WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 6 06;12 Прямое сращивание кремниевых пластин с одновременным формированием диффузионных слоев © И.В. Грехов,1 Л.С. Костина,1 Т.С. Аргунова,1 Е.И. Белякова,1 Н.М. Шмидт,1 К.Б. Костин,1 Е.Д. Ким,2 С.Ч. Ким2 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Power Semiconductor Research Laboratory, Korea Electrotechnology Research Institute, P.O. Box 20, Changwon, 641-600 Gyongnam, Republic of Korea e-mail: argunova@tania.ioffe.rssi.ru (Поступило в Редакцию 12 сентября 2000 г.) Исследованы Si–Si структуры, изготовленные по предложенной авторами технологии создания диффузионных слоев в едином технологическом цикле с процессом прямого сращивания кремния из источника, находящегося на границе сращивания. В качестве легирующей примеси использовался алюминий. Диффузия атомов Al в полированную поверхность кремния при высокотемпературной термообработке в окисляющей среде приводила к образованию pn-перехода в n-кремнии. Показано, что присутствие алюминия на интерфейсе способствовало формированию непрерывной границы раздела. Для объяснения предложена модель, согласно которой соединение гидрофильных поверхностей пластин кремния в водном растворе нитрата алюминия Al(NO3)3 приводит к увеличению площади сцепления пластин при комнатной температуре за счет взаимодействия Al–OH групп с молекулами воды, адсорбированными на поверхности пластин.

Введение площадь. Увеличение площади происходит вследствие взаимной упругой деформации пластин, которая начинаПри изготовлении силовых полупроводниковых приется при КТ сращивании и усиливается с повышением боров технология прямого сращивания кремния (ПСК) температуры.

позволяет заменить процесс глубокой диффузии легируДля уменьшения влияния морфологии поверхности ющих примесей прямым сращиванием пластин разного на структурное качество интерфейса в [5–7] нами бытипа проводимости с разной исходной концентрацией ла предложена модифицированная технология прямого примеси. Однако при создании многослойных структур сращивания, согласно которой на поверхность одной из с pn-переходами примеси, как правило, вводятся в объем пластин перед сращиванием методом фотолитографии одной или обеих пластин перед сращиванием, вследнаносится регулярный мезоскопический рельеф. Было ствие чего как качество поверхности пластин, так и показано, что наличие искусственного рельефа на инраспределение упругих напряжений в них могут заметно терфейсе способствует снижению уровня упругих наизмениться и перестать соответствовать требованиям пряжений, возникающих при контакте двух неплоских ПСК технологии.

поверхностей, приводя, таким образом, к формированию Несмотря на значительные успехи, достигнутые в более совершенной границы раздела.

течение последних лет в области прямого сращивания различных материалов, получение непрерывной граниВ данной работе мы продолжаем анализ условий, цы раздела большой площади остается крайне актуспособствующих получению прочного и однородного альной задачей. В работах [1–3] различные аспекты интерфейса. Предметом исследования являются ПСК данной проблемы, а именно причины формирования структуры, полученные по предложенной авторами технесплошностей (пузырей) и условия их зарастания, нологии создания диффузионных слоев в едином техновлияние реальной структуры поверхности (ее шерохологическом цикле с процессом сращивания из источника, ватости и плоскопараллельности) на качество сращирасположенного непосредственно на интерфейсе. В качевания, рассмотрены достаточно подробно и снабжены стве легирующей примеси используется алюминий. Расобширной библиографией. В работе [4] было убедисматривается взаимосвязь физико-химических процессов тельно показано, что реальная полированная поверхна границе раздела с реальной структурой сращиваемых ность кремниевых пластин является волнистой, и сложповерхностей. Обсуждается механизм формирования неный профиль такой поверхности можно представить прерывного интерфейса по всей площади сращиваемых в виде набора синусоид с различными амплитудой и пластин в присутствии атомов легирующий примеси.

периодом. Тем не менее при сращивании такие поПриводится вольт-амперная характеристика p+n-диода, верхности вступают в плотный контакт друг с другом уже при комнатной температуре (КТ). Поверхност- изготовленного прямым сращиванием с одновременной ная энергия КТ контакта тем выше, чем больше его диффузией алюминия.

