RU2267832C1

RU2267832C1 - Method for manufacturing micro- and nanodevices on local substrates

Info

Publication number: RU2267832C1
Application number: RU2004133486/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Принц (RU); Александр Викторович Принц; Виктор Яковлевич Принц (RU); Виктор Яковлевич Принц
Original assignee: Александр Викторович Принц
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-01-10
Also published as: WO2006054915A1

Abstract

FIELD: engineering of semiconductor equipment, technology for use during manufacturing of integral circuits, semiconductor devices or devices on solid body and their parts.

SUBSTANCE: method for manufacturing micro- and nanodevices includes forming additional multi-layer structure, having, at least, substrate, sacrificial layer and layers for manufacturing technical structures, sacrificial layer is removed and film composed of active layers, free from connection to substrate, is transferred onto new substrate, which has different properties than source substrate, while new substrate is made locally, on the same substrate with active layers and technical structures, multi-layer structure is formed to have at least one layer with internal resilient stress, after removal of sacrificial layer in given area, film of active layers is freed from connection to substrate, and under effect from internal resilient stress shape of aforementioned film is altered and than film is transferred onto new local substrate.

EFFECT: possible manufacturing of semiconductor devices, where on same circuit combination of technical structures, positioned on different substrates, is possible, in other words, possible combination on one substrate chip of technical structures, special features of which require positioning on substrates with different properties; possible spatial combination of micro- and nanodevices, which are hard or impossible to manufacture in already combined state; higher precision is possible in comparison to combination of two different substrates, because combination occurs within limits of one plate with use of self-organization processes.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой техники, изготовлению интегральных схем, микроэлектронике, а именно к способам изготовления полупроводниковых приборов или приборов на твердом теле и их частей.The invention relates to the field of semiconductor technology, the manufacture of integrated circuits, microelectronics, and in particular to methods of manufacturing semiconductor devices or devices on a solid and their parts.

Тенденцией современной технологии твердого тела является освоение наноразмеров, увеличение точности изготовления приборов и увеличение плотности упаковки. С уменьшением размеров приборов возрастают требования к материалам подложки и приборов. Уменьшение размеров приводит к увеличению полей и соответственно к увеличению влияния подложки на работу прибора. Например, в полевых транзисторах с уменьшением размеров существенно возрастают электрические поля и соответственно паразитные процессы инжекции носителей в подложку. Соответственно материал подложки должен существенно отличаться от материала прибора и обычные полупроводниковые или полуизолирующие полупроводниковые подложки не удовлетворяют требованиям. Кроме того, для разных приборов оптимальными будут различные подложки. Так, например, для изготовления наноприборов требуются изолирующие подложки типа кремний на изоляторе. Для увеличения выхода света из светоизлучающих приборов требуются отражающие свет подложки. Для компланарных интегральных схем требуется, чтобы на одной и той же полупроводниковой подложке были области р- и n-типа (локальные подложки). Для вертикальных, мощных транзисторов, тиристоров и т.п. нужны проводящие подложки, для приборов спинтроники необходимы магнитные подожки, в некоторых случаях - сверхпроводящие, экранирующие подложки. В интегральных схемах, содержащих одновременно различные типы приборов, желательно иметь подложку, состоящую из многих локальных подложек с различными свойствами.The trend of modern solid-state technology is the development of nanoscale, an increase in the accuracy of manufacturing devices and an increase in packing density. With a decrease in the size of devices, the requirements for substrate materials and devices increase. A decrease in size leads to an increase in the fields and, accordingly, to an increase in the influence of the substrate on the operation of the device. For example, in field-effect transistors with decreasing size, the electric fields and, accordingly, the parasitic processes of carrier injection into the substrate substantially increase. Accordingly, the substrate material should be significantly different from the material of the device and conventional semiconductor or semi-insulating semiconductor substrates do not meet the requirements. In addition, different substrates will be optimal for different devices. For example, for the manufacture of nanodevices, insulating substrates of the type silicon on an insulator are required. To increase light output from light emitting devices, light reflecting substrates are required. For coplanar integrated circuits, p- and n-type regions (local substrates) must be on the same semiconductor substrate. For vertical, powerful transistors, thyristors, etc. conductive substrates are needed, spintronics devices require magnetic substrates, in some cases, superconducting, shielding substrates. In integrated circuits containing simultaneously different types of devices, it is desirable to have a substrate consisting of many local substrates with different properties.

Известен способ изготовления гибридных интегральных схем ("Интегральные схемы", Ф.Мейзда, Изд. Мир, Москва, 1981; "Электронные приборы и усилители" Изд.2. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. 2004). На одну подложку механически переносят отдельные области других подложек с изготовленными на них приборами или частями интегральных схем, затем изготовляют электрические соединения между приборами, расположенными на разных подложках - соединяют в единую схему на основной подложке. Такое решение имеет ограничения связанные, прежде всего, с тем, что перенос и совмещение возможно только для относительно больших подложек, которые хорошо видны под оптическим микроскопом. Проблема переноса и совмещения практически не решаема для структур с размерами менее сотен микрон, при наноразмерах совмещение данным способом вообще невозможно.A known method of manufacturing hybrid integrated circuits ("Integrated Circuits", F. Meizda, Publishing House Mir, Moscow, 1981; "Electronic Devices and Amplifiers" Pub. 2. Vaysburd F.I., Panaev G.A., Saveliev B.N. . 2004). Separate regions of other substrates with devices made on them or parts of integrated circuits are mechanically transferred onto one substrate, then electrical connections between devices located on different substrates are made - they are connected into a single circuit on the main substrate. This solution has limitations associated primarily with the fact that transfer and alignment is possible only for relatively large substrates that are clearly visible under an optical microscope. The problem of transfer and alignment is practically not solved for structures with sizes less than hundreds of microns, with nanoscale alignment by this method is generally impossible.

Известен способ изготовления сложных приборных структур, обладающих высокими характеристиками, использующий структуры типа «полупроводник на изоляторе». Метод получения структур «кремний на изоляторе» включает в себя перенос активного эпитаксиального слоя кремния, пригодного для изготовления приборов с одной полупроводниковой подложки, на которой он был выращен, на другую - диэлектрическую. Например, смарт-кат процесс (smart-cut) предложенный Брюэлом (М. Bruel, "A new silicon-on-insulator material technology", Electron. Lett., vol.31, №14, pp.1201-1202, 1995), в типичном случае состоит в следующем: окисленная подложка имплантируется ионами водорода ~5×10⁶Н⁺/см² с энергией 5-70 кЭв, за счет этого на пике профиля ионного разрушения формируются микрополости и дефекты. Глубина определяется энергией имплантирующих ионов Н⁺, что в свою очередь определяет толщину слоя кремния для переноса - примерно 1 мкм. После формирования слоя делают бондинг с кремниевой подложкой, покрытой диэлектриком - термически выращенным слоем оксида кремния SiO₂. Проводят две стадии температурной обработки: происходит рост микрополостей и водородных пузырьков преимущественно в плоскости (100), что инициирует отщепление пленки по всей поверхности, и отсоединение, и нагрев с целью усиления бондинга перенесенной пленки. Далее поверхность подвергается небольшой химической и механической полировке с целью удаления дефектов и улучшения поверхности после отделения пленки кремния.A known method of manufacturing complex instrument structures with high characteristics, using structures of the type "semiconductor on an insulator". The method of obtaining "silicon on insulator" structures involves the transfer of an active epitaxial silicon layer suitable for the manufacture of devices from one semiconductor substrate on which it was grown, and onto another, dielectric. For example, a smart cut process proposed by Bruel (M. Bruel, "A new silicon-on-insulator material technology", Electron. Lett., Vol. 31, No. 14, pp. 1201-1202, 1995) , in a typical case, is as follows: the oxidized substrate is implanted with hydrogen ions of ~ 5 × 10 ⁶ N ⁺ / cm ² with an energy of 5-70 kV, due to this, micro cavities and defects are formed at the peak of the ion destruction profile. The depth is determined by the energy of the implanting H ⁺ ions, which in turn determines the thickness of the silicon transfer layer — about 1 μm. After the formation of the layer, bonding is done with a silicon substrate coated with a dielectric - a thermally grown layer of silicon oxide SiO ₂ . Two stages of heat treatment are carried out: microcavities and hydrogen bubbles grow predominantly in the (100) plane, which initiates the cleavage of the film over the entire surface, and the detachment and heating in order to enhance the bonding of the transferred film. Further, the surface is subjected to a slight chemical and mechanical polishing in order to remove defects and improve the surface after separation of the silicon film.

К недостаткам известного технического решения следует отнести невозможность переноса уже сформированных приборных структур вследствие достаточно грубых воздействий на переносимую структуру. Кроме того, метод применим для переноса на другую подложку только всей структуры целиком.The disadvantages of the known technical solutions include the impossibility of transferring already formed instrument structures due to the rather rough effects on the transferred structure. In addition, the method is applicable for transferring only the entire structure to another substrate.

