случаев поверхностных
химических процессов с участием этих групп.
(Si-OH) + (HO-Si)  (Si-O-Si) + H2O
(57)
/
(Si-O-)2SiCl2 + (Si-O-)2SiCl2  (Si-O-)2 - Si -(Si-O-)2 + SiCl4
(58)
\
/
/
\
\
(Si-O-)2Si(OH)2 + (Si-O-)2Si(OH)2  (Si-O-)2- Si -O- Si -(Si-O-)2
+2H2
O
(59)
/
2 (Si-OH) +(Si-O-)2Si(OH)2  (Si-O-)2- Si -(Si-O-)2 +
\
2 H2O
(60)
/
2 (Si-OH) + (Si-O-)2SiCl2 2(Si-O-)2- Si -(Si-O-)2 + 2 HCl
\
/
/
\
\
(61)
(Si-O-)2Si(OH)2 + (Si-O-)2SiCl2  (Si-O-)2- Si -O- Si -(Si-O-)2
+2 HCl
(62)
Реакции типа (57)-(62) протекают в условиях нормального давления на поверхность при
температурах Т  2000 С. При этом можно предположить, что параметры трехмерной решетки SiO2
вблизи поверхности сращивания могут существенно зависеть от строения функциональных групп
на исходных поверхностях соединямых пластин и режимов термообработки. Дальнейшая
термообработка под давлением на пластины при температурах Т
 7000 С, по-видимому,
приводит к возникновению одинаковой аморфной модификации SiO2 во всех указанных случаях.
Далее видим, что наличие HCl и SiCl4 (или Cl2) вблизи границы сращивания скорее всего не
способствует получению качественных структур кремний на диэлектрике. Поэтому из случаев
(57)-(62)
способов сращивания можно лишь выделить случаи (57), (59), (60), где летучими
продуктами реакций являются пары.
На основании этих выводов экспериментов [12-18] и теории сращивания [19] приведем
обобщенную нами феноменологическую теорию сращивания, основанную на предположении о
возможности наличия различной плотности ОН-групп на поверхности сращиваемых пластин во
влажных условиях (в том числе с возможностью использования химической сборки поверхности
методом молекулярного наслаивания [12-18]). Модель, развитая в [19], различает различные
стадии процесса сращивания в зависимости от температуры отжига. Первая стадия описывает
поведение процесса сращивания при температурах ниже 1100 С. На этой стадии
пластины
связываются через кластеры воды . На второй стадии до температуры 150 0 С, согласно [12-18],
силанольные группы реагируют на поверхности раздела по формальной брутто-реакции
Si(1) - (OH)n + (HO)m - Si(2)  Si(1) - O - Si(2) + q H2O + p Os
Si(1) - (OH)n + (HO)m - Ge(2)  Si(1) - O - Ge(2) + q H2O + p Os
(63a)
(63b)
Здесь n и m - средние числа ОН-групп, приходящие на 1 поверхностный атом кремния или
германия (0  n  2; 0  m  2) ; Si(1) и Si(2) или Ge(2) относятся к атомам кремния или германия
на поверхности двух пластин (1) и (2), соответственно. Индекс s означает вхождение атомов
кислорода в каркас SiO2 или GeO2 в местах сращивания. Отметим, что образующиеся молекулы
воды диффундируют через каркас SiO2 или GeO2 вдоль поверхности раздела наружу от пластин и
перпендикулярно поверхности пластин через слой SiO2 или GeO2, приводя к окислению кремния
или германия на границе разделов Si - SiO2 или Ge - GeO2. Реакции (63) обратимы до температуры
Т  4250 С. От 150 до 8000 С прочность связывания постоянна, если время отжига достаточно
велико и ограничено размером контактирующего пространства. Выше 8000 С связывание пластин
полностью осуществляется через слой окисла. Эффективная констаета скорости реакции (63)
имеет вид
k  k 0 C Hq 2O COps ,
(64)
то есть k пропорциональна концентрации паров воды в атмосфере. Здесь k 0 формуле (64)
является «истинной» константой скорости реакции (63). В противоположность этому, при низких
давлениях скорость процесса ограничивается диффузией молекул воды от мест сращивания.
Константа скорости k на основании экспериментов по определению энергии связывания методом
вставления лезвия в атмосфере паров воды [19,22,23] оказалась заключенной в пределах от 5,9 до
6,110-2 с-1 при атмосферном давлении Р0 и равной 4,610-2 с-1 при Р = 10 Па и 3,010-2 с-1 при Р =
0,2 Па [19], что соответствует сильной зависимости k от влажности окружающей среды.
