Способ получения тонких монокристаллических полупроводниковых слоев на изоляторе или другом полупроводниковом материале

 

Использование: в технологии изготовления полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: в способе формирования тонких монокристаллических слоев на изоляторе или другом полупроводниковом материале сначала проводят термокомпрессионное соединение рабочей пластины с пластиной-носителем, при этом соотношение площадей рабочей пластины и пластины-носителя не более 0,85, затем формируют на поверхности рабочей пластины, свободной от соединения, стопорный слой с твердостью, в 1,5 раза превышающей твердость рабочей пластины, и толщиной, на 1-15 мкм больше толщины формируемого рабочего слоя, затем проводят утонение рабочей пластины механическим путем при индивидуальной обработке каждой соединенной поры до совпадения плоскости обработки с поверхностью стопорного слоя. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в новом технологическом процессе: изготовлении структур кремний на изоляторе или кремний на арсениде галлия (через окисел) путем прямого соединения полупроводниковых пластин.

Начиная с 1985-1986 гг. появился ряд сообщений, в основном специалистов ведущих фирм Японии и США, о новом технологическом процессе: прямом соединении полупроводниковых пластин, как окисленных, так и нет, для получения структур кремний на изоляторе, как альтернатива способов: эпитаксиальное наращивание монокристаллического кремния на сапфире (КНС-структуры), а также получение слоев кремния на изоляторе с помощью напыления толстых слоев поликремния (структуры КСДИ). Поскольку этот метод вначале использовался для кремниевых структур, он получил название в англоязычной литературе: silicon direct bonding (Silicon on-insulator by wafer bonding: A. Review by W.P. Maszara. I. Electrochem. Society, vol. 138, N 1, 1991, pp. 341-347).

При новом способе получения слоев полупроводниковых материалов на изоляторе большую сложность представляет получение тонких слоев полупроводника (1 мкм и менее). Процесс соединения с получением монолитной структуры проводится, как правило, на заключительном этапе при высоких температурах и, в ряде случаев, с наложением сжимающего усилия, поэтому этот процесс также еще называют термокомпрессионным соединением.

Вначале тонкие слои полупроводника на окисле пытались получить, используя стандартные процессы механической обработки после термокомпрессионного соединения двух полупроводниковых пластин через окисел. Таким образом, практически невозможно получить тонкие слои большой площади. При таком способе даже получение структур диаметром 76 мм с толщиной рабочего слоя 3-5 мкм, однородного по толщине, представляет большую сложность.

Известен способ получения тонких кремниевых пленок на изоляторе, включающий термокомпрессионное соединение двух кремниевых пластин через окисел и утонение рабочей базовой пластины до 2-3 мкм механическим путем с использованием новой техники полирования: полирование производится специальным маленьким инструментом диаметром 1 см, совершающим, вращаясь, сканирование по поверхности пластины по заданной программе. Сканирование производится таким образом, что расстояние между двумя соседними траекториями движения полировального инструмента было 0,3 мм, т.е. значительно меньше, чем диаметр самого инструмента (метод NCA) (A. Yamada, O. Okabayushi, T. Nakamura, E. Kanda and M. Kawashima. Extended Abstract 201, 5 th International Work-shop on Future Elektron Devices-3D Integration, Miyagi-zao (1988).

Преимуществом такого способа является то, что он позволяет при наличии необходимого оборудования получать рабочие кремниевые слои толщиной 2-3 мкм. Однако данный способ имеет ряд недостатков. Прежде всего для его реализации требуется наличие очень сложного оборудования с программным управлением, необходимость использования такого оборудования приводит к значительному удорожанию изделий и к необходимости для заинтересованных фирм разрабатывать из-за его отсутствия данное оборудование. Кроме того, локальная обработка полировальником малого размера может привести в возникновению макpорельефа на рабочей поверхности КНИ-структур, что отрицательно скажется на последующих процессах фотолитографии, особенно при субмикронных размерах элементов активных областей приборов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения тонких кремниевых слоев на изоляторе, включающий формирование тонкого стопорного слоя в приповерхностной области рабочей пластины путем имплантации большой дозы бора, эпитаксиального наращивания на этой поверхности тонкого кремниевого эпи-слоя, проведения термокомпрессионного соединения поверхности эпитаксиального слоя с окисленной поверхностью пластины-носителя и последующее утонение базовой пластины сначала механическим путем, а потом травлением до сильно легированного слоя, на котором скорость травления должна резко упасть и процесс практически остановится (J.B. Jackey, S.R. Stiffler, F.R. White and J.R. Abernathey. Digest of Techn. Papers. IEDM-85, p. 684, 1985).

