СПОСОБ СОЗДАНИЯ СТРУКТУРЫ - КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ ДЛЯ СБИС Российский патент 2004 года по МПК H01L21/762 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления структур кремний - на - изоляторе для СБИС,

Известны способы изготовления структур кремний - на - изоляторе (КНИ) [1, 2], в которых тонкие слои монокристаллического кремния изготавливаются на слое диэлектрика.

Способы [1, 2] предусматривают длительные обработки при высоких температурах ~ 1100 С соединения (сращивания) двух пластин между собой с помощью слоя диэлектрика.

Недостатками способов, предусматривающих использование высоких температур, является возникновение механических напряжений в пластинах кремния, несовершенная граница между пластинами вследствие их неплоскостности, возможные загрязнения (в виде “вредных” примесей) приборного слоя кремния через слои связующего диэлектрика, не являющегося барьером для миграции примеси из одной пластины в другую.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ соединения полупроводниковых пластин с помощью силицида металла [3], включающий формирование диэлектрического слоя, осаждение слоя металла на первой пластине кремния, соединение ее со второй пластиной кремния, так что осажденные слои оказываются между пластинами, сращивание соединенных пластин путем нагревания до образования слоя силицида металла между ними, утонение первой пластины кремния.

На фиг.1.1.-1.3 приведены этапы способа создание структуры, выполненного в соответствии с прототипом.

На фиг.1.1 представлен разрез структуры после формирования диэлектрического слоя 1, осаждения металлического слоя 2 на первой пластине кремния 3 до соединения ее со второй пластиной кремния 4.

На фиг.1.2. представлен разрез структуры после соединения первой пластины 3 со второй пластиной кремния 4, так что осажденные слои оказываются между пластинами, сращивания соединенных пластин путем нагревания до образования слоя силицида металла 5 между ними.

На фиг.1.3.представлен разрез структуры после утонения одной из пластин кремния 6.

Однако способ, описанный в прототипе [3], имеет существенные недостатки. При механическом соединении сращиваемых подложек образующаяся граница раздела между второй подложкой и слоем металла на первой подложке не может быть совершенной (непрерывной по всей площади соединений) из-за невозможности получения идеально плоской поверхности пластин и слоев металла, что приводит к образованию полостей (фиг.2). Размер полостей может превышать размеры чипов (кристаллов), на которые разделяется пластина по технологии. Подобные дефекты приводят к катастрофическим отказам, снижают процент выхода годных кристаллов и качество структур кремний - на - изоляторе.

Механизм на молекулярном уровне образования указанных выше дефектов (полостей) может быть описан следующим образов. В процессе соединения двух поверхностей ход потенциальной энергии молекулы, которая переходит с места с энергией E_I на поверхности твердой фазы I (второй подложки) на место с энергией Е_II на поверхности твердой фазы II (слоя металла на первой подложке) имеет вид, показанный на фиг.3.а [4]. Из-за несовершенства границы фазы I и II находятся на некотором удалении друг от друга, и молекула на определенном отрезке своего пути должна оказаться полностью свободной: испариться с поверхности фазы I, повышая свою энергию с E_I до E_O, и конденсироваться, снижая энергию до Е_II. В то же время, граница раздела между тем же слоем металла и слоем поликремния первой подложки гораздо более совершенна (фиг.3.б) благодаря тому, что при конденсации частиц методами физического осаждения тонких пленок из газовой фазы происходит проникновение их вглубь поверхности осаждения на 2-3 атомных слоя [6]. В этом случае для перехода с поверхности фазы I на поверхность фазы II молекуле необходимо преодолеть потенциальный барьер Е_C, который значительно меньше, чем Е_O. Результатом этого являются, несомненно, более вероятные диффузия и взаимодействие между слоем поликремния и слоем металла на первой подложке, нежели диффузия и взаимодействие между атомами слоя металла на первой подложке и кремния второй подложки, что может ставить под сомнение процесс сращивания вообще или потребует чрезвычайно высоких температур процесса сращивания.

