ID: 39605

Название работы: ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ

Категория: Дипломная

Предметная область: Физика

Описание: Цель работы исследование существующих методов формирования структру КремнийНаИзоляторе а так же оптимизация режимов формирования КНИ пластин с целью уменьшения дефектов рабочего слоя кремния и уменьшения дозы имплантируемых ионов. Нами были выполнены работы по отработке и развитию технологии изготовления КНИ пластин по мотивам метода SmartCut.5 ВВЕДЕНИЕ В КНИ СТРУКТУРЫ Основные преимущества КНИ структур .6 Структура КНИ пластины.

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-10-07

Размер файла: 3.21 MB

Работу скачали: 145 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Белорусский государственный университет

Факультет радиофизики и компьютерных технологий

Кафедра интеллектуальных систем

Дипломная работа

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР

КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ

Студента 5 курса

КОЗЛОВА Андрея Викторовича

Консультант

профессор, д.ф.-м.н. КОМАРОВ Ф.Ф.

Руководитель

доцент, к.ф.-м.н., КОЗЛОВА Е.И.

Рецензент

ст. преп., ЩЕРБАК И.Н.

«ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ»

Зав. кафедрой интеллектуальных систем,

академик ____________ А.Ф.Чернявский «___»

_________ 2011 г.

Минск 2011

РЕФЕРАТ

Дипломная работа 46 страниц, 18 рисунков, 3 таблицы, 8 источников.

КРЕМНИЙ, ИЗОЛЯТОР, ПОДЛОЖКА, ИМПЛАНТАЦИЯ, SMART CUT, УПРАВЛЯЕМЫЙ СКОЛ, ДЕФЕКТ, БЛИСТЕРИНГ, ФЛЕКИНГ, ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ.

Объектом исследования являются методы формирования структур Кремний-На-Изоляторе.

Цель работы -  исследование существующих методов формирования структру Кремний-На-Изоляторе, а так же оптимизация режимов формирования КНИ пластин с целью уменьшения дефектов рабочего слоя кремния и уменьшения дозы имплантируемых ионов.

Проведен анализ существующих методов формирования структур Кремний-На-Изоляторе. Нами были выполнены работы по отработке и развитию технологии изготовления КНИ пластин «по мотивам» метода Smart-Cut. Также был разработан модернезированный метод Smart-Cut, обеспечивающий уменьшенные дозы имплантируемых ионов.

 

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ………………………………………………………………………….2

ВВЕДЕНИЕ ………………...………………………………..…............….……  4     

АКТУАЛЬНОСТЬ………………………………………...……….………….…..5

ВВЕДЕНИЕ В КНИ СТРУКТУРЫ

1. Основные преимущества КНИ структур ………………….…………..6
2. Структура КНИ пластины……………………………………….……...9
3. Частотные характеристики КНИ структур …………….…………….10
4. Радиационная устойчивость КНИ структур...………………..………11

ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КНИ СТРУКТУР

1. Метод ионного внедрения……………………………………….…….13
2. Сращивание пластин……………...………….………………….……..17
3. Smart-Cut метод……………………………....………………………...19

ФОРМИРОВАНИЕ КНИ-ПЛАСТИН ПО МОТИВУ МЕТОДА SMART-CUT

1. Адаптация Smart-Cut метода………………….……………………….24
2. Модернизация Smart-Cut метода , обеспечивающая уменьшение дозы ионов………………………………...……………………....…………..31

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………...………...………….…....……..45

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………..……………..………...46

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время, в современных технологиях создания СБИС, мы можем отметить тенденцию к переходу производства на подложки, выполненные по технологии Кремний-На-Изоляторе(КНИ). В отличие от технологии монолитного кремния, системы, выполненные по технологии КНИ являются более устойчивыми к радиационному излучению. Также существенно улучшаются частотные характеристики с одновременным уменьшением потребляемой мощности и размеров данных систем. Таким образов, мы можем выделить следующие цели данной работы:

1. Изучение существующих методов формирования структур Кремний-на-Изоляторе (КНИ)
2. Оптимизация режимов формирования КНИ пластин:
   1. Уменьшение дефектов рабочего слоя кремния
   2.  Уменьшение дозы имплантируемых ионов
   3. Разработка режимов комбинационной имплантации
3. Тестирование полученных образцов

 

АКТУАЛЬНОСТЬ

Данная работа представляет собой исследование для НПО «Интеграл».  В течение следующих  5 лет НПО «Интеграл»  запланировал перевод производства на подложки, построенные по технологиям Кремний-на-изоляторе. Это обусловлено необходимостью повышения быстродействия систем, а также необходимостью улучшения радиационной стойкости этих систем.

Продукция НПО «Интеграл» , построенная по технологиям КНИ предназначается для Российской и Белорусской гражданской и оборонной промышленности.

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ В КНИ СТРУКТУРЫ

1.   Основные преимущества КНИ структур

Разрабатываемые и изготавливаемые структуры кремний на изоляторе будут обладать следующими преимуществами перед другими известными типами КНИ структур и обычными подложками полупроводниковых материалов:

1.  повышение радиационной и термической стойкости;
2. увеличение выхода годных (меньшая площадь элементов и чипов снижает вероятность попадания ростового дефекта в активную область);
3. увеличение плотности компоновки элементов из-за формирования на поверхности полупроводниковых элементов субмикропрофильных “канавок” шириной 0,1-0,2 мкм;
4. упрощение - полное отсутствие эффекта защелкивания за счет отсутствия изоляцией p-n переходами, создаваемыми имплантацией; упрощение изоляции и уменьшение ее размеров в 3-5 раз (и всего чипа); сочетание многих функций на одном чипе (например, логических, телекоммуникационных и силовых для мобильной связи или управления);
5. лучшими свойствами - двух-трёхкратное увеличение быстродействие и/или снижение энергопотребление при низком напряжении (менее 1,5 В.); работа при ультранизком напряжении питания (~5В); работа при высоких температурах, вплоть до 500 0С за счет уменьшения токов утечек переходов меньших размеров.

