Способ изготовления кремниевых структур

Способ изготовления кремниевых структур, включающий гидрофилизацию кремниевых пластин, сушку пластин на воздухе, соединение пластин лицевыми сторонами друг с другом, термообработку при температуре не менее 1000^oC, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрофизических параметров структур при одновременном увеличении производительности, после гидрофилизации пластины помещают в раствор, содержащий не менее 1 об. плавиковой кислоты в деионизованной отфильтрованной воде, затем пластины промывают в деионизованной отфильтрованной воде, соединяют пластины попарно и извлекают их из воды в соединенном состоянии, сушку пластин проводят перед термообработкой при 100 130^oC в течение времени не менее 4 ч при одновременном приложении равномерно распределенного по площади соприкосновения пластин давления величиной p>3 10^-3 Па, нагрев пластин до температуры термообработки ведут со скоростью не более 10 град./мин, начиная от температуры 200^oC.

Изобретение относится к области технологии изготовления полупроводниковых приборов с p-n-переходами и может быть использовано в частности при конструировании приборов сильноточной электроники и микроэлектронной техники.
Способ изготовления кремниевой структуры методом прямого соединения пластин кремния заключается в гидрофилизации, промывке и приведении в контакта пары зеркально отполированных пластин с последующей их термической обработкой. В этом способе вероятность оседания на поверхности пластин пылинок существенно меньше, чем в способах-аналогах. 0согласно этому способу пара пластин, обращенных зеркальными поверхностями друг к другу, перед промывкой помещается в горизонтальном положении на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга в устройство, обеспечивающее устойчивое положение пластин во время промывки в потоке деионизованной воды и последующей сушки на центрифуге, после чего пластины приводятся в контакт путем сбрасывания верхней пластины на нижнюю. После этого пара пластин подвергается термообработке при температуре 1200 - 1300^oC в течение 4 6 ч.
Преимуществом способа-прототипа является практическое исключение "пылевых" островков несоединенного кремния, хотя он не требует обеспыленной среды высокого класса что ведет к более гарантированному соединению контактирующих поверхностей.
Однако способ-прототип не лишен недостатков, свойственных аналогу - высокого электрического барьерного сопротивления "интерфейса", которое в типичном случае имеет значение 10^-1-1,0 Ом/ , и недостаточно качественного соединения, что в результате ведет к плохим электрофизическим параметрам полученной кремниевой структуры (например, динамическое сопротивление R_d, напряжение в проводящем состоянии U_F, время жизни неравновесных носителей заряда _р, блокирующая способность p-n-структур). Указанные недостатки являются следствием причин, присутствующих и в способах-аналогах: толстых слоев двуокиси кремния , образующихся во время обработки пластин на воздухе и в воде, а также захвата азота из воздуха и образования неконтактирующих областей в "интерфейсе" так называемых пузырей.
Целью изобретения является улучшение электрофизических параметров структуры за счет уменьшения барьерного сопротивления переходного слоя и улучшения качеств соединения. Эта цель достигается тем, что пара зеркально отполированных кремниевых пластин подвергается гидрофилизации, промывке и приведению в контакт с последующей их термической обработкой при Т 1000^oC.
Новым в предлагаемом изобретении является то, что после гидрофилизации пластины погружают в отфильтрованную деионизованную воду, содержащую не менее 1 об. HF, упомянутую промывку, проводят до удаления следов HF, затем пластины сближают в промывочной воде до их сцепления силами поверхностного натяжения, а приведение в контакт осуществляют путем воздействия на сцепленные пластины равномерно распределенным осевым давлением величиной p 3 10³ Па при температуре 100 130^oC на воздухе в течение времени t 4 ч, вышеуказанную термообработку начинают при температуре T 200^oC, причем температуру увеличивают со скоростью dT/dt 10 град/мин.
Как следует из существа изобретения, образующийся на поверхностях слой двуокиси кремния удаляется путем погружения пластин в отфильтрованную воду, содержащую не менее 1 об. HF. При меньших концентрациях резко увеличивается интервал травления, причем оксид травится неоднородно. Финишная промывка осуществляется путем замещения раствора HF деионизированной отфильтрованной водой до удаления следов HF. Образующийся во время финишной промывки слой оксида кремния достигает небольшой толщины порядка нескольких ангстрем и не создает дополнительного электрического барьерного сопротивления "интерфейса" поскольку в процессе термообработки он восстанавливается до кремния. Промывочная и растворная вода должна быть отфильтрована для удаления взвесей, которые появляются в ней в процессе деионизации и могут играть ту же роль, что и пылинки воздуха.
Важно отметить, что в предлагаемом способе исключается контакт поверхностей пластин с воздушной средой и оседание на них пылинок воздуха и образование воздушных пузырей в процессе сращивания.