Выпишем возможные практически важные случаи реакции (63), реализуемые при прямом
соединении пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом
молекулярного наслаивания [8-14]. Для n =1, m = 1 имеем q = 1, p = 0, а
Si(1) - OH + HO - Si(2)  Si(1) - O - Si(2) + H2O
k1  k10 CH2O
(65)
(66)
В случае n = 1, m = 2 или n =2, m = 1 имеем q = 3/2, p = 1/2
Si(1) - (OH) + (HO)2 - Si(2)  Si(1) - O - Si(2) + (3/2) H2O + (1/2) Os
k 2  k 20 C H3 /2O2 CO1 /s 2
,
(67)
(68)
а в случае n = 2, m = 2 имеем q = 2, p = 1
Si(1) - (OH)2 + (HO)2 - Si(2)  Si(1) - O - Si(2) + 2 H2O + Os
k 3  k 30 C H2 2O C0s
(69)
(70)
Имеем k1  k 2  k 3 и таким образом оптимальным режимом по скорости связывания пластин
является режим 3 (реакция 69). Однако в этом случае должно наблюдаться
более обильное
выделение паров воды по сравнению со случаями 1 и 2 (реакции 65 и 67), что может приводить к
образованию на поверхности сращивания больших количеств газонаполненных пор и полостей [8].
Такого же типа выражения, подобные (65)-(70), могут быть записаны и для случая сращивания
кремния и германия.
В настоящее время в отсутствии чередования послойных процессов молекулярного
наслаивания используемый нами процесс прямого сращивания пластин в условиях влажной
термообработки вероятнее всего ближе реакционной схеме (65) (по существу это первый этап
процесса молекулярного наслаивания - формирования слоя ОН-групп и адсорбция молекул воды
на поверхности [6,19,21,22]). В этом случае получаются достаточно качественные структуры
кремний
на
изоляторе,
о
чем
говорят
наши
экспериментальные
данные
по
электронномикроскопическим исследованиям рельефа границы сращивания (рис.6).
Si (3)
SiO2 (2)
Si (1)
Рис. 6. Микрофотография разреза кремниевой структуры, полученной методом прямого
соединения ( по данным РЭМ):
Si (1)-опорная подложка кремния; SiO2 (2)-рельеф границы сращивания; Si (3)-приборная
(рабочая) подложка кремния, подвергаемая процессу утончения.
Случаи же, соответствующие реакционным схемам (67), (69) нуждаются в дальнейших
экспериментальных исследованиях. Отметим также, что предлагаемый способ получения
поверхности с заданным химическим составом, ее активирования и модифицирования при этом в
условиях
влажной
атмосферы
(включая
использование
химической
сборки
методом
молекулярного наслаивания) может частично способствовать сглаживанию неоднородного
рельефа поверхности сращиваемых пластин, что приводит к исчезновению пор, полостей и пустот
вблизи границы сращивания. Все это и вышеизложенное нами позволяет применить методики
низкотемпературного и высокотемпературного связывания и технологию Гёзеля-Тонга [15,18,19]
для получения высококачественных
структур кремний на изоляторе и структур германий на
кремнии, изоляторе, арсениде галлия, Si / Ge на кремнии и изоляторе и др. и структур кремний на
германии.. Изложим ниже основные положения этой технологии на примере изготовления
структур на основе кремния.
7. Технология Гёзеля-Тонга связывания гидрофильных пластин во влажных условиях
(включая и метод молекулярного наслаивания)
Из предыдущего рассмотрения видно, что для достижения связывания без наличия пор
необходимы чрезвычайная чистота поверхностей сращивания и очень малое количество частиц
между ними в процессе химической и водной очистки. Более того, нужны строгие требования по
чистоте к атмосфере, в которой происходит контактирование поверхностей
при сращивании.
Однако сообщается [20,21], что даже для контактирующих пластин в условиях чистых комнат
первого класса около 70 % пластин уже содержат одну или более пор, обязанных частицам пыли <1
мкм в диаметре. 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.