Наиболее перспективно использование изготовляемых КНИ структур:

1.  для изготовления УБИС;
2. динамических ОЗУ емкостью 16 Мбит (16 мл транзисторов);
3. статических ОЗУ, 4 Мбит (24 мл транзисторов);
4. БиКМОП микропроцессоров с рабочей частотой 533 МГц (3 мл транзисторов)

Предлагаемая технология КНИ-структур может быть реализована на типовом оборудовании имеющимся практически на любом предприятии-изготовителе электронных изделий. Использование изготавливаемых КНИ структур в указанных приборах обеспечит существенную экономию энергоресурсов, даст дополнительную экономию за счет большей надежности, позволит решить некоторые принципиально новые задачи при создании объектов, работающих в экстремальных условиях. Анализ развития полупроводниковых технологий показывает, что в перспективе на структурах Кремний на Изоляторе (КНИ) можно будет изготавливать приборы (микросхемы) с улучшенными характеристиками по сравнению с аналогичными приборами, изготовленными на обычных кремниевых пластинах. Технологические процессы изготовления ИС, адаптированных для таких структур, могут стать наиболее подходящей основой для производства аналоговых, смешанных (биполярные-КМОП-ДМОП ИС) и цифровых ИС с наивысшими техническими характеристиками. Существует заблуждение, состоящее в том, что структуры КНИ целесообразно использовать только для производства спецстойких ИС. На самом деле перевод производства традиционных БИС и СБИС массового применения с подложек объёмного кремния на современные структуры кремний-на-диэлекрике делает его в 1,5-2 раза более рентабельным, чем производство тех же СБИС на основе подложек монокристаллического кремния. Так, при создании ИС массового применения на основе структур КНИ упрощается конструкция элементов КМОП и КБиКМОП ИС, поскольку упраздняются глубокие карманы и разделительные p-n переходы. В результате упрощения конструкции элементов ИС на 30% уменьшается площадь чипов и, соответственно, увеличивается примерно на 30% количество чипов на пластине.

В итоге, например, увеличивается примерно на 30% прибыльность производства ИС 64М SRAM на структурах КНИ диаметром 200 мм по сравнению с производством таких же ИС на основе объёмного кремния. Упрощение конструкции ИС приводит к упрощению технологии их производства на основе структур КНИ. Например, на 20% уменьшается количество технологических операций при производстве ИС 64М SRAM на структурах КНИ диаметром 200 мм по сравнению с их производством на основе стандартных пластин из объёмного кремния. Упрощение конструкции и технологии ИС приводит к повышению выхода годных ИС. Например, на 10% повышается выход годных ИС 64М SRAM на КНИ диаметром 200 мм по сравнению с их производством на стандартных пластинах объёмного кремния. Для ИС, изготовленных на основе КНИ, характерно повышенное быстродействие. Например, ИС 1K*8 SRAM на основе КНИ в типовом рабочем режиме имеет в три раза более высокое быстродействие чем та же ИС, изготовленная на основе объёмного кремния. Появляется возможность понизить питающее напряжение и рассеиваемую мощность ИС. ИС, изготовленные на основе КНИ, имеют более высокую термостойкость (их рабочая температура достигает 300-400 °С).

Упрощение конструкции ИС, совершенство взаимной изоляции элементов ИС, повышение термостойкости и радиационной стойкости приводят к повышению надёжности ИС. Повышенные быстродействие, термостойкость и надёжность дают повод производителям повысить на 25% цену на ИС, изготовленные на основе КНИ, по сравнению с аналогичными ИС, изготовленными на основе объёмного кремния. Упрощение конструкции, технологии и повышение качества ИС позволяют производителям ИС повысить прибыль от массовых продаж всех типов ИС, в том числе и ИС широкого применения. Предлагаемые к разработке структуры КНИ являются также исходным материалом для производства интеллектуальных ИС с выходными силовыми каскадами (smart-ИС), выдерживающими напряжения до 1500 В. Предлагаемые КНИ являются исходным материалом для разработки квантовых ИС (ИС, в которых активными элементами являются квантовые “точки” и квантовые проволоки, и нанотранзисторных матриц по традиционной планарной технологии).

1.   Структура КНИ пластины

Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, слоя диэлектрика и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния(рис.1).

Рисунок 1. Структура КНИ пластины

В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния SiO2 либо соединение Si3N4. Дальнейшее производство полупроводниковых приборов с использованием полученной подложки по своей сути практически ничем не отличается от классической технологии, где в качестве подложки используется монолитная кремниевая пластина.

