СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР СО СКРЫТЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 2000 года по МПК H01L21/762 

Предлагаемое изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано для создания структур "кремний на изоляторе", предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных схем, стойких к воздействию дестабилизирующих факторов, например, к радиации.

Известен способ изготовления кремниевых структур со скрытым диэлектрическим слоем, включающий формирование анодной обработкой в растворе фтористоводородной кислоты в пластинах кремния областей с пористой структурой (пористый кремний), окружающих монокристаллические островки, на которых затем формируют приборы, и окисление пористого кремния при повышенных температурах, в результате чего приборные островки оказываются электрически изолированными друг от друга и от основной подложки-носителя[1].

Недостаток способа [1] в том, что он позволяет изолировать от подложки приборные островки только малых размеров вследствие низкой скорости образования пористого кремния в горизонтальном направлении, т.е. вдоль поверхности пластин. Для полной изоляции монокристаллических островков от подложки необходимо увеличить толщину слоя пористого кремния, а следовательно, и толщину приборной области, что снижает стойкость создаваемых приборов к воздействию радиации. Кроме того, структура и диэлектрические свойства окисленного пористого кремния под островками, как правило, неоднородны, что также оказывает негативное влияние на параметры приборов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления кремниевых структур со скрытым диэлектрическим слоем, включающий термокомпрессионное соединение через слой диэлектрика рабочей пластины и пластины-носителя и последующее абразивно-химическое утонение рабочей пластины до заданной толщины приборного слоя [2]. Термокомпрессионное соединение кремниевых пластин через диэлектрический слой, выращенный на пластине-носителе, например, высокотемпературным окислением или осаждением силикатного стекла, обычно проводят при температурах 1200-1400 К в сжатом состоянии при давлениях не выше 0,1 ГПа в инертной атмосфере или вакууме. Затем одну из пластин (рабочую) склеенной структуры утоняют до заданной толщины, определяемой конкретной конструкцией полупроводникового прибора или интегральной схемы, путем последовательного абразивного шлифования, полирования и химико-механического полирования. Структуры, сформированные термокомпрессионным соединением пластин кремния через диэлектрический слой, широко используются для производства радиационно-стойких схем и изделий силовой микроэлектроники.

Недостатком способа [2] является то, что при его использовании необходимую изоляцию элементов приборов или интегральных схем выполняют путем вытравливания между ними канавок заданной топологии, дном которых служит скрытый диэлектрический слой, и последующей защитой боковых стенок приборных островков диоксидом или нитридом кремния. Эта операция в совокупности с термическим окислением островков при формировании подзатворного диэлектрика или маскирующих покрытий для локального легирования ухудшают структуру приборных островков вследствие образования в них кластеров точечных дефектов и окислительных дефектов упаковки. Центрами зарождения этих структурных нарушений являются прежде всего остаточные дефекты (примесно-дефектные комплексы, кластеры и др. ), образовавшиеся при абразивно-химическом утонении рабочей пластины. Кроме того, при вытравливании разделительных канавок весьма вероятно микроразрушение или загрязнение примесями заглубинного диэлектрического слоя, что ухудшает его изолирующие свойства.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение качества приборных слоев кремниевых структур со скрытым диэлектрическим слоем за счет снижения их дефектности.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления кремниевых структур со скрытым диэлектрическим слоем, включающим термокомпрессионное соединение через слой диэлектрика рабочей пластины и пластины-носителя и последующее абразивно-химическое утонение рабочей пластины до заданной толщины приборного слоя, перед термокомпрессионным соединением в рабочей пластине со стороны, контактирующей со слоем диэлектрика пластины-носителя, путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют ориентированные нормально к поверхности пластины на глубину не менее толщины приборного слоя области пористого кремния, а после термокомпрессионного соединения пластин и утонения рабочей пластины осуществляют термическое окисление пористого кремния
Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что сформированные перед термокомпрессионным соединением области пористого кремния, ориентированные нормально поверхности рабочей пластины, являются геттером для неравновесных собственных точечных дефектов, которые возникают в пластине при ее абразивно-химическом утонении после соединения через диэлектрик с пластиной-носителем. Поглощение точечных дефектов пористым кремнием подавляет, во-первых, процессы образования новых комплексов и кластеров, а, во-вторых, рост размеров исходных примесно-дефектных скоплений в монокристаллических кремниевых островках, расположенных между областями пористого кремния. Кроме того, процесс геттерирования дефектов происходит при нагревании и механическом нагружении структуры при термокомпрессии. Вследствие этого снижается концентрация окислительных дефектов при технологических операциях создания прибора уже на готовой структуре "кремний на изоляторе". Этому способствует также и то, что окисление пористого кремния проводят на финишном этапе изготовления структуры, т.е. при термокомпрессионном соединении пластин и утонении рабочей пластины в островках приборного слоя нет дополнительных, стимулирующих дефектообразование механических напряжений, обусловленных кристаллографическим несоответствием и различием в коэффициентах термического расширения монокристаллического кремния и окисленного пористого кремния. Тот факт, что глубина областей пористого кремния должна быть не меньше толщины приборного слоя, соответствует условию надежности вертикальной изоляции элементов прибора друг от друга, а кроме того, при утонении по появлению топологической картины распределения областей пористого кремния на поверхности рабочей пластины можно точнее контролировать скорость и глубину съема материала, т.е. толщину формируемого приборного слоя.