После промывки пластин в отфильтрованной деионизованной воде, пластины попарно сближают в воде зеркальными поверхностями до их сцепления силами поверхностного натяжения и затем извлекают из воды в соединенном состоянии. Сушку пластин проводят в термостате при температуре 100 130^oC при одновременном приложении равномерно распределенного по площади соприкосновения пластин давления величиной p 3 10³ Па. Приложение этого давления способствует равномерному выдавливанию толстого слоя воды к периферии пластины (с последующим ее испарением). При этом процессе остающиеся на поверхности монослои воды способствуют упрочнению сцепления пластин путем перестройки связей между атомами кислорода в молекулах воды одного монослоя с атомами водорода в молекулах воды другого монослоя. Опыт показал, что, при меньшем давлении либо температуре ниже указанного интервала, по площади пластин сохраняются участки замкнутых объемов (пузырей) с водой и соединение получается некачественным из-за неполного испарения воды.
При выходе за предел верхнего интервала температуры нагрева пузыри иногда образуются в центральной части "интерфейса", что связано с большой скоростью испарения воды с периферии, когда она становится больше скорости радиального поступления воды из центра к краю, в результате монослои воды возникают у периферии раньше, чем в центре, "запирая" оставшуюся воду в центральных участках.
Следует отметить, что для увеличения производительности процесса прогрев при указанных давлении и интервале температур проводят одновременно несколько пар пластин, уложенных стопкой.
Опытным путем установлено, что указанное время выдержки пластин в термостате является необходимым для получения высокого качества сцепления. После такой выдержки энергия сцепления настолько возрастает, что пара пластин выдерживает механическую обработку (шлифовку, полировку, резку), не распадаясь.
Как вытекает из формулы, сцепленные пластины помещают в печь при температуре не выше 200^oC и доводят температуру до значения выше 1000^oC со скоростью подъема не выше 10 град/мин. Это необходимо для исключения "взрыва" пластин при резком увеличении давления насыщенного пара воды в микропузырьках. Сравнительно медленное повышение температуры обеспечивает квазиравновесные условия, предохраняя соединяющиеся пластины от появления деформационных напряжений и образования дислокаций у "интерфейса".
Положительный эффект в предлагаемом способе достигается благодаря использованию операций, исключающих:
попадание пылинок между двумя пластинами;
образование толстых слоев двуокиси кремния в "интерфейс";
появление напряженных областей "интерфейса".
Результатом этого является низкое электрическое барьерное сопротивление интерфейса, которое имеет типичные значения R 10^-3 Ом/ , (в то время, как в прототипе оно составляет R 10^-2 Ом/ ).
Как уже отмечалось ранее в соответствии со способом-прототипом приведение пластин в контакт осуществляется на воздухе, хотя применение специального устройства, хотя применение специального устройства, в котором пластины осушаются на центрифуге и приводятся в контакт путем сбрасывания, уменьшает вероятность попадания пылинок, но все же не гарантирует однородность соединения.
Как в способах-аналогах, так и в способе-прототипе на зеркальных поверхностях, образуются толстые слои двуокиси кремния. В результате электрическое барьерное сопротивление "интерфейса" получается высоким, а электрические характеристики приборов на основе таких структур плохие (малый коэффициент инжекций p-n-перехода, высокое остаточное напряжение в проводящем состоянии. В предлагаемом способе слой двуокиси кремния удаляется в растворе, содержащем 1 об. плавиковой кислоты в деионизованной отфильтрованной воде, промытые затем от следов плавиковой кислоты в деионизованной отфильтрованной воде, пластины сцепляются силами поверхностного натяжения воды непосредственно в воде. Таким образом, поскольку перед соединением поверхности пластин с воздухом контакта не имеют, исключается оседание на них пылинок, а толщина двуокиси кремния получается настолько малой, что он не влияет на электрическое барьерное сопротивление "интерфейса".
Сушка сцепленных пластин в термостате в выбранном интервале температур 100 130^oC с одновременным приложением равномерно распределенного по площади соприкосновения пластин давления p 3 10³ Па, затем помещение сцепленной пары пластин в печь, предварительно нагретую до Т 200^oC, медленное нагревание пластин до температуры термообработки со скоростью не более 10 град/мин все это в совокупности обеспечивает однородность соединения пластин, дополнительно уменьшает упомянутое сопротивление и позволяет достичь цели, указанной в формуле.
Таким образом, часть признаков, использованных в формуле изобретения в технике известны, но режимы их осуществления в технике неизвестны. Совокупность режимных параметров в сочетании с известными признаками позволяет регулировать толщину окисла на границе, что приводит к улучшению электрофизических параметров "интерфейса".
