Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

ная плотность геттерирующих центров должна быть не ниже 1 • 109 см-3. При формировании внутреннего геттера используют многоступенчатую (трех- или четырехступенчатую) термообработку пластин в чистейших условиях. Типичная температурно-временная схема термообработки в случае четырехступенчатого процесса выглядит следующим образом: 1000 °С/15 мин + 650 °С/16 ч + 800 °С/4 ч + 1000 °С/4 ч. На первой высокотемпературной стадии происходит образование обедненного по кислороду (за счет диффузии на поверхность) приповерхностного слоя пластины и растворение в кристаллической решетке мелких «ростовых» кислородсодержащих преципитатов. В процессе последующей термообработки при 650 °С в гомогенизированной кристаллической матрице объема пластины происходит гомогенное зародышеобразование будущих оксидных преципитатов. При дальнейшей термообработке при 800 °С происходит рост образовавшихся ранее зародышей, сопровождающийся процессом коалесценции. Выжившие в процессе конкурентного роста наиболее «крупные» преципитаты увеличивают свои размеры до необходимых кондиций на заключительном этапе термообработки при 1000 °С. Все эти процессы протекают в объеме пластины. Обедненная по кислороду приповерхностная область пластины (где пересыщение отсутствует) остается при этом практически бездефектной и используется в дальнейшем для формирования в ней элементов интегральной схемы. Толщина этой приповерхностной области, в зависимости от конкретных режимов термообработки (в первую очередь используемой атмосферы), может составлять 30...50 мкм.
...
Описанная схема формирования внутреннего геттера основана на создании в приповерхностной области пластины слоя, обедненного кислородом до такой степени, что соответствующий твердый раствор перестает быть пересыщенным и обусловленное распадом дефектообразование в нем не происходит. При таком подходе возможность создания эффективно геттерирующей дефектной среды в объеме пластины в значительной степени зависит от тепловой предыстории исходного кристалла, содержания и характера распределения в нем кислорода, что существенно влияет на воспроизводимость получаемых результатов. Существует и другая возможность создания эффективного внутреннего геттера в пластинах, основанная на отмеченной выше существенной зависимости интенсивности распада пересыщенного твердого раствора кислорода от концентрации присутствующих в кристаллической решетке вакансий.
...
Как показано в работе [15], при концентрациях вакансий в кристалле, превышающих уровень ~1012 см-3, наблюдается резкая активация
...
процесса распада твердого раствора кислорода. Создавая контролируемый профиль распределения вакансий по толщине термообрабатывае-мой пластины, легко можно контролировать эффективность распада пересыщенного твердого раствора кислорода со всеми вытекающими отсюда практическими последствиями. В частности, если концентрация вакансий в приповерхностной области пластины будет ниже критической величины (~1012см~3), то распад твердого раствора кислорода в этой области будет практически подавлен. При этом концентрация вакансий в объеме пластины должна существенно превышать критический уровень, что обеспечит интенсивный распад пересыщенного твердого раствора кислорода в этой области с образованием необходимого количества эффективно геттерирующих дефектных центров. Необходимый профиль распределения вакансий легко реализуется в процессе быстрого термического отжига пластины при температурах, превышающих 1175 °С. При последующей преципитатообразующей двухступенчатой термообработке (800°С/4ч+ 1000 °С/16 ч) в объеме пластины образуется большое количество кислородсодержащих преципитатов, в то время как приповерхностная область пластины толщиной ~80 мкм остается практически бездефектной. Такой процесс формирования эффективного внутреннего геттера получил название MDZ-процесса (создание «магической» бездефектной зоны). Как показано в [16], этот процесс обладает целым рядом принципиальных преимуществ: обеспечивается прецизионный контроль объемной плотности кислородсодержащих преципитатов; обеспечивается строго контролируемая и воспроизводимая толщина бездефектной приповерхностной области на уровне -80 мкм; результат слабо зависит от возможных колебаний содержания кислорода в пластине; результат не зависит от тепловой предыстории исходного кристалла; возможность использования такого рода пластин в различных схемах последующего изготовления приборных композиций. Кроме того, процесс обладает и неоспоримыми технико-экономическими преимуществами.
...
В связи с переходом микроэлектроники на субмикронный, а в ближайшем будущем и на нанометровый уровень изготовления приборных структур интенсивно исследуются и другие возможности создания эффективно геттерирующих сред в непосредственной близости от приборной композиции (на расстоянии единиц микрометров). Одна из них связана с созданием имплантированных слоев с рабочей стороны пластины [12]. При этом для имплантации используются ионы легких элементов (водород, гелий, бор, углерод, кремний и т. д.), чтобы исклю-
...
чить возможную аморфизацию в приповерхностной области пластины. Весьма перспективно использование в качестве среды для формирования элементов интегральной схемы тонких (микронных и субмикронных) эпитаксиальных слоев, наращиваемых на сильно легированные подложки. При оптимизации условий эпитаксиального наращивания такие слои обладают очень высоким структурным совершенством. Сильно же легированная подложка выполняет в данном случае роль эффективно геттерирующей среды.
...
В заключение следует отметить, что достаточно серьезной и пока до конца нерешенной проблемой в технологии геттерирования является обеспечение высокой стабильности используемого геттера в условиях многократных высокотемпературных воздействий. Другая проблема связана с тем, что современные приборы представляют собой весьма сложные и миниатюрные композиции, содержащие слои разного типа проводимости с разным уровнем легирования, напряженные слои, гетерог-раницы типа Si/Si02, имплантированные слои и т. д. В результате сам прибор становится достаточно эффективной геттерирующей средой. В этих условиях создание геттера, который бы позволил исключить попадание загрязняющей примеси в активную область приборной композиции, превращается в далеко непростую задачу.
...
Если исследования по геттерированию загрязняющих примесей из активных областей кремниевых приборных структур успешно ведутся уже на протяжении многих лет, то для других полупроводниковых материалов (за редким исключением) эти работы находятся практически на начальном этапе и нуждаются в серьезной интенсификации.
...
Основу большинства современных интегральных схем и дискретных приборов составляют многослойные полупроводниковые композиции (р-п, гомо- и гетеропереходные структуры, гетероструктуры типа полупроводник—диэлектрики т. д.), формируемые в процессах диффузионного легирования или ионной имплантации, а также эпитаксиального наращивания и термического окисления. Далеко не всегда используемые технологические процессы обеспечивают получение высококачественных приборных композиций, отвечающих требованиям современных производств, гарантирующих не только достижение необходимых рабочих ха-
...
