Технологический маршрут и операции получения структур КНИ методом управляемого скалывания

1. Подготовка поверхности опорных и приборных пластин перед их стыковкой и контроль состояния стыкуемых поверхностей.

Реальные поверхности кремниевых пластин не бывают атомарно-гладкими и атомарно-чистыми, как это необходимо для их идеального сращивания. Максимальная прочность прихвата при стыковке кремниевых пластин, достигнутая на практике ~ 2·10⁷ Па, что на порядок меньше идеальной - это объясняется трудностью удаления зазора между пластинами, появляющимся в результате шероховатости поверхности, загрязнения поверхности и д.р.

2. Имплантация ионов водорода в приборную пластину.

Качество расщепления приборной пластины определяется оптимальным выбором технологического режима имплантации и сращивания подложек. В мировой практике для создания слоя, по которому происходит расщепление, используют имплантацию либо ионов H₂⁺, либо H⁺. Обычно энергия протонов заключена в интервале 3-100 кэВ, температура имплантации – от 50ºС до 450ºС. Нижняя граница –самопроизвольный нагрев при имплантации, верхняя – определяется тем, что при температуре выше 450ºС начинается интенсивное образование микрополостей и возможно отщепление приборного слоя в процессе имплантации. Доза имплантации ионов водорода – 10¹⁶…10¹⁷ ион/см².

3. Стыковка пластин и первый контроль полостей и прочности прихвата.

В мировой практике существуют различные способы стыковки приборной и опорной пластин в воде, на воздухе, в форвакууме, глубоком и сверхглубоком (10^-8 Па) вакууме.

Стыковка в вакууме обеспечивает минимальное количество молекул газов и воды на стыкуемых поверхностях и в микрополостях, образующихся вследствие неплоскостности пластин. Полости четко обнаруживаются рентгеновским дифрактометром.

4. Отщепление приборной пластины от структур КНИ, второй контроль полостей, шероховатости поверхности приборного слоя.

Наибольшее распространение в технологии составных структур КНИ получили методы, в которых приборный слой скалывается по слою пористого кремния. Это используется как в технологии smart-cut, так и в технологии ELTRAN фирмы Canon. Технология управляемого скалывания позволяет получить шероховатость внешней поверхности приборного слоя порядка 30 нм.

5. Окончательное сращивание приборного слоя с опорной пластиной

Чаще всего производится непосредственной термокомпрессионной сваркой (НТСК). При этой технологии тщательно очищенные, отполированные и активированные соприкасаются друг с другом в обеспыленной атмосфере и благодаря возникающей сильной адгезии как бы «слипаются». Далее пластины отжигают в инертной среде или кислороде при температуре 1000÷1100ºC в течение ~ 30 минут. Прочность полученного соединения практически не отличается от прочности монокристалла кремния, хотя на границе НТСК наблюдаются дислокации.

6. Окончательный контроль параметров структуры КНИ

Заключается в получении заданной толщины монокристаллического кремния методами химико-механического полирования (ХМП), электрохимического, плазменного и селективного химического травления. Необходимая толщина достигается при использовании установок прецизионного локального утончения и оборудования контроля толщины. ХМП метод остается одним из основных методов утончения; позволяет получить структуры с толщиной изолированного монокристаллического кремния от менее 1 до более чем 70 мкм. Благодаря установкам локальной плазменной обработки удается получать структуры с толщиной 0,1÷0,3 мм, полученных с точностью ± 50 Å на пластинах диаметром 150 и 200 мм.

Использование технологии КНИ в технике

В настоящее время технология КНИ находит всё большее применение в различных полупроводниковых устройствах, наиболее ярким примером среди которых являются микропроцессоры. Перечень ряда устройств, произведённых с использованием КНИ - подложек, приведён ниже.

Opteron — семейство процессоров компании AMD, выпускаемых по технологическим процессам 130 нм (одноядерные) и 90 нм (одно- и двухъядерные).

Cell — восьмиядерный процессор, совместно разработанный компаниями Sony, Toshiba и IBM (технологический процесс — 90 нм), используется в игровой приставке Sony PlayStation 3.

Xenon — трехъядерный процессор компании IBM (технологический процесс — 90 нм, 65 нм), используется в игровой приставке Microsoft Xbox 360

Broadway — процессор компании IBM (технологический процесс — 90 нм).

Перспективы

Обладая несомненными достоинствами, структуры КНИ остаются значительно более дорогими, чем стандартные пластины с внутренним геттером. Рассчитывать на расширение производства КНИ можно лишь в том случае, если будет существенно повышен выход ИС с одной пластины и освоен выпуск принципиально новой продукции, например, систем на кристалле.

Также структуры КНИ являются лучшим полуфабрикатом для изучения кремниевых мембран и различных изделий из кремниевой фольги.

Таким образом, структуры КНИ способны показать эффект в микроэлектронике как немедленно, так и в отдаленной перспективе.

Список литературы

1. Б.Ю. Богданович – Технологии и методы исследования структур КНИ. МИЭТ, 2003.

2. В.М. Андреев, Д.В. Зиновьев – Кремниевые структуры для приборов микроэлектроники. МИЭТ, 2006.

3. Ю.Ф. Козлов, В.В. Зотов – Структура кремния на сапфире: технология, свойства, методы контроля, применение. МИЭТ, 2004.

4. Электронные ресуры