СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР Российский патент 1997 года по МПК H01L21/302 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых структур и может быть использовано для изготовления приборов сильноточной электроники и микроэлектроники методом прямого сращивания.

Известен способ изготовления полупроводниковых структур методом прямого сращивания, заключающийся в гидрофилизации, отмывке пары зеркально отполированных пластин в потоке деионизованной воды, высушивании в центрифуге, приведении их в контакт и термообработке при температуре 1200 1300^oC в течение 4 6 ч [1] Изготовленные таким образом структуры имеют высокое барьерное сопротивление "интерфейса" и недостаточно качественное соединение пластин, что также ведет к плохим электрофизическим параметрам изготовленных структур.

Известен способ изготовления кремниевых структур методом прямого сращивания, принятый за прототип [2] заключающийся в гидрофилизации пластин, обработке пластин в растворе плавиковой кислоты в деионизованной отфильтрованной воде, соединении пластин попарно в упомянутом растворе, сушке пластин при 100 130^oC в течение времени не менее 4 час при одновременном приложении давления, величиной не менее 3•10^-3 Па, нагреве пластин со скоростью не более 10 град/мин, начиная с температуры 200^oC до температуры не менее 1000^oC и выдержке при указанной температуре 4 6 часов.

При изготовлении структур таким способом, соединение пластин происходит по всей площади структуры, но было обнаружено, что дислокации, которые практически всегда присутствуют в исходных кремниевых пластинах не только скапливаются на границе сращиваемых структур, но и прорастают в глубину сращиваемых пластин, что приводит к ухудшению электрофизических параметров изготовленных таким образом структур.

Задача изобретения разработка такого способа изготовления кремниевых структур, который обеспечивал бы улучшение качества получаемых структур за счет устранения эффекта прорастания дислокаций в объем изготавливаемой структуры.

Задача решается тем, что в способе изготовления кремниевых структур, заключающемся в полировке пластин, их гидрофилизации, обработке пластин в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении пластин отполированными сторонами в упомянутом растворе, сушке соединенных пластин на воздухе при температуре 100 130^oC в течение времени не менее 4 час. при одновременном приложении давления величиной не менее 3•10^-3 Па, последующем нагреве пластин со скоростью не более 10 град/мин, начиная с температуры 200^oC до температуры не менее 1000^oC и выдержке при указанной температуре.

Новым в предлагаемом способе является то, что перед гидрофилизацией на полированной поверхности пластин выполняют канавки глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами канавок d, отвечающим следующему соотношению: 20≅d≅1000 мкм.

Установлено, что при изготовлении кремниевых структур методом прямого сращивания с использованием пластин, на поверхности которых создан рельеф в виде канавок, дислокации от интерфейса не прорастают в объем сращиваемых пластин. Границы канавок служат как бы "стоком" для дислокаций, т.е. дислокации группируются по границам канавок. Для того, чтобы канавки выполняли функцию "стока" для дислокаций, необходимо, чтобы они имели глубину не менее 0,3 мкм. При меньшей глубине канавок дислокации прорастают в объем изготавливаемой структуры. Максимальную глубину канавок определяют исходя из технологических требований к методу прямого сращивания, т.е. требований сохранения достаточной прочности изготавливаемой структуры, чистоты поверхности. Глубина не должна быть слишком большой, т.к. в этом случае канавка является источником избыточной влаги, которая также мешает изготовлению качественных структур. Обычно глубина канавок не превышает 0,5 мкм. Ширина канавок не оказывает существенного влияния на качество изготавливаемых структур и выбирается из соображений минимальной потери полезной площади. Обычно ширина равна 3,0^oC50 мкм. Экспериментально установлено, что минимальное расстояние между границами канавок должно быть более 20 мкм, т.к. дислокации группируются у границ канавок на расстоянии порядка 10^oC20 мкм и при меньшем расстоянии области, занятие дислокациями удваиваются, что сказывается на электро-физических параметрах структур.

Также экспериментально установлено, что при расстоянии между границами канавок более 1000 мкм наличие канавок не оказывает влияние на качество получаемых структур, т.к. дислокации интерфейса начинают прорастать в объем структуры. Таким образом наличие в пластинах канавок, имеющих заданную глубину и расстояние между их границами препятствует прорастанию дислокаций в объем структуры. Дислокации группируются только по границам канавок, что приводит к улучшению качества изготавливаемых структур.

Способ осуществляют следующим образом.

На поверхности отполированных пластин p или n-Si изготавливают канавки методом фотолитографии и последующего химического травления в смеси HF + HNO₃. Затем пластины подвергают стандартной очистке (обезжириванию) путем кипячения в толуоле и ацетоне, а затем кипячению в HNO₃, HF, H₂O₂, NH₄OH с промывкой в проточной отфильтрованной, деионизованной воде. Гидрофилизацию проводят путем кипячения в растворе NH₄OH H₂O H₂O при температуре 90^oC. Затем пластины погружают в раствор, содержащий 1^oC2 об. HF в деионизованной отфильтрованной воде и выдерживают в течение 5 мин. Раствор, содержащий HF, заменяют проточной отфильтрованной дионизированной водой. Пластины сближают в промывочной воде до сцепления их силами поверхностного натяжения. Сцепленные пластины извлекают из воды, высушивают от избыточной влаги на фильтровальной бумаге, затем помещают в термостат, при этом к пластинам прикладывают груз, обеспечивающий равномерное давление по всей площади. Величина давления p 3,4•10^-3 Па^oC104 Па. Пластины под грузом выдерживают в термостате при температуре 100 130^oC в течение t 4 6 ч. Затем пластины помещают в высокотемпературную печь, осуществляют нагрев пластин от 200^oC до 1000^oC^oC1300^oC со скоростью 10 град/мин. Выдерживают пластины при указанной температуре в течение 4 6 ч.