Для того чтобы избежать наличия частиц между пластинами и удовлетворить строгим
требованиям атмосферы чистых комнат было предложено простое устройство [20,21] для
достижения сращивания без наличия пор (рис.7). Пластины в нем устанавливаются горизонтально в
тефлоновой рамке полированными сторонами друг к другу. При этом пластины содержатся
раздельно с помощью прокладки тефлона, омываются потоком деионизованной воды и затем
сушатся с помощью центрифугирования. После этого две поверхности приводятся в контакт
посредством передвижения тефлоновой прокладки. Содержание пор в пластинах, связанных таким
образом, зависит от скорости потока воды в щели между пластинами и от угловой скорости
осушителя. При достаточно высоких скоростях воды и высоких значениях угловой скорости
осушителя можно достичь высокой степени связывания без наличия пор, присущей сращиванию в
атмосфере чистых комнат. Должны отметить, что при высокотемпературном связывании некоторые
из пор сжимаются благодаря образованию вакуума между пластинами. Это приводит к более
тесному контакту двух поверхностей, что уменьшает пространство несвязывания. Окисление
кремния и германия в полости приводит к истощению по кислороду и созданию вакуума в ее
объёме. Некоторые поры могут полностью исчезать. Такая ситуация конечно невозможна в случае
образовании пор частицами. При отсутствии частиц на поверхности сращивания могут получаться
достаточно качественные структуры, что подтверждается данными электронномикроскопических
исследований поперечного сечения структуры КНИ (рис.6). Эти же выводы справедливы и для
структур германий на кремнии, изоляторе, арсениде галлия, Si / Ge на кремнии и изоляторе и др.
Рис. 7. Cхема установки очистки и прямого сращивания окисленных стандартных пластин
кремния
8. Экспериментальные данные по технологии газового скалывания получения структур
КНИ с использованием методов термообработки поверхности во влажных условиях
Нами проведены [23] эксперименты по получению структур КНИ с использованием
технологии газового скалывания и термообработки поверхности во влажных условиях.
Подготовка пластин состояла в их суперфинишной полировке и химической обработке для
получения максимально чистой и максимально гладкой поверхности. Имплантацию ионов
водорода выполняли на установках с плотностью тока ионов на поверхности пластин около 0,5
мкА/см-2 и с плотностью 5 мкА/см-2. Энергия ионов равнялась 40, 150 кэВ. Получены образцы с
дозами имплантации: 31016; 41016, 51016; 71016 , 1017 см-2. Перед стыковкой приборные пластины
обрабатывали в 40%-ном фториде аммония 2 сек, в деионизованной воде 10 мин и в 100%-ной
азотной кислоте 10 мин, после чего - в деионизованной воде. Наряду с этим исследовались также
специальные методы химобработок. Расщепление проводили обработкой состыкованных пластин
в диффузионной печи при температуре 450 - 600С в течение 10-30 мин в атмосфере азота или
кислорода. Приборный слой сплошь отщепился от приборных пластин, в которых имплантированы
ионы Н+ дозой 31016 см-2. При дозах имплантации Н+ 51016 см-2, 71016 см-2, 1017 см-2 приборный
слой отщепился мелкими островками. Данный эффект объясняется отсутствием сплошной
стыковки пластин вследствие появления микрорельефа высотой 40450 нм от вырастающих
блистеров.
Это
обстоятельство
вынуждает
искать
специальные
способы
стыковки
и
предварительного сращивания пластин перед расщеплением (термообработка в течение
нескольких десятков часов при температурах 120-300С), подбором давления среды, в которой
проводится эта операция, более тонким подбором дозы имплантации Н+. Структуры, полученные в
экспериментах, описанных выше, имели толщины приборного слоя от 0,3 до 0,8 мкм,
шероховатость внешней поверхности этого слоя составляла 2030 нм.
10. Рассмотрение технологии процессов обработки
В этом разделе изложим особенности технологии прямого связывания при производстве
структур КНИ и структур германий на кремнии, изоляторе, арсениде галлия, Si / Ge на кремнии и
изоляторе и др. Обсуждаемый материал является ключевым для применяемой технологии
успешного связывания. Он включает вопросы целостности границы раздела и обсуждения
образования пор, а также придания формы (профилирования) связанным пластинам. Остановимся
вначале на микродефектах в связанных пластинах на примере структур КНИ на основе кремния.