рактеристик, но и высокую экономическую эффективность и экологическую чистоту всего многоступенчатого производственного цикла.
...
С этой точки зрения несомненный интерес представляет новый метод формирования многослойных приборных композиций путем «прямого» соединения монокристаллических пластин. Несмотря на то, что идея метода была сформулирована еще в 1961 году, его широкое развитие началось лишь в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого столетия, что было обусловлено, в первую очередь, достигнутыми к этому времени серьезными успехами в технологии получения высококачественных кремниевых пластин. Наличие высококачественных исходных пластин является одним из важнейших условий успешного использования этого метода для получения высококачественных приборных композиций. Вот почему к настоящему времени метод прямого соединения завоевал достаточно прочные позиции именно в кремниевом приборостроении: в технологии формирования структур кремния на диэлектрике, широко используемых для создания современных низковольтных и маломощных высокочастотных УСБИС; в технологии формирования разнообразных многослойных ^-«-структур для «силовой» электроники. В обоих случаях метод доведен до уровня достаточно широкого промышленного использования [17, 18, 19].
...
В методе прямого соединения в качестве исходных используются полированные пластины, характеризующиеся малым изгибом, обладающие низкой общей и локальной неплоскостностью. Поверхность таких пластин должна быть чистой и обладать определенными физико-химическими свойствами. С целью выполнения последнего требования исходные пластины подвергаются «химической активации», путем специальной жидкостной обработки. Процесс прямого соединения является двухстадий-ным. На первой стадии, осуществляемой при комнатной температуре, производится квазиадгезионное соединение пластин путем приведения их поверхностей в непосредственный контакт (иногда при приложении небольшого внешнего сжимающего усилия). Затем следует стадия достаточно высокотемпературного отжига, в процессе которого формируется монолитная композиция. Необходимая толщина рабочих слоев достигается либо путем химико-механического полирования обратной стороны одной из соединенных пластин, либо с использованием так называемого «Smart-Cut»> - процесса, когда в одну из пластин, в которой создается рабочий слои будущей приборной структуры, предварительно имплантируется водород, обеспечивающий отделение от нее очень тонкого рабочего слоя в процессе последующей термообработки уже соединенных пластин [20].
...
Если поверхности соединяемых кремниевых пластин покрыты тонким слоем «естественного» окисла, то они обладают гидрофильными свойствами. В этом случае на соединяемых поверхностях всегда присутствуют адсорбированные молекулы воды, и решающую роль в соединении приведенных в соприкосновение при комнатной температуре пластин играют водородные связи, образующиеся между адсорбированными на поверхностях водяными молекулами. При последующем высокотемпературном отжиге сформированные таким образом водяные кластеры распадаются, молекулы воды диффундируют по границе соединения на поверхность, оставляя достаточно прочные силаксановые связи Si—О—Si, обеспечивающие образование монолитной композиции.
...
Если поверхность исходной кремниевой пластины обработать в растворе плавиковой кислоты, то присутствующий на ней тонкий слой естественного окисла растворяется, и поверхность приобретает гидрофобные свойства. Для такой поверхности характерно наличие поверхностных связей Si—Н, Si—Н2, Si—F. Связи Si-H и Si—Н2 слабо поляризованы. В отличие от них связи Si—F поляризованы достаточно сильно, имеют ионный характер и локализованы в основном на химически активных участках поверхности (ребра атомных ступеней, поверхностные дефекты). При приведении в контакт гидрофобных поверхностей прочное соединение между ними реализуется за счет образования связей типа Si—F, Н—Si. При последующем высокотемпературном отжиге происходит десорбция водорода и фтора и их последующая диффузия вдоль границы соединения на поверхность. При этом связи Si-H и Si—F заменяются связями Si-Si. Так как связи Si—F достаточно прочны, то они могут частично сохраняться на границе соединения пластин даже после отжига при 1100 °С. Кроме того, при использовании растворов HF с концентрацией более 30 % на соединяемых поверхностях может происходить адсорбция молекул HF, которые препятствуют получению прочного сцепления.
...
Если величины изгиба и/или не плоскостности соединяемых пластин не превышают некоторых критических значений, то возникающие при приведении в контакт поверхностей пластин при комнатной температуре силы межатомного взаимодействия (и для гидрофильных, и для гидрофобных поверхностей) достаточны для того, чтобы обеспечить «стягивание» пластин и надежное их сцепление по всей площади соприкосновения. Однако при этом пластины упруго деформируются. В процессе последующего высокотемпературного отжига возникающие упругие напряжения могут релаксировать с образованием дислокационных скопле-
...
ний в непосредственной близости от границы раздела. Чтобы исключить это крайне нежелательное явление, геометрия соединяемых пластин должна удовлетворять самым высоким требованиям. Особенно опасны в этом отношении локальные нарушения плоскостности, приводящие не только к возникновению в этих областях скоплений структурных дефектов, но и являющиеся одной из причин возникновения на поверхности раздела пластин локальных нарушений сплошности соединения, так называемых «пузырей». Достигнутый к настоящему времени уровень качества бездислокационных пластин кремния большого диаметра обеспечивает создание высококачественных многослойных приборных структур методом прямого соединения. Тем не менее, с целью полного исключения возможности генерации дислокаций в создаваемых прямым соединением многослойных структурах из-за возможных геометрических нарушений в исходных пластинах, целесообразно снижать температуру процесса на стадии отжига создаваемой композиции. Проведенные за последние годы исследования показывают, что достаточно прочное соединение пластин кремния удается обеспечивать уже при температурах отжига 200...400 °С.
...
Локальные нарушения сплошности соединения («пузыри») являются одним из наиболее распространенных видов дефектов в многослойных структурах, создаваемых методом прямого соединения. Помимо уже упомянутой выше локальной неплоскостности, источником пузырей могут быть мельчайшие частицы пыли и другие химические загрязнения, попадающие на поверхность пластин при осуществлении процессов их финишной обработки в недостаточно чистых условиях или с использованием недостаточно чистых химических реактивов. В случае соединения поверхностей, обладающих гидрофильными свойствами, дополнительным источником «пузырей» могут быть водяные кластеры, способные сохраняться на поверхности раздела до достаточно высоких температур. В этом плане более предпочтительны поверхности, обладающие гидрофобными или слабыми гидрофильными свойствами.
