Введение к работе
1. Актуальность работы
В настоящее время генеральным направлением развития технологии СБИС является увеличение степени их интеграции и создание трехмерных СБИС, а также, переход от гибридных оптоэлектронных интегральных схем к монолитным.
При производстве кремниевых ИС основным недостатком используемой сегодня технологии является изоляция элементов схемы р-п -переходом. Наличие р-п - переходов снижает быстродействие, надежность, степень интеграции. Поэтому для создания монолитных и трехмерных ИС необходимо решить проблему создания полной диэлектрической изоляции между элементами СБИС. Одним из наиболее эффективных путей увеличения плотности упаковки элементов, увеличения быстродействия, надежности, стойкости к внешним воздействиям, снижения потребляемой мощности является использование технологии полупроводник на диэлектрике (ПНД).
Задача объединения на одном кристалле оптических элементов (фотоприемников, излучателей, световодов) и электронной схемы обработки требует решения проблемы согласования кристаллических решеток полупроводниковых материалов, обладающих различными значениями постоянных решеток и коэффициентов термического расширения, и обеспечения диэлектрической изоляции между ними. Использование аморфных диэлектрических пленок Si02 или SijN4 не позволяет выращивать на них монокристаллические слои полупроводников.
Для комплексного решения этой задачи требуется принципиально новая технология создания монокристаллических диэлектрических слоев и производства СБИС, которая должна базироваться на промышленно используемых процессах создания СБИС. Эпитаксиальные диэлектрические слои могут служить основой для создания оптических линий связи между излучателями и фотоприемниками, а также с волоконно-оптическими линиями связи.
Анализ показывает, что для повышения степени интеграции, надежности, быстродействия и создания трехмерных СБИС, а также, при переходе от гибридной технологии создания оптоэлектронных интегральных схем к монолитным является получение многослойных монокристаллических структур диэлектрик-полупроводник.
Таким образом, задача производства трехмерных ИС и интегральных оптоэлектронных ИС может быть решена только при создании технологии получения монокристаллических слоев диэлектриков на поверхности полупроводников.
В последние годы определенные успехи достигнуты в получении днэлек'фических эпитаксиальных слоев фторидов кальция CaF2, стронция SrF2 и бария BaF2 на поверхности полупроводников, а также многослойных структур полупроводник - диэлектрик.
На момент определения направления диссертационных исследований из обзорных и оригинальных работ следовало, что использованию гетеросистемы полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник в практических целях препятствовал ряд нерешенных задач, которые в некоторой степени условно, можно разделить на несколько проблемных блоков.
Первый блок связан с необходимостью решения инженерных и
технических задач по созданию технологии получения структур:
обеспечению технологических процессов необходимыми диэлектрическими
материалами, конструированию и изготовлению технологического
оборудования и оснастки, разработке технологического процесса.
Второй блок обусловлен недостаточным пониманием механизмов зарождения и роста эпитаксиальных пленок фторидов (Ca,Sr,Ba)F2 на полупроводниковых и диэлектрических подложках. Несмотря на значительное количество публикаций, процессы зарождения, роста и механизмы упорядочивания слоев (Ca,Sr,Ba)F2 и дефектообразование в них в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках полупроводников различной ориентации и аморфных подложках остаются неясными.
Третий блок включает проблемы, возникающие при разработке технологии получения эпитаксиальных слоев полупроводников на диэлектрических пленках Si/CaF2/Si и АзВ5(Са,5г)Р2/АзВ5 методом молекулярно-лучевой эпитаксии и исследованию дефектообразования в них.
Четвертый блок проблем касается разработки различных методов литографии в структурах полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник.
Пятый блок связан с проблемами использования гетеросгруктур Si/CaF2/Si в промышленных процессах производства СБИС. В качестве базовой выбрана технология производства ИС на структурах кремний на сапфире.
Шестой блок включает вопросы исследования возможности получения гетероэпитаксиальных слоев InAs/GaAs InSb/GaAs с высоким временем жизни неосновных носителей в активном приповерхностном слое и разработки технологии получения матричных ФПУ в интегральном исполнении.
Седьмой блок связан с созданием оригинальных конструкций приборов оптоэлектроники, основанных на особых физических свойствах и технологических процессах получения многослойных гетеросгруктур полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник.
Восьмой блок включает технико-экономические проблемы создания технологического процесса субмикронных и трехмерных интегральных схем.
Перечисленные проблемы решались в представленной работе в период с 1985 по 1999 гг. под научным руководством и при личном участии автора.
2. Связь с государственными программами и НИР.
Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с техническими заданиями НИИ "Восток" г. Новосибирск, НПО Средств Вычислительной Техники г. Москва, НПП и ОКБ Новосибирского завода полупроводниковых приборов.
