Радиационные свойства smart-cut структур КНИ

Приборные слои структур КНИ, получаемые в рамках Smart-cut технологии отличаются от приборных слоев других составных структур КНИ наличием в них радиационных дефектов, вызванных имплантацией ионов водорода [24]. Наряду с дефектами, образованными имплантированными частицами, деформациями приборного слоя на выемках и выпуклостях реально неплоской поверхности опорной пластины, радиационные дефекты определяют также общую плотность дислокаций в приборном слое на уровне 10²¸3×10⁴ см^-2. Тщательная очистка пластин перед сращиванием позволяет понизить плотность таких дефектов до ~10² см^-2. Шероховатость внешней поверхности приборного слоя после его отщепления от приборной пластины достигает нескольких десятков (20÷40) нанометров. Поэтому первыми разработчиками технологии Smart-cut предусматривалась лёгкая химико-механическая полировка внешней поверхности приборного слоя, в результате которой они доводили шероховатость до R_a=0,15 нм. Уменьшить упомянутую шероховатость можно также лёгким полирующим травлением, окислением, термообработкой в водороде.

Неоднородность толщины приборного слоя определяется, в основном, нестабильностью и неоднородностью энергии имплантируемых ионов водорода и изменениями угла их падения на поверхность приборной пластины при воздействии пучком. Современные имплантеры позволяют изготавливать структуры с неоднородностью толщины приборного слоя на уровне 2¸5%. Параметры изолирующего диэлектрического слоя: 1) толщина,~0,1¸0,5 мкм; 2) неоднородность толщины, ±10%; 3) электрическая прочность, >5 МВ/см; 4) плотность распределения заряда в диэлектрике (определяется несколькими “дефектами” структуры диэлектрика - двуокиси кремния [20,21]: - Е_g^‘ и ЕР центры, возникающие при инжекции дырок в диэлектрик; считается, что Е_g^‘ центр является структурой О₃ºSi, к которой присоединён неспаренный электрон; природа ЕР центра не ясна; полагают, что за него ответственна свободная связь атома Si в вакансии кислорода); общая плотность распределения обоих типов дефектов составляет около 5×10¹² см^-2; эти центры захватывают инжектируемые в диэлектрик дырки и образуют объёмный положительный заряд; дефекты такого рода характерны для термического окисла; - центры Е^’, имеющие структуру HO₂ºSi^*, образовавшиеся в результате захвата атомов водорода кислородными вакансиями; эти центры доминируют в составных структурах КНИ; - центры, аналогичные центрам Е^’, МеО₂ºSi^*, образовавшиеся в результате захвата щелочного металла Ме, попадающего в структуру как загрязнение. Как известно, водород из двуокиси кремния удаляют обработкой структур в сухом кислороде, в вакууме или пропусканием через неё электрического тока, а щелочные металлы - высокотемпературной (1000¸1200°С) термообработкой структур в хлорсодержащей среде (хлоре. хлористом водороде, смеси трихлорэтилена) и кислороде. Загрязняющие металлы в структуре образуют дефекты на границах двуокиси кремния с диэлектриком, создавая в этих местах зарядовые состояния. В частности, такая ситуация наблюдается, если составную структуру КНИ получают, сращивая неокисленную кремниевую пластину с окисленной. В этом случае зарядовые состояния образуются в стыке кремния с двуокисью кремния.

Поскольку толщину приборного слоя можно делать практически сколь угодно малой (например, 50 нм), соответственно можно уменьшать и размеры полупроводниковых ИС и солнечных элементов. Уменьшение объёма элементов этих устройств приводит к соответствующему увеличению радиационной стойкости ИС. Например, удаётся более чем на порядок повысить радиационную стойкость по импульсу ИС на основе составных структур КНИ по сравнению с ИС на основе объемного кремния.

Заключение. Построена схема процесса получения структур кремний на диэлектрике (КНИ) (в том числе и тонких слоев кремния на стекле), многослойных структур и тонких монокристаллических слоев кремния, германия, полупроводников и и структур германий на изоляторе, полупроводниках и и др. и определены направления исследований. Установлены ключевые операции процессов: подготовка пластин, сращивания, режимы обработки поверхности и термообработки. Исследованы процессы химико-механической, химической, электрохимической, плазмохимической обработки пластин и структур, а также процессы ионной имплантации и намечены перспективы использования эпитаксиального наращивания. Определены режимы обработок. Проведенные исследования подтвердили перспективность выбранного направления и позволили определить необходимые методы контроля параметров структур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Stengl R, Tan T, Gosele U. A model for the silicon wafer bonding process // Japan J. Appl. Phys. 1989. V. 28. № 10. P 1735-1741.

2. Maszara W.P.,Goetz G., Cavigilia A. Mc.Kitterick J.B. Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator // J. Appl. Phys. 1986. V.64. № 10. P.1943 - 1950.

3. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, А.Л.Суворов, Б.Ю.Шарков, А.Г.Залужный, В.И.Графутин, М.А.Козодаев. Особенности технологии изготовления КНИ структур прямым сращиванием пластин кремния и контроля их качества. Препринт ИТЭФ 24 - 00. M., 2000. 20 с.

4. А.Л.Суворов, Ю.А.Чаплыгин, С.П.Тимошенков, В.И.Графутин, С.А.Дьячков, А.Г.Залужный, В.В.Калугин, Е.П.Прокопьев, В.Ф.Реутов, Б.Ю.Шарков. Анализ преимуществ, перспектив применений и технологий производства структур КНИ. Препринт ИТЭФ 27 – 00. М., 2000. 51 с.