Достоинством заявляемого способа по сравнению с известным [1] является также то, что расположение областей пористого кремния может быть любым, с любой топологией и проектными нормами, определяемыми только конструкцией конкретного прибора, создаваемого на структуре, поскольку изоляция от подложки осуществляется диэлектрическим слоем, выращенным на пластине-носителе по всей ее поверхности.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. По стандартным абразивным и химическим технологиям готовят поверхность кремниевых пластин до требуемого класса чистоты. После очистки пластин от продуктов обработки и загрязнений на поверхности пластин-носителей выращивают диэлектрический слой, например, термический диоксид кремния, а на рабочих пластинах анодной обработкой в растворе фтористоводородной кислоты формируют ориентированные нормально к поверхности пластины области пористого кремния. Месторасположение областей пористого кремния, их топология и размеры определяются конструкцией создаваемого прибора, элементы которого необходимо изолировать друг от друга и от несущей подложки. Топологию расположения этих областей на поверхности рабочей пластины формируют известными технологическими методами, например, с помощью литографических процессов по пленке нитрида кремния, химически стойкого лака или фоторезиста. Глубина областей пористого кремния для обеспечения полной изоляции монокристаллических островков должна быть не менее толщины приборного слоя и ее контролируют по режимам анодной обработки. После формирования областей пористого кремния осуществляют термокомпрессионное соединение таким образом, чтобы области пористого кремния на рабочей пластине контактировали с диэлектрическим слоем на пластине-носителе. Затем рабочую пластину утоняют до требуемой толщины путем последовательного абразивного шлифования, полирования и химико-механического полирования. Далее проводят термическое окисление пористого кремния в потоке кислорода в режимах (т.е. температуре и длительности), обеспечивающей проокисление областей пористого кремния до диэлектрического слоя на границе раздела с пластиной-носителем. Готовую структуру со скрытым диэлектрическим слоем и ориентированным нормально к поверхности изолирующими областями окисленного пористого кремния, расположенными в соответствии с топологией элементов создаваемого прибора, передают на последующие этапы технологического маршрута изготовления изделия.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Исследовали остаточную дефектность приборных слоев структур "кремний на изоляторе", изготовленных по способу-прототипу [2] и заявляемому термокомпрессионным соединением пластин кремния марки КДБ-0,005 (III) с исходной толщиной 380-400 мкм. Общими технологическими операциями для структур обоих их партий (24 шт.) были:
- абразивно-химическая подготовка поверхности исходных пластин по стандартной технологии;
- окисление пластин-носителей при температуре 1300 К в потоке кислорода с чередованием сухой - влажный - сухой для выращивания пленки диоксида кремния на поверхности толщиной 1,8-2,0 мкм;
- термокомпрессионное соединение пластин в вакууме с давлением остаточных газов не более 10 мм рт. ст. при температуре 1270 К с выдержкой под нагрузкой 80-100 МПа в течение 2,5 часов;
- абразивно-химическое утонение рабочей пластины путем последовательной обработки поверхности связанными абразивом АСМ-1 (съем10%) и финишного химико-механического полирования щелочной суспензией аэросила до толщины приборного слоя 10-1 мкм;
- окисление готовых структур во влажном кислороде при температуре 1420 К в течение 30 мин;
- селективное травление в растворе Сиртла (CrO₃:HF = 1:1) на глубину 4,0-0,5 мкм приборного слоя после окисления структур для определения плотности окисленных дефектов упаковки. Плотность окислительных дефектов упаковки определена не менее чем по 20 полям зрения микроскопа. Рассчитывали среднее значение плотности дефектов с надежностью 0,95 и дисперсию плотности по поверхности приборных слоев. При исследовании структур, изготовленных по заявляемому способу, поверхность маскировали пленками фоторезиста, в котором вскрывали только области монокристаллических островков для селективного травления.