Задачей настоящего изобретения является получения технического результата, заключающегося в повышении качества структур кремний - на -диэлектрике и процента выхода годных структур за счет создания сплошной границы между пластиной кремния и слоем диэлектрика (без образования полостей).

Для достижения названного технического результата в способе, включающем осаждение первого слоя металла на первой пластине кремния со сформированным на ней диэлектрическим слоем, соединение ее со второй пластиной кремния, так что осажденные слои оказываются между пластинами, сращивание соединенных пластин путем нагревания до образования между ними слоя металлида - силицида металла и утонение одной из пластин кремния, на первой пластине на первый слой металла осаждают слой легкоплавкого металла или сплава, а на вторую пластину осаждают слои из металла и легкоплавкого металла или сплава, подобные слоям, осажденным на первой пластине, и сращивание проводят по крайней мере в две стадии, первую стадию - низкотемпературную при температуре незначительно выше температуры плавления легкоплавкого металла или сплава, но ниже температуры активации диффузионных процессов, с образованием жидкой фазы металла, вторую стадию - при температуре, обеспечивающей образование твердой фазы металлида, после чего проводят утонение одной из пластин.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что на первой пластине на первый слой металла осаждают слой легкоплавкого металла или сплава, а на вторую пластину осаждают слои из металла и легкоплавкого металла или сплава, подобные слоям, осажденным на первой пластине, и сращивание проводят по крайней мере в две стадии, первую стадию - низкотемпературную при температуре незначительно выше температуры плавления легкоплавкого металла или сплава, но ниже температуры активации диффузионных процессов, с образованием жидкой фазы металла, вторую стадию - при температуре, обеспечивающей образование твердой фазы металлида, после чего проводят утонение одной из пластин.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

На фиг.4.1-4.4 приведены этапы способа создания структуры - кремний - на - изоляторе для СБИС.

На фиг.4.1 представлен разрез структуры после формирования диэлектрического слоя 1, слоя металла 3 и легкоплавкого металлического слоя 7 на первой пластине кремния 4 до соединения ее со второй пластиной кремния 5 со сформированными слоями металла 3 и легкоплавкого металлического слоя 7.

На фиг.4.2. представлен разрез структуры после соединения первой пластины кремния 4 со второй пластиной кремния 5, так что осажденные слои оказываются между пластинами и сращивания соединенных пластин путем низкотемпературной обработки до образования слоя жидкой фазы 8 между ними.

На фиг.4.3. представлен разрез структуры после высокотемпературной обработки с образованием твердофазного металлидного слоя 9 между пластинами.

На фиг.4.4. представлен разрез структуры после утонения одной из пластин кремния до требуемой толщины приборного слоя 6.

В предлагаемом способе создания структуры - кремний - на - изоляторе для СБИС устраняются все недостатки, присущие прототипу.

Это достигается за счет того, что в процессе сращивания пластин вначале образуется жидкая фаза металла (металлидов), заполняющая все пространство между соприкасающимися поверхностями соединяемых пластин и исключающая возможность образования полостей, а затем осуществляется перевод системы в твердую фазу с образованием металлида.

При этом процесс сращивание пластин путем нагревания проводят как минимум в две стадии. На первой низкотемпературной стадии производится расплавление (перевод в жидкую фазу) легкоплавкого металла или сплава, в результате чего исчезает самая несовершенная граница, обусловленная механическим соединением первой и второй пластин. В то же время температура данной стадии должна быть такой, чтобы еще не активировались процессы диффузии. Легкоплавкие металлы, такие как In, Sn, образуют с большинством более тугоплавких металлов, таких как Ti, W, Ni, Co, интерметаллические соединения (металлиды) с температурой плавления существенно более высокой, чем температура плавления легкоплавкого металла [5]. Поэтому на второй высокотемпературной стадии, где исчезают диффузионные ограничения, жидкая фаза легкоплавкого металла активно взаимодействует с выше- и нижележащими слоями металла, в результате чего образуется твердая фаза металлида, сращивающая пластины кремния между собой.