Пример 1. Практическую реализацию предлагаемого способа рассмотрим на примере изготовления кремниевой структуры типа n-n.
Пара зеркально отполированных пластин диаметром 60 мм, толщиной 500 мкм, ориентацией <111> из слитка с = 5,0 Ом см=Ом см, выращенного бестигельной зонной плавкой, была подвергнута сперва стандартной очистке (обезжириванию) путем кипячения в толуоле и ацетоне, а затем отмывке путем кипячения в HNO₃, HF, H₂O₂, NH₄OH, царской водке с промежуточной промывкой в проточной отфильтрованной деионизованной воде. После отмывки пластины были подвергнуты гидрофилизации путем кипячения в растворе NH₄OH:H₂O:H₂O при 90^oC. После этого пластины погружались в раствор, содержащий 1 об. плавиковой кислоты в деионизованной отфильтрованной воде, и выдерживались в нем в течение 5 мин. Затем раствор, содержащий плавиковую кислоту, замещался проточной отфильтрованной деионизованной водой в течение 5 мин с расходом воды 2 л/мин. Затем пластины сближались в промывочной воде зеркальными поверхностями до сцепления их силами поверхностного натяжения воды. Сцепленные пластины извлекались из воды и помещались на фильтровальную бумагу для удаления воды с поверхности пары. Затем пару пластин помещали в приспособление, обеспечивающие устойчивую ориентацию пластин по базовому срезу, устройство помещалось в термостат, на пластины опускался через фторопластовую прокладку груз, обеспечивающий условия давления, указанные в формуле. Величина давления составляла p=3,4 10³ Па. В таком положении пластины выдерживались в термостате при температуре 100^oC в течение 4 ч, после чего извлекались из термостата и проводился контроль качества сцепления (прочность на сдвиг, наличие пузырей) с помощью механических и оптических методов. Затем пара кремниевых пластин помещалась в кварцевой лодочке в высокотемпературную печь, рабочая зона которой была нагрета до Т=180^oC, после чего температура поднималась со скоростью 10 град/мин до 1100^oC. При этой температуре пластины выдерживались в течение 4 ч. После охлаждения вновь исследовалось качество соединения. В данном случае получен типичный результат: соединение произошло по всей площади без пузырей. Исключение составила периферийная полоса шириной 4 мм, соответствующая типичному нарушению плоскостности при механической обработке пластин (так называемый краевой "завал").
Следует отметить, что полученный результат качества соединения во всех опытах идентичен; в некоторых опытах происходило "залечивание" небольших пузырей, проявлявшихся на некоторых парах после первой термообработке. После изготовления известными методами контактов к составным пластинам пары измерялось сопротивление "интерфейса". Оно составило R<5 10^-3 Jv/ (типичное значение этого параметра для структуры, изготовленной из пластин кремния, указанных выше номиналов, составляет 5 10^-2 Ом/ ). Результаты показаны в первой горизонтальной строчке табл. 1.
В этой же таблице следующими строчками показаны результаты для реализации предлагаемого изобретения на примерах изготовления других типов структур и для структуры, изготовленной по способу-прототипу.
Из табл. 1 можно увидеть, что во всех случаях изготовления структур по предлагаемому способу соединение получается качественным, без пузырей; сопротивление переходного слоя существенно меньше, чем в случае применения способа-прототипа (N 4). В результате электрические параметры p-n-структур, изготовленных разными способами с использованием одинаковых сходных пластин (N 3 и N 4), существенно лучше в случаях предлагаемого способа, а для макетных высоковольтных силовых p+n-диодов вольтамперные характеристики (см. табл. 2) также существенно лучше и не отличаются от характеристик контрольных диодов, изготовленных традиционным (диффузионным) способом.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления кремниевых структур методом прямого соединения позволяет достичь указанной в формуле цели и может быть использован при конструировании новых приборов сильноточной электроники и микроэлектроники как эффективный метод изготовления структур приборов с высокими электрическими параметрами.
Использование: изобретение может быть использовано при конструировании приборов сильноточной электроники и микроэлектронной техники. Сущность: способ включает гидрофилизацию кремниевых пластин, помещение пластин в раствор, содержащий не менее 1 об.% плавиковой кислоты в деионизованной отфильтрованной воде, промывку пластин в деионизованной отфильтрованной воде, затем пластины соединяют попарно и извлекают из воды в соединенном состоянии, проводят сушку пластин при температуре 100 - 130^oC в течение времени не менее 4 ч при одновременном приложении равномерно распределенного по площади соприкосновения пластин давления величиной более 3 10³ Па, нагрев пластин до температуры термообработки ведут со скоростью не более 10 град/мин, начиная от 200^oC, и проводят термообработку при температуре не менее 1000^oC. 2 табл.