ПРЯМОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ С

УДК 621.315.592
ТИМОШЕНКОВ С.П., ГРАФУТИН В.И.,
ДЬЯЧКОВ С.А., ПРОКОПЬЕВ Е.П.
ПРЯМОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКОЙ СБОРКИ
ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОГО
НАСЛАИВАНИЯ
Московский институт электронной техники (Технический университет), 103498, Москва, К-498,
тел.: (095) 5329962, e-mail: timoshenkov@mail.ru
Структуры кремний на изоляторе в последние годы чаще всего получают
методом прямого соединения окисленных поверхностей пластин кремния с
последующим
утонением
одной
из
пластин
до
требуемой
толщины
монокристаллического слоя кремния [1]. В процессах соединения кремниевых
пластин очень важно состояние соединяемых поверхностей, их химический состав.
В некоторых случаях необходимо активирование и модифицирование таких
поверхностей. Ниже для этой цели предлагается использовать процесс прямого
соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности
методом молекулярного наслаивания [2,3]. Основная идея этого метода, пригодного
для прецизионного "синтеза поверхности" пластин с известным составом и ее
модифицирования,
структурных
состоит
единиц
в
заданного
последовательном
химического
наращивании
состава.
Технология
монослоев
прямого
соединения пластин в этом случае состоит в сращивании двух окисленных
поверхностей пластин кремния с заданными толщинами окисла SiO2 на каждой из
них. Первоначальной задачей является насыщение сращиваемых поверхностей ОНгруппами на атомах кремния. Каждый поверхностный атом кремния может
присоединять одну или две ОН-группы. Этот "монослой" ОН-групп может быть
сформирован в специальном реакторе
при попеременной обработке поверхности
кремниевых пластин парами воды и SiCl4
в инертном газе-носителе при
температуре Т ≥ 200 0С. Такого типа термообработка приводит к образованию слоев
SiO2 и гидроксилированной поверхности с функциональными группами вида ( ≡ SiOH) или (=Si=(OH)2.
На рисунке приведен технологический маршрут изготовления КНИ структур
методом отслаивания с использованием процессов прямого соединения пластин
кремния и химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания.
Согласно этому маршруту в методе прямого сращивания вместо технологии
шлифовки
и
травления
для
утонения
Исходная (рабочая)
пластина
одной
из
Очистка
(окисление)
Имплантация
Исходная (рабочая)
пластина
Исходная (рабочая)
пластина
пластин
использу-
Активация поверхности пластин
(молекулярное наслаивание)
Опорная
пластина
Исходная (рабочая)
пластина
Si
SiO2
Si
Сращивание
Термообработка
Полирование
Рис. Прямое связывание пластин кремния с использованием химической сборки поверхности
методом молекулярного наслаивания и технологии отслаивания при получении КНИ структур.
ется технология отслаивания (отщепления) части рабочей пластины кремния
по области пористого слоя, образованного посредством имплантации протонов на
заданную глубину в пластину кремния. Пористый слой включает в свой состав
наполненные водородом нанопоры, созданные имплантацией протонов в слое
кремния через тонкую пленку SiO2 или пористого слоя кремния, полученного
электрохимическим методом. В последнем случае на поверхности пористого
кремния выращивается эпитаксиальный
слой необходимой толщины, который
после прямого соединения с опорной пластиной в последующем отслаивается
(отщепляется) посредством термообработки или часть рабочей пластины после
соединения
с
опорной
пластиной
удаляется
до
эпитаксиального
слоя
с
использованием
механических
(химико-механических)
методов.
Был
также
использован процесс отслаивания слоя кремния с помощью имплантации ионов
водорода. В этом случае общая схема производства КНИ структур в прямом
сращивании пластин кремния с использованием химической сборки поверхности
методом молекулярного наслаивания соответствуют технологической схеме,
изображенной на рисунке. В специально окисленную рабочую пластину кремния
(толщина оксида несколько сотен ангстрем) вначале производится имплантация
протонов с дозой облучения порядка (1-8)·1016 см2 и энергией 100-150 кэВ. Пленка
SiO2 представляет собой защитный слой при имплантации, уменьшающий
количество дефектов и примесей в приграничной области. В дальнейшем она
удаляется. Опорная пластина кремния подвергается термическому окислению до
толщины оксида (0,2-0,4 мкм), необходимого для производства конечной КНИ
структуры. После специальной очистки и активации с целью гидрофилизации
методом
молекулярного
наслаивания
поверхности
пластин
соединяются
планарными сторонами друг к другу и прижимаются. Термообработка этой пары
приводит к связыванию пластин кремния с одновременным отслаиванием по слою,
где находится в нанопорах имплантированный водород. В таком процессе тонкая
пленка кремния переходит с рабочей пластины на окисленную поверхность опорной
пластины. В дальнейшем КНИ структура подвергается кратковременному отжигу
при 11000 С, в результате чего удаляются созданные в процессе имплантации
радиационные дефекты и водород. Полученный таким образом тонкий слой
полируется. Отметим, что приведенное описание маршрута технологического
процесса
производства
использованием
КНИ
химической
структур
сборки
методом
прямого
сращивания
с
поверхности
методом
молекулярного
наслаивания во многом подобна современным технологическим процессам
производства КНИ структур [1].
Для исследования электрофизических свойств КНИ структур обычно
используются методы измерения вольт-фарадных характеристик, эффекта Холла и
точечно-контактного
транзистора
(РСТ).
Структурные
свойства
изучаются
методами микроскопии (ТЕМ, SEM), масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS),
обратного резерфордовского рассеяния (RBS) и позитронной аннигиляционной
спектроскопии (PAS).
1.
Tong Q.-Y., Gösele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science,
Technology.
Wiley, New York. 1998.
2.
Алесковский В.Б. Химия надмолекулярных соединений. Учеб. пособие. Спб:
Изд-во С.- Петербург. ун-та, 1996. 256 с.
3.
Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Возможность прямого соединения пластин
кремния с использованием химической сборки поверхности методом
молекулярного
С. 49-51.
наслаивания.
Материаловедение.
1999.
№4.