Известен метод переноса эпитаксиальной пленки на другую подложку, выбранный прототипом (Y. Sasaki et al, "High-speed GaAs Epitaxial lift-off and bonding with high alignment accuracy using a sapphire plate", Journal of the Electrochemical Society, 146 (2), стр. 710-712, 1999). Этот метод используется для изготовления полупроводниковых светодиодов с повышенной яркостью путем повышения эффективности экстракции света, а фактически за счет уменьшения поглощения света подложкой. С этой целью было предложено переносить полупроводниковую структуру на прозрачную сапфировую подложку или на металлическую светоотражающую подложку (К.Streubel, N.Lnder, R.Wirth, A.Jaeger, "High brightness AlGaInP Light-Emitting Diodes", IEEE J Select. Topics Quantum Electron. 8 (2), 321, 2002). В данном методе переносят тонкую эпитаксиальную пленку GaAs на подложку, покрытую металлическим палладием.A known method of transferring an epitaxial film to another substrate selected by the prototype (Y. Sasaki et al, "High-speed GaAs Epitaxial lift-off and bonding with high alignment accuracy using a sapphire plate", Journal of the Electrochemical Society, 146 (2), p. 710-712, 1999). This method is used to fabricate semiconductor LEDs with increased brightness by increasing the efficiency of light extraction, and in fact by reducing the absorption of light by the substrate. To this end, it was proposed to transfer the semiconductor structure to a transparent sapphire substrate or to a metal reflective substrate (K. Streubel, N. Lnder, R. Wirth, A. Jaeger, "High brightness AlGaInP Light-Emitting Diodes", IEEE J Select. Topics Quantum Electron. 8 (2), 321, 2002). In this method, a thin GaAs epitaxial film is transferred onto a substrate coated with palladium metal.

Способ, реализованный Сасаки, заключается в выращивании на GaAs подложке жертвенного слоя AlAs и эпитаксиальной гетероструктуры, пригодной для изготовления светодиодов. Стандартными литографическими методами формируют светодиодные структуры. Далее структуру прикрепляют с помощью резиста к сапфировой подложке. Структуру погружают в раствор HF в воде. HF селективно растворяет слой AlAs и не травит сапфир и GaAs. После растворения жертвенного слоя AlAs приборная структура остается на сапфировой подложке. Далее приборную структуру переносят на кремниевую подложку, покрытую SiO₂ и слоем палладия и осуществляют бондинг при повышенной температуре. Растворяя в ацетоне резист, сапфировую подложку отсоединяют и убирают. Эффективность фотолюминесценции светодиодов повышается за счет отражения света от поверхности раздела GaAs и слоя палладия.The method implemented by Sasaki consists in growing on a GaAs substrate a sacrificial AlAs layer and an epitaxial heterostructure suitable for manufacturing LEDs. Standard lithographic methods form LED structures. Next, the structure is attached using a resist to a sapphire substrate. The structure is immersed in a solution of HF in water. HF selectively dissolves the AlAs layer and does not etch sapphire and GaAs. After dissolution of the AlAs sacrificial layer, the instrument structure remains on the sapphire substrate. Next, the instrument structure is transferred onto a silicon substrate coated with SiO ₂ and a palladium layer and bonding is carried out at elevated temperature. Dissolving the resist in acetone, the sapphire substrate is disconnected and removed. The photoluminescence efficiency of LEDs is enhanced by light reflection from the GaAs interface and the palladium layer.

Недостатком этих методов является то, что они применимы только к достаточно большим объектам, таким как целые полупроводниковые подложки с однородной поверхностью. Даже используя дорогостоящие и трудоемкие методы совмещения, применяемые в электронной литографии, точность совмещения ограничена микронами. В частности, проблематично совместить две подложки с заготовками приборов так, чтобы совместились части приборов, расположенные на разных подложках, при уменьшении размеров устройств до долей микрона, из-за трудности совмещения такой процесс становится невозможным. Эти методы неприменимы для формирования на одном чипе приборных структур, которые необходимо располагать на различных основаниях - локальных подложках, так как перенос на новую подложку возможен только для всего чипа целиком.The disadvantage of these methods is that they are applicable only to large enough objects, such as whole semiconductor substrates with a uniform surface. Even using the expensive and time-consuming alignment methods used in electronic lithography, the alignment accuracy is limited to microns. In particular, it is problematic to combine the two substrates with the workpieces of the devices so that the parts of the devices located on different substrates are combined when the size of the devices is reduced to fractions of a micron, because of the difficulty of combining such a process becomes impossible. These methods are not applicable for the formation of instrument structures on one chip, which must be placed on various bases — local substrates, since transfer to a new substrate is possible only for the entire chip.

Техническим результатом изобретения является изготовление полупроводниковых микро- и наноприборов, где в одной схеме сочетаются приборные структуры, расположенные на разных локальных подложках (изолирующих, светоотражающих, проводящих, магнитных и т.д.), т.е. совмещение на одном чипе-подложке различных приборных структур, особенности которых требуют их расположения на подложках с разными свойствами.The technical result of the invention is the manufacture of semiconductor micro- and nanoscale devices, where instrument structures located on different local substrates (insulating, reflective, conductive, magnetic, etc.) are combined in one circuit; combining on a single chip substrate various instrument structures whose features require their location on substrates with different properties.

Становится возможным пространственное совмещение приборных структур, которые трудно или невозможно изготовить уже объединенными. Благодаря тому, что совмещение происходит в пределах одной подложки с использованием процессов самоорганизации достижима более высокая точность, чем при совмещении двух разных подложек. Предлагаемое решение открывает возможность изготовления разных приборов на разных подложках на одном чипе, причем происходит самосовмещение приборов и подложек.It becomes possible to spatially combine instrument structures that are difficult or impossible to produce already combined. Due to the fact that the combination occurs within the same substrate using self-organization processes, a higher accuracy is achievable than when combining two different substrates. The proposed solution opens the possibility of manufacturing different devices on different substrates on the same chip, and there is a self-alignment of devices and substrates.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления микро- и наноприборов, включающем формирование многослойной структуры, содержащей, по крайней мере, подложку, жертвенный слой и активные слои, из которых изготавливают приборные структуры, удаление жертвенного слоя и перенесение освободившейся от связи с подложкой пленки из активных слоев, в том числе содержащих изготовленные приборные структуры, на новую подложку, которая отлична по свойствам от исходной подложки, новую подложку изготавливают локально, на одной подложке с активными слоями и приборными структурами, многослойную структуру формируют содержащей дополнительно, по крайней мере, один слой с внутренним упругим напряжением, расположенным непосредственно под или над активными слоями, после направленного удаления жертвенного слоя в заданной области пленка из активных слоев, в том числе содержащих изготовленные приборные структуры, освобождается от связи с подложкой и под действием внутренних упругих напряжений меняет форму и перемещается на новую локальную подложку.The technical result is achieved in that in a method for manufacturing micro- and nanoscale devices, including the formation of a multilayer structure containing at least a substrate, a sacrificial layer and active layers from which the instrument structures are made, removal of the sacrificial layer and transfer of the film freed from communication with the substrate from active layers, including those containing fabricated instrument structures, onto a new substrate, which is different in properties from the original substrate, a new substrate is made locally, on one substrate with active layers and instrument structures, a multilayer structure is formed containing additionally at least one layer with an internal elastic stress located directly below or above the active layers, after directed removal of the sacrificial layer in a given region of the film from the active layers, including those made instrument structures, freed from communication with the substrate and under the influence of internal elastic stresses changes its shape and moves to a new local substrate.

Жертвенным слоем может являться верхний слой подложки.The sacrificial layer may be the top layer of the substrate.

Локальной подложкой могут являться приборные структуры, изготовленные на той же подложке.The local substrate may be instrument structures made on the same substrate.

Материалом локальной подложки может являться проводник, диэлектрик, полупроводник.The material of the local substrate may be a conductor, dielectric, semiconductor.

Многослойную структуру формируют содержащей несколько групп слоев, каждая из которых содержит жертвенный слой, слой с внутренним упругим напряжением и активные слои, последовательно удаляют жертвенные слои групп, что приводит к перемещению пленки из активных слоев группы на локальную подложку, предназначенную для этой группы.A multilayer structure is formed containing several groups of layers, each of which contains a sacrificial layer, a layer with internal elastic stress and active layers, successively removing the sacrificial layers of the groups, which leads to the movement of the film from the active layers of the group to a local substrate intended for this group.

На фиг.1 схематично изображены последовательные стадии изготовления и перемещения приборной структуры на локальную подложку.Figure 1 schematically depicts successive stages of manufacturing and moving the instrument structure to a local substrate.

А - схематично изображена исходная эпитаксиальная структура.A - schematically shows the original epitaxial structure.

Б, В - изготовлена локальная подложка из диэлектрика.B, C - the local substrate is made of a dielectric.

Г, Д - на расстоянии от локальной подложки изготовлена приборная структура.G, D - at a distance from the local substrate, the instrument structure is made.

Е, Ж - на приборную структуру нанесен диэлектрик, в месте изгиба удалены активные слои для изготовления приборов.E, G - a dielectric is applied to the instrument structure, the active layers for the manufacture of devices are removed at the bend.

