RU2139595C1 - Method for producing silicon-on-insulator structures - Google Patents
Method for producing silicon-on-insulator structures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2139595C1 RU2139595C1 RU98105372/28A RU98105372A RU2139595C1 RU 2139595 C1 RU2139595 C1 RU 2139595C1 RU 98105372/28 A RU98105372/28 A RU 98105372/28A RU 98105372 A RU98105372 A RU 98105372A RU 2139595 C1 RU2139595 C1 RU 2139595C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- silicon
- layer
- thickness
- structures
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано для создания структур "кремний на изоляторе", предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных схем, стойких к воздействию дестабилизирующих факторов, например, к радиации. The invention relates to the field of production of semiconductor devices and can be used to create structures "silicon on the insulator", intended for the manufacture of discrete devices and integrated circuits that are resistant to destabilizing factors, for example, radiation.
Известен способ формирования структур "кремний на изоляторе" путем глубокой имплантации ионов кислорода и(или) азота с большой (выше 1018 см-2) дозой в кремниевую пластину с последующим высокотемпературным отжигом, при котором в имплантированном слое протекают химические реакции образования диоксида, нитрида или оксинитрида кремния [1]. Образовавшийся диэлектрический слой изолирует тонкий приповерхностный слой кремния, в котором затем формируют приборные структуры (т. н. , приборный слой), от остальной части кремневой пластины, выполняющей роль пластины-носителя.A known method of forming structures "silicon on the insulator" by deep implantation of oxygen and (or) nitrogen ions with a large (above 10 18 cm -2 ) dose in a silicon wafer, followed by high-temperature annealing, in which chemical reactions of the formation of dioxide, nitride proceed in the implanted layer or silicon oxynitride [1]. The resulting dielectric layer isolates a thin surface silicon layer, in which the device structures (the so-called device layer) are then formed from the rest of the silicon wafer, which acts as a carrier plate.
Основной недостаток способа [1] состоит в том, что для его реализации необходимо внедрение в кремний высоких (не менее стехиометрических) доз ионов кислорода (азота), достижение которых требует большой длительности облучения и сопровождается генерацией высокой концентрации радиационных дефектов, частично сохраняющихся после отжига и ухудшающих качество приборных слоев структур. The main disadvantage of the method [1] is that its implementation requires the incorporation into silicon of high (at least stoichiometric) doses of oxygen (nitrogen) ions, the achievement of which requires a long exposure time and is accompanied by the generation of a high concentration of radiation defects, partially preserved after annealing and degrading the quality of the instrument layers of structures.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ формирования структур "кремний на изоляторе", включающий термокопрессионное соединение окисленных рабочей кремниевой пластины с пластиной-носителем и последующее абразивно-химическое утонение рабочей пластины до заданной толщины приборного слоя [2]. Термокомпрессионное соединение пластин с предварительно выращенным на них слоем диоксида кремния толщиной от долей до единиц микрометров обычно проводят при температурах 1200 - 1400 К, выдерживая их определенное время в сжатом состоянии при давлениях, не выше 0,1 ГПа. Затем одну из пластин (рабочую) склеенной структуры утоняют до заданной толщины, определяемой конструкцией полупроводникового прибора или интегральной схемы, путем последовательного абразивного шлифования, полирования и химико-механического полирования. Структуры, сформированные термокомпрессионным соединением пластин кремния через диэлектрический слой, широко используются для производства радиационно-стойких схем и изделий силовой микроэлектроники. The closest technical solution to the claimed is a method of forming structures "silicon on the insulator", including thermocompression connection of the oxidized working silicon wafer with the carrier plate and the subsequent abrasive-chemical thinning of the working plate to a given thickness of the instrument layer [2]. The thermocompression connection of the plates with a layer of silicon dioxide pre-grown on them with a thickness from fractions to units of micrometers is usually carried out at temperatures of 1200 - 1400 K, keeping them for a certain time in a compressed state at pressures not higher than 0.1 GPa. Then one of the plates (working) of the glued structure is thinned to a predetermined thickness, determined by the design of the semiconductor device or integrated circuit, by sequential abrasive grinding, polishing and chemical-mechanical polishing. Structures formed by thermocompression bonding silicon wafers through a dielectric layer are widely used for the production of radiation-resistant circuits and products of power microelectronics.