...
Для неразрушающего контроля сплошности соединения пластин используются методы рентгеновской топографии, ультразвуковой микроскопии и просвечивающей ИК-фотометрии. В последнем случае хорошо зарекомендовал себя метод лазерного сканирования, обеспечивающий определение не только формы и размеров пузырей, но и величины оптического зазора между поверхностями пластин. При использовании лазера с длиной волны излучения А. = 1,15 мкм, этим методом удается фиксировать наличие пузырей размером до 0,25...0,30 мкм. Использова-
...
ние неполяризованного излучения позволяет исключить влияние на получаемые результаты упругих напряжений, наличие которых в объеме соединенных пластин достаточно вероятно. Среди разрушающих методов контроля наибольшее распространение получил метод избирательного травления поперечных сечений составной структуры в водном растворе КОН, с последующим наблюдением картин травления в оптическом микроскопе достаточно высокого разрешения. При этом удается надежно фиксировать пузыри размером до 0,1...0,3 мкм.
...
Использование исходных пластин, обладающих низкими величинами общей и локальной неплоскостности, проведение подготовительных операций в особо чистых условиях с использованием чистых технологических газов и химических реактивов, а также оптимизация температурных режимов на стадии отжига соединенных при комнатной температуре пластин — все это в совокупности обеспечивает создание высококачественных многослойных приборных композиций, не содержащих пузырей.
...
Структурное совершенство поверхности раздела соединяемых пластин и прилежащих к ней областей играет очень важную роль, особенно при создании многослойных композиций для силовой электроники. При прямом соединении пластин одинаковой кристаллографической ориентации с разворотом одной поверхности относительно другой в плоскости контакта, не превышающим 0,5°, формируется композиция, которая практически является аналогом многослойной структуры, создаваемой методом эпитаксиального наращивания. Увеличение угла разворота до 45 приводит к формированию на границе соединения супертонкого нарушенного слоя. При соединении поверхности ориентации (1П) с поверхностью ориентации (100) на границе раздела возможно образование очень тонкого (2...3 нм) аморфного слоя. Таким образом, получение структурно совершенной границы раздела требует строгого контроля взаимной ориентации соединяемых поверхностей.
...
Принципиально важно исключить возможность генерации дислокаций в области границы раздела соединяемых пластин. Как мы уже отмечали выше, одним из основных источников дислокаций в формируемой композиции является релаксация в процессе высокотемпературного отжига упругих напряжений, обусловленных нарушениями общей и локальной плоскостности исходных пластин. В данном случае гарантом получения структурно совершенных композиций является использование пластин с высокими геометрическими показателями их качества. При современном уровне развития технологии изготовления кремниевых пластин выполнение этого условия затруднений не вызывает.
...
При создании структур типа п-п+, р-р+, п-п+-р+ приходится использовать пластины, отличающиеся типом вводимых легирующих примесей и уровнем легирования. Это является причиной различия величин периодов кристаллической решетки соединяемых пластин и, как следствие, причиной возникновения напряжений несоответствия вблизи границы раздела. Если различие в уровнях легирования достаточно велико, а отжиг соединяемых пластин производится при достаточно высокой температуре, то возникающие напряжения несоответствия могут частично релаксировать с образованием вблизи границы соединения дислокаций несоответствия. Для устранения несоответствия периодов кристаллической решетки в данном случае в качестве сильнолегированных пластин целесообразно использовать сложнолегированные пластины. При этом в исходный монокристалл, в процессе его выращивания, наряду с основной легирующей примесью, в соответствующем количестве вводится вторая примесь, вызывающая противоположное по знаку изменение периода его кристаллической решетки. В качестве компенсирующих изменение периода решетки легирующих добавок, как правило, используют изовалентные примеси, обладающие достаточно высокой растворимостью в соответствующем полупроводниковом материале и практически не проявляющие в нем электрической активности. Для кремния такими примесями являются элементы IV группы Периодической системы. Например, при создании изопериодных композиций п-п+ и р-р+, легированных соответственно фосфором и бором, используется дополнительное легирование пластин германием. К уменьшению вероятности релаксации напряжений несоответствия с образованием дислокаций несоответствия приводит и снижение температуры отжига на втором этапе формирования монолитной композиции до 600...700°С.
...
В случае, если отжиг соединенных пластин проводится при достаточно высоких температурах, когда пластичность соответствующего полупроводникового материала достаточно высока (для кремния это температуры выше 800 °С), заметную роль в генерации дислокаций в создаваемой композиции могут играть термические напряжения, обусловленные наличием перепадов температур по поверхности формируемой композиции. В связи с этим необходимо обеспечивать условия отжига, близкие к изотермическим.
...
К дополнительному дефектообразованию в области границы соединения поверхностей пластин, обладающих гидрофильными свойствами, может приводить обогащение этой области кислородом. Источником избыточного кислорода в данном случае является «запечатываемый»
...
очень тонкий слой естественного окисла на поверхности пластин, а также кислород в силаксановых связях. С помощью электронно-микроскопических исследований высокого разрешения на границах раздела в такого рода композициях иногда наблюдали даже образование очень тонкого (-2...3 нм) промежуточного окисного слоя состава SiO В случае отсутствия этого слоя, на границе раздела присутствовали дисперсные (10...20нм) кислородсодержащие преципитаты, обусловленные, скорее всего, распадом пересыщенного твердого раствора кислорода в процессе высокотемпературного отжига формируемой композиции. При соединении поверхностей, обладающих гидрофобными свойствами, обогащения границ раздела кислородом (а соответственно, и связанного с этим явлением дефектообразования) удается избежать. Путем оптимизации содержания кислорода в соединяемых пластинах, а также режимов высокотемпературного отжига удается исключить концентрацию кислорода на границе раздела и в случае соединения гидрофильных поверхностей.
...