З, И - изготовлены литографические окна вокруг приборной структуры для доступа травителя к жертвенному слоюZ, I - lithographic windows around the instrument structure are made for access of the etchant to the sacrificial layer

К - первоначальная стадия отделения приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слояK - the initial stage of separation of the instrument structure from the substrate as a result of etching of the sacrificial layer

Л - приборная структура перемещена на локальную диэлектрическую подложку.L - instrument structure is moved to a local dielectric substrate.

Фиг.2 Изготовление транзистора с трубчатым каналом.Figure 2 Fabrication of a transistor with a tubular channel.

А - схематично изображена исходная структура с заготовками сворачиваемой трубки (подложка, напряженный би-слой, площадка с диэлектриком). Сделана литография, определяющая участок структуры, который будет сворачиваться в трубку, на заданное место напылен диэлектрик.A - schematically shows the initial structure with the blanks of the tube to be rolled up (substrate, stressed bi-layer, pad with dielectric). A lithography was made that determines the portion of the structure that will be folded into a tube, a dielectric is sprayed at a given location.

Б - Трубка свернулась, центральной частью расположившись на диэлектрической локальной подложке.B - The tube is curled, the central part is located on a dielectric local substrate.

В - На концы трубки напылены проводящие контакты.B - Conductive contacts are sprayed on the ends of the tube.

Фиг.3 Схематическое изображение перемещения приборной структуры с помощью слоя с внутренним упругим напряжением, находящегося над ней.Figure 3 Schematic illustration of the movement of the instrument structure using a layer with an internal elastic stress located above it.

А - исходная эпитаксиальная структура.A is the original epitaxial structure.

Б - изготовлена приборная структура.B - instrument structure is made.

В - приборная структура защищена диэлектриком.B - the instrument structure is protected by a dielectric.

Г - удален участок приборной структуры в месте планируемого изгиба.G - removed the section of the instrument structure in the place of the planned bend.

Д - участок планируемого изгиба заполнен материалом жертвенного слоя.D - the section of the planned bend is filled with the material of the sacrificial layer.

Е - нанесен слой с внутренним упругим напряжением.E - applied layer with internal elastic stress.

Ж - по периметру приборной структуры сделана литография для обеспечения доступа растворителя к жертвенному слою.G - lithography was done around the perimeter of the instrument structure to ensure solvent access to the sacrificial layer.

З - отделение приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слоя.З - separation of the instrument structure from the substrate as a result of etching of the sacrificial layer.

Фиг.4 - Отделение приборной структуры от подложки с помощью выпучивания.Figure 4 - Separation of the instrument structure from the substrate by buckling.

Г - сделана литография для обеспечения доступа растворителя к жертвенному слою.G - made lithography to ensure solvent access to the sacrificial layer.

Д - отделение приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слоя.D - separation of the instrument structure from the substrate as a result of etching of the sacrificial layer.

Фиг.5 Пространственная самосборка приборов, состоящих из нескольких схем.Figure 5 Spatial self-assembly of devices consisting of several circuits.

А - исходная эпитаксиальная структура с изготовленными приборными структурами.A is the original epitaxial structure with fabricated instrument structures.

Б - изготовлено место под локальную диэлектрическую подложку.B - a place is made for a local dielectric substrate.

В - нанесен диэлектрик.In - applied dielectric.

Г - сделана литография для обеспечения доступа растворителя к жертвенному слою. На месте изгиба удален диэлектрик.G - made lithography to ensure solvent access to the sacrificial layer. At the bend, the dielectric is removed.

Д - отделение приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слоя. Схема наложилась на локальную изолирующую подложку.D - separation of the instrument structure from the substrate as a result of etching of the sacrificial layer. The circuit was superimposed on a local insulating substrate.

Е - получен прибор, состоящий из двух приборных структур, наложенных друг на друга.E - received device, consisting of two instrument structures superimposed on each other.

Фиг.6 Формирование вертикальной кольцевой тонкопленочной структуры.6 Formation of a vertical annular thin-film structure.

А - литографический рисунок для изготовления полоски, сворачивающейся в кольцо.A - lithographic drawing for the manufacture of strips, coiled into a ring.

Б - свернувшееся кольцо.B - curled ring.

В - кольцо положено на бок, нанесен резист, сделана литография.B - the ring is laid on its side, a resist is applied, lithography is done.

Г - массив положенных на бок колец.G is an array of rings laid on its side.

(1 - подложка; 2 - вспомогательный жертвенный слой; 3 - рабочий слой для изготовления приборных структур; 4 - слой с внутренним упругим напряжением; 5 - диэлектрик; 6 - изготовленные приборные структуры).(1 - substrate; 2 - auxiliary sacrificial layer; 3 - working layer for the manufacture of device structures; 4 - layer with internal elastic stress; 5 - dielectric; 6 - fabricated device structures).

Предлагаемое решение: с помощью стандартных технологий на планарной многослойной структуре изготовляются приборные структуры. На этой же структуре изготовляются различные локальные подложки (диэлектрические, металлические, и т.д.). Путем удаления жертвенного слоя отсоединяются от подложки и за счет направленного изгиба или сворачивания напряженной пленки, к которой прикреплены изготовленные приборные структуры, переносятся на рядом расположенную локальную подложку.Proposed solution: using standard technologies, instrument structures are manufactured on a planar multilayer structure. Various local substrates (dielectric, metal, etc.) are made on the same structure. By removing the sacrificial layer, they are disconnected from the substrate and, by directional bending or folding of the strained film to which the fabricated instrument structures are attached, are transferred to a nearby local substrate.

Предлагаемое решение достигается за счет введения в структуру двух дополнительных слоев: жертвенного и слоя с внутренним упругим напряжением и размещения локальных подложек на одной подложке с изготовляемыми приборными структурами приборами.The proposed solution is achieved by introducing into the structure of two additional layers: the sacrificial and the layer with internal elastic stress and the placement of local substrates on the same substrate with manufactured instrument structures devices.

Внутреннее механическое напряжение задается тем, что многослойная структура формируется из материалов, имеющих различные постоянные кристаллической решетки. При выращивании на толстой монокристаллической подложке такой гетероструктуры кристаллические решетки материалов подстраиваются под параметры решетки подложки, происходит упругая деформация слоев - слой из материала с меньшей постоянной кристаллической решетки растягивается, а слой из материала с большей постоянной решетки сжимается. Например, постоянная кристаллической решетки InGaAs больше постоянной решетки GaAs (несоответствие постоянных решетки InAs и GaAs 7%), поэтому слой InGaAs, выращенный на GaAs подложке, в исходном состоянии сжат.The internal mechanical stress is determined by the fact that the multilayer structure is formed from materials having different lattice constants. When such a heterostructure is grown on a thick single-crystal substrate, the crystal lattices of the materials are adjusted to the lattice parameters of the substrate, elastic deformation of the layers occurs - a layer of material with a lower crystal lattice constant is stretched, and a layer of material with a larger lattice constant is compressed. For example, the InGaAs crystal lattice constant is larger than the GaAs lattice constant (the mismatch between the InAs and GaAs lattice constants is 7%); therefore, the InGaAs layer grown on the GaAs substrate is compressed in the initial state.

Метод отделения напряженной гетероструктуры от связи с подложкой основан на выращивании между напряженной гетероструктурой и подложкой жертвенного слоя (называемого жертвенным потому, что он будет удален), и его последующим селективном растворении с помощью жидкостного травления или плазменным селективным травлением. Для доступа травителя к жертвенному слою и придания отделяемой области желаемой формы и размера в гетероструктуре формируют, например, с помощью литографии, окна, сквозь которые травитель проникает к жертвенному слою и осуществляет селективное направленное боковое травление.The method of separating a strained heterostructure from a bond with a substrate is based on growing between the strained heterostructure and the substrate a sacrificial layer (called the sacrificial because it will be removed), and its subsequent selective dissolution by liquid etching or plasma selective etching. To access the etchant to the sacrificial layer and give the desired region and shape of the detachable region in the heterostructure, for example, by means of lithography, windows are formed through which the etchant penetrates the sacrificial layer and performs selective directional side etching.

При селективном удалении расположенного между двухслойной пленкой и подложкой жертвенного слоя AlAs гетеропленка освобождается от связи с подложкой. Межатомные силы в сжатом слое InGaAs стремятся увеличить расстояние между атомами, но верхний слой GaAs препятствует этому. Возникающий момент сил приводит к изгибу гетеропленки и, при соответствующем подборе параметров пленки, к последующему ее изгибу. Радиус кривизны изогнутой гетеропленки зависит от ее толщины и величины механических напряжений в ней. Поэтому его можно задавать с высокой точностью, выращивая исходные гетероструктуры с разной толщиной эпитаксиальных слоев и составами твердых растворов (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, А.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazhenskii, M.A.Putyato, Т.А.Gavrilova, "Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays", Physica E 6, стр. 828-831, 2000).Upon selective removal of the AlAs sacrificial layer located between the two-layer film and the substrate, the heterofilm is freed from bond with the substrate. The interatomic forces in a compressed InGaAs layer tend to increase the distance between atoms, but the upper GaAs layer prevents this. The resulting moment of forces leads to bending of the heterofilm and, with an appropriate selection of film parameters, to its subsequent bending. The radius of curvature of a bent heterofilm depends on its thickness and the magnitude of the mechanical stresses in it. Therefore, it can be set with high accuracy by growing initial heterostructures with different thicknesses of epitaxial layers and compositions of solid solutions (V.Ya.Prinz, VASeleznev, A.K. Gutakovsky, A.V. Chehovskiy, VVPreobrazhenskii, MAPutyato, T. A. Gavrilova, "Free-standing and overgrown InGaAs / GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays", Physica E 6, pp. 828-831, 2000).