3. Цель работы заключалась в проведении процессов исследования
механизмов эпитаксиалыюго роста диэлектрических слоев (Ca,Sr)Fj на
полупроводниковых подложках методом молекулярно-лучевой эпитаксии,
создании технологии получения гетероструктур полупроводник - (Ca,Sr)F2 -
полупроводник и разработке технологии изготовления СБИС и
оитоэ.чектрониых схем, интегрированной в промышленно используемые
процессы производства.
Эта задача решалась путем исследования механизмов дефектообразования и поиском способов подавления дефектов. Результаты работы являются научно-техническим базисом развития нового научного направления в материаловедении - молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур «полупроводник/(Са,5г,Ва)р2/полупроводник» и основой новой промышленной технологии - производства трехмерных СБИС оптоэлектронных НС.
4. Методы исследовании.
В работе использованы методы исследования поверхности полупроводника in situ дифракцией быстрых электронов. Состав остаточной атмосферы в установке молекулярно-лучевой эпитаксии анализировался масс-спектрометром. Для анализа структурного совершенства кристаллов и процессов дефектообразования в объеме и на поверхности использовались высокоразрешающая электронная микроскопия, и растровая электронная микроскопия. Состав остаточных примесей в шихтовых материалах определялся с помощью методик прецизионного спектрального анализа. Исследования электрофизических параметров проводились с помощью измерения эффекта Холла, профилометра и C-V методов. Время жизни неосновных носителей определялось фотомагнитным и СВЧ методами.
5. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в
ней впервые:
-
Установлены закономерности дефектообразования в многослойных структурах полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник при проведении различных режимов эпитаксии, включающих низкотемпературную начальную стадию, режим высокотемпературного роста, термические послеростовые отжиги и комбинации этих методов.
-
Предложена физическая модель не эпитаксиальной кристаллизации и гетероэпитаксиального роста ионных кристаллов,
объясняющая механизмы возникновения разупорядоченной области на гетерогранице с полупроводником и в объеме пленки (Ca,Sr)F2.
-
Определены механизмы дефектообразования в слоях InSb/GaAs(]00) и InAs/GaAs(100), возникающие при различных режимах начальной стадии гетероэпитакши. Показано, что в пленках InSb/GaAs(100) при использовании низкотемпературной начальной стадии плотность прорастающих дислокаций уменьшается. Определена функциональная зависимость плотности прорастающих дислокаций в гетероэпитаксиальных слоях InAs/GaAs(l 00) и InSb/GaAs(l 00) от их толщины.
-
Предложена модель расчета плотности генерационных токов в гетероструктурах, основанная на использовании пространственного распределения генерационно-рекомбинационных уровней, обусловленных дислокациями.
-
На основе анализа процессов термогенерации и рекомбинации, диффузии и дрейфа предложены физические методы блокировки генерационных токов, направленных от дефектной подложки к поверхности гстероструктуры, основанные на использовании потенциальных барьеров для неосновных носителей.
Изготовлены гетероструктуры в которых достигнуты времена жизни, соответствующие объемным материалам InSb.
Разработаны конструкции гетероэпитаксиальных структур и интегральных ФПУ на их основе.
6. Достоверность результатов обеспечивалась проведением
значительного количества дополняющих экспериментов, изготовлением
макетов приборов, обладающих высокими электрофизическими
параметрами, внедрением разработок в производство и получением
практических результатов в виде действующих ИС.
7. Практическая значимость и реализация результатов работы.
7.1. Реализована целевая программа разработки методов синтеза и
очистки шихтовых материалов CaF2, SrF2, BaF2, предназначенных для
использования в качестве диэлектрических материалов в микроэлектронике.
Разработана технология очистки монокристаллов CaF2, SrF2, BaF2, удовлетворяющая требованиям производства СБИС на структурах полупроводник на диэлектрике. Имеются утвержденные технические условия на чистые CaF2, SrF2, BaF2.
7.2. Разработаны и созданы и внедрены оригинальные конструкции
молекулярных источников из стеклоуглерода СУ-2300 для получения пленок
CaF2, SrF2, BaF2 и соединений А3В5, обладающие высокой надежностью,
экономичностью и обеспечивающие высокое качество эпитаксиальных
диэлектрических и полупроводниковых слоев. Имеется патент России и
авторское свидетельство. Имеется акт о внедрении.
7.3. Разработана технология получения ИС на структурах кремний на диэлектрике Si/CaF2/Si(100). Изготовлены комплиментарные МОП ИС, обладающие высокими характеристиками.
7.4. На основе теоретического анализа разработаны и реализованы
конструкции гетероструктур с высокими значениями времени жизни
неосновных носителей в гетероэпитаксиачьных слоях полупроводников с
высокой плотностью прорастающих дислокаций.
-
Для жидкокристаллических дисплеев разработана конструкция структуры 8і/СаР2/(аморфная подложка) и способ ее получения.
