Si O 2 Anisotropic etching in 100 silicon

Si. O 2 Anisotropic etching in (100) silicon to form V-grooves Etch rates of (100), (110) and (111) silicon as a function of temperature. The etch rate ratio of (110): (100): (111) = 50: 30: 1 at 100 o. C d = W/2 tg 54. 7 o 0. 7 W

Si. O 2 Моно-Si <100> А А 1. Окисление монокристаллического кремния. 4. Удаление защитного слоя Si. O 2 и новое окисление. Поли-Si А Si. O 2 А Моно-Si 2. Формирование в SIO 2 окон заданной топологии. 5. Осаждение слоя поли-Si для заполнения V-образных канавок и формирования подложки. А 3. Анизотропное травление в растворе КОН V-образных канавок в кремнии “карманы” из моно-Si, разделенные слоем Si. O 2 Подложка из поли-Si 6. Формирование готовой КСДИ-структуры удалением слоя моно-Si до вскрытия “карманов”

R - резистивный делитель p-n переход S - сигнальная шина Многоэлементный позиционно-чувствительный датчик, сформированный с использованием КСДИ-структуры

The energy content of covalent and two van der Waals bonds vs the distance between atoms

+ 0. 1 -0. 4 Эв + - H F H O H N Si-Si 1. 9 Эв Si-O 4. 5 Эв H : O H Структурированная вода образует «мосты» между пластинами Si + H Частичный перенос электронной плотности : O H H H+ +: N H H N H + H H F H Si – OH силанольная группа Si-O-Si (термич. ) = 144 o Si-O-Si (естествен. ) = 130 o

Гидрофильные поверхности Si-OH 1) Si-OH : (H 2 O)2 : HO-Si (20 о. С) 2) Si-OH : (H 2 O)2 : HO-Si Si-OH: : HO-Si + 4 H 2 O (150 о. С) 3) Si-OH: : HO-Si Si-O-Si + H 2 O (до 800 о. С) 4) Si-O-Si Si-Si + O ( 800 о. С) Образования водородных связей между молекулами воды на противоположных поверхностях Водородные связи между молекулами воды заменяются на водородные связи между силанольными группами Водородные связи заменяются более сильными ковалентными, то есть силанольные связи преобразуются в более прочные силоксановые. Однако площадь, на которой произошло сращивание, является ограниченной из-за микро-неоднородностей. Расширение контактной площади.

a) Bonding via HF molecules, b) Bonding via H & F atoms with van der Waals forces, c) Si-Si bonding formed after high-temperature annealing

Гидрофобные поверхности Si-H 1) Формирование водородных связей между молекулами HF, практическое отсутствие каких-либо реакций на поверхности пластин. (20 – 150 о. С) 2) Si – H и Si – F связи (150 – 300 о. С) Перестройка и десорбция молекул HF на поверхностях пластин, их взаимодействие с поверхностью кремния, приводящее к увеличению плотности водородных связей. 3) Si – H + H – Si + H 2 (300 – 700 о. С) Уход молекул HF и H 2 и образование ковалентных Si – Si связей 4) Залечивание микрополостей (>700 о. С)

Энергия связи. Поверхностная энергия 1. Метод разрыва с помощью лезвия (The crack opening method) где, E – модуль Юнга, tb – толщина лезвия, d - толщина пластин, L - длина разлома. Недостатки – низкая точность в хрупких материалах из-за L 4 2. Испытание на растяжение (Pulling test) Удобно для маленьких образцов. 3. Испытание на вспучивание (Blister test) где a – радиус отверстия, E – модуль Юнга для верхней пластины, Pf –давление, необходимое для разрыва пластин, tw – толщина верхней пластины 4. Контроль с помощью травления в HF Сканирующая электронная микроскопия захоронненого окисла после 10 минутного травления в 50% HF. Одинаковая скорость травления сращенного интерфейса и поверхности окисла свидетельствует о хорошем качестве сращивания Сканирующая электронная микроскопия захороненного окисла после 10 минутного травления в 50% HF. Большая скорость травления сращенного интерфейса свидетельствуют о слабом сращивании.