1.  Частотные характеристики КНИ структур

Рассмотрим транзистор, выполненный на КНИ подложке. При построении схемы по технологии КНИ, большая часть потребляемой мощности затрачивается на заряд паразитной ёмкости изолирующего перехода в момент переключения транзистора из одного состояния в другое, а время, за которое происходит этот заряд, определяет общее быстродействие схемы. Основное преимущество технологии КНИ состоит в том, что за счёт тонкости поверхностного слоя и изоляции транзистора от кремниевого основания удаётся многократно снизить паразитную ёмкость. Этот эффект хорошо наблюдается на примере МОП транзистора с изолированным затвором (рис.2):

Рисунок 2. Паразитные емкости в технологиях монолитного             кремния и кремний-на-изоляторе

За счет разделения кремниевой пластины оксидом кремния на рабочий слой и пластину-носитель КНИ структуры, существенно снижены паразитные емкости. Следовательно, в КНИ структуре существенно снижены и время зарядки с потребляемой мощностью.

1.  Радиационная устойчивость КНИ структур

В проводящем канале МОП транзистора под действием радиационного излучения могут генерироваться электрон-дырочные  пары. При этом будет меняться и проводимость  транзистора в отсутствии управляющего напряжения. Таким образом, МОП транзисторы, построенные по технологии монолитного кремния, не устойчивы к радиационному излучении. При использовании КНИ подложек уменьшается физический размер проводящего канала, в котором может происходить генерация носителей (рис. 3).

Рисунок 3. Ширина проводящего канала в технологиях монолитного кремния и кремний-на-изоляторе

При этом существенно снижается восприимчивость данной структуры к радиационному излучению. Следовательно, данная технология находит свое применение в условиях высокого ионизирующего излучения. Например, такие структуры широко используются в военной промышленности.

ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КНИ СТРУКТУР

1.  Метод ионного внедрения

Методом высокоэнергетической имплантации ионов кислорода(Е > 200кЭв) формируют в кремнии изолирующий слои диоксида кремния  SiO2 либо слой из соединения Si3N4. Выбор энергии ионов определяет глубину слоя; дозы и температуры мишени – качество диэлектрика и совершенство верхнего кристаллического слоя. Затем по обычной технологии, использую литографические методы или методы безмасочного высоколокального ионного легирования , создают приборные структуры(рис.4).

Рисунок 4. Схема создания КНИ пластины методом Ионного внедрения(SIMOX) с использование ионов кислорода

При высокоэнергетической ионной имплантации приповерхностные слои полупроводникового материала оказываются слабо поврежденными из-за сильного различия упругих потерь энергии в области их максимума и в приповерхностной области. Ионная имплантация при высоких энергиях, таким образом,  позволяет создавать скрытые легированные области, расположенные на требуемой глубине, при этом приповерхностная область остается практически свободной от радиационных повреждений.

Однако для формирования протяженного скрытого изолирующего слоя требуются большие дозы (1017-1018 ион/см2). Это неизбежно приводит к тому, что на формирование профилей распределения примесей оказывает влияние ряд эффектов, сопровождающих ионную имплантацию:

1.     Распыление поверхности, когда толщина удаленного слоя может достигать нескольких десятков и сотен нанометров.
2.     Радиационное «распухание» мишени, связанное с образованием включений новой фазы в матрице, в результате чего резко уменьшается плотность кремния и изменяются условия торможения ионов по мере накопления примеси.

Эти эффекты оказывают противоположное влияние на конечное положение максимума распределения внедренных атомов (распыление приближает поверхность к максимуму, а второй эффект – удаляет). Эффективность «распухания» определяется плотностью синтезируемого единения, изменение тормозной способности материала мишени вызывает различия пробегов ионов в кремнии и соединении. Определенную роль в перераспределении примеси играет обычная и радиационно-стимулированная диффузии внедренных атомов при данной температуре облучения кремниевых пластин.

Облучение монокристаллических пластин кремний большими дозами ионов кислорода или азота при температурах, близких к комнатной, приводит к аморфизации вышележащего слоя кремния. Для энергии ионов 150 кэВ (минимальная энергия используемая в технологии кремний на изоляторе (КНИ)) критическая доза, превышение которой сопровождается амор-физацией, равна 5 × 1017 ион/см2. Повышение температуры пластин при имплантации до 473К и выше позволяет внедрять большие дозы ионов при тех же условиях без аморфизации поверхностного слоя кремния. В то же время увеличение энергии ионов до 1 МэВ позволяет сохранить монокристаллическую структуру и ориентацию поверхности подложки при облучении стехиометрическими для SiO2  дозами ионов.

На практике обычно оптимизируют температурный режим облучения и последующего отжига. Эксперименты по изучению качества приповерхностных слоев кремния показали, что оптимальной температурой пластин при создании скрытых SiO2-слоев является 580 ± 20°С. Требуемая температура кристаллов может быть обеспечена и самим ионным пучком при соответствующей термоизоляции пластины от подложкодержателя и выбором плотности ионного пучка (высокоинтенсивный режим).

Можно объяснить наличие оптимальной температуры, изучив конкурирующие процессы, сопровождающие ионную имплантацию кислорода: зарождение и рост дислокаций, с одной стороны, и образование включений оксида кремния, с другой. Первый процесс доминирует при низких температурах, второй при высоких; минимальные вклады обоих процессов регистрируются при Т= 580°С, т.е. наблюдается максимально возможное совершенство приповерхностного слоя кремния. При такой температуре образование дислокаций подавлено, а формирование зародышей фазы — SiO2 в приповерхностной области также маловероятный процесс, так как из-за низкой концентрации кислорода и его подвижности в этой области при Т= 580°С формируемые зародыши SiO2 с малыми размерами нестабильны и распадаются.