5. Sensor Technology Devices. Ed. Ljubisa Rustic. Boston - London: Artech House, 1994. P. 157-201.

6. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков. Модель прямого низкотемпературного соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания (обзор). Материаловедение. 2001. №1.С.44-52.

7. Прокопьев Е.П., Петров С.В. Модель сращивания пластин кремния по данным газовыделения. М., 1996. С.103-112. - Деп. в ЦНИИ «Электроника». Р-5502.

8. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Особенности процесса прямого соединения пластин кремния.// Материаловедение. 1999. №5. С.43-45.

9. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дягилев В.В. Движение и залечивание пор и полостей вблизи границы сращивания стандартных пластин кремния// Известия вузов. Электроника. 1998. №5. С.39-44.

10. Алесковский В.Б. Курс надмолекулярных соединений. Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленгосуниверситета, 1990. 284 с.

11. Алесковский В.Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений. Л.: Наука, 1976. 140 с.

12. Алесковский В.Б. Химия твердых веществ. М.: Высшая школа, 1978. 258 с.

13. Малыгин А.А. Метод молекулярного наслаивания-основа химической нанотехнологии материалов твердотельной электроники// Петербургский журнал электроники. 1996. №1. С.22.

14. Кольцов С.И. Химическое конструирование твердых веществ. Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1990. 48 с.

15. Алесковский В.Б. Химия надмолекулярных соединений. Учеб. пособие. Спб: Изд-во С.- Петербург. ун-та, 1996. 256 с.

16. Малыгин А.А. Химическая сборка поверхности твердых тел методом молекулярного наслаивания// Соросовский образовательный журнал. 1998. №7. С.58-63.

17. Tong Q.-Y., Gösele U. A Model of Low-Temperature Wafer Bonding And Its Applications // J. Electrochem. Soc. 1996. Vol.143. №5. P.1773-1779.

18. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков. Определение энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации трещины между поверхностями сращивания (Обзор). Сб. «Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России». 1999. №3. С.45-49.

19. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Возможность прямого соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания. Материаловедение. 1999. №4. С.49-51.

20. Tong Q.-Y., Gösele U. Wafer Bonding and Layer Splitting for Microsystem // Adv. Mater. 1999. Vol.11. №17. P.1409-1425.

21. Tong Q.-Y., Gösele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology. Wiley, New York. 1988. 326 p.

22. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Возможность прямого соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания. Материаловедение. 1999. №4. С.49-51.

23. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков. К вопросу определения энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации (вскрытия) трещины между поверхностями сращивания. Материаловедение. 2000. №8. С.25-28.

24. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков. Определения энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации (вскрытия) трещины между поверхностями сращивания (обзор). Сб. “Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России”. 1999. №3. С.45-49.

25. С.П.Тимошенков, Е.П.Прокопьев. Некоторые вопросы теории сращивания стандартных пластин кремния. Сб. “Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России”. 1999. №3. С.35-44.

26. С.П.Тимошенков, Е.П.Прокопьев. Прямое соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания в технологии получения КНИ структур. Тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием СЕНСОР-2000. Сенсоры и микросистемы 21-23 июня 2000. Санкт-Петербург.. Изд-во НИИ химии СПбГУ, 2000. С.208.

27. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, В.В.Калугин. Технология КНИ структур. Петербургский журнал электроники. 2000. №1.С.8-25.

28. С.П.Тимошенков, Е.П.Прокопьев, С.А.Дьячков, В.В.Калугин. Очистка и активация поверхности в методе прямого соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания с целью получения КНИ структур. Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России. 2000. №3. C.75-84.

29. S.P. Timoshenkov, E.P.Prokopiev. Possibility of silicon wafers bonding with chemical assembling of surface by molecular layers arrangement method. Abstracts on NATO Advanced Research Workshop (NATO ARW). Ukraine. Kyiv, October 2 - 5, 2000. C.23,24.

30. С.П.Тимошенков, В.И. Графутин, С.А.Дьячков Е.П.Прокопьев. Использование химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания в нанотехнологии и инженерии поверхности. Всероссийская научно-техническая конференция “НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ”. 24-25 октября 2000 г. г..Москва. ”МАТИ” - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского. Тезисы докладов.М.: МАТИ, 2000. С.248.

31. А.Ф.Буренков и др. Пространственное распределение энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах. М.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с

32. П.А. Александров и др. // Труды IX Межнационального совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь, (28.06-03.07) 1999. М.: Наука, 1999. Т.l, с.330.

33. П..А. Александров и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Физика твердого тела. Вып.2. По материалам IV Всероссийского семинара "Физические и физико-химические основы ионной имплантации". Н.Новгород (9-11).06.1998. Сборник докладов.. Н.Новгород: Изд-во Нижегородского Университета, 1998. С.17.

34. Колобов Н.А., Самохвалов М.М. Диффузия и окисление полупроводников. М.: Металлургия, 1975. С.228-233.

35. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 517 с.

36. Хакен Г. Синергетика. Мир, 1980. 404 с.

37. Прокопьев Е.П. // Письма в ЖТФ. 1992. Т.18. Вып.18. С.80-84.

38. Прокопьев Е.П. // Журнал прикладной химии. 1993. Т.66. Вып.6. С.1242-1245.