Известно несколько разновидностей данного способа (W.P. Maszara, G. Goetz, A. Caviglia and J.B. Mc. Kitteric, J. Appl. Phys. 64, 4943, 1988; J. Haisma. G. A. C.M. Spierings, U.K.P. Biermann and J.A. Pals, Jpn. J. Appl. Phys. 28, 1426, 1989).

Преимуществом данного способа является возможность получения по данным авторов этого способа субмикронных размеров толщины рабочего кремниевого слоя (на данном этапе имеются сведения до 0,1 мкм). Кроме того, при этом способе отпадает необходимость в сложнейшем полировальном оборудовании с программным управлением.

Однако данному способу присущ также ряд недостатков и наиболее существенным из них является тот, что стопорный слой формируется в непосредственной близости к рабочему кремниевому слою. Трудно предположить, что наличие сильно легированного, созданного ионной имплантацией бора слоя не приведет к повышенной плотности дефектов непосредственно в рабочем слое: избытку кластеров собственных точечных дефектов и преципитатов, связанных с ними. Кроме того, травление может не убрать слой с повышенным содержанием бора на "хвосте" диффузионного размытия, что при высокоомных рабочих слоях отрицательно скажется на параметрах, формируемых в дальнейшем на КНИ-структурах приборов. Другим недостатком этого способа является то, что необходимость формирования сильно локализованного, легированного бором слоя исключает возможность проведения всех последующих термических обработок при высоких температурах (чтобы не было диффузионного размытия пика бора). В частности, приходится использовать низкотемпературную эпитаксию (при 850^oC), что возможно далеко не на всех установках эпитаксиального наращивания, процесс термокомпрессионного соединения проводить при температурах 800-900^oC, что не оптимально с позиции получения качественного соединения (повышается вероятность образования "пузырей" на границе раздела).

Таким образом, данный способ технологически не оптимален и не позволяет получать качественные (по структуре) тонкие рабочие слои кремния.

Целью изобретения являются увеличение технологичности способа, снижение себестоимости изделия и повышение качества тонкого рабочего слоя кремния.

Цель достигается тем, что в способе получения тонких монокристаллических полупроводниковых слоев на изоляторе или другом полупроводниковом материале, включающем формирование стопорного слоя, термокомпрессионное соединение рабочей пластины с пластиной-носителем, утонение рабочей пластины до стопорного слоя и удаление стопорного слоя, термокомпрессионное соединение проводят при соотношении площадей рабочей пластины к пластине-носителю не более 0,85; причем в процессе термокомпрессионного соединения пластины размещают симметрично, а стопорный слой формируют на поверхности пластины-носителя, свободной от соединения, с твердостью, превышающей твердость материала рабочей пластины не менее, чем в 1,5 раза, и толщиной, превышающей толщину формируемого монокристаллического слоя на 1-15 мкм; утонение базовой пластины проводят путем индивидуальной обработки каждой соединительной пары так, чтобы на финише плоскость совпадала с поверхностью стопорного слоя.

В предлагаемом способе получения тонких слоев прежде всего стопорный слой разнесен в пространстве с объемом рабочего слоя кремния, более того, он вынесен на практически нерабочую периферию пластин, что принципиально невозможно в прототипе. Эффективно также то, что его формирование в предлагаемом изобретении производится уже после проведения операции термокомпрессионного соединения пластин, что исключает ограничение по температуре в этом процессе. На данном этапе уже показано, что использование на этой стадии температур 1150-1200^oC приводит к возникновению наибольших сил сцепления между соединениями поверхностями (200 кг/см²) и исключает возможность формирования "температурных" пузырей (G. Kissinger, W. Kissinger, H. Hofmann-Silicon wafer bonding high yield at high and low temperature. - Microsystem Technoloies 91. Труды конференции по микроэлектромеханическим системам и компонентам, 1991, p. 427-430).

Принципиальным отличием является также то, что стопорный слой формируют на той же самой поверхности пластины-носителя, которая непосредственно соединяется с поверхностью рабочей пластины. Таким образом, от этой плоскости (базы) отсчитывается толщина стопорного слоя и от нее также отсчитывается толщина рабочего кремниевого слоя, получаемого термокомпрессионным соединением многослойной структуры. Выбор одной и той же плоскости в качестве базы для фиксации толщины стопорного слоя и толщины рабочего слоя газовой структуры позволяет минимизировать разброс по толщине рабочего слоя. В отличие от прототипа стопор в предлагаемом способе механический за счет разности и твердости материалов, а не химический, как в прототипе, за счет разности скоростей травления. Малые толщины стопорного слоя позволяют разброс по его толщине сделать минимальным.