Способ предусматривает два варианта реализации структур:

1) кремний на диэлектрике - для СБИС на полевых транзисторах, реализуемый при утонении первой пластины над слоем диэлектрика [3],

2) кремний с подслоем металлида на диэлектрике - для СБИС на биполярных и полевых транзисторах, реализуемый при утонении второй пластины над слоем металлида [6].

Во втором варианте целесообразно использование диффузионно-барьерных слоев на границе приборный кремний - металлид, что обоснованно в работе [6]. В этом случае перед осаждением первого металла на кремнии формируется диффузионно-барьерный слой.

Решение поставленной выше задачи предусматривает также использование вместо одной из пластин кремния подложки из диэлектрического материала, предложенной ранее в [3]. Учитывая, что достоинством подложек в структурах СБИС является их высокая теплопроводность, материал подложек выбирают из группы материалов с высокой теплопроводностью, например из алмазоподобного углерода, нитрида бора, окиси алюминия (сапфира).

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемой структуры и способа ее изготовления. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

Способ предусматривает два варианта реализации структур

Пример 1. Кремний на диэлектрике - для СБИС на полевых транзисторах, реализуемый при утонении первой пластины кремния над диэлектрическим слоем.

Пластины кремния (КЭФ-4,5, (100), толщиной 500 мкм) подвергались стандартной обработке в буферном растворе HF:NH₄F:H₂O для удаления естественного оксида с поверхности кремния. На первой пластине термическим окислением формировался диэлектрический слой толщиной 0.35 мкм. Затем на первую пластину поверх слоя диэлектрика и на вторую пластину кремния последовательно сначала методом магнетронного распыления осаждался слой никеля толщиной 1.0 мкм и далее методом электрохимического осаждения формировался слой индия толщиной 1 мкм. Первая и вторая пластины соединялись так, что осажденные слои оказывались между ними. Соединенные пластины подвергались вакуумному отжигу, в процессе которого температура сначала поднималась до 200°С и стабилизировалась на 30 мин, в результате чего индий, имеющий температуру плавления ~160°С, переходил в жидкое состояние, и граница соединения пластин “устранялась", далее температура плавно поднималась до 500°С и стабилизировалась на 60 мин с целью трансформации жидкой фазы индия в слой металлидов Ni_x In_y, имеющих температуру плавления 800-1000°С. Затем первая пластина кремния утонялась до требуемой толщины приборного слоя кремния над диэлектрическим слоем для изготовления СБИС на полевых транзисторах.

Пример 2. Кремний с подслоем металлида на диэлектрике - для СБИС на биполярных и полевых транзисторах, реализуемый при утонении второй пластины над слоем металлида.

Пластины кремния (КЭФ-4,5, (100), толщиной 500 мкм) подвергались стандартной обработке в буферном растворе HF:NH₄F:H₂O для удаления естественного оксида с поверхности кремния. На первой пластине термическим окислением формировался диэлектрический слой толщиной 0.35 мкм. На второй пластине методом магнетронного распыления формировался диффузионно-барьерный слой толщиной 100 нм из сплава W-Ta-N. Затем на первую пластину кремния поверх диэлектрического слоя и на вторую пластину кремния поверх диффузионно-барьерного слоя W-Ta-N последовательно сначала методом магнетронного распыления наносился слой никеля толщиной 1.0 мкм и далее методом электрохимического осаждения формировался слой индия толщиной 1.0 мкм. Первая и вторая пластины соединялись так, что осажденные слои оказывались между ними. Соединенные пластины подвергались вакуумному отжигу, в процессе которого температура сначала поднималась до 200°С и стабилизировалась на 30 мин, в результате чего индий, имеющий температуру плавления ~ 160°С, переходил в жидкое состояние, и граница соединения пластин “устранялась”, далее температура плавно поднималась до 500°С и стабилизировалась на 60 мин с целью трансформации жидкой фазы индия в слой металлидов Ni_xIn_y, имеющих температуру плавления 800-1000°С. При этом диффузионно-барьерный слой предотвращал взаимодействие кремния из второй пластины с никелем и индием. Затем вторая пластина кремния утонялась до требуемой толщины приборного слоя кремния над металлидом для изготовления СБИС на биполярных и полевых транзисторах.

