6.4. Технология "кремний на изоляторе"

КНИ-технология ("кремний на изоляторе") находится в сфере интересов разработчиков дискретных приборов и интегральных микросхем, начиная с 70-х годов, когда были получены первые эпитаксиальные плёнки кремния на сапфире (КНС). Это продиктовано такими очевидными преимуществами этих структур, как улучшенная диэлектрическая изоляция, повышенная радиацион­ная стойкость, повышенные рабочие температуры, повышенное быстродейст­вие, пониженное энергопотребление, уменьшенные размеры чипа, сравнитель­ная простота управления токовыми режимами, экономичность.

В настоящее время для создания КНИ-структур (иногда их называют КНД-структурами - "кремний на диэлектрике") используют несколько методов.

Получение тонких плёнок 81 на изолирующих подложках. Из технически актуальных структур такого типа следует отметить КНС ("кремний на сапфи­ре"), а также композиции типа 81-СаР₂ и 8ь2гО2. Выбор материала подложки в этом случае обусловлен близостью его постоянной решётки к постоянной ре­шётки кремния. Ограничения в применении этих структур в массовом произ­водстве связаны с трудностями согласования коэффициентов термического расширения плёнки и подложки, а также с их высокой себестоимостью.

Кристаллизация плёнок 81 на диэлектрических подложках. На кремние­вой подложке предварительно формируется слой диэлектрика (8Ю2 или 81з^)> поверх которого осаждается поликристаллическая плёнка кремния. Эта плёнка через систему отверстий может контактировать с поверхностью монокристал­лической кремниевой подложки. Недостатком метода является невозможность

78

получения плёнок достаточно высокого качества и относительно малые разме­ры приборов.

Реактивная ионная плантация. Метод заключается в диэлектрической изоляции путём имплантации ионов кислорода в монокристаллические пласти­ны кремния. Начиная с 90-х годов, этот метод был освоен ведущими фирмами США, Японии и Франции. Промышленный процесс изготовления таких КНИ-структур получил название 81МОХ-процесса (8ерага1юп Ьу 1тр1ашео! Оху§еп). Иногда применяют метод одновременной имплантации ионов кислорода и азо­та - так называемый 81МОМ-процесс (8ерагайоп Ьу 1тр1ап(е<1 Оху§еп апё Шго§еп).

Достоинством этого метода является возможность создания КНИ-структур любого диаметра при достаточно высокой плотности упаковки актив­ных и пассивных элементов микросхем. Недостатки метода, препятствующие его широкому использованию, связаны с высокими и подчас разрушительными дозами имплантации (~ 1,8-10¹⁸ см~²) и необходимостью очень высоких (около 1300 С°) температур отжига.

Термокомпрессионное соединение пластин. В настоящее время получили развитие два основных метода прямого термокомпрессионного соединения окисленной пластины - подложки с пластиной, на которой формируется при­борная структура:

• ВЕ8О1-процесс - одна окисленная пластина соединяется с другой с по­ следующим утонением одной из них путём полировки её обратной стороны;

• 8таг1-Си1-процесс - окисленная подложка соединяется с тонким слоем монокристаллического кремния, отделяемым от другой пластины методом ионной имплантации в неё водорода.

В 1986 г. были опубликованы первые работы фирм 1ВМ и "Тошиба", ко­торые положили начало ВЕ8О1-процесса,

Суть метода состоит в соединении опорной и рабочей (приборной) пла­стин, поверхности которых должны быть зеркальными, атомарно-гладкими, тщательно очищенными и т.д. Достаточно их ввести в соприкосновение хотя бы в одной точке на воздухе при комнатных температурах, как при этом обра­зуется так называемая "контактная волна", и сращивание идёт по всей плоско­сти.

Ещё лучшие результаты получаются, если на втором этапе пластины от­жечь и упрочнить при Т=1100 - 1200К в атмосфере кислорода или азота (или их смеси). Такая спаренная пластина выдерживает усилия разрыва до 200 кг/см², т.е. почти такие же, как объёмный кремний.

На третьем этапе происходит утонение структуры от 100 мкм до 10 мкм. «>ка единственные методы такого утонения - это шлифовка, полировка, трав­ление, хотя они и не дают нужной точности, что является одним из недостатков Рассматриваемого метода. Японская фирма "Шимоцу" при толщине рабочего °^я 1 мкм достигла точности ±0,12 мкм. Можно улучшить точность утонения применением электрохимического травления и полировки, но при этом ухуд-^ет°я структурное совершенство рабочего слоя.

79

Процесс соединения пластин объясняют воздействием ряда факторов: си­лы Ван дер Ваальса, капиллярных эффектов, электростатических сил, влиянием водорода и т.д.

Фирма "Филлипс" сумела соединить через окисел кремниевую пластину с пластиной арсенида галлия и других соединений А₃В₅, а также с ферромагнети­ком и пьезоэлектриком. Это является по существу шагом к созданию трёхмер­ной интеграции.

Метод прямого сращивания пластин даёт качество изоляции несколько лучше, чем другие методы получения КНИ-структур.

Технология прямого сращивания пластин отличается простотой и сулит серьёзные экологические преимущества при существенном сокращении энерге­тических затрат. Только такая технология обеспечивает получение тонкого структурно-совершенного рабочего слоя, поскольку его физические свойства формируются на стадии выращивания объёмных монокристаллов, т.е. достиже­ние бездислокационной структуры не является проблемой.

80