Для формирования структур кремний-на-изоляторе (КНИ) после имплантации кислорода используется длительный отжиг при температуре 1250-1405°С. Растворение мелких преципитатов и стягивание имплантированных атомов О c периферии распределений в сплошной слой позволяет использовать для синтеза этих соединений субстехиометрические флюенсы. Стягивание лимитируется именно растворением преципитатов, поскольку в кремнии при указанных выше температурах отжига коэффициент диффузии кислорода достаточно высок. Считается, что имплантированный кислород в основном диффундирует по типу замещения. Коэффициент его диффузии равен

= 0,13 ехр(-2,50эВ/кТ)см2/с

Последующие высокотемпературные термообработки КНИ структур, позволяет значительно улучшать их характеристики. Например:

1.      при температуре 1423-1523 К за первые 5-20 мин. происходит восстановление кристаллической структуры переходных областей (вблизи границы Si/SiO2 )структурное совершенство приповерхностного кристаллического слоя радикально улучшается (выход ионов в экспериментах по обратному резерфордовскому рассеянию в режиме каналирования частиц уменьшается с 20-50% до 3-5%). Увеличение длительности отжига до 2 часов сопровождается полным освобождением приповерхностного слоя от кислорода; плотность дислокаций при этом составляет 108 . Образование крутой задней (глубокой) границы раздела (SiO2/Si) происходит после 6 часов отжига при Т=1473 К. Значительная часть вышележащего слоя кремния освобождается от SiO2 при температуре отжига 1523 К в течение 24 часов. Дальнейшее увеличение времени отжига не сопровождается изменениями.
2.      при температуре 1573-1673 К происходит полное освобождение вышележащего слоя кремния от кислорода и образование резких планарных границ раздела скрытого слоя и матрицы; плотность дислокаций достигает 106-104 см-2.

Таким образом, можно предположить вариант базовой технологии SIMOX (Separated by IMplanted OXygen) — высокоэнергетическая имплантация кислорода с термоциклированием (2-3 цикла набора дозы и отжига) через защитную пленку SiO2.

Однако, глубина проникновения ионов примеси зависит от уровня их энергии, а поскольку технология КНИ подразумевает достаточно большую толщину изолирующего слоя, то при производстве подложек приходится использовать сложные сильноточные ускорители ионов кислорода. Это обусловливает высокую цену подложек, изготовленных по этой технологии, а большая плотность дефектов в рабочих слоях является серьёзным препятствием при массовом производстве полупроводниковых приборов.

2.2. Сращивание пластин

При использовании технологии сращивания пластин (wafer bonding) образование поверхностного слоя производится путём прямого сращивания второй кремниевой пластины со слоем диэлектрика (чаще используется диоксид кремния SiO2)(Рис.5).

Рисунок 5. Схема создания КНИ пластины методом сращивания пластин

Для этого гладкие, очищенные и активированные за счёт химической или плазменной обработки пластины подвергают сжатию и отжигу, в результате чего на границе пластин происходят химические реакции, обеспечивающие их соединение[5]. Процесс сращивания пластин кремния состоит в основном из двух этапов:

1. Соединение пластин планарными сторонами внутрь при комнатной температуре за счет Ван-Дер-Ваальсовых сил и дипольного взаимодействия адсорбированных на поверхности радикалов.
2. Нагрев этой соединенной пары при повышенно температуре (800-1200 °С) для замены слабых межмолекулярных связей прочными ковалентными[3].

Наиболее важной проблемой в методе сращивания пластин является наличие областей с отсутсвием контакта (макро- и микропустоты за счет микрочастиц и неровностей поверхности), которые уменьшают силу связывания между пластинами кремния и, соответственно, выход годных структур.

Данная технология практически идеальна для изготовления КНИ-подложек с толстым поверхностным слоем, но с его уменьшением начинает нарастать плотность дефектов в рабочем слое, а, кроме того, усложняется технологический процесс и, как следствие, растёт стоимость готовых изделий. В результате, подложки с толщиной поверхностного слоя менее одного микрометра, которые наиболее востребованы при производстве быстродействующих схем с высокой степенью интеграции, имеют тот же набор недостатков, что и подложки, изготовленные по технологии ионного внедрения.

2.3. Smart-Cut метод

Рассмотренный ниже новый метод, согласно мнению ведущих специалистов мира, в настоящее время является самым перспективным способом создания КНИ-структур и многослойных структур не только для кремния, но и для других полупроводников. В русском полном названии его можно интерпретировать как: формирование КНИ-структур путем перенесения тонкого слоя с монокристаллической пластины кремния на окисленную подложку путем соединения пластин с расслоением по глубине проникновения имплантированных ионов водорода.

Вся процедура включает несколько основных операций: очистка пластины — имплантация ионов водорода — наложение имплантированной стороны пластины на окисленную поверхность второй пластины и сращивание пластин — первая низкотемпературная термообработка с отщеплением (сколом) слоя кремния, уже связанного со второй пластиной — вторая высокотемпературная термообработка для завершения процесса сращивания — полировка шероховатой части верхних кремниевых слоев в КНИ-структуре и в оставшейся части первой пластины (для новых использований), т.е. новых циклов создания КНИ-структур.