Аналогично получают напряженную структуру, состоящую и не из монокристаллических слоев, а, например, из металлических напыленных пленок (Настаушев Ю.В., Принц В.Я. Способ создания нанотрубок // патент РФ №2003109374/28 от 03.04.2003). Так как металлы имеют разные коэффициенты теплового расширения, то напыленные при соответствующих температурах пленки разных металлов будут иметь разные внутренние напряжения относительно друг друга и подложки.Similarly, a stressed structure is obtained, which consists not of single-crystal layers, but, for example, of metal sprayed films (Nastaushev Yu.V., Prince V.Ya. Method for creating nanotubes // RF patent No. 2003109374/28 of 03.03.2003). Since metals have different thermal expansion coefficients, films of different metals deposited at appropriate temperatures will have different internal stresses relative to each other and to the substrate.

Следует заметить что, подобрав селективные травители, можно использовать данные методы для структур и из других материалов. Известен целый ряд других напряженных гетероструктур, подходящих для изготовления. Кроме упоминаемых далее, нами были проверены следующие структуры: InGaSb/InAs (жертвенный слой AlAs), InP/GaAs, CdZnTe/CdHgTe.It should be noted that, having selected selective etchants, one can use these methods for structures from other materials. A number of other strained heterostructures suitable for fabrication are known. In addition to those mentioned below, we tested the following structures: InGaSb / InAs (AlAs sacrificial layer), InP / GaAs, CdZnTe / CdHgTe.

Некоторые методы направленного травления описаны нами ранее. Цель их в том, чтобы обеспечить отделение и изгиб структуры с внутренним упругим напряжением от подложки в заданном направлении. В работе Принца (A.V.Prinz, V.Ya.Prinz and V.A.Seleznev, "Semiconductor micro- and nanoneedles for microinjection and ink-jet printing", Microelectronic Engineering, V.67-68, p.782-788, 2003) это достигается дифференциальным заданием границ пленочной структуры с внутренним упругим напряжением. Окна для доступа травителя к жертвенному слою делались следующим образом: с той стороны, где должно начинаться травление, формируется сплошное окно, а с остальных сторон - пунктирные окна. Травление через пунктирные окна практически не происходит, так как перемычки препятствуют отгибу пленки от подложки. Это сильно затрудняет доступ травителя к жертвенному слою, так как в этом случае доступ есть только через узкий капиллярный канал, который формируется после растворения материала жертвенного слоя, расположенного непосредственно возле окон. В работе (А.В.Vorob'ev and V.Ya.Prinz, "Directional rolling of strained heterofllms". Semiconductor Science and Technology, 17 (6), стр. 614-616, 2002) с границ пленочной структуры с внутренним упругим напряжением, со сторон, где не должно начинаться травление, удалялся верхний слой бислоя с внутренним упругим напряжением, таким образом, отгиб пленки от подложки с этих сторон не происходил, что приводит к остановке травления с этих сторон. В работе (V.Ya.Prinz, D.Grützmacher, A.Beyer, C.David, B.Ketterer, E.Deccard, "A new technique for fabricating three-dimensional micro- and nanostructures of various shapes superlattices". Nanotechnology 12, p.399-402, 2001) предложен метод направленного травления, основанный на геометрическом выделении стороны, с которой должно начинаться травление. Кроме того, направленности травления достигали, используя травители, обладающие анизотропией травления в сочетании со специальной геометрией пленочной структуры с внутренним упругим напряжением (S.V.Golod, V.Ya.Prinz, P.Wagli, L.Zhang, О.Kirfel, E.Deckhardt, F.Glaus, C.David, D.Gruetzmacher, "Freestanding SiGe/Si/Cr and SiGe/Si/SixNy/Cr microtubes", Appl. Phys. Lett. v.84, N.17, (2004) 3391).Some methods of directional etching are described by us earlier. Their goal is to ensure separation and bending of the structure with internal elastic stress from the substrate in a given direction. In the work of Prince (AVPrinz, V.Ya. Prinz and VASeleznev, "Semiconductor micro- and nanoneedles for microinjection and ink-jet printing", Microelectronic Engineering, V.67-68, p.782-788, 2003) this is achieved differential specification of the boundaries of the film structure with internal elastic stress. The windows for the etchant to access the sacrificial layer were made as follows: on the side where the etching should begin, a continuous window is formed, and dashed windows on the other sides. Etching through the dotted windows practically does not occur, since the jumpers interfere with the bending of the film from the substrate. This greatly complicates the access of the etchant to the sacrificial layer, since in this case access is only through a narrow capillary channel, which is formed after the dissolution of the material of the sacrificial layer, located directly near the windows. In the work (A.V. Vorob'ev and V.Ya. Prinz, "Directional rolling of strained heterofllms". Semiconductor Science and Technology, 17 (6), pp. 614-616, 2002) from the boundaries of the film structure with internal elastic By tension, from the sides where the etching should not begin, the upper layer of the bilayer with internal elastic stress was removed, so that the film did not bend from the substrate from these sides, which led to a stop of the etching from these sides. In (V.Ya.Prinz, D.Grützmacher, A.Beyer, C. David, B. Ketterer, E. Deccard, "A new technique for fabricating three-dimensional micro- and nanostructures of various shapes superlattices". Nanotechnology 12 , p.399-402, 2001) a method of directional etching is proposed based on the geometric allocation of the side from which etching should begin. In addition, etching directions were achieved using etchants with anisotropy of etching in combination with the special geometry of the film structure with internal elastic stress (SVGolod, V.Ya. Prinz, P. Wagli, L. Zhang, O. Kirfel, E. Deckhardt, F. Glaus, C. David, D. Gruetzmacher, "Freestanding SiGe / Si / Cr and SiGe / Si / SixNy / Cr microtubes", Appl. Phys. Lett. V. 84, N.17, (2004) 3391).

В качестве примеров реализации предлагаемого способа приводим следующие:As examples of the implementation of the proposed method, the following:

Краткое описание:Short description:

1. На полупроводниковой подложке выращиваются слои: изолятор, рабочий слой, жертвенный слой, сжатый слой, растянутый слой, рабочий слой.1. The layers are grown on a semiconductor substrate: insulator, working layer, sacrificial layer, compressed layer, stretched layer, working layer.

2. Изготовляются, с использованием литографии, локальные подложки либо напылением, либо стравливанием верхних слоев до того слоя, который будет подложкой, либо дополнительным выращиванием слоев локальных подложек.2. Local substrates are produced, using lithography, either by sputtering or by etching the upper layers to the layer that will be the substrate, or by additional growth of layers of local substrates.

3. С помощью серии литографий и травлений (стандартным способом) изготовляются приборные структуры, заготовки приборов.3. Using a series of lithographs and etching (in a standard way), instrument structures and instrument blanks are manufactured.

4. Подготавливаются литографические окна, через которые будет осуществляться доступ к жертвенному слою и которые определят область и направление переноса.4. Lithographic windows are prepared through which access to the sacrificial layer will be carried out and which will determine the area and direction of transfer.

5. Производится селективное вытравливание жертвенного слоя, которое приводит к освобождению слоя с внутренним упругим напряжением от связи с подложкой. Под действием внутреннего напряжения происходит изгиб слоя с внутренним упругим напряжением и отрыв его от подложки вместе с расположенными на нем приборными структурами и/или изготовленные из нее приборные структуры. Перенос и перемещение этой структуры на новое место.5. Selective etching of the sacrificial layer is carried out, which leads to the release of the layer with internal elastic stress from communication with the substrate. Under the action of internal stress, the layer bends with an internal elastic stress and detaches from the substrate together with the device structures located on it and / or the device structures made from it. Transfer and relocation of this structure to a new location.

6. Предварительно защитив область локальной подложки с размещенной на ней приборной структурой, удаляется участок слоя с внутренним упругим напряжением, находящийся вне приборной структуры.6. Having previously protected the region of the local substrate with the device structure placed on it, a portion of the layer with internal elastic stress located outside the device structure is removed.

7. При необходимости можно удалить слой с внутренним упругим напряжением непосредственно на приборной структуре с помощью селективного или/и дозированного стравливания.7. If necessary, you can remove the layer with internal elastic stress directly on the instrument structure using selective and / or metered etching.

Перемещение схемы на локальную подложку.Moving the circuit to a local substrate.