Принципиально новым является также способ механического утонения верхней рабочей пластины для получения кремниевого слоя на изоляторе или другой полупроводниковом материале требуемой толщины, отличающийся тем, что в качестве установочной базы на финише обработки также выступает плоскость соединения двух пластин, расстояние от которой до рабочей поверхности верхнего тонкого кремниевого слоя определяет тот основной параметр КНИ-структур, получение которого и является целью данного изобретения. Таким образом происходит совпадение трех установочных баз: базы, от которой отсчитывается толщина стопорного слоя; плоскости, выход на которую при механической обработке прекращает этот процесс из-за высокой твердости приповерхностной области стопорного слоя, и, наконец, базы, от которой отсчитывается толщина получаемого в итоге рабочего слоя кремния на изоляторе или другом полупроводниковом материале. Совпадение этих трех баз и позволяет реализовать процесс получения тонких слоев кремния с минимальным разбросом по толщине, причем получение таких слоев в предлагаемом изобретении не требует использования сложного оборудования, как в аналоге, а также значительно упрощает проблемы контроля в процессе получения таких слоев процесс обработки заканчивается или резко замедляется сам из-за высокой твердости стопорного слоя в отличие, например, от необходимости автоматизации контрольных процессов в способе-аналоге.

Индивидуальная обработка пластин на специальных спутниках в отличие от общепринятой групповой обработки, когда на державку крепится несколько (5-6) пластин и обработка которых производится одновременно, известна из литературы (Татаренков А.И. и др. Технологические приемы улучшения плоскостности подложек. Процессы алмазного полирования. Электронная техника. Сер.2. полупроводниковые приборы. Вып. 2(205), 1990, с. 48-50). Индивидуальная обработка пластин позволяет ликвидировать необходимость подбора группы пластин, обрабатываемых одновременно по толщине, что упрощает процесс обработки и что особенно трудно при получении слоев малых толщин.

Использование такого принципа обработки с возможностью самоустановления обрабатываемой поверхности спеченной пары на поверхности полировальника, причем так, что на финише обработка заканчивалась при совпадении плоскости, в которой идет процесс диспергирования материала, практически с плоскостью соединения двух пластин, не считая толщины стопорного слоя, и вынос стопорного слоя на эту плоскость обеспечивает новый принцип построения технологического процесса, где ключевым элементом является сама плоскость соединения пластин при термокомпрессионном процессе. Предлагаемое изобретение позволяет реализовать процесс получения тонких слоев без использования сверхсложного оборудования и нестандартных процессов, как например, низкотемпературная эпитаксия, а также позволяет исключить такие экологически вредные процессы, как химическое травление кремния. Таким образом, предлагаемое изобретение может обеспечить большой технический эффект, резко увеличивая технологичность способа, и снизить себестоимость получаемых КНИ-структур.

Кроме того, данное изобретение по сравнению с прототипом позволяет резко улучшить качество тонкого рабочего слоя кремния, поскольку, во-первых, в данном изобретении этот слой формируется из слиточного монокристаллического кремния, а не наносится эпитаксиальным наращиванием (как известно, для эпитаксиальных слоев характерна более высокая плотность дефектов, чем для слиточного кремния), а, во-вторых, из технологического цикла получения КНИ-структур исключены какие-либо предварительные операции, которые могут отрицательно повлиять на свойства этого слоя, в частности ионное легирование, как в прототипе. Таким образом, данное изобретение позволяет улучшить качество получаемых КНИ-структур.

Необходимо отметить, что именно предлагаемое сочетание элементов новизны: совпадение трех установочных баз и вынос стопорного слоя из объема рабочей области КНИ-структур дает принципиально новое построение технологического процесса получения КНИ-структур с тонкими рабочими слоями.

Использование кремниевой пластины-носителя в многослойных структурах с верхним рабочим слоем из арсенида галлия или фосфида индия для решения проблем механической прочности и теплопроводности структур прямым соединением пластин уже известно из литературы (V. Zenmann, K. Mitani, R. Stengl, T. Mu and U. Gosele-Bubble-free wafer bonding of GaAs and In P on silicon in a microleunroom. Japan J. of Applied Physics, v. 28, N 12, 1989, pp. z 2141-2143).

Изобретение позволяет также формировать тонкие слои этих материалов на окисленной кремниевой подложке.