Недостатком способа [2] является высокая по сравнению с исходной концентрация структурных дефектов в приборном слое. Эти дефекты возникают при термокомпрессионном соединении пластин, но особенно интенсивно этот процесс протекает при абразивном утонении рабочей пластины, прежде всего, за счет трансформации исходных дефектов под действием локально больших механических напряжений в зоне контакта абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью. В результате действия таких напряжений в приборном слое: увеличивается концентрация и размеры кластеров точечных дефектов; кластеры по мере роста превращаются в дислокационные петли; активируются процессы консервативного и неконсервативного размножения дислокации и т.д. В итоге, наличие дефектов приводит к ухудшению качества приборных слоев структур "кремний на изоляторе" и, в частности, к снижению радиационной стойкости интегральных схем, изготовленных на таких структурах. The disadvantage of this method [2] is a high concentration of structural defects in the instrument layer compared to the initial one. These defects occur during the thermocompression connection of the plates, but this process is especially intense during the abrasive thinning of the working plate, primarily due to the transformation of the initial defects under the influence of locally large mechanical stresses in the contact zone of the abrasive particles with the treated surface. As a result of the action of such stresses in the instrument layer: the concentration and size of clusters of point defects increases; clusters as they grow turn into dislocation loops; the processes of conservative and non-conservative propagation of dislocation are activated, etc. As a result, the presence of defects leads to a deterioration in the quality of the instrument layers of the silicon-on-insulator structures and, in particular, to a decrease in the radiation resistance of integrated circuits fabricated on such structures.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение качества приборных слоев структур "кремний на изоляторе" за счет снижения их дефектности. The technical result of the proposed method is to improve the quality of the instrument layers of the silicon-on-insulator structures by reducing their defectiveness.
Технический результат достигается тем, что в способе формирования структур "кремний на изоляторе", включающем термокомпрессионное соединение окисленных рабочей кремниевой пластины с пластиной-носителем и абразивно-химическое утонение рабочей пластины до заданной толщины приборного слоя, перед термокомпрессионным соединением в рабочей пластине путем циклического отжига в инертной среде формируют внутренний геттер и геттерируют от примесей и дефектов приповерхностный слой пластины на глубину не менее толщины приборного слоя. The technical result is achieved by the fact that in the method of forming "silicon on the insulator" structures, comprising thermocompression bonding of the oxidized silicon wafer to the carrier wafer and abrasive-chemical thinning of the wafer to a predetermined thickness of the instrument layer, before the thermocompression bonding in the wafer by cyclic annealing in in an inert medium, an internal getter is formed and getter from impurities and defects the surface layer of the plate to a depth not less than the thickness of the instrument layer.
Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что перед термокомпрессионным соединением в рабочей пластине путем циклического отжига в инертной среде формируют внутренний геттер и геттерируют от примесей и дефектов приповерхностный слой пластины на глубину не менее толщины приборного слоя. A new, undetected in the analysis of patent and scientific and technical literature, in the claimed method is that before the thermocompression connection in the working plate by cyclic annealing in an inert medium, an internal getter is formed and the surface layer of the plate getters from impurities and defects to a depth not less than the thickness of the instrument layer .
Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что сформированный циклической термообработкой в инертной среде внутренний геттер очищает от фоновых примесей (атомы металлов, кислорода и углерода) и дефектов, прежде всего, ростовых и технологических микродефектов - кластеров, приповерхностные области рабочей пластины до ее соединения с пластиной-носителем. Вследствие этого существенно снижается вероятность дефектообразования при термокомпрессионном соединении пластин, а главное, - при следующем утонении рабочей пластины. Поскольку по заявляемому способу при геттерировании очищается приповерхностный слой рабочей пластины на глубину не менее толщины приборного слоя, которая задается конкретной конструкцией создаваемого в нем прибора, то это обеспечивает низкую по сравнению с исходной остаточную дефектность, в частности, за счет подавления возможных каналов перераспределения (например, путем неконсервативного или консервативного перемещения) структурных дефектов. Проведение циклического отжига в инертной среде препятствует возникновению в кремнии новых дефектов, прежде всего, окислительных дефектов упаковки в приборном слое. The technical result in the implementation of the proposed method is achieved due to the fact that the internal getter formed by cyclic heat treatment in an inert medium cleans of background impurities (metal, oxygen and carbon atoms) and defects, primarily growth and technological microdefects - clusters, the surface areas of the working plate to its connection to the carrier plate. As a result of this, the likelihood of defect formation during thermocompression connection of the plates is significantly reduced, and most importantly, during the next thinning of the working plate. Since according to the claimed method, during gettering, the surface layer of the working plate is cleaned to a depth not less than the thickness of the instrument layer, which is determined by the specific design of the device created in it, this ensures low residual imperfection compared to the initial one, in particular, by suppressing possible redistribution channels (for example , by non-conservative or conservative movement) of structural defects. Cyclic annealing in an inert medium prevents the appearance of new defects in silicon, first of all, oxidative packaging defects in the instrument layer.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. По стандартным абразивным и химическим технологиям готовят поверхность кремниевых пластин до требуемого класса чистоты. После очистки пластин от продуктов обработки и загрязнений на их поверхности выращивают слой диоксида кремния, например, термическим окислением в атмосфере сухого кислорода. Толщину пленки диоксида кремния задают в соответствии с конкретной конструкцией создаваемого прибора и условиями его эксплуатации, т.е. сообразно требованиям по его стойкости к дестабилизирующим воздействиям. Далее в рабочих пластинах, т.е., на которых будут изготавливаться приборы, любым из известных методов циклической термообработки [3] формируют слой внутреннего геттера, очищающего приповерхностные слои пластин от фоновых примесей и дефектов. Внутренний геттер, состоящий из включений второй фазы, кластеров точечных дефектов и дислокационных петель, формируют, например, путем последовательного отжига пластин в инертной атмосфере (аргон, азот) сначала при высоких температурах 1370 - 1470 K (I стадия), затем при пониженных 1000 - 1100 K (II стадия) и вновь при повышенных 1370 - 1470 K (III стадия). Длительность отжига (обычно не менее 5 часов) на каждой стадии определяется предварительно экспериментально для каждого типа пластин, т.е. для конкретного примесно-дефектного состава исходного кремния, в зависимости от глубины очищенной геттером приповерхностной зоны, которая должна быть не менее толщины приборного слоя, задаваемой конструкцией изготавливаемого прибора. Все известные на сегодня варианты методов внутреннего геттерирования [3] позволяют в широких пределах варьировать степень очистки и глубину очищенной области в кремниевых пластинах за счет изменений температур и длительности циклического отжига на каждой из стадий. Число последних также может варьироваться в соответствии с технологической и экономической целесообразностью. Последнее означает, например, что последнюю стадию геттерирования можно совместить с операцией термокомпрессионного соединения рабочей пластины и пластины-носителя. После формирования внутреннего геттера осуществляют термокомпрессионное соединение пластин, например, в вакууме или температурах 1200 -1400 K при нормальной к поверхности нагрузке, не превышающей 0,1 ГПа, в течение 