Следует специально остановиться на использовании метода прямого соединения пластин для создания структур кремния на диэлектрике, которые исключительно актуальны. Это продиктовано, в первую очередь, такими преимуществами этих структур, как возможность существенного снижения паразитных емкостей, обеспечение надежной диэлектрической изоляции приборов в интегральной схеме, сравнительная простота управления токовыми режимами, возможность снижения рабочих напряжений и мощностей. Первоначально использование структур кремния на диэлектрике было ориентировано на создание высокотемпературных, ра-диационно-стойких ИС, обеспечивающих разработку электронной аппаратуры для аэрокосмической, автомобильной, атомной и оборонной промышленности. Однако наибольший интерес, особенно в последнее десятилетие, вызывают перспективы применения этих структур для создания низковольтных и маломощных, высокочастотных УСБИС, широко используемых в портативной электронной аппаратуре (сотовые телефоны, переносные миникомпьютеры и т. д.). Для создания таких УСБИС необходимы структуры, в которых как тонкий рабочий слой монокристаллического кремния, так и диэлектрический слой были бы практически бездефектны и ненапряжены, имели одинаковую толщину по всей площади структуры, а граница раздела между ними обладала низкой плотностью поверхностных состояний. Такие традиционные методы создания структур кремния на диэлектрике, как эпитаксиальное наращивание кремниевых слоев на сапфировые подложки или форми-
...
В применении к структурам кремния на диэлектрике метод прямого соединения реализуется в двух вариантах: соединение окисленных пластин с последующим утонением одной из них путем полировки ее обратной стороны (BESOI-процесс) и прямое соединение окисленной пластины с тонким слоем монокристаллического кремния, отделяемым от другой пластины с помощью ионной имплантации в нее водорода и последующей низкотемпературной термообработки (Smart-Cut-процесс). Особенно перспективен «Smart-Cut»—процесс, обеспечивающий возможность получения ультратонких, однородных по толщине высокосовершенных бездислокационных кремниевых рабочих слоев, без использования весьма трудоемких операций многоступенчатой полировки, в условиях многократного повторного использования одной и той же исходной пластины. Технологическая схема изготовления структур кремния на диэлектрике с использованием «Smart-Cut»—процесса представлена на рис. 2.3. Процесс отличается достаточной простотой, обеспечивает несомненные экологические преимущества и существенное Сокра-
...
те 2.3. Технологическая схема изготовления структур кремния на диэлектрике с использованием «Smart-Cut»-nponecca:
...
стадия 1 — имплантация водорода в пластину А; стадия 2 — очистка и прямое соединение пластин А и В; стадия 3 — термообработка; стадия 4 — финишная полировка
...
При создании структур кремния на диэлектрике путем прямого соединения пластин рассмотренные выше проблемы дефектообразования решаются существенно проще, чем в случае многослойных композиций с ^-«-переходами для приборов силовой электроники. Обусловлено это, как минимум, двумя причинами. Слой двуокиси кремния обладает свойствами вязкого течения, поэтому релаксация упругих напряжений в таких гетерокомпозициях, как правило, не приводит к пластической деформации и генерации дислокаций в рабочем кремниевом слое. Кроме того, за счет диффузии кислорода из соединяемых кремниевых пластин в окисный слой в процессе высокотемпературного отжига, вблизи границ раздела в пластинах возникают достаточно протяженные, обедненные кислородом области, что исключает возможность образования в них кислородсодержащих преципитатов, обусловленных распадом пересыщенного твердого раствора кислорода.
...
Наличие на границах соединений (и в прилегающих к ним областях) пластин тех или иных дефектов может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства многослойных композиций и рабочие характеристики создаваемых на их основе дискретных приборов и интегральных схем. С присутствием на границах соединения пластин тонких окисных слоев связано появление дополнительных потенциальных барьеров, существенно влияющих на характер прохождения тока в создаваемых р-и-структурах. Возможные загрязнения поверхности соединения пластин электрически активными примесями являются причиной пояатения в многослойных композициях паразитных /7
...
Показателем достигнутого к настоящему времени высокого качества приборных структур, созданных методом прямого соединения, является
...
то что ведущие мировые производители приборов силовой электроники' и прежде всего, мощных полевых транзисторов, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором (JGBT-приборов), сделали ставку на использование в качестве базовой именно технологии прямого соединения пластин. При этом речь идет о широком использовании в промышленном производстве исходных кремниевых пластин диаметром 200 мм. Аналогичная ситуация складывается и в производстве низковольтных и маломощных высокочастотных УСБИС на основе структур кремния на диэлектрике. Подтверждением этому является то, что по имеющимся прогнозам в 2000 г. предполагалось поставить на мировой рынок около 2 млн штук структур кремния на диэлектрике диаметром 200 мм (этой цифрой оценивалась реальная потребность в таких структурах). При этом 80 % от этого количества планировалось произвести методом прямого соединения пластин.
...
Очень большой интерес к кремниевым структурам, создаваемым этим методом, проявляет и современная сенсорная техника. Уже сегодня с использованием метода прямого соединения пластин создаются прецизионные датчики давления, способные работать до температуры 350 °С, микромеханические датчики и ряд других уникальных приборов.
...
Технология прямого соединения пластин открывает реальные возможности и для создания сложных приборных структур с участием других полупроводниковых материалов, в том числе на основе гетерокомпози-ций, получение которых эпитаксиальными методами сталкивается с принципиальными затруднениями. Работы в этом направлении пока не получили широкого развития. Тем не менее, имеются сообщения об успешном использовании метода прямого соединения для получения гетероструктур GaAs/Si и InP/Si с низкой плотностью дислокаций в тонком слое полупроводникового соединения. Такие структуры были затем использованы в качестве подложек для создания более сложных гетерокомпозиций на основе соединений AniBv. Другим примером удачного использования метода является создание монолитной композиции, компонентами которой являлись гетероструктура AlGaAs/InGaAs/GaAs, полученная методом молекулярно-пучковой эпитаксии, и окисленная кремниевая пластина. Положительный результат был получен и при соединении кремниевых пластин с пластинами из синтетического кварца, а также при создании структур кремния на сапфире и алмазе. Даже эти первые результаты являются весьма впечатляющими и свидетельствуют о необходимости продолжения исследований в этом многообещающем направлении.
...