46 И.В. Грехов, Л.С. Костина, Т.С. Аргунова, Е.И. Белякова, Н.М. Шмидт, К.Б. Костин, Е.Д. Ким, С.Ч. Ким Образцы и методы исследования Экспериментальные результаты Образцы представляли собой nn- и p+n-структуры, 1) Диффузия алюминия. Экспериментально полученные технологией ПСК. Исходные пластины измеренный профиль распределения Al в n/n-структуре, были вырезаны из бестигельного кремния n-типа с сформировавшийся в результате диффузии в процессе удельным сопротивлением 20 · cm и из кремния p-ти- сращивания, показан на рис. 1. Данные рисунка свидепа, выращенного по методу Чохральского, с удельным тельствуют, что между пластинами n-типа проводимости сопротивлением 0.005 · cm. Пластины имели тол- был сформирован диффузионный слой p-типа проводищину 0.3-0.5 mm, диаметр 40-60 mm и ориентацию мости толщиной 30 µm и поверхностной концентрациповерхности (111). Профиль поверхности пластин кон- ей на интерфейсе 5 · 1016 cm-3. Полученный результат тролировался при помощи оптического профилометра.

позволяет сделать вывод о возможности диффузии алюПоверхность имела волнистый профиль с характерной миния в полированную поверхность кремния при терамплитудой 30-60 и периодом 200 µm. Посколь- мообработке по методу открытой трубы в окисляющей ку длиннопериодная микрошероховатость поверхности среде. При этом источник диффузии располагается на пластин является причиной упругого искажения кри- интерфейсе сращиваемых пластин.

сталлической решетки вблизи границы сращивания, то 2) Исследование структурного качестс целью снижения упругих напряжений на поверхность в а. Изображения Si–Si структур, полученные метоодной из пластин каждой пары методом фотолитоградом рентгеновской топографии, состояли из следующих фии наносился искусственный рельеф в виде ортогоосновных компонентов: 1) контраста от регулярной сетнальной сетки канавок [5], параметры которого были ки искусственных полостей, возникающего вследствие равны: ширина канавок — 50 µm, расстояние между изгиба плоскостей решетки вблизи границы полость– боковыми стенками ближайших канавок — 200 µm и непрерывный интерфейс [5]; 2) волнообразных усиления глубина канавок — 0.3-0.5 µm. Перед сращиванием и ослабления отраженной интенсивности, обусловлензеркально полированные пластины подвергались станных присутствием вблизи границы сращивания областей дартной отмывке и гидрофилизации с последующей просжатия–разжатия и локальной разориентации кристаллимывкой в деионизованной воде с удельным сопротивлеческой решетки. Контраст первого типа характерен для нием 18 M · cm.

контакта между гладкой поверхностью и поверхностью Были исследованы два типа структур, различающихся с искусственным рельефом. Волнообразный контраст деспособом приведения пластин в первоначальный контакт:

монстрируют все разновидности сращиваемых структур.

1) в деионизованной воде, 2) в 0.5-1 wt.% водном Его причина в том, что формирование границы сращиварастворе нитрата алюминия Al(NO3)3, являвшемся ис- ния между неидеально плоскими поверхностями сопроточником диффузии Al в кремний в процессе высоко- вождается возникновением упругих напряжений [4]. Там, температурной термообработки. Отжиг образцов прово- где нет сцепления между пластинами, нет и волнообраздился на воздухе при температуре 95C в течение 5 h, ного контраста, и это свойство рентгеновской дифракциа затем в течение 5 h при температуре 1250C. При онной топографии (РДТ) изображений используется для соединении пластин их кристаллографическое соответ- обнаружения несросшихся участков или пузырей.

ствие не соблюдалось. Диффузионный профиль алюминия измерялся с помощью автоматизированной установки типа SRM-3.

Структурное качество Si–Si композиций исследовалось методами рентгеновской дифракционной топографии (РДТ) [8]. Среди всех неразрушающих методов контроля непрерывности границы сращивания рентгеновская топография является самым чувствительным методом. Разрешение метода составляет 10 µm. Нами использовались методы проекционной топографии в геометриях прохождения и отражения. Кроме того, непрерывность границы сращивания была исследована при помощи сканирующей электронной микроскопии (SEM).

Для этого из образцов были приготовлены поперечные срезы.

Для исследования распределения дефектов по толщине структур образцы обоих типов, приготовленные в виде полированных ковых шлифов, были обработаны в Рис. 1. Профили распределения концентрации алюминия травителе: H2O: HF(безводная) : CrO3 = 1: 0.4: 0.2 и про- (сплошная кривая) и листового сопротивления (штриховая) по изведен подсчет ямок травления. толщине Si–Si структур (расстояние от границы сращивания).

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Прямое сращивание кремниевых пластин с одновременным формированием диффузионных слоев На рис. 2 представлена типичная рентгеновская топограмма такой структуры, демонстрирующая непрерывность границы сращивания. РДТ исследование большого количества образцов, соединенных в растворе нитрата алюминия в сравнении с образцами, соединенными в деионизованной воде, показало, что соединение пластин в растворе Al(NO3)3 заметно улучшало непрерывность границы сращивания. По топограммам (рис. 3, 4) можно проследить, как проводилось сравнение степени сплошности исследуемых композиций. На рис. 3, a показан образец с диффузией Al, сращивание которого прошло успешно. В другом образце (рис. 3, b, соединение в H2O) видны пузыри, некоторые из которых отмечены стрелками. На рис. 4, a можно видеть увеличенное изображение дефектного участка второго образца и результат его компьютерной обработки (рис. 4, b). Повышение контраста, достигнутое с помощью фильтрации изображеРис. 2. Рентгеновская дифракционная топограмма всей площади Si–Si структуры с диффузией Al в процессе сращивания.