2 - 5 часов. Далее рабочую пластину утоняют до заданной конструкцией создаваемого прибора толщины путем последовательного абразивного шлифования, полирования и химико-механического полирования. После очистки полученных структур от загрязнений и контроля геометрических и физических параметров их передают на следующую операцию технологического маршрута изготовления интегральных приборов. The inventive method is as follows. Using standard abrasive and chemical technologies, the surface of silicon wafers is prepared to the required cleanliness class. After cleaning the plates from the processed products and contaminants, a layer of silicon dioxide is grown on their surface, for example, by thermal oxidation in an atmosphere of dry oxygen. The thickness of the film of silicon dioxide is set in accordance with the specific design of the created device and its operating conditions, i.e. in accordance with the requirements for its resistance to destabilizing effects. Further, in the working plates, that is, on which the devices will be manufactured, by any of the known methods of cyclic heat treatment [3] they form an inner getter layer that cleans the surface layers of the plates from background impurities and defects. An internal getter, consisting of second-phase inclusions, clusters of point defects and dislocation loops, is formed, for example, by sequentially annealing the plates in an inert atmosphere (argon, nitrogen), first at high temperatures of 1370 - 1470 K (stage I), then at low 1000 - 1100 K (stage II) and again at elevated 1370 - 1470 K (stage III). The duration of annealing (usually at least 5 hours) at each stage is determined previously experimentally for each type of plate, i.e. for a specific impurity-defective composition of the initial silicon, depending on the depth of the surface zone purified by the getter, which should be not less than the thickness of the instrument layer specified by the design of the manufactured instrument. All currently known variants of the methods of internal gettering [3] allow a wide variation of the degree of purification and the depth of the purified region in silicon wafers due to temperature changes and the duration of cyclic annealing at each stage. The number of the latter may also vary in accordance with technological and economic feasibility. The latter means, for example, that the last gettering stage can be combined with the operation of thermocompression connection of the working plate and the carrier plate. After the formation of the internal getter, thermocompression bonding of the plates is carried out, for example, in vacuum or at temperatures of 1200-1400 K at a load normal to the surface, not exceeding 0.1 GPa, for 2-5 hours. Next, the working plate is thinned to the thickness specified by the design of the device being created by sequential abrasive grinding, polishing and chemical-mechanical polishing. After cleaning the resulting structures from contamination and controlling the geometric and physical parameters, they are transferred to the next operation of the technological route for the manufacture of integrated devices.
Пример практической реализации заявляемого способа. An example of a practical implementation of the proposed method.
Исследовали остаточную дефектность приборных слоев структур "кремний на изоляторе", изготовленных по способу-прототипу [2] и заявляемому термокомпрессионным соединением пластин кремния марки КДБ - 12 (001) с исходной толщиной 460 мкм. Основным типом дефектов в исходных пластинах были микродефекты, средняя плотность которых по результатам селективного химического травления в травителе Сиртла CrO3 : HF = 1:1 с надежностью 0,95 составляла (6,7 ±2,2) 105 см-2, а дисперсия по поверхности пластин -2,96 • 105 см-2. Измерения плотности микродефектов по числу ямок травления проводили не менее, чем по 20 полям зрения металлографического микроскопа.We studied the residual defectiveness of the instrument layers of the silicon-on-insulator structures manufactured by the prototype method [2] and claimed by the thermocompression bonding of silicon wafers of the KDB-12 (001) grade with an initial thickness of 460 μm. The main type of defects in the initial plates were microdefects, the average density of which, according to the results of selective chemical etching in Sirtl's etchant CrO 3 : HF = 1: 1 with a reliability of 0.95, was (6.7 ± 2.2) 10 5 cm -2 , and the dispersion on the surface of the plates -2.96 • 10 5 cm -2 . The density of microdefects was measured by the number of etching pits in no less than 20 fields of view of a metallographic microscope.
Общими технологическими операциями при изготовлении обеих партий, содержащих 18 структур "кремний на изоляторе", были:
- абразивно-химическая подготовка поверхности исходных пластин по стандартной технологии;
- окисление при температуре 1300 K в потоке кислорода с чередованием сухой-влажный-сухой для выращивания пленки диоксида кремния на поверхность толщиной 1,5 - 1,8 мкм;
- термокомпрессионное соединение пластин в вакууме 10-4 мм рт.ст. при температуре 1270 K с выдержкой под нагрузкой 0,08 - 0,1 ГПа в течение 2 часов;
- абразивно-химическое утонение рабочей пластины, включающее обработку связанным абразивом АСМ 40/28 (съем материала 60%), алмазными пастами АСМ - 3 (съем - 20%) и АСМ-1 (съем - 10%) и финишную химико-механическую полировку щелочной суспензией аэросила до толщины приборного слоя 10 мкм;
- селективное травление в растворе Сиртла и определение плотности остаточных микродефектов в приборном слое на глубине 3,5 - 5,5 мкм.The general technological operations in the manufacture of both batches containing 18 silicon-on-insulator structures were:
- abrasive-chemical preparation of the surface of the source plates according to standard technology;
- oxidation at a temperature of 1300 K in an oxygen stream with alternating dry-wet-dry for growing a film of silicon dioxide on a surface with a thickness of 1.5 - 1.8 microns;
- thermocompression connection of the plates in a vacuum of 10 -4 mm RT.article at a temperature of 1270 K with holding under a load of 0.08 - 0.1 GPa for 2 hours;
- abrasive-chemical thinning of the working plate, including processing with bonded abrasive АСМ 40/28 (removal of material 60%), diamond pastes АСМ - 3 (removal - 20%) and АСМ-1 (removal - 10%) and finishing chemical-mechanical polishing alkaline suspension of Aerosil to a thickness of the instrument layer of 10 μm;
- selective etching in Sirtla solution and determination of the density of residual microdefects in the instrument layer at a depth of 3.5 - 5.5 microns.
Рабочие пластины структур, изготовленных по заявляемому способу, дополнительно перед термокомпрессионным соединением подвергали трехстадийному отжигу в потоке осушенного аргона сначала при температуре 1370 ± 20 K в течение 6 часов, затем при T = 1120 ± 20 K в течение 12 часов и на заключительной стадии - при T = 1370 ± 20 K в течение 8 и 20 часов. При отжиге на третьей стадии 8 часов глубина очищенной от микродефектов приповерхностной зоны рабочих пластин составляла 8 - 10 мкм, а при отжиге в течение 20 часов - 15 - 19 мкм. Средняя плотность микродефектов в очищенных областях (до термокомпрессионного соединения) по данным селективного травления составляла (7,51 ± 0,14) 103 см-2, а дисперсия 2,85 • 103 см-2. Результаты измерений плотности микродефектов в приборных слоях структур после термокомпрессионного соединения и абразивно-химического утонения приведены в таблице.The working plates of structures manufactured by the present method, in addition to the thermocompression compound, were subjected to three-stage annealing in a stream of dried argon, first at a temperature of 1370 ± 20 K for 6 hours, then at T = 1120 ± 20 K for 12 hours and at the final stage, at T = 1370 ± 20 K for 8 and 20 hours. When annealing in the third stage for 8 hours, the depth of the surface zone of the working plates purified from microdefects was 8–10 μm, and during annealing for 20 hours, it was 15–19 μm. The average density of microdefects in the cleaned areas (before the thermocompression compound) according to the data of selective etching was (7.51 ± 0.14) 10 3 cm -2 , and the dispersion was 2.85 • 10 3 cm -2 . The results of measurements of the density of microdefects in the instrument layers of structures after thermocompression compounds and abrasive-chemical thinning are shown in the table.
Как видно из данных, представленных в таблице, заявленный способ позволяет существенно снизить плотность остаточных микродефектов и их дисперсию в приборных слоях структур по сравнению со способом-прототипом. Причем наиболее эффективно снижение остаточной дефектности происходит в том случае, если глубина прогеттерированной, т. е. очищенной от термокомпрессионного соединения приповерхностной области рабочих пластин, превышает толщину приборного слоя. As can be seen from the data presented in the table, the claimed method can significantly reduce the density of residual microdefects and their dispersion in the instrument layers of the structures compared to the prototype method. Moreover, the most effective reduction of residual defects occurs if the depth of the progetterized, i.e., purified from the thermocompressive connection of the surface region of the working plates exceeds the thickness of the instrument layer.