С каждым годом процессы эпитаксиального наращивания в сочетании с ионной имплантацией и импульсным радиационным воздействием на материал играют все большую роль в формировании активных элементов сложнейших приборных структур. Особенно рельефно это проявляется в технологии широкой номенклатуры приборов, создаваемых на основе полупроводниковых соединений АШВУ, А1^^, А^В^ и др. В применении к полупроводниковым соединениям именно эпитак-сиальные процессы позволяют наиболее полно реализовать преимущества этих материалов, обеспечивая получение монокристаллических слоев со свойствами, которые, как правило, недостижимы при выращивании монокристаллов из расплава. Кроме того, в процессах эпитаксиального наращивания сравнительно просто решаются проблемы создания высококачественных многослойных гомо- и гетероэпитаксиальных структур разнообразной геометрии и состава.
...
Учитывая тенденции развития современной электронной техники, можно достаточно надежно прогнозировать, что в ближайшем будущем все большее значение будут приобретать многослойные гомо- и гетеро-эпитаксиальные композиции с постоянно уменьшающимися толщинами отдельных слоев, с резкими ^-«-переходами и межфазными границами, с заданным (в ряде случаев достаточно сложным) профилем легирования. Например, в современных ультрасверхбольших интегральных схемах (УСБИС) размеры рабочих элементов давно уже вышли на субмикронный уровень, а толщины активных слоев в современных оптоэлек-тронных приборах (например, в лазерных структурах с квантовыми ямами) уменьшились до нанометровых значений. В этих условиях основной тенденцией в развитии технологии эпитаксиального наращивания должно стать дальнейшее существенное снижение рабочих температур и повышение стерильности осуществления ростового процесса.
...
Жидкофазовая эпитаксия сохранит, по-видимому, в ближайшем будущем свои позиции в технологии создания высокоэффективных дискретных и матричных оптоэлектронных приборов, а также при получении хорошо проводящих сильно легированных «контактных» слоев. Однако основную роль в создании современных приборных структур будут играть процессы эпитаксиального наращивания при кристаллизации из газовой фазы. Еще более широкое развитие должны получить методы газофазовой эпитаксии при пониженном давлении в рабочем
...
реакторе с применением в качестве исходных продуктов легкодиссоци-ируюших соединений соответствующих элементов: SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, gjjj p _ з случае эпитаксии кремния; разнообразных гидридов и ме-таллоорганических соединений - в случае эпитаксиального наращивания слоев полупроводниковых соединений АШВУ, АпВщ, А^В^ и др. На уровень широкого промышленного использования должны выйти методы молекулярно-ионно-пучковой эпитаксии, вакуумной химической и лазерной эпитаксии, атомно-слоевой эпитаксии, а также различные способы нетермической (оптической, плазменной, электронной и т. д.) стимуляции эпитаксиальных процессов.
...
Основное внимание в развитии этих технологий должно быть уделено изучению механизмов процессов, протекающих в газовой фазе у фронта кристаллизации, а также процессов, протекающих на ростовой поверхности. Необходимо также установить природу стимулирующих воздействий на процесс эпитаксиального роста и научиться управлять атомной структурой поверхности фронта кристаллизации. Все это должно обеспечить возможность воспроизводимого выращивания многослойных тонкопленочных структур широкого круга материалов с толщинами отдельных слоев на нанометровом уровне, с атомно гладкими и резкими (на уровне единичных моноатомных или мономолекулярных слоев) границами раздела. При этом максимального внимания заслуживают многослойные гетероэпитаксиальные композиции на основе твердых растворов Ge—Si, широкозонных нитридов элементов III группы, SiC и широкозонных соединений типа А1^^.
...
Большое значение приобретает проблема получения гетероэпитаксиаль-ных композиций разнообразных полупроводников с использованием в качестве подложек таких хорошо освоенных и сравнительно дешевых материалов, как монокристаллические кремний и германий. Особенно актуальна эта проблема для технологически сложных разлагающихся полупроводниковых соединений, для которых получение достаточно совершенных монокристаллов путем выращивания из расплава встречает принципиальные затруднения. Ее решение открывает путь к монолитной интеграции разнородных полупроводниковых материалов, что является новым шагом в развитии полупроводникового приборостроения. Однако при этом необходимо преодолеть ряд принципиальных трудностей в создании структурно совершенных гетерокомпозиций, обусловленных, прежде всего, существенными различиями в кристаллических решетках и физико-химической природе составляющих гетеропару материалов. Дальнейшее развитие таких гибких низкотемпературных технологических про-
...
цессов, как молекулярно-пучковая эпитаксия и эпитаксия с применением металлоорганических соединений, разработка и реализация принципов атомно-слоевой эпитаксии, умелое использование идеологии наращивания промежуточных буферных слоев в сочетании с различными вариантами термического отжига «ш situ», активное использование различных вариантов локального эпитаксиального роста несомненно должны обеспечить серьезный прогресс в этом направлении. Современные достижения в получении эпитаксиальньгх слоев GaAs, GaAlAs, InP и других соединений АП1ВУ на кремниевых подложках, создание напряженных сверхрешеток на основе разнообразных комбинаций широкого круга полупроводниковых материалов являются ярким тому подтверждением.
...
Вполне реальными для широкого практического освоения в ближайшем будущем являются процессы получения высококачественных монокристаллических слоев кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов на изолирующих (в том числе некристаллических) подложках большой площади, а также процессы эпитаксиального выращивания многослойных гетерокомпозиций типа металл—диэлектрик-полупроводник. В последнем случае, помимо традиционных эпитаксиальньгх технологий, целесообразно использовать интенсивно разрабатываемые в последние годы процессы создания скрытых проводящих и диэлектрических слоев, путем высокодозовой ионной имплантации («ионного синтеза») и последующего термического отжига. Успешная реализация последних требует детального исследования закономерностей дефектообразования и механизма протекающих процессов на различных этапах «ионного синтеза» и последующей твердотельной эпитаксии. Пока такого рода исследования проводятся в основном в применении к кремнию. На очереди другие важнейшие полупроводниковые материалы.
...
Последние достижения в рассмотренных выше направлениях позволяют с оптимизмом оценивать перспективы создания трехмерных интегральных схем, при реализации которых будут умело сочетаться как традиционные для микроэлектроники подходы, так и последние технологические новинки интегральной оптики.
...