Целостность границы (поверхности) раздела является одним из ключевых моментов в
процессе сращивания. Если граница раздела не качественна, то она содержит поры между двумя
связанными пластинами. Имеются четыре основных причины образования пор: недостаточная
плоскостность пластин, наличие захваченного воздуха, частиц, а также поверхностных
загрязнений. Требования высокой плоскостности для стандартных пластин и отсутствия частиц на
границе раздела связано с захватом воздуха пустотами между двумя пластинами, образующимися в
процессе прямого контакта. Вероятно, главной причиной образования больших пор на границе до
размеров в несколько сантиметров является присутствие частиц и захваченный ими воздух.
Захваченный воздух между двумя поверхностями приводит не только к плохому контакту при
комнатной температуре, но и к отталкивающим силам между двумя связанными пластинами при
высоких температурах. Когда пластины нагреваются, то связь между ними осуществляется в местах
прямых контактов и появляются чашеобразные и дискообразные полости, заполненные воздухом.
Давление за счет отталкивающих сил в полости может достигать значений, значительно
превышающих атмосферное давление, при температуре связывания 11000 С. В работе [21] (рис.8) в
качестве примера приведены поры, вызванные загрязняющими частицами на пластине кремния
диаметром 100 мм. При этом видны частицы, оставшиеся после шлифования на верхней части
пластины. Поры размером в несколько миллиметров в диаметре проявляются в кругообразной
форме и почти во всех случаях проявляют себя в центре. Кругообразная форма согласуется с
минимумом энергии для заполненной воздухом полости. Там же показаны большие скопления
частиц, ответственных за поры. Существуют поля напряжений в окрестности частиц, возникающих
в результате связывания пластин кремния. Напряжения решетки в окрестности частицы ясно видны
из полос слипания дислокаций, расположенных в ортогональных напряжениях скольжения <110>.
Это подтверждают исследования с помощью рентгеновской просвечивающей топографии.
Например, частица диаметром 1 мм между 8-дюймовыми пластинами (толщиной 700 мкм) может
вызывать поры с диаметром приблизительно равным 1 см.
Изучение пор, зависящих от таких переменных как температура связывания и время, а также
от поверхностных условий (окисленная поверхность или неокисленная) показывает, что
содержание пор для этих двух случаев различно. Случай наличия пор между двумя окисленными
поверхностями рассматривается подробно.
9.1. Поры для случая SiO2// SiO2 связывания пластин
Содержание пор для случая SiO2// SiO2 связывания пластин зависит от трех переменных:
температуры связывания, времени связывания и толщины окисла. Для иллюстрации приведем
пример, в котором температура связывания заключена между 900 0С и 1200 0С, время связывания
между 0,5 и 2 часам, а толщина окисла в области между 0,5 и 1,0 мкм. Пластины связывались с
одинаковыми слоями окисла на их поверхностях. Все пластины связывались во влажной
окислительной атмосфере. Связывались также пластины с толщинами окисла 1 мкм с
неокисленными пластинами. Перед соединением пластины погружались в раствор, что приводило к
увеличению содержания гидроксильных групп на связываемых поверхностях. Все пластины были
стандартного полупроводникового качества, при этом отсутствовал контроль по плоскостности и
микрошероховатости. Пластины связывались в условиях нечистых комнат, что не давало
возможности избежать появления пор. Содержание пор анализировалось методом сканирующей
акустической томографии (CAT).
Рис.8 Производство пор частицей на пластине Si 100мм, наблюдаемая после шлифовки на
верху пластины.
Результаты измерений приведены в [5] (рис.9) для случая связи двух окислов с одинаковыми
толщинами 1 мкм.
9000 C
10500 C
12000 C
Частота:
100МГц
Размер скана: 100 мм100 мм
Ступенька:
0,69 мм
Рис.9
CAT изображение поверхности сращивания между окисленными пластинами
кремния..
Не наблюдалось различий в содержании пор и общее появление пор было найдено при связывании
окислов толщиной 0,5 мкм или если связывались неокисленные пластины с окисленными. Из CAT
изображений [5], очевидно, что содержание пор в окисленных пластинах кремния не зависит от
температуры отжига, а также от времени отжига. За исключением нескольких макропор, вызванных
наличием частиц и загрязнений, связанные пластины были свободны от пор. Имеются исключения
для пространства шириной от 4 до 8 мм на периферии пластин. Эти круглые или полукруглые
пространства содержат высокую плотность малых пор. Концентрация этих пор на периферии
пластины подтверждает наличие локализованного источника загрязнений. В ряде исследований, в
которых использовались пониженные температуры, были также получены подобные результаты,
указывая на то, что SiO2//SiO2 связь стабильна при температурах не ниже 400 0С.