На фиг.1 изображена схема получения структур с тонкими монокристаллическими полупроводниковым слоем по предлагаемому способу; на фиг.2 микрофотография КНИ-структуры, полученной по предлагаемому способу. Интерференционные полосы в слое соединяющего окисла позволяют определить его толщину. Толщина рабочего слоя кремния 1 мкм.

Пример 1. В соответствии с предложенным способом были изготовлены структуры кремния на изоляторе с толщиной рабочего слоя кремния менее 1 мкм. С этой целью вначале были подготовлены две партии исходных кремниевых пластин: 1-ая из кремния марки КЭС 0,01 диаметром 76 мм, 2-ая из кремния марки КДБ 10 с ориентацией рабочих поверхностей (100), диаметром 60 мм. Пластины были получены из стандартного кремния, выращенного методом Чохральского, и проходили стандартный цикл механической обработки, завершающийся химико-механической полировкой. Пластины обеих партий подвергались операции термического окисления с получением окисла толщиной 0,3 мкм.

Термокомпрессионное соединение пластин проводилось в стандартной диффузионной печи СДО 120/3 при Т=1200^oC c использованием специальном кварцевой кассеты. Одновременно производилось соединение 20 пар пластин, причем каждая пара составлялась из пластины диаметром 60 мм из кремния марки КДБ 10 и пластины диаметром 76 мм из кремния марки КЗСС, 01 (пластина-носитель), при этом пластина диаметром 60 мм располагалась в центре соосно с пластиной-носителем таким образом, чтобы на периферии этой пластины оставалось свободное от соединения кольцо, а соотношение cоединяемых площадей у рабочей пластины к пластине-носителю было 0,62. В процессе соединения на весь пакет соединяемых пластин накладывалось сжимающее усилие. Соединение проводилось в парах воды.

В результате соединения были получены монолитные трехслойные структуры: кремний-окисел-кремний с толщиной окисла 1 мкм. Затем окисел на соединенной части пластины-носителя удалялся в растворе HF:H₂O 1:10 и получение трехслойные структуры передавались на операцию эпитаксиального наращивания. Наращивание эпитаксиального слоя проводилось при стандартных режимах газовой эпитаксии, в результате чего на периферийном кольце, свободном от соединения, вырастал эпитаксиальный слой толщиной 3-4 мкм; такой же слой, но поликремния вырастал на обратной нерабочей стороне базовой пластины.

На поверхности эпитаксиального слоя осаждался слой нитрида кремния толщиной 0,8-1 мкм (осаждение проводилось при Т 950^oC). В таком виде трехслойная структура была подготовлена к прохождению процессов механической обработки с целью утонения верхней рабочей пластины кремния.

На первом этапе этого технологического цикла проводилась шлифовка алмазным инструментом верхней пластины на шлифовально-полировальном станке СПШП-1, обработка прекращалась, когда толщина верхней рабочей пластины достигала 40 мкм. На этом этапе использовалась групповая обработка.

В соответствии с предложенным способом трехслойные пластины снимались с державки и наклеивались на специальные керамические спутники для индивидуальной обработки. Обработка проводилась на станке 14.09, вначале на нетканом полировальнике алмазной суспензией с синтетическим алмазным порошком АСМ3/2, причем с помощью специального держателя спутники крепились шарнирно с возможностью самоустановки обрабатываемой поверхности по поверхности полировальника. Обработка проводилась до толщины верхнего слоя кремния 10-15 мкм (контроль толщины осуществлялся ИК-методом). Дальнейшая обработка проводилась на двухслойном батистовом полировальнике алмазной суспензией с алмазом АСМ 1/0 при сохранении прежней схемы обработки. Процесс продолжался до тех пор, пока плоскость диспергирования не совпадала с плоскостью рабочей поверхности стопорного слоя, при этом происходило выравнивание толщины слоя кремния по всей площади структуры.

Далее на всех трехслойных структурах, подготовленных в соответствии с предлагаемым способом, химическим путем удалялся слой нитрида. И они вместе со спутниками, на которые были наклеены, поступали на операцию финишной химико-механической полировки, где удалялось 2-2,5 мкм. После этого структуры склеивались и поступали на операцию химической очистки в перекисно-аммиачных растворах. Параллельно были изготовлены такие же структуры по способу-прототипу с использованием ионного легирования и низкотемпературной эпитаксии. На структурах, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу, проводилось измерение толщины верхнего рабочего слоя кремния, а также исследовалось качество этого слоя. Полученные результаты сведены в таблицу.