Энергия связи, Поверхностная энергия при сращивании гидрофильных Si/Si поверхностей как функция времени отжига при 43 и 110 о. С Поверхностная энергия при сращивании гидрофобных Si/Si поверхностей как функция времени отжига при 180 и 300 о. С

Зависимость поверхностной энергии насыщения от температуры отжига при сращивании гидрофильных и гидрофобных поверхностей кремния

Требования к качеству поверхности 1. Чистые (грязь, воздух) 2. Ровные (плоскостность) 3. Гладкие (шероховатость) Морфология пластин Упругая деформация Схематическое изображение взаимной деформации пластин при сращивании a) Поверхность пластин перед сращиванием; b) Контраст изображения рентгено-дифракционного исследования структуры после сращивания при комнатной температуре; c) Контраст изображения рентгено-дифракционного исследования той же структуры после высокотемпературного отжига.

The energy content of covalent and two van der Waals bonds vs the distance between atoms

Методы контроля шероховатости сращиваемых пластин 1. Микроскоп атомных сил 2. Профилометрия а) Контактная (аналог микроскопа атомных сил) в) Бесконтактная (на основе интерферометрии) 3. Контроль посторонних частиц (основан на сканировании поверхности высокоинтенсивным светом и рассеянием света на посторонних частицах)

Дефекты и контроль качества интерфейса Рентгено-дифракционный метод Инфракрасная фотометрия Электрофические свойства границы раздела Si-Si для многослойных сильноточных приборов Дефекты, загрязнения, Si. O 2 потенциальный барьер n/n p/p омические ВАХ p-n переходы более жесткие требования

Различные варианты формирования интерфейсов Затвор n+ n+ Si. O 2 моно Si Si подложка n+ моно Si Si. O 2 Si подложка моно Si Si подложка n+ Si. O 2 Параметры сформированных приборов соответствуют ростовому монокристаллическому кремнию. Освоен промышленный выпуск структур SOI для изготовления сверхбольших интегральных схем и МОП-приборов.

Изготовление силовых высоковольтных диодов a – структура диода, полученного методом прямого сращивания b – структура диффузионного диода = 200 Ом см р = 0. 005 Ом см N Преимущества -снижение временных и энергозатрат -кристаллическое совершенство слоев -широкий диапазон толщины и сопротивления -формирование резких переходов -создание тонкобазовых структур на подложках Прямые ВАХ диода, полученного методом прямого сращивания (1) и диффузионного диода (2)

Изготовление тиристора с захороненными р+ областями (a) the diffusion of wafer 1; (b) the diffusion of the gate body; (c) the direct bonding of the two wafers; (d) the final structure of SITH. Электрофизические параметры тиристора Прямое блокирующее напряжение, В 1000 -1200 Напряжение пробоя на управляющем электроде, В 25 -45 Падение напряжения во включенном состоянии при токе = 5 А, В ) <0. 5 Максимальная амплитуда тока, А 30 Время включения, мкс 0. 2 -0. 5 Время выключения, мкс 1. 2 -3

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ h h моно p-Si p+ слой n+ слой силумин термокомпенсатор контактная сетка Солнечный элемент с вертикальными p-n переходами Традиционная структура солнечного элемента Преимущества солнечных элементов с вертикальными p-n переходами по сравнению с планарной конструкцией: 1. Отсутствуют взаимно противоречивые требования к слоевому сопротивлению эмиттера, спектральной чувствительности, площади контактной сетки. 2. Поскольку на фронтальной и тыльной поверхности таких солнечных элементов нет металлизации, они прозрачны в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения. Поэтому их равновесная рабочая температура должна быть ниже, чем у планарного аналога. 3. Являются двусторонними и могут служить составной частью каскадных солнечных элементов. 4. Генерируют, в отличие от планарных, высокое напряжение и малый ток при той же мощности. Повышается эффективность батареи, собранной из таких элементов, за счет снижения потерь, возникающих при создании сильноточных элементов.