Исследовалось
влияние
органических
загрязнений,
испускаемых
из
контейнеров,
используемых для хранения пластин. Из анализа содержания пор после связывания было найдено,
что в пластинах, которые связываются без пор при комнатной температуре, производятся поры
после связывания и отжига при температурах 200800 0С. Такое поведение отнесено за счет
разложения органики, преимущественно углеводородов, на поверхности пластины и их
последующее испарение при высоких температурах, приводящее к образованию пор. Найденные
явления зависят от изготовителя пластин и от условий хранения. При этом рекомендуется
использования комнатных температур связывания как способ хранения пластин без их загрязнения.
Так как связывание при комнатных температурах обратимо, то пластины в дальнейшем легко
разъединяются. Следует указать на тот факт, что длительное хранение пластин также может
приводить к образованию пор. В работе [5] показаны CAT изображения двух связанных пластин,
которые были окислены до слоя окисла толщиной 1 мкм и хранились в течение месяца в
пластиковой коробке. Перед соединением пластины парами подвергались обработке с целью
увеличения содержания гидроксильных групп и удаления макрочастиц. Пара пластин также
обрабатывалась вначале очищающим раствором с целью удаления органических загрязнений и
затем подвергалась той же самой обработке, что и пара неочищенных пластин. Обе пары
отжигались 1 час в окислительной атмосфере при температуре 1200
0
С. Как видим, пара
очищенных пластин свободна от пор при связывании за исключением периферийных пор, в то
время как пара неочищенных пластин в левой части этого рисунка имеет несколько больших пор.
Это обусловлено наличием органических загрязнений.
9.2.Состояние сращенных пластин
В дополнение к самому сращиванию наиболее важным аспектом в технологии производства
КНИ структур является получение монокристаллического слоя кремния заданной толщины
методом утончения. Утончение обычно проводится на пластине, называемой рабочей пластиной
(она используется для создания активных элементов). Вторая пластина сращенной пары называется
опорной пластиной. Обе пластины играют важную роль в состоянии сращенных пластин. В этом
разделе рассматривается ключевой фактор процесса утончения.
Утончение обычно начинается с операции шлифовки, при которой толщина активной
пластины уменьшается до нескольких микрометров требуемой конечной толщины. После этого
пластины химически травятся для удаления повреждений, внесенных операцией шлифовки. В
заключение пластины полируются до требуемой окончательной толщины. Отметим, что утончение
заканчивается без значительных изменений плоскостности срощенных структур. При чистой
механической полировке
кремния, такой как полировка алмазом, может сохраняться высокая
степень плоскостности и параллельности пластин. Однако она может приводить к повреждению
поверхности, недопустимому в кремниевой технологии. Поэтому алмазная полировка была
заменена специальной полировкой [5], в которой используют густую смесь коллоидной кремниевой
суспензии в растворе гидроокиси натрия, перекиси водорода и воды. Эта полировка дает
свободную от повреждений поверхность кремния, необходимую для производства приборов.
Понимание проблемы утончения связано с рассмотрением основных параметров, используемых для
характеристик плоскостности. Поэтому вначале рассмотрим параметры плоскостности, а затем
обсудим сам процесс утончения.
9.3. Плоскостность пластин
Связываемые поверхности двух пластин никогда не бывают совершенно плоскими.
Локальные несвязываемые области могут возникать за счет щелей на границе связывания,
вызываемых волнистостью связываемых поверхностей. Плоскостность, неоднородность или
волнистость являются фундаментальными и макроскопическими свойствами связываемых
поверхностей. Пластины с достаточно гладкими (ровными) поверхностями, но имеющими
определенную степень волнистости могут все же связываться между собой, так как упругая
деформация двух связываемых пластин может аккумулировать этот масштаб поверхностной
волнистости (волнообразности). Результирующие напряжения на поверхности связывания
составляют величину порядка 1107 Н/м2, которая намного меньше, чем напряжения, требуемые для
зарождения дислокаций и пластической деформации кремния (2,5109 Н/м2), и не должны
воздействовать на структурные свойства пластин кремния связываемых пар.
Связываются ли пластины или нет зависит не только от энергии связи  при комнатной
температуре, но также от высоты 2h и размера 2R щелей на границе связывния. При R  2t w
условие для закрытия щели дается выражением [20,21]
h
R2
2 E t w3
3
(80)
где E   E / (1   2 ) (  , Е – соответственно, соотношение Пуассона и модуль Юнга для кремния).