Метод Ланга, отражение 2–0.2, Mo K.

Рис. 3. Рентгеновские топограммы ПСК структур, полученных соединением пластин Si в растворе Al(NO3)3 (a) и в H2O (b).

Метод Ланга, отражение 2–0.2, Mo K.

По рентгеновским данным Si–Si структуры, соРис. 4. Увеличенное изображение (a) дефектного участка единение которых производилось в 0.5-1% раствообразца, показанного на рис. 3, b и результат компьютерной ре Al(NO3)3, имели высокое структурное качество. обработки изображения (b).

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 48 И.В. Грехов, Л.С. Костина, Т.С. Аргунова, Е.И. Белякова, Н.М. Шмидт, К.Б. Костин, Е.Д. Ким, С.Ч. Ким Результаты измерений доли сросшейся площади Sbond = =(1 - Svoid/Ssample),% Интервал Число случаев, когда отсчет Sbond,% попадает в интервал Соединение 80–85 в H2O 85–90 90–95 95–100 Соединение 88–92 в растворе 92–96 Al(NO3)3 96–100 ния, позволило количественно оценить долю сросшейся площади в исследованных структурах. Для этого на экране компьютера на отфильтрованное изображение (рис. 4, b) накладывалось изображение мелкоячеистой сетки и производился подсчет числа ячеек, заполненных изображениями сросшихся и несросшихся участков.

Результаты измерений доли сросшейся площади для 56 образцов, соединенных в воле, и 37 образцов, соединенных в растворе алюминиевой соли, были представлены в виде гистограмм (рис. 5, a, b). В таблице приведены данные, использованные при построении графиков. Из рисунков следует, что для структур, соединенных в растворе алюиминиевой соли, сплошность близка к 100%, тогда как сплошность образцов, соединенных в воде, примерно на 8% ниже.

Из рентгеновских топограмм было видно, что некоторые из традиционных образцов имели яркость волнообразного контраста ниже, чем образцы с диффузией Al. Этот факт можно объяснить более высокой прочностью модифицированных образцов, поскольку повышение уровня упругих напряжений, сопровождающееся усилением контраста, есть следствие более сильной связи между атомами контактирующих пластин с неидеально гладкой поверхностью [4].

По данным SEM исследования, граница раздела Si–Si Рис. 5. Гистограммы, представляющие долю сросшейся пло- структур, которые приводились в первоначальный конщади Sbond = (1 - Svoid/Ssample)% для образцов, полученных такт путем соединения в воде, содержала микрополости соединением пластин Si в H2O (a) и Al(NO3)3 (b).

с нерегулярным (пузыри) и регулярным (канавки) распределением, тогда как образцы, соединенные в растворе Al(NO3)3, демонстрировали практически полное зарастание полостей (рис. 6). Исследование распределения дефектов показало, что плотность ямок травления на полированной поверхности косого шлифа вблизи непрерывного интерфейса для обоих типов исследуемых структур была примерно одинаковой и не превышала 104 cm-2.

Обсуждение результатов Полученные результаты могут быть объяснены на Рис. 6. SEM изображение Si–Si образца, полученного соеди- основании модели сращивания гидрофильных поверхнонением пластин в растворе Al(NO3)3.

стей, предложенной в [1]. Известно, что для гидроЖурнал технической физики, 2001, том 71, вып. Прямое сращивание кремниевых пластин с одновременным формированием диффузионных слоев фильных поверхностей естественного и термического микрошероховатость не превышает 3.5. При повышеокислов кремния характерно наличие силанольных групп нии температуры в интервале 300-700C имеет место Si–OH взаимодействующих с молекулами воды, адсорби- процесс полимеризации — образования силоксановых рованными на поверхности пластин путем образования Si–O–Si связей и ухода молекул воды из области инводородных связей между гидроксильными OH группа- терфейса, сопровождающийся сужением зазора между ми. При приведении пластин в контакт при комнатной пластинами от 1.6. При дальнейшем нагреве до 1000C температуре прямое соединение происходит за счет фор- и выше силоксановые связи заменяются на Si–Si ковамирования цепочек из OH звеньев, связанных между лентные, а заполнение оставшихся микрополостей прособой водородными связями (рис. 7, a) [9] исходит за счет диффузии атомов по границе и вязкого течения окисла.

SiOH : (OH2)2(OH2)2 : HOSi.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.