Выращивалась эпитаксиальная структура на GaAs подложке: жертвенный слой AlAs 7 нм, слой In_0.2Ga_0.8As 7 нм, слой GaAs 8 нм и верхний активный слой для изготовления приборов GaAs 100 нм (фиг.1а). Изготовляли локальную подложку: при помощи литографии удалялись на глубину более 200 нм все верхние слои эпитаксиальной структуры (фиг.1б). В образовавшееся углубление напыляли диэлектрик, напыляли через маску, с последующим lift-off (фиг.1в). Затем на соседней от локальной подложки области делали серию литографий для создания приборной структуры (фиг.1г, д). Между локальной подложкой и приборной структурой удаляли плазменным травлением верхний слой GaAs эпитаксиальной структуры (фиг.1е). На участок, где изготовлена приборная структура, наносился слой диэлектрического материала, например, Si₃N₄ для защиты ее от травления в ходе последующих операций (фиг.1ж). При помощи литографии на глубину до жертвенного слоя делались окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою. Причем окна формировались по периметру приборной структуры специальным образом так, чтобы с торца было сплошное окно, а вдоль схемы - пунктирные окна (фиг.1з, и). Далее выполнялось травление в 5% водном растворе HF, при этом жертвенный слой AlAs растворялся, и верхние слои с внутренним напряжением отделялись от подложки (фиг.1к). Эта происходило вследствие деформации, под действием внутренних напряжений. Так как слой InGaAs первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделившись от подложки вместе с приборной структурой, расположенной на нем. С наименьшим радиусом изгибается та часть, с которой плазменным травлением удален верхний слой GaAs. Часть, на которой расположена приборная схема, из-за толстого слоя диэлектрика осталась жесткой и практически не деформировалась (фиг.1к). Таким образом, приборная структура наложилась на диэлектрическую локальную подложку (фиг.1л). Защитив область локальной подложки с размещенной на ней приборной структурой, удаляется участок бислоя с внутренним упругим напряжением, находящийся вне приборной структуры. При необходимости, с помощью селективного или/и дозированного стравливания, удаляли бислой InGaAs/GaAs с внутренним упругим напряжением, находящийся непосредственно на приборной структуре. Для закрепления схемы на локальной подложке на полученную конструкцию напыляли диэлектрик.An epitaxial structure was grown on a GaAs substrate: a sacrificial AlAs layer of 7 nm, an In _0.2 Ga layer of _0.8 As 7 nm, a GaAs layer of 8 nm, and an upper active layer for the manufacture of GaAs devices of 100 nm (Fig. 1a). A local substrate was prepared: using lithography, all the upper layers of the epitaxial structure were removed to a depth of more than 200 nm (Fig. 1b). A dielectric was sprayed into the formed recess, sprayed through a mask, followed by a lift-off (Fig. 1c). Then, on a region adjacent to the local substrate, a series of lithographs was done to create an instrument structure (Figs. 1d, 1d). Between the local substrate and the device structure, the upper GaAs layer of the epitaxial structure was removed by plasma etching (Fig. 1f). A layer of a dielectric material, for example, Si ₃ N ₄ , was applied to the area where the instrument structure was manufactured to protect it from etching during subsequent operations (Fig. 1g). Using lithography, windows were made to the depth of the sacrificial layer in order to provide the etchant with access to the sacrificial layer. Moreover, the windows were formed around the perimeter of the instrument structure in a special way so that there was a continuous window from the end, and dashed windows along the diagram (figs. 1z, and). Next, etching was performed in a 5% aqueous HF solution, while the sacrificial AlAs layer was dissolved, and the upper layers with internal stress were separated from the substrate (Fig. 1k). This was due to deformation, under the influence of internal stresses. Since the InGaAs layer was initially compressed, after being released from the bond with the substrate, it bent, separating from the substrate together with the device structure located on it. With the smallest radius, the part with which the upper GaAs layer is removed by plasma etching is bent. Due to the thick dielectric layer, the part on which the instrument circuit is located remained rigid and practically did not deform (Fig. 1k). Thus, the instrument structure was superimposed on the dielectric local substrate (Fig.1l). Having protected the region of the local substrate with the device structure placed on it, the portion of the bilayer with internal elastic stress located outside the device structure is removed. If necessary, by means of selective and / or metered etching, an InGaAs / GaAs bilayer with an internal elastic stress located directly on the instrument structure was removed. To fix the circuit on a local substrate, a dielectric was sprayed onto the resulting structure.

Si - Перенос схемы на локальную подложку.Si - Transfer the circuit to a local substrate.

Выращивалась эпитаксиальная структура на Si подложке: слой SiGe 20 нм, слой Si-p⁺ 50 нм. В данном случае нет необходимости выращивать отдельный жертвенный слой, так как жертвенным слоем является подложка из нелегированного кремния (по крайней мере ее слой, прилегающий к эпитаксиальной структуре), которая селективно, относительно легированного кремния и SiGe, растворяется в щелочных травителях. При помощи литографии изготовлялась локальная подложка, удалялись на глубину 200 нм все верхние слои эпитаксиальной структуры. В образовавшееся углубление напылялся диэлектрик. Затем из эпитаксиальной структуры с помощью серии литографий изготовляли приборную структуру. На участок, где изготовлена приборная структура, наносился слой диэлектрического маскирующего материала, например, Si₃N₄ ил и SiO₂ для ее защиты от травления в ходе последующих операций. При помощи литографии в верхних слоях делались окна для того, чтобы обеспечивался доступ травителя к жертвенному слою (подложке). Причем окна делались по периметру приборной структуры специальным образом так, чтобы с торца было сплошное окно, а вдоль схемы - пунктирные окна. Далее выполнялось травление в 3% водном растворе NH₄OH, при этом жертвенный слой - нелегированный кремний растворился, а верхние слои с внутренним упругим напряжением отделились от подложки. Эта деформация происходила под действием внутренних напряжений, так как слой SiGe первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделившись от подложки вместе с приборной структурой, расположенной на нем.An epitaxial structure was grown on a Si substrate: a SiGe layer of 20 nm, a Si-p layer ⁺ 50 nm. In this case, it is not necessary to grow a separate sacrificial layer, since the sacrificial layer is an unalloyed silicon substrate (at least its layer adjacent to the epitaxial structure), which selectively dissolves with respect to doped silicon and SiGe in alkaline etch. Using lithography, a local substrate was prepared, and all the upper layers of the epitaxial structure were removed to a depth of 200 nm. A dielectric was sprayed into the formed recess. Then from the epitaxial structure using a series of lithographs were made instrument structure. A layer of dielectric masking material, for example, Si ₃ N ₄ sludge and SiO ₂ , was applied to the area where the instrument structure was manufactured to protect it from etching during subsequent operations. With the help of lithography, windows were made in the upper layers in order to ensure that the etchant had access to the sacrificial layer (substrate). Moreover, the windows were made around the perimeter of the instrument structure in a special way so that there was a continuous window from the end, and dashed windows along the circuit. Then, etching was performed in a 3% aqueous solution of NH ₄ OH, while the sacrificial layer — undoped silicon — dissolved, and the upper layers with internal elastic stress were separated from the substrate. This deformation occurred under the action of internal stresses, since the SiGe layer was initially compressed, after being released from the bond with the substrate, it bent, separating from the substrate together with the device structure located on it.

Изготовление транзистора с трубчатым каналом.The manufacture of a transistor with a tubular channel.

Для изготовления электрических приборов, подобных полевому транзистору с трубчатым затвором, необходимо поместить трубку на изолятор. Для случая углеродной трубки это делали индивидуально для отдельной трубки, например манипуляцией атомно-силовым микроскопом. Аналогично достаточно большую полупроводниковую трубку можно с помощью микроманипулятора оторвать от подложки и перенести в нужное место. Однако даже для больших трубок массовое изготовление подобным образом невозможно, так как требует неправдоподобно большого времени, а изготовление нанотранзистора с трубчатым каналом из полупроводниковой нанотрубки вообще невозможно манипуляционным методом, так как недостаточна пространственная точность.For the manufacture of electrical appliances like a field effect transistor with a tubular shutter, it is necessary to place the tube on the insulator. For the case of a carbon tube, this was done individually for a separate tube, for example, by manipulating an atomic force microscope. Similarly, a sufficiently large semiconductor tube can be torn off the substrate using a micromanipulator and transferred to the desired location. However, even for large tubes mass production in this way is impossible, since it requires an incredibly long time, and the manufacture of a nanotransistor with a tubular channel from a semiconductor nanotube is generally impossible by the manipulation method, since spatial accuracy is insufficient.

В качестве тела транзистора вместо балки используется тонкопленочная трубка. Длина такого транзистора определяется периметром цилиндрического канала и равна L=π·D, толщина транзистора определяется толщиной скручиваемой пленки и задается с высокой точностью на стадии изготовления исходной базовой структуры. Технологический процесс изготовления транзистора с цилиндрическим каналом реализуется аналогично технологии изготовления транзистора с каналом из углеродной трубки. Длина затвора определется имеющимися технологическими возможностями. В основе предлагаемой конструкции лежит эпитаксиальная пленка с атомно-гладкими поверхностями (что обеспечивает высокую подвижность) и размерами, которые могут быть заданы с высокой точностью.Instead of a beam, a thin-film tube is used as the body of the transistor. The length of such a transistor is determined by the perimeter of the cylindrical channel and is equal to L = π · D, the thickness of the transistor is determined by the thickness of the curled film and is set with high accuracy at the stage of manufacturing the initial base structure. The manufacturing process of a transistor with a cylindrical channel is implemented similarly to the manufacturing technology of a transistor with a channel from a carbon tube. The shutter length is determined by the available technological capabilities. The proposed design is based on an epitaxial film with atomically smooth surfaces (which provides high mobility) and sizes that can be set with high accuracy.