При R  2t w условие для закрытия щели не зависит от толщины пластины t w и дается формулой
h  3,6( R / E ) 1/ 2
(81)
В работах [20,21] показаны участки закрытия щели или ее незакрытия для двух пластин кремния
равной толщины t w при выбранной величине  = 100 мДж/м2 для различных величин t w . Для
реальных структурированных пластин в уравнениях (80) и (81)  нужно заменить на f b , где f b
есть отношение между реальным пространством границы раздела в контакте и полным
пространством пластины. Практически изменение плоскостности в 1-3 мкм на пластине кремния
диаметром 100 мм не препятствует связыванию при комнатной температуре. Прогиб и коробление
пластин до 25 мкм также несущественно.
Плоскостность пластин обычно определяется следующими параметрами [5]: полным
изменением толщины, отклонением от центральной плоскости, локальной неплоскостностью и
прогибом.
Современное оборудование позволяет измерять эти параметры посредством сканирования
поверхности с помощью оптических (интерфереционных) и емкостных методов, дающих ее
трехмерную топографическую картину.
9.4. Утоньчение и полировка сращенных пластин
В обработке сращенных пластин наиболее важным параметром является параметр
плоскостности пластин для производства сращенных пластин, используемых для производства
сенсоров и в процессах производства КНИ структур и СБИС. Изучение показало, что
плоскостность исходных пластин определяет требования к однородности толщин сращиваемых
пластин. Еще раз напомним о различии между пластинами в связываемой паре: одна называется
опорной пластиной, другая - рабочей пластиной. Рабочая та, которая будет утоняться. Ее
механические свойства, прежде всего плоскостность, сильно зависят от параметров опорной
пластины. Подчеркивается, что для достижения однородности толщины рабочей пластины
механическим и химическим утончением нужна обязательно хорошая плоскопараллельность
опорной пластины и малое значение разнотолщинности. Допустимое изменение толщины кремния
для рабочей и опорной пластины должно составлять величину менее 2 мкм. В конце обработки
рабочей пластины может быть достигнута высокая степень однородности по толщине только в
случае высокой однородности толщины опорной пластины. Утоненная рабочая пластина далее
подвергается операциям полировки, подробно описанным в [5].
9.5. Микродефекты сращенных структур
Другим важным фактором технологии прямого сращивания пластин является наличие
микродефектов, от которых зависит качество изготовляемых приборов. Сосредоточим внимание на
рабочей пластине, которая является основой для активных элементов. Концентрация межузельного
кислорода [Oi] и кислородных преципитатов в рабочей пластине играет определяющую роль в
определении содержания микродефектов в сращенных пластинах. Известно, что преципитаты
кислорода удивительным образом улучшают качество пластин посредством геттерирования
быстродиффундирующих примесей металлов. Большое количество исследований [5] было
посвящено установлению связи между [Oi], преципитатами кислорода, объемными дефектами и
микродефектами поверхности. Исследовался также процесс отжига, обязательный для достижения
бездефектной поверхности кремния, а также процессы, вызывающие дефекты поверхности, такие
как окисление, приводящее к накоплению дефектов. Например, наличие преципитатов кислорода и
лишенных кислорода участков (DZ) будут напрямую зависеть от температуры, используемой для
сращивания пластин. Связывание двух пластин кремния каждая из которых имеет определенную
концентрацию кислорода и свою термическую предысторию, не нарушает плоскость сращивания.
Это показано в [5] для двух SiO2 // SiO2 сращенных окисленных пластин кремния (Рис.10).
Рис.10
СAT изображения, иллюстрирующие влияние загрязнений пластины на
сращивании через слои Si02//SiO2.
Можно увидеть отсутствие линейных дефектов, пересекающих DZ с каждой стороны связывания.
В случае, если дефекты связывания присутствуют в виде пустот, вызванных малыми частицами,
дефекты будут присутствовать в форме дислокаций, распространяющихся вдоль плоскости
скольжения, противоположной направлению сращивания.
10. Радиационные свойства smart-cut структур КНИ
Приборные слои структур КНИ, получаемые в рамках Smart-cut технологии отличаются от
приборных слоев других составных структур КНИ наличием в них радиационных дефектов,
вызванных
имплантацией
ионов
водорода
[24].
Наряду
с
дефектами,
образованными
имплантированными частицами, деформациями приборного слоя на выемках и выпуклостях
реально неплоской поверхности опорной пластины, радиационные дефекты определяют также
общую плотность дислокаций в приборном слое на уровне 1023104 см-2. Тщательная очистка
пластин перед сращиванием позволяет понизить плотность таких дефектов до 102 см-2.
Шероховатость внешней поверхности приборного слоя после его отщепления от приборной
пластины достигает нескольких десятков (20÷40) нанометров. Поэтому первыми разработчиками
технологии Smart-cut предусматривалась лёгкая химико-механическая полировка внешней
поверхности приборного слоя, в результате которой они доводили шероховатость до Ra=0,15 нм.
Уменьшить упомянутую шероховатость можно также лёгким полирующим травлением,
окислением, термообработкой в водороде.
Неоднородность толщины приборного слоя определяется, в основном, нестабильностью и
неоднородностью энергии имплантируемых ионов водорода и изменениями угла их падения на
поверхность приборной пластины при воздействии пучком. Современные имплантеры позволяют
изготавливать структуры с неоднородностью толщины приборного слоя на уровне 25%.
Параметры изолирующего диэлектрического слоя: 1) толщина,0,10,5 мкм; 2) неоднородность
толщины, 10%; 3) электрическая прочность, 5 МВ/см; 4) плотность распределения заряда в
диэлектрике (определяется несколькими “дефектами” структуры диэлектрика - двуокиси кремния
[20,21]: - Е‘ и ЕР центры, возникающие при инжекции дырок в диэлектрик; считается, что Е‘
центр является структурой О3Si, к которой присоединён неспаренный электрон; природа ЕР
центра не ясна; полагают, что за него ответственна свободная связь атома Si в вакансии
кислорода); общая плотность распределения обоих типов дефектов составляет около 51012 см-2;
эти центры захватывают инжектируемые в диэлектрик дырки и образуют объёмный
положительный заряд; дефекты такого рода характерны для термического окисла; - центры Е’,
имеющие структуру HO2Si, образовавшиеся в результате захвата атомов водорода кислородными
вакансиями; эти центры доминируют в составных структурах КНИ; - центры, аналогичные
центрам Е’, МеО2Si, образовавшиеся в результате захвата щелочного металла Ме, попадающего в
структуру как загрязнение. Как известно, водород из двуокиси кремния удаляют обработкой
структур в сухом кислороде, в вакууме или пропусканием через неё электрического тока, а
щелочные металлы - высокотемпературной (10001200С) термообработкой структур в
хлорсодержащей среде (хлоре. хлористом водороде, смеси трихлорэтилена) и кислороде.
Загрязняющие металлы в структуре образуют дефекты на границах двуокиси кремния с
диэлектриком, создавая в этих местах зарядовые состояния. В частности, такая ситуация
наблюдается, если составную структуру КНИ получают, сращивая неокисленную кремниевую
пластину с окисленной. В этом случае зарядовые состояния образуются в стыке кремния с
двуокисью кремния.
Поскольку толщину приборного слоя можно делать практически сколь угодно малой (например,
50 нм), соответственно можно уменьшать и размеры полупроводниковых ИС и солнечных
элементов. Уменьшение объёма элементов этих устройств приводит к соответствующему
увеличению радиационной стойкости ИС. Например, удаётся более чем на порядок повысить
радиационную стойкость по импульсу ИС на основе составных структур КНИ по сравнению с ИС
на основе объемного кремния.
Заключение
Построена схема процесса получения структур кремний на диэлектрике (КНИ) (в том числе
и тонких слоев кремния на стекле), многослойных структур Ge / Si, (Gex Si1 x ) / Si и тонких
монокристаллических слоев кремния, германия, полупроводников A3 B5 и A2 B6 и структур
германий на
изоляторе, полупроводниках A3 B5 и A2 B6 и др.
и определены направления
исследований. Установлены ключевые операции процессов: подготовка пластин, сращивания,
режимы обработки поверхности и термообработки. Исследованы процессы химико-механической,
химической, электрохимической, плазмохимической обработки
пластин и структур, а также
процессы ионной имплантации и намечены перспективы использования эпитаксиального
наращивания.
Определены
режимы
обработок.
Проведенные
исследования
подтвердили
перспективность выбранного направления и позволили определить необходимые методы контроля
параметров структур.