Успешное развитие методов молекулярно-пучковой эпитаксии и газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений привело к созданию, на основе широкого круга полупроводниковых материалов, многослойных гетероэпитаксиальных структур со сверхтонкими (на нанометровом уровне) слоями. Основные свойства таких структур определяются квантоворазмерными эффектами, и потому эти структуры получили название «квантоворазмерные». Хорошо известными
...
квантоворазмерными структурами являются гетероструктуры с «квантовыми ямами» и напряженные сверхрешетки. Несмотря на недостаточную изученность, такого рода структуры уже активно и весьма успешно используются в электронном приборостроении. Достаточно упомянуть низкопороговые инжекционные лазеры на основе гетероструктур с квантовыми ямами, высокочувствительные быстродействующие фотоприемники на напряженных сверхрешетках, СВЧ резонансно-туннельные диоды и транзисторы, СВЧ транзисторы на структурах с двумерным электронным газом в квантовой яме и т. д.
...
В последние годы ведутся работы по получению и исследованию свойств одномерных («квантовые нити») и нульмерных («квантовые точки») квантоворазмерных структур. Последние представляют особый интерес для электроники будущего. Для получения таких композиций успешно используется явление самоорганизации при формировании островков в процессе эпитаксиального выращивания рассогласованных по периоду решетки гетероструктур [21]. Положительные результаты дает применение оригинальных методов коллоидной химии [22], профилирование на атомном уровне рельефа ростовой поверхности, умелое использование явления расслаивания многокомпонентных твердых растворов непосредственно в процессе выращивания эпитаксиального слоя, прецизионное травление, прямое осаждение из газовой фазы «свободных» кластеров на соответствующую подложку, быстрый термический или фотонный отжиг тонких аморфных пленок, а также использование тонких биотехнологических процессов [23].
...
В данном случае речь идет о создании огромных (103...105 атомов), стабильных во времени молекул из обычных неорганических полупроводниковых материалов, размеры и характер распределения которых в будущей приборной структуре должны воспроизводиться с высокой точностью. Возникающие при этом принципиальные сложности вряд ли нуждаются в дополнительных комментариях. Однако успешное решение такого рода проблем — это прямой путь к созданию новых классов так называемых одноэлектронных и резонансно-туннельных приборов, а также уникальных по своим характеристикам инжекционных лазеров [24, 25].
...
В настоящее время еще трудно оценить все те перспективы, которые открывает перед полупроводниковой электроникой широкое использование квантоворазмерных структур. Несомненно одно - исследования в этой области закладывают основы принципиально нового подхода к созданию уникальных полупроводниковых сред с регулируемыми в широких
...
заряда — кристаллоинженерии. Уже сегодня кристаллоинженерия активно вмешивается в конструирование на атомном уровне совершенно новых приборных композиций. В ближайшем будущем следует ожидать резкого прогресса в создании новых поколений приборов полупроводниковой электроники, в основе работы которых будут лежать разнообразные квантоворазмерные эффекты в разнообразных квантоворазмерных композициях. Например, уже активно обсуждаются возможности создания квантовых интегральных схем, основными элементами которых должны стать квантовые точки, квантовые проводники, квантовые ямы, транзисторные структуры на основе квантоворазмерных эффектов и устройств с управляемой интерференцией электронов [25].
...
Наряду с рассмотрением общих вопросов целесообразно кратко остановиться на конкретном положении дел в области эпитаксиальных технологий на примере кремния и наиболее важных полупроводниковых соединений.
...
Кремниевые эпитаксиальные структуры являются серьезной альтернативой полированным пластинам при изготовлении УСБИС уже хотя бы потому, что в эпитаксиальных слоях (в силу специфики условий их получения) практически полностью отсутствуют описанные выше ростовые микродефекты. Но основной причиной существенного усиления внимания к эпитаксиальным технологиям является переход микроэлектроники на субмикронный, а в ближайшем будущем и на нанометровый уровень при формировании приборных структур, а также реальные перспективы создания сверхбыстродействующих УСБИС на основе эпитаксиальных гетероструктур в системе Si — твердые растворы SiGe.
...
Основной тенденцией в развитии технологии традиционной кремниевой газофазовой эпитаксии становится дальнейшее существенное снижение рабочих температур. Успех в освоении низкотемпературных методов газофазовой эпитаксии во многом определяется достижениями в повышении стерильности технологического процесса, в первую очередь за счет создания вакуумплотного оборудования, обеспечивающего возможность устойчивой работы при пониженных давлениях в рабочем реакторе, и широкого использования радиационного обогрева. Важную роль играет переход к использованию новых, более легкодиссоциирую-щих газообразных источников кремния особой чистоты (SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, SiH2F2), а также применение нетермических (оптических, плазменных, электромагнитных и т. д.) методов стимуляции эпитаксиальных
...
процессов. Существенное внимание уделяется управлению механизмом роста эпитаксиального слоя на атомарном уровне, с целью обеспечения условий устойчивого слоевого роста. При этом речь идет о получении высококачественных тонкопленочных, бездислокационных эпитаксиаль-ных композиций на подложках диаметром до 300...450 мм. Это требует разработки новых принципов подхода к осуществлению процессов эпитаксиального наращивания и создания соответствующего нового прецизионного, высокопроизводительного оборудования.
...
Яркой демонстрацией реализации такого рода тенденций является разработанная недавно технология выращивания эпитаксиальных кремниевых структур на подложках диаметром 400 мм [26]. В основу технологии положен процесс термического разложения силана, обеспечивающий высокие скорости роста при сравнительно низких температурах (850...950 °С). Использование низких рабочих температур облегчает решение задачи исключения образования в эпитаксиальных структурах полос скольжения и снижения уровня загрязнений металлическими примесями.
...
Важную роль в общей технологической цепочке играет процесс подготовки подложек, которые предварительно обрабатываются особо чистой озонированной водой и химически очищаются травлением в сильно разбавленной плавиковой кислоте. Подготовленная таким образом чистейшая поверхность покрывается тонким слоем окисла, путем обработки в особо чистой озонированной воде. Этот окисный слой играет защитную роль, предохраняя поверхность подложки от попадания на нее посторонних частиц. Все эти процессы осуществляются в чистых помещениях, а транспортировка подготовленных к эпитаксиальному процессу подложек осуществляется в специальных боксах, в атмосфере особо чистого азота.
...