Основными физическими явлениями, определяющими возможность приготовления тонких слоев кремния и иных полупроводников, являются блистеринг и флекинг материалов, облученных высокими дозами ионов водорода или ионов инертных газов. В "Smart-cut"-технологии используются эти фундаментальные явления для отщепления тонких слоев материала по всей поверхности образца, которая предварительно подвергается имплантации ионов водорода. Скрепление имплантированной поверхности до процесса термообработки является ключевым моментом процесса. Известно, что тонкие слои материалов легко деформируются, а также сворачиваются без скрепления с массивным основанием. Скрепление тонкого слоя с подложкой может достигаться сращиванием или связыванием с ней при комнатной температуре или при повышенной температуре (например, термокомпрессией). Комбинация двух операций — отщепления слоя и скрепления его с подложкой — является базовой при изготовлении любой структуры, включающей тонкий слой на подложке. Принципы "Smart-cut''-процесса применимы при создании любых монокристаллических слоев на различных подложках. Основным ограничением является способность материалов к блистеризации, и флекингу при ионной обработке.

"Smart-cut''-процесс характеризуется гомогенностью толщины, высоким совершенством верхнего кристаллического слоя, простотой и доступностью реализации на большинстве предприятий электронной промышленности.

Для создания КНИ структур "Smart-cut''-процесс включает четыре основные операции(рис.6):

1.  Имплантация водорода в пластину I, предварительно закрытую термически выращенным слоем SiO2 (хотя можно и без него) (диапазон доз 3,5-5×1016 ион/см2, оптимальная доза зависит от энергии           ионов ).
2.  Гидрофильное связывание при комнатной температуре (может быть и при повышенной температуре методом термокомпрессии ) пластины I к пластине-носителю КНИ структуры II (покрыта слоем SiO2 или без него). Пластина II в этой технологии служит для скрепления верхнего слоя и играет роль массивного кремния в КНИ структуре.
3.  Двухступенчатый нагрев двух связанных пластин. В течение 1 -го процесса (400-600°С) имплантированная пластина I расщепляется на две части: тонкий верхний слой пластины I, связанный с пластиной II, и остаток пластины I. Более толстая часть пластины I после полировки может быть использована затем в новом цикле изготовления КНИ структур. Вторая, высокотемпературная обработка (1100°С) усиливает химическую связь двух частей КНИ структуры.
4.  Полировка после расщепления, поскольку верхний слой КНИ структуры содержит микронеровности и нарушенный приповерхностный слой.

Рисунок 6. Основные операции "Smart-cut''-процесса

Выбор энергии протонов определяется толщиной верхнего кристаллического слоя Si и обычно составляет около 100 кэВ. С учетом малых доз облучения, это позволяет использовать типовое технологическое оборудование для ионной имплантации на предприятиях электронной промышленности. Флюенс ионов примерно в 50 раз меньше, чем в обычной SIMOX-технологии. Кроме того требуется короткий по времени отжиг в обычных печах с инертной средой. Следовательно, эта технология КНИ-структур хорошо адаптирована к существующим технологическим линейкам и может играть ключевую роль в создании СБИС и УБИС нового поколения.

После имплантации водорода с Е = 100 кэВ в кремнии формируется слой дефектов с центром на глубине 950 нм от поверхности и распространяющийся примерно на 200-240 нм по обе стороны. Кроме простых дефектов в этом нарушенном слое наблюдаются мелкие пластинки матричного материала. Эти пластинки или "полости" располагаются вблизи  в профиле концентрации водорода и строго параллельно поверхности, т.е. вдоль (100) плоскости. Их размер составляет около 10 нм. Микроскопия высокого разрешения выявляет их толщину, составляющую «1нм, т.е. эти дефекты можно отнести к классу двухмерных. ИК-спектроскопия этих образцов указывает на наличие большой концентрации Si-H-связей.

Только при имплантации водорода образуются такие пластинчатые дефекты, а при внедрении атомов гелия формируются газовые пузыри, т.е. трехмерные дефекты. Эта особенность может быть связана со способностью водорода формировать Si-H-связи. На основании этих исследований можно предположить, что эти полости заполняются атомами H по крайней мере связанными с Si и возможно образующими H2-молекулы между двумя Si-H-слоями.

При отжиге при 500°С ПЭМ выявляет, что (100)-полости увеличиваются в размере, но располагаются около Rp, а число их уменьшается. Но после короткого 5-минутного начального отжига резко возрастает число и размер их. Это говорит о том, что после имплантации стадия зародышеобразования таких полостей не завершена и требуется 5-минутный отжиг при 500°С для ее завершения. Более длительный отжиг приводит к увеличению размера полостей, но число их падает Число атомов водорода в этом слое, измеренное методом ВИМС, не уменьшается, т.е. нет других стоков для водорода, кроме полостей. Атомы H, уходящие из одной полости при отжиге, переходят в другие, так что большие полости растут за счет малых (как и следует из теории Оствальда).

Наличие связующей подложки II при расщеплении пластины I приводит к тому, что оно происходит по всей плоскости пластины. Среднеквадратичный размер микрошероховатости по сколу составляет около 12 нм.

ГЛАВА 3 ФОРМИРОВАНИЕ КНИ-ПЛАСТИН ПО МОТИВУ МЕТОДА SMART-CUT

3.1. Адаптация Smart-Cut метода

Нами выполнены работы по отработке и развитию технологии изготовления КНИ пластин «по мотивам» метода Smart-cut

В качестве исходных использовали стандартные 100 мм пластины кремния (100)-ориентации, легированные бором (КДБ-12). Исходные пластины отбирались с учетом минимальных прогиба (< 5 мкм) и неплоскостности (<10 мкм) пластин. Имплантация ионов водорода проводилась на ускорителе Skanibal 128S, имеющем газовый источник. Режимы имплантации: энергия 80–100 кэВ, доза 4–51016 ион/см2, температура мишени < 50 °С. Имплантация проводилась в структуры SiO2(20–300 нм)/Si. Набор дозы осуществлялся поэтапно, в несколько шагов, с выдержкой пластин между режимами имплантации в вакууме при комнатной температуре в течение 6–8 часов. Для очистки пластин и формирования гидрофильных поверхностей использовались в различных вариациях процедуры плазменной обработки, химической и гидромеханической очистки. Были отработаны оригинальные методики подготовки химически чистых оксидированных поверхностей пластин с высокой степенью гидрофильности. Процедура связывания имплантированных пластин со структурами SiO2(20–200 нм)/Si проводилась с использованием специально разработанной оснастки. Контроль качества связывания осуществлялся на-просвет в ближнем ИК-диапазоне электромагнитного излучения. Для усиления связи между пластинами, а также для исследований влияния дополнительных низкотемпературных обработок (НТО) на качество получаемых КНИ-пластин, отжиги проводили при температурах 80–200 °С с различными длительностями (вплоть до 24 часов). Для термически-вызываемого полного скола по водородо-индуцированному дефектному слою проводили отжиг при температурах 450–550 °С в течение 20–60 минут. Для части образцов использовался неполный отжиг (длительность 1–15 минут) с последующим механическим сколом по дефектному слою. Финишная термообработка получаемых КНИ-структур (для полного отжига дефектов структуры в верхнем кристаллическом слое кремния) проводилась при температурах 1050–1100 °С в среде кислорода или азота.

На рис.7 представлены ПЭМ микрофотографии поперечных сечений образцов после имплантации ионов водорода и последующей термообработки. Дефектный слой, формируемый имплантацией ионов водорода с дозами 4–51016 ион/см2, достаточно протяженный и состоит из кластеров точечных дефектов. Отжиг при 450 °С уже в течение 5 минут приводит к существенному уменьшению толщины дефектного слоя. При этом по всей толщине этого слоя формируются микротрещины (рис. 7Б). Увеличение длительности термообработки приводит к формированию макротрещины параллельно поверхности пластин (рис. 7В).

Рисунок 7. Светлопольные ПЭМ микрофотографии дефектного слоя в кремниевых пластинах после имплантации ионов водорода (А) и отжига при 450 °С: 5 минут (Б) и 10 минут (В)

При высоких дозах имплантируемых ионов на поверхности пластин могут образовываться объемные дефекты. (рис. 8)Примерами таких дефектов служат блистеринг и флекинг. Эти дефекты могут наблюдаться методами оптической микроскопии. Блистеринг – это явление вздутия поверхности. Блистеры является объемными дефектами. Они образуются из-за скопления имплантируемых ионов. Флекинг же, в отличает от блистеринга, наоборот, представляет собой дефект в виде полой лунки. Флекинг можно представить как отшолушивание частички поверхности. При внешнем осмотре лунок флекинга при помощи интерферометра, можно судить о профиле внедеренных ионов.

Рисунок 8. Области блистеринга и флекинга после имплантации Н2 дозой 5×1016 ион/см2 с энергией 200 кэВ (а) и 75 кэВ (б) и отжига при 450 °С в течение 30 минут

На рис. 9 представлена фотография поверхности после имплантациии ионов водорода с энергией 75КэВ и дозой . Отжиг не производился, здесь представлена фотография сразу после процесса имплантации. Хорошо различимы светлые и темные области. Светлые области соответсвуют образованным блистерам, а темные областям флекинга.

Рисунок 9. Области дефекты на поверхности кремниевой пластины после имплантации ионов водорода H2 дозой 2×1016 ион/см2

Следует отметить, что пороговая доза имплантируемых ионов очень сильно зависит от их энергиии, так как при изменении энергии изменяется расположение дефектного слоя, идет изменение диаметра областей блистернига и суммарная площадь флекинга. Под пороговой дозой в данном случае мы понимаем дозу, при которой эффекты блистеринга и флекинга регистрируются оптическим методом. Так из прошлых опытов видно, что при энергии 200 КэВ эффекты блистеринга и флекинга начинают проявлятся с внедрением дозы 4-5×1016 ат/см2, в то время как для меньших энергий (порядка 75КэВ) пороговая доза менее 2×1016 ат/см2.

На рис. 10. предоставлена фотография поверхности с интерференционной картиной после внедрения ионов водорода дозой  2×1016 ат/см2 и энергией 75КэВ.

Рисунок 10. Оптическая микрофотография поверхности образца кремния, облученного ионами водорода с энергией 75 КэВ и дозой         2×1016 атом/см2, с картиной интерференции.

Фотографии были сделаны на интерферометре линника МИИ-4. На последней фотографии, с интерференционной картиной, хорошо заметен эффект флекинга. По сдвигу интерференционных полос можно судить о располажении профиля  внедренных ионов водорода.

Финишная термообработка сколотых от пластин доноров КНИ-структур при температурах 1050–1100 °С приводит к полному отжигу структурных дефектов в поверхностном слое (рис. 11А). На рис. 11Б представлен типичный профиль элементного состава в КНИ структуре, полученный методов ОЖЕ-спектроскопии в сочетании с послойным травлением образца. Можно выделить резкие ступеньки атомной концентрации на границах раздела в КНИ структуре. Следует отметить также высокое качество и гомогенность слоев и границ раздела в КНИ-структуре. По структурным свойствам верхний кристаллический слой КНИ пластин сравним с исходными пластинами кремния — не выявлено образования дополнительных дефектов структуры в слое при формировании КНИ структур. Исследования КНИ-образцов методом АСМ показывают, что шероховатость верхнего кристаллического слоя кремния в образцах, изготавливаемых без дополнительного низкотемпературного отжига, не превышает 7–7,5 нм. Минимальная шероховатость поверхности (на уровне 2 нм) зарегистрирована для образцов, где использовались также и режимы НТО.