Литература:
1. Кравченко В. М. , Будько М.С. Современное состояние КНД-технологии/ Зарубежная электронная техника. 1989, N 9 (340),с.17-19.Literature:
1. Kravchenko V. M., Budko M. S. Current state of KND technology / Foreign electronic technology. 1989, N 9 (340), pp. 17-19.
2. Уэбер С. Эффективные методы изготовления СБИС повышенной радиолокационной стойкости /Электроника, 1987, т.60, N 24, c.48-52. (прототип). 2. Weber S. Effective manufacturing methods of VLSI high radar resistance / Electronics, 1987, T. 60, N 24, p. 48-52. (prototype).
3. Немцев Г.З. Пекарев А.И., Чистяков Ю.Д. Очистка кремния от примесей с помощью внутреннего геттера /Микроэлектроника. 1983, т.12, вып.5, с.432-439. 3. Nemtsev G.Z. Pekarev A.I., Chistyakov Yu.D. Purification of silicon from impurities using an internal getter / Microelectronics. 1983, vol. 12, issue 5, pp. 423-439.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98105372/28A RU2139595C1 (en) | 1998-03-18 | 1998-03-18 | Method for producing silicon-on-insulator structures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98105372/28A RU2139595C1 (en) | 1998-03-18 | 1998-03-18 | Method for producing silicon-on-insulator structures |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2139595C1 true RU2139595C1 (en) | 1999-10-10 |
Family
ID=20203803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98105372/28A RU2139595C1 (en) | 1998-03-18 | 1998-03-18 | Method for producing silicon-on-insulator structures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2139595C1 (en) |
-
1998
- 1998-03-18 RU RU98105372/28A patent/RU2139595C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Уэбер С. Эффективные методы изготовления СБИС повышенной радиолокационной стойкости. - Электроника, 1987, т. 60, N 24, с. 48-52. Кравченко В.М., Будько М.С. Современное состояние КНД-технологии. - Зарубежная электронная техника, 1989, N 9 (340), с. 17-19. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2671247B1 (en) | Methods for reducing the metal content in the device layer of soi structures | |
| EP1818971B1 (en) | Method for producing direct bonded wafer | |
| EP1158581B1 (en) | Method for producing soi wafer | |
| EP1635396B1 (en) | Laminated semiconductor substrate and process for producing the same | |
| KR100607186B1 (en) | Method of producing soi wafer by hydrogen ion implanting separation method and soi wafer produced by the method | |
| US6313014B1 (en) | Semiconductor substrate and manufacturing method of semiconductor substrate | |
| WO2014152510A1 (en) | Semiconductor-on-insulator wafer manufacturing method for reducing light point defects and surface roughness | |
| JP2014508405A5 (en) | ||
| US8003494B2 (en) | Method for producing a bonded wafer | |
| KR19990044945A (en) | SOI wafer heat treatment method and SOI wafer heat treated by the method | |
| JP4228419B2 (en) | Manufacturing method of SOI wafer and SOI wafer | |
| RU2139595C1 (en) | Method for producing silicon-on-insulator structures | |
| KR100543252B1 (en) | Soi substrate | |
| US20050227462A1 (en) | Method for manufacturing silicon-on insulator wafer | |
| JPH08293589A (en) | Semiconductor substrate and semiconductor device | |
| JP3452122B2 (en) | Method for manufacturing SOI substrate | |
| KR19980077553A (en) | Bonded S.O.I wafer manufacturing method | |
| JP2003309101A (en) | Manufacturing method for laminated substrate | |
| RU2193256C2 (en) | Silicon-on-insulator structure manufacturing process | |
| RU2137252C1 (en) | Silicon-on-insulator structure manufacturing process | |
| RU2265255C2 (en) | Method for producing silicon-on-insulator structure | |
| RU2151446C1 (en) | Method for producing silicon structures with buried insulating layer | |
| RU2240630C1 (en) | Method for producing silicon films | |
| CN115241059A (en) | Method for producing semiconductor structure with getter | |
| KR20030031616A (en) | A Single Crystal Silicon Wafer having a gettering means and a Method for making thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050319 |