Пример конкретного исполнения. С помощью предлагаемого способа были изготовлены p-n, n-n, n⁺-p-nn'-p⁺ структуры. Использована пара зеркально отполированных пластин диаметром 60 мм, толщиной 500 мкм p и n-типа. На поверхности p типа Si пластины методом фотолитографии были изготовлены канавки глубиной h 0,3 мкм, шириной 50 мкм, расстояние между границами канавок составило 200 мкм. Пару зеркально отполированных пластин с канавками на одной из них подвергают стандартной очистке, путем кипячения в толуоле и ацетоне, а затем отмывке, путем кипячения в HNO₃, HF, H₂O₂, NH₄OH, царской водке с промежуточной промывкой в проточной, отфильтрованной деионизованной воде. После отмывки пластины подвергают гидрофилизации за счет кипячения в растворе NH₄ H₂O H₂O при 90^oC. Затем пластины погружали в раствор, содержащий 1 об. HF в деионизованной отфильтрованной воде, выдерживались в ней в течение 5 мин. Раствор, содержащий HF, замещают проточной отфильтрованной деионизованной водой в течение 5 мин с расходом воды 2 л/мин. Затем пластины сближают в промывочной воде до их сцепления силами поверхностного натяжения. Сцепленные пластины извлекают из воды и помещают на фильтровальную бумагу для удаления воды с поверхности пары. Затем пластины помещают в термостат, на пластины опускают груз p 3,4•10^-3 Па. В таком положении пластины выдерживают в термостате при T 100^oC в течение 4 час. После этого проводят контроль качества структур (прочность на сдвиг, наличие пузырей) с помощью механических и оптических способов. Затем помещают в кварцевую лодочку в высокотемпературную печь при T^o 200^oC после этого температуру поднимают со скоростью 10 град/мин до 1100^oC, при этом температура пластины выдерживают в течение 4 ч.

Рентгеноструктурный анализ изготовленной p-n структуры показал, что дислокации отсутствуют в объеме структуры и группируются вдоль границ канавок. При изготовлении аналогичной структуры по способу-прототипу дислокации прорастали в объем структуры. С помощью предлагаемого способа была изготовлена также n⁺-p-nn'-p⁺ структура. Параметры канавок также, как и в примере 1.

Были измерены электрофизические параметры изготовленной структуры. Падение напряжения в открытом состоянии при прямом токе 100 А, площади структуры 4 см² 2 B ( по прототипу 3 4 B), т.е. улучшено качество изготавливаемых структур.

Остальные примеры сведены в таблицу.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет получить полупроводниковые кремниевые структуры с улучшенными электрофизическими параметрами, за счет улучшения качества структур из-за предотвращения прорастания дислокаций в объем структур. Литература
1. Stengl R. et al. Bulble-tree Silicon water bounoling in a noncleanroom environment, Jap. J. Jppl. Phys, 1988, 27, N 12, p. 2364 2366.

2. В. М. Волле, В. Б. Воронков, И.В. Грехов, В.А. Козлов "К вопросу о проведении прямого сращивания кремния в условиях необеспыленной воздушной среды" Письма в ЖТФ, т. 16, вып. 17, стр. 61 65.

Использование: технология изготовления полупроводниковых структур, для изготовления приборов сильноточной электроники и микроэлектроники методом прямого сращивания. Сущность изобретения: способ изготовления кремниевых структур, заключается в полировке пластин, их гидрофилизации, обработке пластин в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении пластин отполированными сторонами в упомянутом растворе, сушке соединенных пластин на воздухе при температуре 100 - 130^oC в течение времени не менее 4 час. при одновременном приложении давления величиной не менее 3•10^-3 Па, последующем нагреве пластин со скоростью не более 10 град/мин, начиная с температуры 200^oC до температуры не менее 1000^oC, и выдержке при указанной температуре. Новым в способе является то, что перед гидрофилизацией на полированной поверхности пластин выполняют канавки глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами канавок d, отвечающим следующему соотношению: 20≅d≅1000 мкм. 1 табл.

Способ изготовления кремниевых структур, заключающийся в полировке поверхности пластин, их гидрофилизации, обработке пластин в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении пластин полированными сторонами в упомянутом растворе, сушке соединенных пластин на воздухе при 100 130^o в течение времени не менее 4 ч при одновременном приложении давления величиной не менее 3 • 10^- 3 Па, нагрев пластин со скоростью не более 10 град/мин, начиная с 200^oС до температуры не менее 1000^oС, и выдержке при указанной температуре, отличающийся тем, что перед гидрофилизацией на полированной поверхности пластин выполняют канавки глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами канавок d, отвечающем соотношению 20 ≅ d ≅ 1000 мкм.