Рисунок 11. ПЭМ фотография сечения КНИ-пластины (А) и ОЖЕ-профиль элементного состава (Б)

3.2. Модернизация Smart-Cut метода, обеспечивающая уменьшение дозы ионов

Модернизация smart-cut метода заключается в изменении процессов при ионной имплантации. В отличие от оригинального метода, мы будем использовать двухступенчатую ионную имплантацию:

1.  H – Ионы  водорода. Их особенность заключается в том, что эти ионы благодаря взаимодействию с кремнием создают двухмерные пластинчатые дефекты на определенной глубине, обусловленной энергией атомов.
2.  He – атомы гелия. В отличие от  атомов водорода, атомы гелия образуют объёмные дефекты в виде газовых «пузырей».

Рассмотрим подробнее процессы, сопровождающие имплантацию ионов водорода и гелия: 

Скрытый под поверхностью нарушенный слой, образованный имплантацией водорода (рис 12), содержит поры, заполненные молекулярным водородом, и атомарный водород, захваченный на оборванные связи кремния. Связи Si—Н являются существенно  более сильными по сравнению со связями Н—Н, возникающими  между атомарными плоскостями кремния в нарушенном слое. При нагреве все большая часть имплантированного водорода переходит из атомарного состояния в молекулярное, образуются дополнительные кластеры молекулярного водорода, увеличиваются размеры нанопор и в них возрастает внутреннее давление. Высокое внутреннее давление водорода в порах является  движущей силой для анизотропного   расширения пузырьков вдоль плоскостей, насыщенных атомарным водородом, за счет разрыва относительно слабых Н—Н-связей. Таким образом, водород способствует росту и слиянию пор вдоль плоскостей,  параллельных поверхности пластины .

 

Рисунок 12. Схематическое изображение кристалла кремния после высокодозной имплантации водорода, иллюстрирующее образование микротрещин и полостей в скрытом слое, насыщенном водородом .

В отличае от атомов водорода, атомы гелия слабо взаимодействуют с решеткой кремния. Для гелия можно отметить отсутствие растворимости, диффузии и рекомбинации в молекулу. Это обуславливает то, что внедренные ионы гелия создают другой тип дефектов – в отличает от двухмерных пластинчатых дефектов после имплантации водорода, образуются трехмерные дефекты в виде пузырей. Рассмотрим цикл создания пузырька из гелия:

1.  Ионы гелия при торможении в кристаллической решетке создают дефекты в в виде вакансий
2.  Происходит накапливание атомов гелия в образовавшихся вакансиях
3.  Образуются микропузырьки диаметров 1-10нм[8]
4.  В мелких пузырьках ~4 атома на вакансию, для крупных пузырей количество атомов доходит до 6
5.  Растет внутреннее давление в пузырьке
6.  Давление пузырька сдерживается напряжением деформации решетки

В новом методе мы собираемся вначале произвести ионную имплантацию атомов водорода. Эти атомы создадут дефекты в виде двухмерных пластин. Затем в эту же пластину будут имплантированы атомы гелия. В течение низкотемпературного отжига атомы водорода будут стягиваться на одной глубине в области максимума распределения вакансий, образовывая тем самым трещину. В то же время, атомы гелия, образовав объемные дефекты в виде  «пузырей», значительно увеличат напряженность внутри кристалла и внутри трещины. Это вызовет раскол пластин по дефектному слою.

В результате будет произведен скол при использовании гораздо меньшей дозы имплантируемых атомов (ожидаемый выигрыш будет в 2 раза). Также при использования двухступенчатой ионной имплантации значительно уменьшается дефектность рабочего слоя КНИ подложки из-за уменьшенной дозы прошедших через рабочий слой имплантируемых частиц. То есть, данный процесс является более технологичным.

Для данного опыта мы будем использовать, как и в оригинальном методе, кремниевую пластину, покрытую диоксидом кремния толщиной  200нм. Энергия ионов водорода составит 75 КэВ. Так как в модернизируемом методе будет использоваться двойная имплантация, дозы внедряемых ионов будут значительно снижены. Так, для ионов воророда ожидаемая доза должна успасть с 4×1016 ион/см2 до дозы в 2×1016ион/см2. Так же следует учитывать уменьшенную энергию имплантируемых ионов. Низкая энергия позволит создавать более тонкие рабочие слой, что положительно скажется на частотных характеристиках конечного изделия, а так же на устойчивости к ионизирующему излучению. Однако, как было показано в прошлой главе, при уменьшении энергии падает и пороговая доза внедряемых ионов, при которой эффекты блистеринка и флекинга регистрируются оптически. Таким образом, с одной стороны, важно, чтобы доза была не слишком велика, так как это будет вести к деформации подложке, эффектам блистеринга и флекинка и к общему ухудшению рабочего слоя кремния. С другой стороны, слишком низкая доза внедряемых ионов может оказаться недостаточной для скалывания пластин при первом низкотемпературном отжиге.