После размещения в реакторе, подложки подвергаются кратковременному отжигу при 950 °С в атмосфере проточного особо чистого водорода для удаления защитного окисного слоя. Процесс эпитаксиального наращивания проводится при температурах 850...950°С и рабочем давлении в реакторе 80...150 торр. Для исключения образования полос скольжения в эпитаксиальных структурах, имеющие достаточно большой вес подложки размещаются в реакторе вертикально и попарно в специальных подложкодержателях, снабженных кварцевыми пружинами, с интервалом 10 мм. Для обеспечения минимального перепада температур по поверхности подложки используются дисковые графитовые нагреватели в защитных кварцевых чехлах, располагающиеся в непосредственной близости от подложек. Рабочая парогазовая смесь подается в зазор
...
между попарно размещаемыми подложками с помощью специальных сопел. Все это позволяет получать эпитаксиальные структуры диаметром 400 мм, которые по своим рабочим характеристикам (однородность по толщине и удельному сопротивлению, структурное совершенство, содержание остаточных загрязняющих примесей) не уступают структурам меньших диаметров.
...
Наряду с совершенствованием традиционных эпитаксиальных процессов все более прочные позиции в технологии создания кремниевых тонкопленочных эпитаксиальных структур завоевывает метод молекулярно-пучковой эпитаксии. Развитие метода идет не только по пути создания ультратонких многослойных гомо- и гетероэпитаксиальных структур на подложках большой площади, но и синтеза в едином технологическом цикле эпитаксиальных МДП-композиций, в том числе с использованием различных вариантов локальной эпитаксии. Создаваемая для этого аппаратура обеспечивает сочетание в едином технологическом цикле процесса эпитаксиального наращивания с процессами ионной имплантации в синтезируемый слой необходимых примесей, а также его лазерной или электронно-лучевой обработки, или быстрого термического отжига. Все это существенно расширяет возможности молекулярно-пучко-вой эпитаксии. Быстрыми темпами развивается также высоковакуумная химическая эпитаксия.
...
Эпитаксиальные технологии открывают дорогу для широкого внедрения в кремниевую микроэлектронику гетероструктур на основе твердых растворов SiGe. Такие гетероструктуры обеспечивают принципиально новые возможности для создания сверхбыстродействующих транзисторов на основе гетеропереходов SiGe/Si. Широкие возможности вариации зонной структуры в многослойных гетероэпитаксиальных композициях позволяют резко увеличивать эффективность инжекции, дрейфовую скорость и пространственное ограничение носителей тока в транзисторных структурах. При этом технология изготовления гетероэпитаксиальных структур SiGe/Si хорошо вписывается в базовые кремниевые эпитаксиальные технологические процессы, высокий уровень развития которых позволяет достаточно воспроизводимо получать гетерокомпозиции нано-метровых размеров и создавать квантоворазмерные структуры типа структур с квантовыми ямами и напряженными сверхрешетками, в том числе гетероструктуры с двумерным электронным газом.
...
В результате уже сегодня стали реальностью гетеропереходные биполярные и полевые транзисторы с нанометровыми рабочими слоями на частоты ~ 200 ГГц с очень хорошими шумовыми характеристиками (и
...
это далеко не предел для гетеропереходных приборов). Эти результаты существенно выше достигнутых на традиционных Si-MOC или Si-CMOC ^укхурах. Переход к созданию УСБИС на основе гетеропереходных транзисторов, взамен традиционных кремниевых приборных структур, позволяет добиваться аналогичных результатов при существенно больших топологических размерах рабочих элементов (250 нм вместо 130 нм или 130 нм вместо 70 нм), а при одинаковых топологических размерах -обеспечивать гораздо более высокие частотные характеристики, меньшие времена задержки и уровни шумов [27]. Все это сулит большие научно-технические и экономические выгоды. Серьезные новые перспективы открываются и при использовании многослойных, квантоворазмерных гетероструктур SiGe/Si для создания быстродействующих высокочувствительных фотоприемников ИК-диапазона.
...
Для получения тонкопленочных гетероэпитаксиальных структур твердых растворов SiGe успешно используют традиционную газофазную гидридную эпитаксию, а также методы молекулярно-пучковой и высоковакуумной химической эпитаксии при температурах 750...800 °С. Основной проблемой в получении высококачественных гетероструктур является необходимость резкого снижения плотности дислокаций в рабочих слоях приборных композиций и устранения шероховатостей гетерограниц, вызывающих дополнительное рассеяние носителей тока.
...
Для получения гетерокомпозиций с низкой плотностью дислокаций используют технику наращивания промежуточных (буферных) слоев между подложкой и рабочими слоями будущей приборной структуры. В качестве буфера используют слои твердого раствора с постепенно увеличивающейся до заданной величины концентрацией германия, а также слои твердого раствора, выращенные при более низких, чем рабочие слои, температурах (обычно ~ 550 °С). Такие «низкотемпературные» слои содержат в повышенных концентрациях кластеры точечных дефектов, являющиеся эффективными центрами гетерогенного зарождения в них дислокаций, что способствует релаксации напряжений несоответствия в выращиваемой гетерокомпозиций. Хорошие результаты дает использование в качестве подложек структур кремния на диэлектрике с очень тонким (нанометровых толщин) слоем бездислокационного монокристаллического кремния на поверхности оксида. Такие структуры в настоящее время успешно создаются методом прямого термокомпрессионного соединения пластин. В данном случае тонкий слой кремния на поверхности диэлектрика играет роль эластичной подложки, аккумулирующей значительную долю напряжений несоответствия в процессе наращивания ге-тероэпитаксиальной композиции. Одновременно со снижением плотности дислокаций все эти приемы успешно решают и проблему шероховатости гетерограниц. Успешное освоение методов получения гетероструктур SiGe/Si с низкой плотностью дислокаций и планарными гетерограница-ми позволяет реально оценивать перспективы их широкого использования в большой микроэлектронике уже в самое ближайшее время.
...