Литература

1. Патент Японии N 61-240629.

2. Патент Японии N 5-251292.

3. Патент США N 5 387 555.

4. Фольмер М. “Кинетика образования новой фазы”. Перевод с немецкого под ред. К.М.Горбуновой. М.: Наука. 1986 г., стр.208.

5. Хансен М., Андерко К. “Структуры двойных сплавов”. Москва. Металлургиздат, 2 тома, 1962 г.

6. Патент РФ N 2149481.

Использование: в микроэлектронике, а именно в технологии изготовления структур кремний - на - изоляторе для СБИС. Техническим результатом изобретения является повышение качества структур кремний на изоляторе и процента выхода годных структур за счет создания сплошной границы между пластинами без образования полостей. Сущность изобретения: в способе создания структуры кремний - на - изоляторе, включающем осаждение первого слоя металла на первой пластине кремния со сформированным на ней диэлектрическим слоем, соединение ее со второй пластиной кремния, так что осажденные слои оказываются между пластинами, сращивание соединенных пластин путем нагревания до образования между ними слоя металлида - силицида металла, утонение одной из пластин кремния, на первой пластине на первый слой металла осаждают слой легкоплавкого металла или сплава, а на вторую пластину осаждают слои из металла и легкоплавкого металла или сплава, подобные слоям, осажденным на первой пластине, сращивание проводят по крайней мере в две стадии, первую стадию - низкотемпературную при температуре незначительно выше температуры плавления легкоплавкого металла или сплава, но ниже температуры активации диффузионных процессов, с образованием жидкой фазы металла, вторую стадию - при температуре, обеспечивающей образование твердой фазы металлида, после чего проводят утонение одной из пластин. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания структуры - кремний на изоляторе для СБИС, включающий осаждение первого слоя металла на первой пластине кремния со сформированным на ней диэлектрическим слоем, соединение ее со второй пластиной кремния, так что осажденные слои оказываются между пластинами, сращивание соединенных пластин путем нагревания до образования между ними слоя металлида - силицида металла, утонение одной из пластин кремния, отличающийся тем, что на первой пластине на первый слой металла осаждают слой легкоплавкого металла или сплава, а на вторую пластину осаждают слои из металла и легкоплавкого металла или сплава, подобные слоям, осажденным на первой пластине, и сращивание проводят по крайней мере в две стадии, первую стадию - низкотемпературную при температуре незначительно выше температуры плавления легкоплавкого металла или сплава, но ниже температуры активации диффузионных процессов, с образованием жидкой фазы металла, вторую стадию - при температуре, обеспечивающей образование твердой фазы металлида, после чего проводят утонение одной из пластин.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что утонение проводят на первой пластине над диэлектрическим слоем.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что утонение проводят на второй пластине над слоем металлида.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что перед осаждением на вторую пластину слоев из металла и легкоплавкого металла или сплава осаждают диффузионно-барьерный слой.5. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что вместо первой пластины кремния использована подложка из диэлектрического материала.6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вместо второй пластины кремния использована подложка из диэлектрического материала.7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что диэлектрический материал выбирают из группы материалов с высокой теплопроводностью.8. Способ по пп.5, 6 или 7, отличающийся тем, что в качестве подложки используют подложки из алмазоподобного углерода, нитрида бора, окиси алюминия (сапфира).