Расчет распределения концентрации по глубине и профиля вакансий производится в среде TRIM(рис. 13.).

Рисунок 13. Интерфейс среды TRIM с входными данными

Данные, смоделированные в среде TRIM для имплантации ионов водорода находятся в таблице распределения ионов по глубине (Табл.1)

Из табл.1 видно, что максимум для распределения ионов  находится  на глубине 728Å и состовляет 6.88×104((ион/см3)/(ион/см2)). С учетом внедряемой дозы в 2×1016 легко можем подсчитать концентрацию ионов водорода после имплантации. Она состовляет 1.38×1021 ион/см3. На рис. 14 мы можем видеть смоделированное распределение имплантированных ионов.

Таблица 1. Распределение профиля концентрации и профиля ваканий по глубине внедрения для ионов водорода

Рисунок 14. Распределение по глубине концентрации имплантированных ионов водорода.

Из рис.15 видим, что максимум профиля вакансий, в отличие от максимума профиля концентрации, лежит на меньшей глубине (686 нм). Именно в области максимума профиля вакансий, при последующей имплантации ионов гелия и отжиге, будут концентрироваться дефекты структуры. Поэтому, между этими двумя максимумами и произойдет скол при низкотемпературном отжиге пластин.

Рисунок 15. Нормированное распределение по глубине ионов водорода и профиль вакансий

Следующим этапом работы было определение энергии имплантируемых ионов гелия, при котором они бы давали распределении и профиль вакансий сходные с ионами водорода. Из табл. 2 видно, что при энергии ионов гелия, равной 90 КэВ, максимум концентрации, как и у водорода, будет расположен на глубине 730-740 нм и составит 3.91×104((ион/см3)/(ион/см2)). При этом максимум профиля вакансий располагается на глубине в 658-672 нм, что немного ближе к поверхности, чем максимум профиля вакансий для водорода. Однако следует учесть, что гелий при имплантации в принципе дает профиль, который незначительно шире профиля водорода. Результаты моделирования для ионов гелия показаны на рис. 16.

Таблица 2. Распределение профиля концентрации и профиля вакансий по глубине внедрения для ионов гелия

Рисунок 16. Нормированное распределение по глубине ионов гелия и профиль вакансий

Таки образом, мы получили значения энергий для ионов водорода и гелия, при которых их максимумы распределения концентрация согласуются, что показано на рис. 17. и в Табл.3.

Следующим шагом будет определения дозы ионов Гелия, необходимой для успешного скола пластин при последующем низкотемпературном отжиге.

Таблица 3. Распределение профилей концентраций по глубине для ионов водорода и гелия

Рисунок 17. Максимумы распределений ионов водорода и гелия.

Также был произведен опыт по внедрению атомов водорода в структуру Si/SiO2. На рис. 18 предоставлена фотография поверхности после имплантации протонов, сделанная на интерферометре линника МИИ-4. На этой фотографии хорошо видны такие виды дефектов, как блистеризация и флекинг, проявившиеся даже на поверхность кристалла. Это свидетельствует о том, что доза внедряемых атомов водорода может быть сокращена, что положительно отражается на всем технологическом процессе.

Рисунок 18. Эффекты блистеринга и флекинга на поверхности           КНИ пластины

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была продемонстрирована возможность создания качественных КНИ пластин с использованием стандартного технологического оборудования. С использованием многоступенчатого набора дозы имплантации водорода, а также дополнительных низкотемпературных отжигов, в работе показана возможность существенного снижения шероховатости поверхности КНИ пластин (изготавливаемых в сочетании методов прямого связывания окисленных пластин и прецизионного ионного скола) вплоть до 2 нм. Также была продемонстрирована эффективность использования метода двойной имплантации. КНИ пластины целесообразно использовать для построения аппаратуры с высокой радиационной стойкостью. Так же при использовании КНИ пластин существенно улучшаются частотные характеристики изделий и уменьшается их энергопотребление. Перевод производства традиционных БИС и СБИС массового применения на современные КНИ-структуры делает его в 1,5-2 раза более рентабельным. Упрощается конструкция элементов КМОП и БиКМОП ИС (упраздняются глубокие карманы и разделительные p-n переходы). В результате на 30% уменьшается площадь чипов и, соответственно, увеличивается количество чипов на пластине.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ф.Ф. Комаров, А.Ф. Комаров – «Физические процессы при ионной имплантации в твердые тела» - УП «Технопринт», 2001, 392 стр.
2. Ф.Ф. Комаров, О.В. Мильчанин, Урабанович А.И. – «Применение протонных пучков для создания КНИ пластин  и Внутреннего гетера» - «Физическая инженерия поверхности», 2008, т.6, №3-4, с. 142-150.
3. В.П. Попов, А.И. Антонова, А.А. Французов – «Свойства структур и приборов на Кремний-на-Изоляторе» - «Физика и техника полупроводников», 2001, том 35, вып. 9
4. Интернет-ресурс «Википедия»:  http://ru.wikipedia.org
5. Интернет-форум «Русские инновации»: http://www.inno.ru
6. Интернет-ресурс «Открытые системы»: http://www.osp.ru
7. Интернет-ресурс «Компьюлента»: http://hard.compulenta.ru
8.  В.Т.Астрелин, А.В.Бурдаков, С.В.Полосаткин, В.В.Поступаев – «Явление блистеринга на поверхности материалов при их облучении ионными пучками» - Семинар термоядерных лабораторий ИЯФ - 25 октября 2005 г.

3