КРЕМНИЕВАЯ СТРУКТУРА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Областью применения полезной модели является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а именно производство кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ).
Известна кремниевая структура с диэлектрической изоляцией, состоящая из кремниевых «карманов», окруженных слоем оксида кремния и поликремниевой подложки (см., например, патент РФ №1116919, кл. H01L 21/76, от 15.04.1994 г., Брюхно Н.А., Жарковский Е.М. и др., Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией для изделий микроэлектроники. Обзор по электронной технике. Сер. 3. Микроэлектроника, 1987)
Основным недостатком этой структуры является то, что при высокотемпературных (более 1000°C) термообработках при наращивании поликремниевой подложки (300-600 мкм), а также высокотемпературных термообработках, связанных с формированием элементов микросхем, происходит рекристаллизация зерен поликремния и за счет уменьшения объема поликремниевой подложки приводит к искривлению всей кремниевой структуры, что затрудняет дальнейшую обработку и снижает выход годных изделий, особенно при использовании структур большого диаметра (100 мм и более).
Указанный недостаток устранен в наиболее близкой к заявляемой кремниевой структуре с диэлектрической изоляцией, состоящей из кремниевых «карманов», окруженных слоем оксида кремния и поликремния, плоскопараллельной шлифованной кремниевой подложки, присоединенной к поликремнию слоем стеклянной фритты, описанная в патенте РФ №2018194, класс H01L 21/76, от 15.08.1994 г.
В такой кремниевой структуре с диэлектрической изоляцией для исключения деформации используется слой поликремния небольшой толщины, обычно 40-100 мкм, в зависимости от глубины изолирующих канавок, а в качестве подложки используется плоскопараллельная кремниевая монокристаллическая пластина ориентации (111) с двусторонней механической шлифовкой и последующим обтравливанием нарушенного слоя. Двухсторонняя механическая шлифовка пластины необходима для того, чтобы гарантировать высокую прочность адгезии стеклянной фритты к подложке и параллельность сторон всей кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией.
Однако наличие на обратной стороне кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией шлифованной стороны подложки часто приводит к накоплению примесей тяжелых металлов на открытой поверхности подложки, в частности, железа и меди. Используя такие пластины при высокотемпературных процессах, примеси с открытой поверхности подложки могут попадать в рабочую сторону, а именно - в изолированные кремниевые «карманы». Т.к. толщина изолированных «карманов» обычно невелика (10-50 мкм), то концентрация примесей тяжелых металлов в изолированных «карманах» может оказаться значительной, что приводит к ухудшению характеристик формируемых полупроводниковых структур, в частности транзисторов.
Техническим результатом данной полезной модели является улучшение воспроизводимости и повешение выхода годных изделий при использовании кремниевых структур с диэлектрической изоляцией за счет уменьшения уровня «загрязнения» примесями тяжелых металлов.
z
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известных кремниевых структур с диэлектрической изоляцией, состоящих из кремниевых «карманов», окруженных слоем оксида кремния и поликремния, плоскопараллельной шлифованной опорной пластины, присоединенной к поликремнию слоем стеклянной фритты, в предлагаемой внешняя сторона подложки обработана до шероховатости не более чем R=0,12 мкм.
z
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что внешняя сторона кремниевой подложки обработана до шероховатости не более чем R=0,12 мкм. При таких значениях шероховатости уровень загрязнения примесями тяжелых металлов значительно уменьшается, за счет уменьшения общей площади поверхности, которая абсорбирует примеси тяжелых металлов.
Значение шероховатости выбрано из следующих соображений: увеличение шероховатости приводит к увеличению накопления загрязнений примесями тяжелых металлов, а уменьшение шероховатости затрудняет обработку пластин и не приводит к существенному улучшению эффекта абсорбции примесей тяжелых металлов.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведена заготовка КСДИ на операции «Полировка внешней стороны кремниевой подложки», на фиг. 2 приведена готовая КСДИ, на фиг. 3 приведена сравнительная диаграмма концентраций примесей тяжелых металлов - железа и меди в готовых КСДИ.
Позициями на фигурах 1-2 обозначены:
1 - исходная пластина;
2 - опорная пластина;
3 - V-образные канавки;
+
4 - n-слой;
5 - слой оксида кремния;
6 - слой поликристаллического кремния;
7 - область спая;
8 - полированная внешняя сторона кремниевой подложки;
9 - изолированные диэлектриком кремниевые «карманы», в которых формируются элементы микросхем.
Ниже описаны основные этапы изготовления предлагаемой кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией.
Для изготовления КСДИ использовали исходные пластины 1 монокристаллического кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 4 Ом·см, диаметром 100 мм, ориентации (100), толщиной 500 мкм, в качестве опорной пластины 2 - пластины монокристаллического кремния ЭКЭС-0.01 ориентации (111) диаметром 100 мм и толщиной 500 мкм.
2
4
z
+
Исходные пластины подвергали двухсторонней химико-механической полировке, опорные - плоскопараллельной двусторонней шлифовке свободным абразивом и щелочному травлению. На исходной пластине 1 (методом анизотропного травления через маску из SiO производили травление V-образных канавок 3 глубиной 37±2 мкм. В рельефную поверхность проводили диффузию мышьяка при температуре 1200°C для получения n-слоя 4 глубиной 6,0±0,5 мкм, термическое и пиролитическое окисление до толщины слоя оксида кремния 5, равного 2,5-4,5 мкм, и осаждение слоя поликристаллического кремния 6 толщиной 70±10 мкм при температуре 1200°C с использованием установки УНЭС-101М методом химического восстановления SiCl в водороде. Полученную структуру подвергали шлифовке связанным абразивом на глубину 20 мкм и травлению в KOH. Затем на полученную структуру и горячую опорную пластину методом пульверизации суспензии наносили слой порошка стеклянной фритты, согласованного по коэффициенту термического расширения с кремнием. После этого опорную пластину и структуру с рельефом соединяли друг с другом так, чтобы осажденное стекло было между ними, зажимали в струбцину с пружинным динамометром и подвергали термообработке в диффузионной печи в потоке азота при постоянном давлении. При температуре спекания 1200°C и времени 60 мин. формируется область спая 7. После склеивания внешняя сторона кремниевой подложки 8 полируется до шероховатости не более чем R=0,12 мкм алмазной пастой АСМ-0,5. Далее спаянные пластины подвергали стандартным технологическим операциям для получения кремниевых структур с диэлектрической изоляцией с изолированным диэлектриком кремниевыми «карманами» 9 (фиг. 2).
z
На фиг. 3 приведены данные обследования масспектроскопическим методом концентраций примесей тяжелых металлов - железа и меди в кремниевых структурах с диэлектрической изоляцией, изготовленных по прототипу и заявляемой. Примеси тяжелых металлов - железо и медь - уменьшают время жизни носителей заряда и увеличивают токи утечки. Предлагаемая кремниевая структура с диэлектрической изоляцией помогает уменьшить уровень загрязнения примесями тяжелых металлов за счет обработки поверхности внешней стороны кремниевой подложки до шероховатости не более чем R=0,12 мкм, поэтому уменьшается общая площадь поверхности, которая абсорбирует примеси тяжелых металлов.
Анализ фиг.3 показывает, что использование заявляемой кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией позволяет уменьшить уровень загрязнения примесями тяжелых металлов и повысить выход годных изделий при использовании кремниевых структур с диэлектрической изоляцией.