По мере увеличения плотности упаковки рабочих элементов УСБИС обостряются проблемы, связанные с отводом выделяющейся в процессе работы электронной аппаратуры тепловой энергии. Ограниченная теплопроводность обычного кремния становится серьезным препятствием на пути дальнейшей микроминиатюризации и повышения рабочих частот. Как показали исследования последних лет, определенным выходом из создавшегося положения может явиться использование для изготовления УСБИС моноизотопного 28Si. Удаление из особо чистого кремния сопутствующих изотопов 29Si и 30Si позволяет существенно уменьшить рассеяние фононов и электронов в таком материале и тем самым повысить его теплопроводность при комнатной температуре на 60 % (на 40 % при 100 °С) по сравнению с обычным кремнием. При современном уровне развития техники разделения изотопов получение моноизотопного кремния особых затруднений не вызывает. В настоящее время уже начат промышленный выпуск эпитаксиальных структур 28Si диаметром
...
до 200 мм. Ожидается, что в ближайшие годы станут доступны и пластины моноизотопного кремния. Предварительные оценки показывают, что использование эпитаксиальных структур и пластин 28Si в технологии УСБИС новых поколений сулит значительные технико-экономические выгоды.
...
В обширной группе полупроводниковых соединений лидирующее положение занимают эпитаксиальные структуры GaAs, InP, а также различные гетерокомпозиции с участием тройных и четверных твердых растворов на их основе. С каждым годом растет интерес к эпитаксиальным гетерокомпозициям узкозонных соединений AinBv и их твердых растворов, а также широкозонных нитридов элементов III группы Периодической системы (полупроводниковые соединения в системе AJ-Ga-In-N) и карбида кремния. Достаточно широким фронтом ведутся работы по получению и исследованию свойств гомо- и гетероэпитаксиальных структур на основе узкозонных соединений типа AnBVI и AIVBV1, а также широкозонных соединений AHBVI.
...
Тенденция перехода на использование многослойных тонкопленочных композиций, в том числе квантоворазмерных структур, в данном случае проявляется еще более рельефно по сравнению с кремнием. В связи с этим является первоочередной задача разработки и освоения низкотемпературных эпитаксиальных процессов. Используемые при этом принципиальные подходы аналогичны для кремния. Учитывая многообразие представляющих непосредственный практический интерес объектов, упор делается на разработку достаточно универсальных базовых технологических процессов и ростового оборудования, которые могли бы быть достаточно несложно трансформированы с учетом индивидуальных особенностей той или иной группы материалов. Такими базовыми процессами являются газофазная эпитаксия с использованием в качестве исходных материалов летучих металлоорганических соединений и гидридов соответствующих элементов (МОС-гидридная эпитаксия), а также молеку-лярно-пучковая эпитаксия. Оба эти технологических процесса доведены До уровня достаточно широкого промышленного использования.
...
В настоящее время успешно решаются задачи создания высокопроизводительных технологических процессов и оборудования для получения гомо- и гетероэпитаксиальных структур (в том числе и многослойных) на подложках большой площади. В частности, речь идет о создании прецизионной автоматизированной ростовой аппаратуры для
...
получения структур GaAs, InP и твердых растворов на их основе на подложках диаметром до 100...150 мм, а в случае структур менее освоенных материалов — на подложках диаметром 50...75 мм.
...
Успешно решается и проблема получения достаточно совершенных гетероэпитаксиальных композиций соединений A!IIBV и
...
Последнее десятилетие отмечено серьезными достижениями в технологии создания эпитаксиальных гетероструктур на основе нитрида галлия и других нитридов элементов III группы. Несмотря на очевидные трудности, связанные с отсутствием решеточно согласованных подложек (в качестве подложек в основном используют пластины сапфира), интенсивное развитие получили процессы выращивания гетероэпитаксиальных структур методами МОС-гидридной, хлоридно-гидридной и моле-кулярно-пучковой эпитаксии, а также создание специализированного прецизионного ростового оборудования [28]. И хотя стуктурное совершенство получаемых гетерокомпозиций еще недостаточно, сегодня мы являемся свидетелями впечатляющих достижений в разработке и реализации важнейших новых полупроводниковых приборов на их основе. Уже налажен коммерческий выпуск инжекционных голубых лазеров непрерывного действия для систем записи и считывания информации, а также высокоэффективных светодиодов для полноцветной световой индикации и бытового освещения. Начинается производство высокотемпературных СВЧ-транзисторов и силовых выпрямителей. В целом элементная база твердотельной электроники на основе нитридов развивается исключительно высокими темпами, а выращивание эпитаксиальных структур этих материалов превращается в достаточно крупномасштабное производство. Значительный прогресс достигнут в последние годы и в техноло-
...
гИи выращивания пленок SiC, в том числе и на кремниевых подложках. Все это в сочетании с последними достижениями в технологии получения тонкопленочных алмазных структур позволяет с оптимизмом оценивать перспективы быстрого развития высокотемпературной СВЧ-электро-ники, а также высокотемпературной силовой электроники. Ожидаются и серьезные изменения в технике бытового освещения. Замена традиционных ламп накаливания высокоэффективными и малогабаритными светодиодными источниками излучения на основе широкозонных полупроводников (прежде всего нитридов элементов III группы) сулит огромные экономические выгоды и существенное сокращение энергозатрат.
...
Если для кремния задача получения особо чистых исходных летучих соединений для осуществления эпитаксиальных процессов решается достаточно успешно, то для большинства полупроводниковых соединений еще много нерешенных проблем, прежде всего в применении к метал-лоорганическим соединениям, необходимая номенклатура которых расширяется с каждым годом. В силу существенно большей сложности, менее изученными (чем для кремния) остаются пока для большинства соединений физико-химические процессы в газовой фазе у фронта кристаллизации, а также процессы, протекающие на ростовой поверхности. Это в значительной степени тормозит разработку эффективных методов управления свойствами эпитаксиальных слоев, обусловленными наличием в них собственных точечных дефектов. В меньших масштабах используются методы математического и физического моделирования при исследовании процессов тепломассопереноса в рабочем эпитаксиальном реакторе, а также элементарных процессов кристаллизации и дефектообразования при эпитаксиальном росте. И тем не менее, в настоящее время высококачественные эпитаксиальные структуры важнейших полупроводниковых соединений производятся уже в достаточно широких промышленных масштабах.
...
Увеличение плотности упаковки рабочих элементов по мере совершенствования УСБИС приводит к резкому возрастанию протяженности и усложнению архитектуры традиционных проволочных межсоединений, которые превращаются в одно из основных препятствий на пУти дальнейшего повышения быстродействия УСБИС, а их изготовление становится все более дорогостоящей операцией, оказывающей су-
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы