Способ изготовления полупроводниковой структуры

 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к способам получения полупроводниковых структур с диэлектрической изоляцией. Способ позволяет улучшить геометрические параметры полупроводниковых структур, которые заключаются в снижении прогиба и повышении плоскопараллельности, что снимает ограничения по диаметру изготавливаемых структур вплоть до диаметра 300 мм, а также повышает экологичность технологического процесса. Сущность: способ заключается в соединении монокристаллической подложки с рельефом на поверхности, полностью и/или частично покрытым диэлектриком и слоем поликристаллического кремния толщиной не менее 30 мкм, с опорной подложкой путем пульверизации слоя соединительного материала на обе подложки. В состав суспензии для пульверизации входят диоксид кремния аморфный мелкодисперсный, борная кислота и деионизованная вода. 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к способам получения полупроводниковых структур с диэлектрической изоляцией.

Известен процесс формирования полупроводниковой структуры с диэлектрической изоляцией компонентов, который заключается в следующем. В монокристаллической подложке формируют, как правило, V-образные канавки, окисляют поверхность канавок, осаждают на поверхность с микрорельефом поликристаллический кремний, создавая опорную часть структуры и заполняя V-образные канавки. Затем поверхность исходной подложки, противоположную поверхности с микрорельефом, шлифуют и полируют до появления пиков V-образных канавок с целью получения диэлектрически изолированных областей, скрепленных механически опорным поликремниевым слоем [1].

Согласно этому способу, осаждение может проводиться толщиной не более 350 мкм, а именно вследствие реакции восстановления кремния в водороде, при которой используется, например, трихлорсилан (SiHCl₃). При этом необходимо большое количество газа-источника и большая продолжительность. Для предупреждения деформации подложки требуется также точно соблюдать такие условия, как скорость осаждения и температура осаждения.

При повышении скорости осаждения увеличивается неоднородность поликремния и как следствие механические напряжения и деформации структуры.

При увеличении температуры процесса неконтролируемо разгоняются скрытые диффузионные слои исходной подложки и возрастают энергозатраты.

Согласно другому способу, канавки и выступы, имеющиеся на соединительных поверхностях подложек, заполняются смесью из порошка диоксида кремния и борной кислоты или борангидрида, которая служит соединительным материалом. Опорную структуру накладывают на подложку, все это подогревается и спрессовывается. Опора и подложка соединяются. Для заполнения канавок без возникновения зазоров требуется применение вибратора или ультразвуковых волн, без этого невозможно получить однородную структуру, поэтому в процессе термообработки часть области полупроводника подвергается механическим вибрациям, неоднородность изменяет точку плавления связующего материала. А кроме того, вследствие механического напряжения при давлении возникают дефекты кристаллической решетки, а значит, ухудшаются электрические характеристики [2].

В качестве прототипа предлагаемого технического решения выбран способ соединения исходной и опорной пластины методом склейки через слой спекающего стекла. Причем стекло наносится на подогретые соединяемые поверхности обеих подложек в виде порошка способом пламенного гидролиза четыреххлористого кремния в атмосфере водорода и кислорода с добавлением трихлорида или бора, или фосфора, или германия.

После этого обе подложки сближаются и производится их термообработка, в результате которой порошок стекла спекается, притягивает подложки и соединяет их [3].

Недостатками известного способа является ухудшение геометрических параметров, в частности плоскопараллельности и прогиба, что вызвано более мягкой фиксацией исходной и опорной подложек относительно друг друга из-за толстого слоя соединительного стекла, необходимого для заполнения V-образных канавок и невозможности осуществления прижатия подложек с фиксированным усилием.

Другим недостатком является появляющийся в процессе окислений поверхности структуры при последующих операциях изготовления интегральных схем большой микрорельеф в области вскрытия пиков V-образных канавок. Это вызвано тем, что стекло, заполняющее V-образные канавки, не окисляется, и эти области постепенно отстают по высоте от рядом расположенных областей кремния, на которых происходит рост двуокиси кремния. Впоследствии это приводит к разрывам металлизации или к увеличению трудоемкости вследствие ввода дополнительных операций по планаризации поверхности.

Также недостатком являются большие затраты на экологическую защиту.

Задача изобретения заключается в улучшении геометрических параметров полупроводниковых структур: снижении прогиба и повышении плоскопараллельности, что снимает ограничения по диаметру изготовляемых структур, а также повышении экологичности технологического процесса.

Решение задачи достигается тем, что способ изготовления полупроводниковой структуры включает соединение исходной монокристаллической кремниевой подложки с микрорельефом на соединяемой стороне полностью или частично покрытой диэлектриком и последующим слоем низкоомного поликристаллического кремния толщиной не менее 30 мкм с опорной подложкой путем нанесения методом пульверизации из суспензии слоя соединительного материала на соединяемые поверхности обеих подложек, нагретых до температуры 60-80^oС, и последующей термообработкой в атмосфере кислорода и при механическом давлении 0,3-0,6 кг/см², удаление части подложки со стороны, противоположной соединенной, до появления микрорельефа.