При переходе к нанометровым диаметрам возникает проблема плохой проводимости трубок на основе GaAs из-за того, что поверхностное состояние захватывает электроны, в результате чего пленка обедняется носителями заряда. Эта проблема отсутствует в трубках изготовленных из InAs, нами была показана возможность формирования достаточно проводящих InAs трубок. Однако использовать InAs трубки напрямую не удается из-за того, что не существует изолирующих или полуизолирующих подложек InAs (ширина запрещенной зоны 0.4 эВ). Используя предлагаемый способ, показанный на фиг.2, нам удалось изготовить макет полевого транзистора. По способу данного изобретения трубка саморасполагается в заданном месте подложки, этот процесс может одновременно идти по всей площади шайбы, независимо от количества трубок, то есть массовым образом. Проверка данного способа была осуществлена на структурах InGaAs/GaAs и SiGe/Se.The transition to nanometer diameters poses the problem of poor conductivity of GaAs-based tubes due to the fact that the surface state captures electrons, as a result of which the film is depleted in charge carriers. This problem is absent in tubes made of InAs; we have shown the possibility of forming sufficiently conductive InAs tubes. However, InAs tubes cannot be used directly because there are no insulating or semi-insulating InAs substrates (band gap 0.4 eV). Using the proposed method, shown in figure 2, we were able to make the layout of the field effect transistor. According to the method of the present invention, the tube is self-located in a predetermined location of the substrate, this process can simultaneously go along the entire area of the washer, regardless of the number of tubes, that is, in a mass manner. Verification of this method was carried out on the structures InGaAs / GaAs and SiGe / Se.

Выращивалась эпитаксиальная структура на InAs подложке: жертвенный слой AlAs 5 нм, слой InAs 2 нм, слой InGaAs 3 нм. При помощи литографии изготовлялась локальная подложка: В местах, где планировалось иметь локальные подложки, удалялись на глубину 200 нм (или больше) все верхние слои эпитаксиальной структуры. В образовавшееся углубление, через резист, напыляли диэлектрик, например, 200 нм Si₃N₄ (фиг.2а, 5), так, чтобы уровень локальной изолирующей подложки примерно совпадал с уровнем основной структуры. Получали структуру с локальной изолирующей подложкой. Либо если не предъявляются повышенные требования к подложке, то слой диэлектрика напыляли непосредственно на бислой InAs/InGaAs (фиг.2а, 4).An epitaxial structure was grown on an InAs substrate: a sacrificial AlAs layer of 5 nm, an InAs layer of 2 nm, an InGaAs layer of 3 nm. A local substrate was made using lithography: In the places where it was planned to have local substrates, all the upper layers of the epitaxial structure were removed to a depth of 200 nm (or more). An insulator, for example, 200 nm Si ₃ N ₄ (FIGS. 2a, 5) was sprayed into the formed recess through a resist, so that the level of the local insulating substrate approximately coincided with the level of the main structure. A structure with a local insulating substrate was obtained. Or, if increased requirements are not imposed on the substrate, then the dielectric layer was sprayed directly onto the InAs / InGaAs bilayer (Figs. 2a, 4).

Затем, чтобы задать участок и направление сворачивания, делалась литография - в бислое - делались окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою. Участок для сворачивания формировался в виде буквы П, так чтобы локальная изолирующая подложка находилась в ее центре (фиг.2а). Детали отличаются в зависимости от используемого способа направленного травления. Далее выполнялось травление в растворе HF, (предварительно защитив от травления основную часть структуры) через литографические окна травитель поступал к жертвенному слою, при этом жертвенный слой AlAs растворился, а верхние слои с внутренним упругим напряжением отделились от подложки. Эта деформация происходила под действием внутренних напряжений, так как слой InGaAs первоначально был растянутым, после освобождения от связи с подложкой бислой отделился от подложки и свернулся в трубку. Трубка наворачивалась центральной частью на слой диэлектрика - локальную подложку (фиг.2б). Далее структура высушивалась.Then, to set the plot and the direction of folding, lithography was done - in a bilayer - windows were made in order to provide the etchant with access to the sacrificial layer. The folding section was formed in the form of the letter P, so that the local insulating substrate was in its center (Fig. 2a). Details differ depending on the directional etching method used. Next, etching was carried out in an HF solution (after protecting the main part of the structure from etching), the etchant entered the sacrificial layer through lithographic windows, while the AlAs sacrificial layer dissolved and the upper layers with internal elastic stress were separated from the substrate. This deformation occurred under the action of internal stresses, since the InGaAs layer was initially stretched; after being released from the bond with the substrate, the bilayer separated from the substrate and curled into a tube. The tube was screwed up by the central part onto the dielectric layer — the local substrate (Fig. 2b). Next, the structure was dried.

Для сушки применяли сушку через суперкритический CO₂. Напыляя металл (через литографические окна), формировались контакты к трубке - исток, сток и затвор так, что контакты находятся на изолирующей локальной подложке и одновременно трубка закрепляется на подложке. Следующей литографией и травлением в плазме или жидкостным удалялись края трубки, которые находятся не на изолирующей локальной подложке (фиг.2в).For drying, drying was carried out through supercritical CO ₂ . By spraying metal (through lithographic windows), contacts to the tube — source, drain, and gate — were formed so that the contacts are on an insulating local substrate and at the same time the tube is fixed to the substrate. The following lithography and etching in plasma or liquid removed the edges of the tube, which are not on the insulating local substrate (pigv).

Перенос структуры с помощью слоя с внутренним упругим напряжением, находящегося над нейStructural transfer using a layer with internal elastic stress located above it

На GaAs подложке с помощью молекулярной эпитаксии выращивался жертвенный слой AlAs 11 нм, на нем активный слой для изготовления приборов (фиг.3а). Стандартными методами (литографии, травления и т.д.), изготавливалась приборная структура (фиг.3б). На нее напыляли слой диэлектрика 150 нм, например Si₃N₄ для ее защиты от травления в ходе последующих операций (фиг.3в). С помощью литографии удалялся до глубины жертвенного слоя участок диэлектрика и рабочей структуры, прилегающий к приборной структуре с одной стороны, на месте которого будет находиться изгибающаяся петля (фиг.3г). Далее через это литографическое окно до уровня основной структуры напыли AlAs (фиг.3д). Стандартными методами удалялся литографический резист. Напылялся слой сжатого напряженного материала - хром (Cr) толщиной 20 нм (фиг.3е). При помощи литографии определялась область, которая будет отделяться от подложки (фиг.3ж). До глубины жертвенного слоя формировали окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою. Причем окна делались по периметру приборной схемы так, чтобы с торца было сплошное окно, а вдоль схемы - пунктирные окна (фиг.3ж). Далее выполнялось травление в 5% водном растворе HF. Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его, верхний слой Cr с внутренним упругим напряжением стремился расшириться, в результате чего происходило выпучивание и отделение от подложки приборной структуры. Эта деформация происходила под действием внутренних напряжений. Так как слой Cr первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделился от подложки вместе с приборной схемой, расположенной под ней. Участок, на котором находится приборная схема, из-за толстого слоя диэлектрика практически не деформировался (фиг.3з).A 11 nm AlAs sacrificial layer was grown on a GaAs substrate using molecular epitaxy, and an active layer for the manufacture of devices was grown on it (Fig. 3a). By standard methods (lithography, etching, etc.), the instrument structure was made (Fig.3b). A dielectric layer of 150 nm was sprayed onto it, for example, Si ₃ N ₄ to protect it from etching during subsequent operations (Fig.3c). Using lithography, a portion of the dielectric and the working structure adjacent to the instrument structure on one side was removed to the depth of the sacrificial layer, in place of which there will be a bending loop (Fig. 3d). Next, through this lithographic window to the level of the main structure AlAs dust (Fig.3d). Lithographic resist was removed by standard methods. A layer of compressed stressed material was sprayed — chromium (Cr) 20 nm thick (FIG. 3e). Using lithography was determined by the area that will be separated from the substrate (Fig.3g). Windows were formed to the depth of the sacrificial layer in order to provide the etchant with access to the sacrificial layer. Moreover, the windows were made around the perimeter of the instrument circuit so that there was a continuous window from the end, and dashed windows along the circuit (Fig. 3g). Next, etching was performed in a 5% aqueous HF solution. The etchant penetrated through the windows to the AlAs sacrificial layer and dissolved it, the upper Cr layer with internal elastic stress tended to expand, as a result of which the instrument structure was bulged and separated from the substrate. This deformation occurred under the influence of internal stresses. Since the Cr layer was initially compressed, after being released from communication with the substrate, it bent, separated from the substrate together with the instrument circuit located under it. The area on which the instrument circuit is located, due to the thick layer of the dielectric, was practically not deformed (Fig.3z).

