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 и тонких монокристаллических слоев кремния, германия, полупроводников и и структур германий на изоляторе, структур кремний на полупроводниках и 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

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). 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.

Рис.1 Прямое связывание пластин кремния с использованием метода сращивания во влажных условиях и технологии отслаивания при получении КНИ структур.

Пористый слой включает в свой состав наполненные водородом нанопоры, созданные имплантацией протонов в слое кремния через тонкую пленку SiO₂ 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. Опорная пластина кремния подвергается термическому окислению до толщины оксида (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 таким образом тонкий слой полируется. Для производства высококачественных структур КНИ особую роль играют 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