В состав суспензии соединительного материала входят: - диоксид кремния аморфный мелкодисперсный; - борная кислота; - ортофосфорная кислота; - деионизованная вода, а толщина его, выбираемая из диапазона 1-20 мкм, обратно пропорциональна толщине поликристаллического кремния.

Техническим результатом данного технического решения является улучшение геометрических параметров полупроводниковых структур: прогиба и плоскопараллельности, что снимает ограничение на диаметр используемых подложек вплоть до диаметра 300 мм и выше, которое имеет место во всех известных способах.

Дополнительное использование фосфора в составе стекла улучшает качество соединения и прочность.

Проведение пульверизации на подогретую подложку ускоряет процесс испарения воды из стеклопорошка, увеличивает прочность и адгезию стеклопорошка к пластине и снижает общее время процесса нанесения, а значит, повышает производительность процесса.

Формирование тонких слоев соединительного стекла улучшает теплоотвод и помогает дополнительно повышать геометрические параметры структур, при этом толщина его увеличивается пропорционально величине рельефа соединяемых пластин.

Осаждение поликристаллического слоя кремния толщиной, пропорциональной глубине рельефа V-образных канавок, преследует цель более полного их заращивания, снижения рельефа поверхности склеиваемой рабочей пластины после ее планаризации, путем подшлифовки со стороны осажденного поликремния.

Сглаживание рельефа в свою очередь приводит к повышению качества и прочности соединения (склейки).

Наличие кислорода в окружающей атмосфере спекающихся пластин обеспечивает замещение им молекул воздуха, попадающих в состав стекла при пульверизации стеклопорошка, и последующее взаимодействие с кремнием при высоких температурах с образованием диоксида кремния - основного исходного материала соединительного стекла.

Фиксированное давление с небольшим радиальным градиентом от центра структуры к краю обеспечивает направленное движение газовых пузырьков в расплавленном соединительном слое стекла при высокотемпературной термообработке из объема стекла в окружающую атмосферу тепловой камеры, что обеспечивает однородность состава стекла, отсутствие раковин и других полостных образований.

Состав соединительного стекла и спекание пластин при температуре выше 1100^oС позволяет создать монолитную кремниевую структуру, выдерживающую последующие длительные высокотемпературные обработки процессов создания полупроводниковых приборов. При этом сохраняются практически все преимущества других известных способов изготовления: - отсутствие автолигирования; - улучшение теплоотвода за счет использования тонкого слоя стекла; - возможность реализации электрического теплового контакта к отдельным изолированным областям, будущим мощным активным элементам схем; - меньшие энергозатраты;
- меньшая длительность высокотемпературных термических процессов как следствия минимальные уходы диффузионных областей;
- минимальные механические напряжения;
- минимальные дефекты кристаллической решетки;
- высокая экологичность.

На чертеже дано поперечное сечение готовой полупроводниковой структуры. \\2 Предлагаемый способ снимает ограничение на диаметр используемых подложек вплоть до диаметра в 300 мм. При этом сохраняются практически все преимущества других известных способов изготовления:
- отсутствие автолигирования;
- улучшение теплоотвода за счет использования тонкого слоя стекла;
- возможность реализации электрического и теплового контакта к отдельным изолированным областям, будущим мощным активным элементам схем;
- меньшие энергозатраты;
- меньшая длительность высокотемпературных термических процессов, как следствие минимальные уходы диффузионных областей;
- минимальные механические напряжения;
- минимальные дефекты кристаллической решетки;
- высокая экологичность.

За базу для конструкции верхней рабочей пластины выбирается уже известное решение - кремниевая подложка с рельефом, частично или полностью покрытом диоксидом кремния и с нанесенным слоем поликремния, который заполняет V-образные канавки микрорельефа и при последующих окислительных процессах, ведет себя аналогично монокристаллическому кремнию исходной пластины, не увеличивая дополнительно поверхностный рельеф системы моно Si/SiO₂/поли-Si.

Кроме функции заполнения V-образных канавок вторым назначением слоя поликремния является образование электрического экрана вокруг изолированных рабочих областей исходного монокремния со стороны подложки, поэтому электрическое сопротивление поликремния выбирается минимальным, для чего в процессе нанесения он легируется. Для выполнения обеих своих функций: формирование низкоомного электрического экрана и недопущения выхода на поверхность полупроводниковой структуры с рабочей стороны при шлифовке ее до появления микрорельефа (пиков V-образных канавок) материала соединительного стекла толщина слоя поликремния выбирается не менее 20 мкм (большей, чем разброс по толщине монослоя кремния на операции шлифовки рабочей стороны). Толщина слоя в каждом конкретном случае изготовления структур выбирается пропорционально глубине V-образных канавок с целью более полного их заращивания.

Далее проводят процесс механической обработки соединяемых поверхностей рабочей и опорной подложки, включающий процесс шлифовки и стандартной отмывки.

На подготовленные и осушенные поверхности методом пульверизации из суспензии наносят слой порошка соединительного стекла.