В зависимости от задачи можно подобрать степень напряженности изгибающегося слоя (меняя толщину слоя металла и/или температуру напыления) так, чтобы схема либо просто отделялась от подложки, либо чтобы схема перевернулась и легла так, чтобы приборная структура оказалась сверху, а металл - снизу.Depending on the task, it is possible to select the degree of tension of the bending layer (changing the thickness of the metal layer and / or the spraying temperature) so that the circuit either just detaches from the substrate, or so that the circuit turns upside down and lies so that the instrument structure is on top and the metal is on bottom.

Отделение схемы от подложки с помощью выпучивания.Separation of the circuit from the substrate by buckling.

Выращивалась эпитаксиальная структура на GaAs подложке: жертвенный слой AlAs 7 нм, сжатый слой с внутренним упругим напряжением InGaAs 8 нм и верхний слой - приборная структура А³B⁵ (фиг.4а), из которой стандартными методами (литографии, травления и т.д.) изготавливалась приборная схема (фиг.4б). На нее напыляли слой диэлектрика 150 нм, например, Si₃N₄ для ее защиты от травления в ходе последующих операций (фиг.4в). С помощью литографии определялась область, которая будет отделяться от подложки - с двух противоположных сторон этой области делались литографические окна и вытравливалась структура до жертвенного слоя, чтобы обеспечивался доступ травителя к жертвенному слою AlAs (фиг.4г). Далее выполнялось травление в 5% водном растворе HF. Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его, сжатый слой с внутренним упругим напряжением InGaAs стремится расшириться, в результате чего происходит выпучивание и отделение его от подложки вместе с приборной структурой (фиг.4д).An epitaxial structure was grown on a GaAs substrate: a sacrificial AlAs layer of 7 nm, a compressed layer with an InGaAs internal elastic stress of 8 nm, and the upper layer was an A ³ B ⁵ device structure (Fig. 4a), from which standard methods (lithography, etching, etc. .) the instrument circuit was made (figb). A dielectric layer of 150 nm was sprayed onto it, for example, Si ₃ N ₄ to protect it from etching during subsequent operations (figv). Using lithography, we determined the region that would be separated from the substrate — lithographic windows were made from two opposite sides of this region and the structure was etched to the sacrificial layer, so that the etchant had access to the AlAs sacrificial layer (Fig. 4d). Next, etching was performed in a 5% aqueous HF solution. The etchant penetrated through the windows to the AlAs sacrificial layer and dissolved it, the compressed layer with internal elastic stress InGaAs tends to expand, resulting in buckling and separation from the substrate along with the device structure (Fig. 4e).

Аналогичный метод применим к структурам из других материалов. Например, для структуры на Si подложке и слоем внутренним упругим напряжением -SiGe отличие в травителе. Травление осуществляли в 3% водном растворе NH₄ОН. Травитель через окна растворял Si подложку под слоем SiGe, при этом приборные структуры были защищены от травителя снизу SiGe, а с другой - слоем диэлектрика Si₃N₄, слой SiGe стремится расшириться, в результате чего происходит выпучивание и отделение его от подложки вместе с приборной структурой.A similar method is applicable to structures of other materials. For example, for a structure on a Si substrate and a layer with an internal elastic stress, the -SiGe is the difference in the etchant. Etching was carried out in a 3% aqueous solution of NH ₄ OH. The etchant through the windows dissolved the Si substrate under the SiGe layer, while the device structures were protected from the etchant below by SiGe, and on the other hand, the Si ₃ N ₄ dielectric layer, the SiGe layer tends to expand, as a result of which the bulging and separation from the substrate along with the instrument structure.

Пространственная самосборка приборов, состоящих из нескольких схем.Spatial self-assembly of devices consisting of several circuits.

По нашей технологии можно организовать самосборку приборов, состоящих из большого количества схем. В заданных местах планарной технологией изготовляют приборные схемы, которые затем собираются в многослойные пространственные конструкции по вышеописанной технологии. Причем взаимное расположение схем относительно друг друга задается контролируемым. Рассмотрим технологию на примере сборки устройства, состоящего из двух схем, расположенных друг над другом.According to our technology, it is possible to organize the self-assembly of devices consisting of a large number of circuits. In predetermined places, planar technology produces instrument circuits, which are then assembled into multilayer spatial structures using the above technology. Moreover, the relative position of the circuits relative to each other is set controlled. Consider the technology on the example of the assembly of a device consisting of two circuits located one above the other.

Выращивалась эпитаксиальная структура на InP подложке: жертвенный слой AlAs 7 нм, слой In_0.8Ga_0.2As 7 нм, слой In_0.2Ga_0.8As 8 нм и верхний слой In_0.5Ga_0.5As (фиг.5а). На месте сборки трехмерной приборной конструкции изготовлялась локальная подложка при помощи литографии, удалялись на глубину 200 нм все верхние слои эпитаксиальной структуры (фиг.5а, 5). В образовавшееся углубление напылялся диэлектрик. В заданных местах делалась серия литографий для создания приборных схем (фиг.5б, 6). Создавались две приборные схемы, расположенные на разных заданных расстояниях от места сборки, будущей многоуровневой трехмерной конструкции. Причем места расположения приборных схем располагались на одной прямой по обе стороны от места сборки. На всю структуру напылением наносился слой диэлектрического материала, например, Si₃N₄ для их защиты от нежелательного травления в ходе последующих операций (фиг.5в). При помощи литографии на глубину до жертвенного слоя, вокруг схемы, расположенной к месту сборки ближе, чем другая, делаются окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою (фиг.5г). Причем окна делаются по периметру приборной схемы, с трех сторон в виде буквы П, таким образом, что захватываются противоположные стороны участка между структурой и местом сборки. Затем в этой области (между местом сборки и приборной схемой) плазменным травлением до слоя с внутренним упругим напряжением удаляется верхний слой диэлектрика и эпитаксиальной структуры (фиг.5д). Далее выполняется травление в 5% водном растворе HF, при этом жертвенный слой AlAs растворяется, а верхние слои с внутренним упругим напряжением вместе с приборной схемой отделяются от подложки (фиг.5е). Участок между приборной схемой и местом сборки под действием внутренних напряжений изгибается в дугу и приборная схема накладывается на место сборки. Для защиты и закрепления схемы на месте сборки напыляется диэлектрик. Диэлектрик и слой с внутренним упругим напряжением, находящийся теперь уже над приборной схемой, удаляется плазменным травлением. Делаем литографию в виде буквы П для доступа травителя к жертвенному слою вокруг второй приборной схемы (аналогично литографии вокруг первой приборной схемы). Освобождаем участок между местом сборки и второй приборной схемой от диэлектрика и части верхнего слоя In_0.5Ga_0.5As, расположенного над слоем с внутренним упругим напряжением. Часть верхнего слой In_0.5Ga_0.5As необходимо оставить для того, чтобы увеличить радиус изгиба за счет увеличения толщины слоя с внутренним упругим напряжением. Затем выполняется травление в 5% водном растворе HF, при этом жертвенный слой AlAs растворяется, а верхние слои с внутренним упругим напряжением вместе с приборной схемой отделяются от подложки. Участок между приборной схемой и местом сборки под действием внутренних напряжений изгибается в дугу, и приборная схема накладывается на место сборки поверх первой приборной схемы (фиг.5ж). Для защиты и закрепления схемы на месте сборки напыляется диэлектрик. Диэлектрик и слой с внутренним упругим напряжением, находящийся теперь уже над приборной схемой, удаляется плазменным травлением. Для объединения схем между собой делаются сквозные проводящие каналы с помощью серии литографий и напыления.An epitaxial structure was grown on an InP substrate: a sacrificial AlAs layer of 7 nm, an In _0.8 Ga _0.2 As 7 nm layer, an In _0.2 Ga _0.8 As 8 nm layer, and an upper In _0.5 Ga _0.5 As layer (Fig. 5a). At the assembly site of the three-dimensional instrument construction, a local substrate was made using lithography, all the upper layers of the epitaxial structure were removed to a depth of 200 nm (Figs. 5a, 5). A dielectric was sprayed into the formed recess. In predetermined places, a series of lithographs was made to create instrument circuits (Fig.5b, 6). Two instrument circuits were created, located at different given distances from the assembly site, the future multi-level three-dimensional structure. Moreover, the location of the instrument circuits were located on one straight line on both sides of the assembly site. A layer of dielectric material, for example, Si ₃ N _4, was deposited on the entire structure to protect them from unwanted etching during subsequent operations (Fig. 5c). Using lithography to a depth of the sacrificial layer, windows are made around the circuit located closer to the assembly site than the other in order to provide the etchant with access to the sacrificial layer (Fig. 5d). Moreover, the windows are made around the perimeter of the instrument circuit, on three sides in the form of the letter P, so that the opposite sides of the section between the structure and the assembly place are captured. Then, in this region (between the assembly place and the instrument circuit), the upper layer of the dielectric and epitaxial structure is removed by plasma etching to a layer with internal elastic stress (Fig. 5e). Next, etching is performed in a 5% aqueous HF solution, while the sacrificial AlAs layer dissolves, and the upper layers with internal elastic stress are separated from the substrate together with the instrument circuit (Fig. 5f). The section between the instrument circuit and the assembly site under the influence of internal stresses bends into an arc and the instrument circuit is superimposed on the assembly site. To protect and secure the circuit, a dielectric is sprayed at the assembly site. The dielectric and the layer with internal elastic stress, which is now already above the instrument circuit, is removed by plasma etching. We make lithography in the form of the letter P for the etchant to access the sacrificial layer around the second instrument circuit (similar to lithography around the first instrument circuit). We free the area between the assembly site and the second instrument circuit from the dielectric and part of the upper In _0.5 Ga _0.5 As layer located above the layer with internal elastic stress. Part of the upper In _0.5 Ga _0.5 As layer must be left in order to increase the bending radius by increasing the thickness of the layer with internal elastic stress. Then etching is performed in a 5% aqueous HF solution, while the sacrificial AlAs layer dissolves, and the upper layers with internal elastic stress are separated from the substrate together with the instrument circuit. The section between the instrument circuit and the assembly site under the influence of internal stresses is bent into an arc, and the instrument circuit is superimposed on the assembly site on top of the first instrument circuit (Fig. 5g). To protect and secure the circuit, a dielectric is sprayed at the assembly site. The dielectric and the layer with internal elastic stress, which is now already above the instrument circuit, is removed by plasma etching. To combine the circuits with each other, through conductive channels are made using a series of lithographs and spraying.