I, m. A КПД = 12 -14% 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0. 1 Спектральные характеристики Si солнечных элементов с 2 -мя вертикальными p-n переходами. (1) внутренний-, (2) внешний квантовый выход, (3) к-т отражения 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 Нагрузочные характеристики Si солнечных элементов с 2 -мя вертикальными p-n переходами, сформированных твердофазным прямым сращиванием U, B

Гетеропереходы Gex. Si 1 -x/Si, сформированные методом ТПС Сильноточные полупроводниковые приборы на основе гетеропереходов Gex. Si 1 -x/Si Рентгеновская топограмма, полученная от структуры Gex. Si 1 -x/Si - биполярные мощные быстродействующие транзисторы, - высокочастотные транзисторы, - pin-диоды, - полевые транзисторы, - интегральные схемы для работы на больших частотах Распределение интенсивности рентгеновского излучения, отраженного искаженной решеткой неоднородно Преимущества твердых растворов Gex. Si 1 -x, - меньшая, чем у кремния, ширина запрещенной зоны; - большая, чем у кремния, подвижности носителей заряда; - мощность и быстродействие Изображения поперечных срезов структур Gex. Si 1 -x/Si, полученные методом сканирующей электронной микроскопии. 1 -интерфейс, 2 – искусственные полости на интерфейсе Вольт-амперные характеристики диодов: а – прямые ; в - обратные

Smart-Cut process В 1983 г. Предложен способ формирования тонких монокристаллических пленок из кремния и германия, методом «газового скалывания» в процессе термообработки. Основан на следующих основных процессах: 1. Создание с помощью ионной имплантации микроскопических объемных дефектов, содержащих водород; 2. Трансформация посредством термообработки созданных микродефектов в газовые поры, вызывающие объемные изменения легированного слоя; 3. Возникновение напряжений, превышающих предел прочности материала и инициирующих хрупкое скалывание материала вдоль линии проективного пробега ионов. 4. Скалывание тонкого слоя материала подложки по системам макродефектов по всей площади. 5. Послерадиационный отжиг отщепленного слоя, способствующий уничтожению радиационно-индуцированных повреждений.

Smart-Cut process

ИЗМЕНЯЯ ЭНЕРГИЮ ИОНОВ МОЖНО ЛЕГКО ВАРЬИРОВАТЬ ТОЛЩИНУ СКАЛЫВАЕМОЙ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ H+ implant energy (Ke. V) (атомный скальпель) Device layer thickness (µm) 10 0. 1 50 0. 5 100 0. 9 150 1. 2 200 1. 6 500 4. 7 1000 13. 5 Промежуточная структура из 10 -мкм слоя кремния на кварце для изготовления трехмерной интегральной схемы. 200 мм. Получена в результате Smurt-Cut процесса после удаления кремниевой подложки.

Промышленный выпуск слоев 0. 1 мкм на подложках 300 мм Использование структур SOI (КНИ) толщиной 30 -50 нм для УБИС и одноэлектронных приборов выдвигает очень высокие требования к улучшению свойств границы Si/Si. O 2 и уменьшению толщины переходного слоя. Метод Dele. Cut Отличие Dele. Cut от Smart Cut - перед соединением пластин слой окисла на рабочей пластине стравливается Dele. Cut Smart Cut Dele. Cut использует в качестве скрытого диэлектрика термический окисел на необлученной пластине, что обеспечивает ряд преимуществ: - позволяет избежать радиационных повреждений окисла; - граница сращивания практически не имеет переходного слоя, позволяя получать слои кремния до 3 -5 нм; - позволяет получить электрофизически совершенную границу сращивания

РЕЗУЛЬТАТЫ • - Воспроизводимое получение бездефектных слоев различной толщины с минимальным разбросом по удельному сопротивлению и толщине с надежной диэлектрической изоляцией. • -Возможность изготовления многослойных композиций, содержащих не только кремний, но и другие полупроводниковые материалы, с целью использования каждого из них при разработке приборов различного назначения (многослойных структур Ge/Si, Gex. Si(1 -x)/Si, тонких монокристаллических слоев А 3 В 5, А 2 В 6, структур Ge на А 3 В 5 и А 2 В 6 др. ) ПРИМЕНЯЕТСЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ: - Сенсоров давления с ультратонкой мембраной - Акселерометров – Датчиков угловой скорости (гироскопов) - 3 -х мерных приборов - Микромеханических систем (MEMS) - МОП – транзисторов - Биполярных транзисторов с тонкой базой