Список литературы
1. Stengl R, Tan T, Gosele U. A model for the silicon wafer bonding process // Japan J. Appl. Phys. 1989.
V. 28. № 10. P 1735-1741.
2. Maszara W.P.,Goetz G., Cavigilia A. Mc.Kitterick J.B. Bonding of silicon wafers for silicon-oninsulator // J. Appl. Phys. 1986. V.64. № 10. P.1943 - 1950.
3. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, А.Л.Суворов, Б.Ю.Шарков, А.Г.Залужный, В.И.Графутин,
М.А.Козодаев. Особенности технологии изготовления КНИ структур прямым сращиванием
пластин кремния и контроля их качества. Препринт ИТЭФ 24 - 00. M., 2000. 20 с.
4. А.Л.Суворов, Ю.А.Чаплыгин, С.П.Тимошенков, В.И.Графутин, С.А.Дьячков, А.Г.Залужный,
В.В.Калугин, Е.П.Прокопьев, В.Ф.Реутов, Б.Ю.Шарков. 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. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков. 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.3944.
10. Ю.К. Ежовский, П.М. Вайнштейн. Химическая активность и
ОН-групп на поверхности
особенности ваимодействия
монокристаллического кремния // Журн. прикл. 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., Gösele U. A Model of Low-Temperature Wafer Bonding And Its Applications // J.
Electrochem. Soc. 1996. Vol.143. №5. P.1773-1779.
18. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков. Определение энергии связи прямого соединения пластин
кремния методом генерации трещины между поверхностями сращивания (Обзор). Сб. «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.
Материаловедение. 1999. №4. С.49-51.
20. Tong Q.-Y., Gösele U. Wafer Bonding and Layer Splitting for Microsystem // Adv. Mater. 1999.
Vol.11. №17. P.1409-1425.
21. Tong Q.-Y., Gösele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology. Wiley, New York. 1988.
326 p.
22. А.Л.Суворов, Ю.А.Чаплыгин, С.П.Тимошенков, В.И.Графутин, П.В.Крамер,А.Г.Залужный,
Е.П.Прокопьев,
Б.Ю.Шарков. Smart-cut технология получения структур КНИ. В кн.:
ВОДОРОДНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ. ТРУДЫ Третьей Международной Конференции
«ВОМ-2001». Украина. Донецк. 14 – 18 мая 2001 г. Ч.1,2. Донецк – 2001. С.262-264.
23. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков. К вопросу определения энергии связи прямого соединения
пластин кремния методом генерации (вскрытия) трещины между поверхностями сращивания.
Материаловедение. 2000. №8. С.25-28.
24.
А.Л.Суворов,
Ю.А.Чаплыгин,
С.П.Тимошенков,
В.И.Графутин,
А.Г.Залужный,
Е.П.Прокопьев, Б.Ю.Шарков. Smart-cut технология получения структур КНИ с использованием
методов химической сборки поверхности. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2001 года. СБОРНИК
НАУЧНЫХ ТРУДОВ. ТОМ 9. М.: МИФИ, 2001. C.22, 23.
25. С.П.Тимошенков, Е.П.Прокопьев. Некоторые вопросы теории сращивания стандартных
пластин кремния. Сб. “Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России”. 1999. №3.
С.35-44.
26. С.П.Тимошенков, Е.П.Прокопьев. 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. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, В.В.Калугин. Технология КНИ структур. Петербургский
журнал электроники. 2000. №1.С.8-25.
28.
С.П.Тимошенков,
Е.П.Прокопьев,
С.А.Дьячков,
В.В.Калугин.
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. S.P. Timoshenkov, E.P.Prokopiev. 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. С.П.Тимошенков, В.И. Графутин, С.А.Дьячков Е.П.Прокопьев. Использование химической
сборки поверхности методом молекулярного наслаивания в нанотехнологии и инженерии
поверхности. Всероссийская научно-техническая конференция “НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И
ТЕХНОЛОГИИ”. 24-25 октября 2000 г. г..Москва. ”МАТИ” - Российский государственный
технологический университет им. К.Э.Циолковского. Тезисы докладов.М.: МАТИ, 2000. С.248.
31. А.Ф.Буренков и др. Пространственное распределение энергии, выделенной в каскаде атомных
столкновений в твердых телах. М.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с
32. П.А. Александров и др. // Труды IX Межнационального совещания "Радиационная физика
твердого тела". Севастополь, (28.06-03.07) 1999. М.: Наука, 1999. Т.l, с.330.
33. П..А. Александров и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер.
Физика твердого тела. Вып.2. По материалам IV 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. 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.