Метод пульверизации мелкодисперсных материалов позволяет в больших пределах изменять скорость и объем распыляемого материала. А дополнительный подогрев подложек до температуры 60-80^oС для выпаривания деионизованной воды из суспензии наиболее полно позволяет добиваться необходимой толщины и консистентности наносимого слоя, его однородности, минимального разброса по толщине и ее воспроизводимости.

Суспензия материала соединительного стекла изготавливается на базе деионизованной воды и состоит из основообразующего материала - аморфного мелкодисперсного диоксида кремния, а также борной кислоты и ортофосфорной кислоты, служащих источником образования низкотемпературных связующих фракции ₂О₃ и Р₂О₅.

Толщина наносимого порошка стекла с учетом происходящего при спекании уплотнения выбирается из диапазона 1-20 мкм, при этом толщина обратно пропорциональна толщине слоя поликристаллического кремния.

Чем толще слой поликристаллического кремния, тем более полное заполнение V-образных канавок и большая планарность соединяемой поверхности поликремния после мехобработки, поэтому нет необходимости в большой массе соединительного стекла для планаризации (выравнивании) соединительных поверхностей.

Рабочие (исходные) подложки и опорные пластины соединяются попарно сторонами с нанесенными слоями порошка стекла в специальной кассете с обеспечением фиксированного сжатия (давлением в пределах 0,3-0,6 кг/см²), и помещают в термическую печь для термообработки в атмосфере кислорода.

Далее проводят процесс термообработки, приводящий к разжижению и спеканию стекловидного соединительного материала под воздействием высокотемпературного многоэтапного режима.

Фиксированное давление с небольшим радиальным градиентом от центра структуры и атмосфера кислорода в процессе спекания порошка в стекловидную массу обеспечивает замещение атмосферного воздуха в порошке кислородом с последующим взаимодействием при высоких температурах кислорода в стекле с кремнием с образование диоксида кремния. Все это обеспечивает однородность состава стекла, отсутствие раковин и других полостных образований, равномерное и полное соединение подложек.

Процесс термообработки представляет собой равномерный нагрев кассеты с пластинами от комнатной до максимальной температуры 1200^oC с несколькими временными выдержками на промежуточных температурах.

Первая выдержка промежуточной температуры около 200^oС необходима для завершения процесса выпаривания кристаллической влаги стеклопорошка. При этом исключается возможность ее закипания. Вторая и последующие временные и температурные выдержки необходимы для перевода в жидкую фазу различных компонентов стеклопорошка по степени возрастания из температур плавления. Количество последующих выдержек таким образом равно количеству компонентов, а их температура - температуре плавления каждого конкретного вещества в порошке.

Процесс охлаждения происходит в стандартном режиме со скоростью в 12^oС в минуту.

Далее проводят стандартный известный процесс вскрытия изолированных островков монокремния путем шлифовки и полировки поверхности спеченной структуры со стороны рабочей подложки до вскрытия пиков V-образных канавок микрорельефа.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, сохраняя большинство достигнутых известными способами характеристик, позволяет значительно улучшить геометрические параметры полупроводниковых структур: снизить прогиб и улучшить плоскопараллельность, что снимает ограничение по диаметру изготавливаемых полупроводниковых структур и повышает экологичность технологического процесса.

Источники информации
1. Патент США 4393573, кл. H 01 L 21/20, 1969.

2. Патент Японии 53-57978.

3. Патент ФРГ 3613215. кл. H 01 L 21/20, 1986 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ изготовления полупроводниковой структуры, включающий соединение исходной монокристаллической кремниевой подложки с микрорельефом на соединяющейся стороне, полностью или частично покрытым диэлектриком и последующим слоем низкоомного поликристаллического кремния, с опорной подложкой путем нанесения слоя соединительного материала на соединяемые поверхности обеих подложек и последующей термообработки, удаление части исходной подложки со стороны, противоположной соединяемой, до появления микрорельефа, отличающийся тем, что нанесение соединительного материала проводится пульверизацией суспензии, в состав которой входят диоксид кремния аморфный мелкодисперсный, борная кислота, деионизованная вода.

2. Способ изготовления по п. 1, отличающийся тем, что в состав суспензии дополнительно входит ортофосфорная кислота.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пульверизацию проводят на подложки, нагретые до температуры 60÷80^oС.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщину нанесенного слоя соединительного материала выбирают из диапазона 1-20 мкм, обратно пропорционально толщине слоя низкоомного поликристаллического кремния.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя поликристаллического кремния не менее 30 мкм и пропорциональна глубине микрорельефа.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термообработка осуществляется в атмосфере, содержащей по меньшей мере кислород.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при термообработке соединяемые подложки подвергают механическому давлению 0,3÷0,6 кг/см².

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термообработку ведут при повышении температуры от комнатной до 1100÷1200^oС, по крайней мере, с одной выдержкой при промежуточной температуре в диапазоне от комнатной до максимальной и с одной выдержкой при максимальной температуре.

РИСУНКИ

Рисунок 1