-
Разработана конструкция диодной фотоприемной ячейки матричного фотоприемного устройства, обладающая повышенной надежностью.
-
Разработаны технологические маршруты изготовления элементов ФПУ в интегральном исполнении. Имеется акт о внедрении.
-
Проведено технико-экономическое обоснование, разработаны и предложены принципы создания субмикронной технологии, трехмерных интегральных схем и приборов интегральной оптоэлектроники па основе структуры полупроводник /(Ca,Sr,Ba)F2.
-
Разработана технология получения оптических диэлектрических волноводов (Ca,Sr)F2 методами литографии на поверхности GaAs.
Диссертация содержит введение, восемь глав, заключение, список литературы из 245 наименований. Объем диссертации 372 страницы, 111 иллюстраций, 24 таблицы. Результаты и выводы.
8. На защиту выносятся следующие основные положения
-
В гетсроэпитаксальных пленках (Ca,Sr,Ba)F2 на Si(l 11) на границе раздела с подложкой возникает разупорядоченная область. Ее возникновение объясняется наличием на гетерогранице нескольких одновременно существующих конфигураций химической связи, которые имеют близкую энергию образования.
-
В гетероэпитаксиальных пленках CaF2/Si(lll) и CaF2/Si(100) отсутствуют макронапряжения и прорастающие дислокации при любых несоответствиях параметров пленки и подложки. Этот факт объясняется особым механизмом релаксации напряжений в гетеросистеме за счет образования точечных дефектов. Увеличение ширины РО в гетеросистеме CaF2/Si(100) по сравнению со структурой CaF2/Si(ill) связано с различным числом атомов, приходящихся на элементарную ячейку CaF2(100) и Si(100).
8.3. Проведение послеростового отжига приводит к уменьшению
ширины и даже полному исчезновению разупорядоченной области.
І Іредложен механизм релаксации точечных дефектов, который обусловлен
не только упругим, но и электростатическим взаимодействием точечных
дефектов, в резульате чего наблюдается дрейф ионов в кристалле CaF2.
8.4. В гетеросистеме (Ca,Sr,Ba)F2/GaAs ширина РО имеет большую
протяженность за счет большего числа атомов, участвующих в
формировании связей на ГР. Одновременное существование нескольких
конфигураций связей на ГР (Ca,Sr,Ba)F2/GaAs приводит к выводу о
нестабильности свойств гетерограницы и наличию на ней достаточно
высокой плотности поверхностных состояний.
8.5. Результаты экспериментальных исследований и теоретического
анализа процессов твердофазной эпитаксии показывают, что при больших
толщинах рекристаллизуемых пленок CaF2 на аморфных подложках или на
подложках Si( 100) пленки имеют преимущественно ориентацию {111}.
Объяснение основано на использовании представлений о значительном различии свободной поверхностной энергии CaF2 ориентации (100) и (111) и процессах геометрического отбора кристаллов.
8.6. Результаты исследования влияния плотности дислокаций в
соединениях AjB5 на время жизни неосновных носителей заряда в
гетероэпитаксиальных слоях полупроводников.
Показано, что высокие значения генерационных токов в
гетероструктурах обусловлены значительной плотностью дислокаций.
-
Оригинальные разработки конструкций гетероэпитаксиальных структур и ФПУ с высокими значениями времени жизни неосновных носителей.
-
Разработка базовых технологических процессов и маршрута изготовления КМОП ИС на структурах полупроводник на диэлектрике и трехмерных ИС.
8.10. Оригинальные конструкции элементов оптоэлектронных схем в монолитном исполнении.
9. Апробация работы. Основные результаты исследований
докладывались и обсуждались на международных конференциях в Болгарии
1989г., в Будапеште 1990г., Минске 1990г., в Англии (Оксфорд) 1991г., в
Новосибирске 1998г., на Всесоюзной конференции в Ленинграде 1990 г.,
Всероссийская конференция в Новосибирске 1999г., на отраслевых
конференциях в Новосибирске в 1987 и 1989 гг.
10. По материалам диссертационной работы соискателем лично и в
соавторстве опубликовано 43 научных работы, в их числе 13 докладов на
конференциях, 13 статей, 10 патентов и авторских свидетельств. Результаты
исследований и разработок изложены в 7 отчетах по НИР.
11. Личный вклад Постановка задач, способы их решения и
основные научные результаты, конструкторские разработки и изобретения
принадлежат лично автору. Изготовление узлов и конструкций, проведение
технологических процессов и исследований выполнены сотрудниками НИИ
"Восток" при участии и под руководством автора.
12. Структура и объем диссертации. Диссертация содержит
ппедение, восемь глав, заключение, список литературы из 245
наименований. Объем диссертации: 372 страницы, 111 иллюстраций, таблиц 24. Результаты и выводы.