При изготовлении структур по заявляемому способу перед термокомпрессионным соединением на рабочих пластинах через предварительно вскрытые окна в пленке фоторезиста формировали области пористого кремния глубиной 15-17 мкм. Анодную обработку проводили в растворе фтористоводородной кислоты состава HF:H₂O:С₂H₅OH при постоянной плотности анодного тока 10 мА/см².

Ширина областей пористого кремния (сечение поверхности рабочей пластины) составляла 6-8 мкм, а линейные размеры островков монокристаллического кремния, защищенные при анодировании фоторезистом, варьировались от 10 мкм до 40 мм.

После формирования областей пористого кремния и удаления фоторезиста проводили отмывку поверхности рабочих пластин, сушку, термокомпрессионное соединение с окисленными пластинами-носителями, абразивно-химическое утонение.

Результаты исследования остаточной дефектности приборных слоев структур, изготовленных по известному и заявляемому способам, выявленной по картинам селективного травления после термического окисления, представлены в таблице.

Как видно из данных, приведенных в таблице, заявляемый способ позволяет существенно снизить плотность окислительных дефектов упаковки и разброс ее значений по поверхности, что указывает на значительное уменьшение центров зарождения этих дефектов при формировании приборных слоев, в которых созданы вертикальные области пористого кремния.

Обнаружено также, что линейные размеры монокристаллических островков в приборных слоях практически не влияют на геттерирующую активность областей пористого кремния, т.е. эффект проявляется, по крайней мере, для приборных островков размером до десятков миллиметров. Таким образом, технический результат при реализации заявляемого способа достигается.

Литератора
1. Кравченко В. М. , Будько М.С. Современное состояние КНД-технологии. /Зарубежная электронная техника. 1989, N 9 (340), с.14-17.

2. Уэббер С. Эффективные методы изготовления СБИС повышенной радиационной стойкости. /Электроника. 1987, т. 60, N 24, с. 48-52.

Использование: в области производства полупроводниковых приборов для создания структур "кремний на изоляторе". Сущность изобретения: путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты в рабочей пластине со стороны, контактирующей со слоем диэлектрика пластины-носителя, формируют ориентированные нормально к поверхности пластины на глубину не менее толщины приборного слоя области пористого кремния, затем производят термокомпрессионное соединение через слой диэлектрика рабочей пластины и пластины-носителя, а затем производят абразивно-химическое утонение рабочей пластины до заданной толщины приборного слоя. Технический результат - повышение качества приборных слоев кремниевых структур со скрытым диэлектрическим слоем за счет снижения их дефектности. 1 табл.

Способ изготовления кремниевых структур со скрытым диэлектрическим слоем, включающий термокомпрессионное соединение через слой диэлектрика рабочей пластины и пластины-носителя и последующее абразивно-химическое утонение рабочей пластины до заданной толщины приборного слоя, отличающийся тем, что перед термокомпрессионным соединением в рабочей пластине со стороны, контактирующей со слоем диэлектрика пластины-носителя, путем анодной обработки в растворе фтористоводородной кислоты формируют ориентированные нормально к поверхности пластины на глубину не менее толщины приборного слоя области пористого кремния, а после термокомпрессионного соединения пластин и утонения рабочей пластины осуществляют термическое окисление пористого кремния.