Пример 2. В соответствии с предложенным способом изготовлялись КНИ-структуры с толщиной рабочего слоя кремния менее 1 мкм. В качестве исходных использовались пластины: рабочая из кремния марки КЭФ1 (100) диаметром 76 мм, пластина-носитель из кремния КЭС 0,01 (100) диаметром 76 мм. Пластины подготавливались аналогично примеру 1, но перед окислением у всех пластин из кремния марки КЭФ1 (100) отламывались по 2 периферийных сегмента, таким образом, чтобы соотношение площадей пластин этих двух марок кремния составляло 0,85. Далее все делалось аналогично примеру 1, только в процессе эпитаксии наращивался более толстый слой 15 мкм. Процесс механической обработки полученной многослойной структуры был аналогичен процессу в примере 1 за исключением последнего этапа. Процесс обработки на алмазной пасте АСМ 3/2 проводился до того момента, пока плоскость диспергирования не совпадала с поверхностью стопорного слоя. После этого химическим путем удалялся слой нитрида кремния и пластины на спутниках передавались на операцию предфинишной химико-механической полировки с удалением слоя 12-13 мкм, а затем на операцию финишной химико-механической полировки с удалением 2 мкм.

Пример 3. В качестве исходных использовались пластины: базовая из кремния КЭФ1 (111) диаметром 62 мм и пластина-носитель из кремния КЭС 0,01 (111) диаметром 76 мм, так что соотношение площадей пластин составляло 0,65. Все делалось аналогично примеру 1, но эпитаксиальный слой наращивался толщиной ≈ 2 мкм и на него напылялся слой нитрида титана.

Пример 4. В качестве исходной базовой пластины использовались пластины арсенида галлия марки АГ4П-2 диаметром 60 мм. Пластина кремния окислялась. После соединения пластин при комнатной температуре пластины отжигались в течение 4 ч в вакууме при 200^oC. В этом случае в качестве стопорного слоя использовался сам кремний, ЭПИ-слой. Дальнейшая обработка проводилась аналогично обработке в примере 1.

Пример 5. Все делалось аналогично примеру 1, но соотношения площадей рабочей пластины к пластине-носителю и толщина стопорного слоя брались выходящими за рамки заявленных. В результате не удалось получить тонкий рабочий слой, однородный по толщине на отдельных участках он сполировывался полностью.

Пример 6. Все делалось аналогично примеру 1, только в качестве стопорного слоя использовался силицид вольфрама WSi₂ с твердостью, превышающей твердость в 1,27 раз. В этом случае эффект стопора не получился: слой снялся в процессе полировки.

Таким образом, как видно из таблицы, использование предлагаемого способа позволяет стабильно получать многослойные структуры с толщиной рабочего верхнего слоя 1 мкм и менее при малом разбросе по всей площади структуры, причем верхний рабочий слой, как видно из таблицы, имеет высокое структурное совершенство.

Как видно из таблицы, изготовление структур по способу-прототипу, не говоря о технологических сложностях, не позволяет получить тонкий верхний слой с малым разбросом по толщине. Кроме того, при использовании способа-прототипа металлографический анализ выявил высокую плотность дефектов в этом слое. Выход за пределы предлагаемого способа, с одной стороны, приводит к невозможности получить малый разброс по толщине верхнего слоя (таблица), а с другой стороны, при меньших соотношениях площадей соединяемых поверхностей пластин или при больших толщинах стопорного слоя экономически не выгоден.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в значительном повышении технологичности способа, сокращении расходов экологически вредных веществ, а также в том, что он обеспечивает возможность повышения качества рабочих слоев сформированных структур, позволяет снизить себестоимость этих структур за счет повышения воспроизводимости способа их получения.

Формула изобретения

Способ получения тонких монокристаллических полупроводниковых слоев на изоляторе или другом полупроводниковом материале, включающий формирование стопорного слоя, термокомпрессионное соединение рабочей монокристаллической пластины с пластиной-носителем, утонение рабочей пластины до стопорного слоя и удаление стопорного слоя, отличающийся тем, что проводят термокомпрессионное соединение рабочей пластины и пластины носителя при соотношении их площадей не более 0,85, рабочую пластину и пластину-носитель располагают симметрично друг относительно друга, после проведения термокомпрессионного соединения на поверхности пластины носителя, свободной от соединения, формируют стопорный слой с твердостью, превышающей твердость материала рабочей пластины не менее чем в 1,5 раза, и толщиной, превышающей толщину формируемого рабочего слоя на 1 15 мкм, утонение рабочей пластины проводят механическим путем при индивидуальной обработке каждой соединенной пары до совпадения плоскости обработки с поверхностью стопорного слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3