Аналогичным образом можно собирать и большее число схем, располагая их вокруг места сборки.Similarly, you can assemble a larger number of schemes, placing them around the assembly site.

Пространственная самосборка приборов из многослойной структуры.Spatial self-assembly of devices from a multilayer structure.

Выше описана сборка приборов, изготовленных из одной исходной структуры, содержащей жертвенный слой, слой внутренним упругим напряжением и приборный слой. Наш метод применим для сборки сложных трехмерных конструкций. Можно собирать сложные многослойные пространственные конструкции, если использовать эпитаксиальные структуры с несколькими слоями с внутренним упругим напряжением и, соответственно, несколькими жертвенными слоями, при этом каждый слой может иметь разную степень напряженности и толщины, соответственно разные заданные радиусы изгиба. Преимущество такого подхода еще и в том, что экономится площадь кристалла, так как на одном и том же участке кристалла можно изготовить несколько приборных схем - из каждого набора одного и того же участка изготовляется столько приборных схем, сколько наборов слоев.The above describes the assembly of devices made from one initial structure containing a sacrificial layer, a layer with internal elastic stress and an instrument layer. Our method is applicable for the assembly of complex three-dimensional structures. Complex multilayer spatial structures can be assembled if epitaxial structures with several layers with internal elastic stress and, accordingly, several sacrificial layers are used, while each layer can have a different degree of tension and thickness, respectively different preset bending radii. The advantage of this approach is also that it saves the area of the crystal, since several instrument circuits can be made on the same section of the crystal - as many instrument circuits as many sets of layers are made from each set of the same section.

Кольцо.Ring.

Наш метод может применяться не только для переноса приборных структур, но и также для перемещения слоя с внутренним упругим напряжением, который сам будет являться частью приборной структуры. Рассмотрим случай отделения участка пленки от подложки, с перемещением его на изолирующую подложку и поворотом на 90° (фиг.6). На кремниевой подложке с помощью CVD эпитаксии выращивали структуру, содержащую слои: стоп-слой сильно легированного Si p+50 нм, жертвенный слой Si 100 нм, сжатый слой SiGe 10 нм, слой Si p+8 нм. Для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою при помощи литографии, делались окна на глубину до жертвенного слоя. Литографические окна задавали контуры узкой полоски шириной 200 нм (фиг.6а), которая будет сворачиваться в кольцо. Так, как ширина такого кольца много меньше его диаметра, эта структура неустойчива в вертикальном положении, поэтому ее легко положить на бок так, чтобы стенки были перпендикулярны подложке. Для того чтобы она падала в нужном нам направлении, литографический рисунок представлял собой две параллельные линии, различающиеся по длине на некоторую величину (большую радиуса кольца). Далее выполнялось травление подложки в 5% водном растворе аммиака, при этом жертвенный слой нелегированного Si растворялся, и верхние слои с внутренним упругим напряжением отделялись от подложки. Так как слой SiGe первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделившись от подложки - заданная нами узкая полоска свернулась в кольцо (фиг.6б) и упала на бок (фиг.6в, г). Предварительно на этом месте могла быть изготовлена локальная изолирующая подложка - через маску напыляли тонкий слой диэлектрика. Полученное кольцо достаточно устойчиво для того, чтобы являться частью прибора. Эти структуры выдерживают дальнейшие стандартные технологические операции, кольца выдерживают многократное нанесение и смывание резиста, литографию (см. фиг.6г), напыление и т.п. без изменения положения кольца. Из таких колец можно изготавливать приборы типа вертикального транзистора по стандартной схеме.Our method can be used not only to transfer instrument structures, but also to move a layer with internal elastic stress, which itself will be part of the instrument structure. Consider the case of separation of the film from the substrate, moving it to an insulating substrate and rotating it by 90 ° (Fig. 6). A structure containing layers was grown on a silicon substrate using CVD epitaxy: a stop layer of heavily doped Si p + 50 nm, a sacrificial layer of 100 nm, a compressed SiGe 10 nm, and a Si p + 8 nm layer. In order to provide access to the etchant to the sacrificial layer using lithography, windows were made to a depth of the sacrificial layer. Lithographic windows defined the contours of a narrow strip 200 nm wide (Fig. 6a), which would fold into a ring. Since the width of such a ring is much smaller than its diameter, this structure is unstable in a vertical position, so it is easy to put it on its side so that the walls are perpendicular to the substrate. In order for it to fall in the direction we need, the lithographic drawing was two parallel lines that differ in length by a certain amount (a large radius of the ring). Then, the substrate was etched in a 5% aqueous ammonia solution, while the sacrificial layer of undoped Si was dissolved, and the upper layers with internal elastic stress were separated from the substrate. Since the SiGe layer was initially compressed, after being released from the bond with the substrate, it bent, separating from the substrate — the narrow strip we set was curled into a ring (Fig.6b) and fell on its side (Fig.6c, d). Previously, a local insulating substrate could be made at this place - a thin dielectric layer was sprayed through the mask. The resulting ring is stable enough to be part of the device. These structures withstand further standard technological operations, the rings withstand repeated application and washing off of the resist, lithography (see Fig.6g), spraying, etc. without changing the position of the ring. From such rings, devices such as a vertical transistor can be manufactured according to the standard scheme.

Данное изобретение делает возможным изготовление полупроводниковых приборов и интегральных схем, где в одной схеме сочетаются приборы, расположенные на разных локальных подложках (изолирующих, светоотражающих, проводящих, магнитных и т.д.), т.е. совмещение на одном чипе приборов, особенности которых требуют их расположения на разных подложках. Становится возможным пространственное совмещение микро- и наноприборов или элементов приборов, которые трудно или невозможно изготовить уже объединенными. Благодаря тому, что совмещение происходит в пределах одной подложки с использованием процессов самоорганизации, достижима более высокая точность, чем при совмещении двух разных подложек.This invention makes it possible to manufacture semiconductor devices and integrated circuits, where devices located on different local substrates (insulating, reflective, conductive, magnetic, etc.) are combined in a single circuit, i.e. combination on one chip devices whose features require their location on different substrates. It becomes possible spatial combination of micro- and nanodevices or elements of devices that are difficult or impossible to make already combined. Due to the fact that the combination occurs within the same substrate using self-organization processes, a higher accuracy is achievable than when combining two different substrates.

Claims

1. A method of manufacturing micro- and nanoscale devices, including the formation of a multilayer structure containing at least a substrate, a sacrificial layer and active layers from which the instrument structures are made, removal of the sacrificial layer and transfer of the film released from the bond with the substrate from the active layers to including those containing fabricated instrument structures, onto a new substrate, which is different in properties from the original substrate, characterized in that the new substrate is made locally, on the same substrate with active layers and With the help of rebar structures, the multilayer structure is formed containing additionally at least one layer with an internal elastic stress located directly below or above the active layers, after directed removal of the sacrificial layer in a given region, the film from the active layers, including those containing fabricated device structures, is released from communication with the substrate and under the action of internal elastic stresses changes its shape and moves to a new local substrate.

2. The method according to claim 1, characterized in that the sacrificial layer is the upper layer of the substrate.

3. The method according to claim 1, characterized in that the local substrate are instrument structures made on the same substrate.

4. The method according to claim 1, characterized in that the material of the local substrate is a conductor.

5. The method according to claim 1, characterized in that the material of the local substrate is a dielectric.

6. The method according to claim 1, characterized in that the material of the local substrate is a semiconductor.

7. The method according to claim 1, characterized in that the multilayer structure is formed containing several groups of layers, each of which contains a sacrificial layer, a layer with internal elastic stress and active layers, sequentially remove the sacrificial layers of the groups, which leads to the movement of the film from the active layers groups on the local substrate intended for this group.