КСДИ-ТЕХНОЛОГИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Е.Г. Гук

Кремниевая технология – это огромный мир со своими законами и основными процессами. Сегодня приборы на основе кремния составляют около 98% всех производимых в мире полупроводниковых приборов. И так будет продолжаться еще долгое время.

Кремний прочно занял свое место основного полупроводникового материала для производства твердотельных приборов с начала 60-х годов, этому способствовало уникальное сочетание его параметров: ширина запрещенной зоны, равная 1,1 эВ, высокое значение собственного удельного сопротивления (около 230000 Ом×см). Важным достоинством является высокое качество, маскирующие свойства при диффузии и стабильность его окисла. Все это позволило кремнию стать основой практически всего спектра современных твердотельных приборов: и высоковольтных силовых приборов, и больших планарных интегральных схем, и солнечных элементов, и оптоэлектронных приборов, и ИК датчиков, и многого, многого другого.

К основным технологическим операциям, формирующим все это многообразие приборов, относятся окисление, фотолитография, диффузия, ионная имплантация и эпитаксия.

Однако ряд задач невозможно решить в рамках традиционной кремниевой технологии. Например, существует целый класс полупроводниковый приборов, конструкция которых предусматривает чрезвычайно высокое качество изоляции отдельных элементов. Сопротивление изоляции должно достигать величины до 10¹¹ – 10¹² Ом. К таким приборам относятся, в частности, многоэлементные позиционно-чувствительные фотоприемники интегрального типа, для нормальной работы требуется обеспечить минимальные токи утечки.

Для изготовления таких приборов применяется технология КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией). Важнейшая операция КСДИ технологии, обуславливающая топологию создаваемой полупроводниковой структуры заключается в формировании в кремниевой пластине ориентации <100> V-образных канавок в результате анизотропного травления.

Анизотропное травление обусловлено значительно большей энергией разрыва связи при травлении на поверхности кремния (111) по сравнению с (100) и (110). На рис.1 приведены зависимости скорости травления кремния различной кристаллографической ориентации от температуры. В результате соотношение скоростей травления при 100ºC для различных плоскостей выглядит следующим образом: (110):(100):(111) = 50:30:1.

В качестве маски при анизотропном травлении кремния в щелочной среде используется слой двуокиси кремния. Плоскость (111) образует с плоскостью (100) угол в 54.7^о. Так что если пренебречь травлением в направлении плоскости (111), глубина V-образной канавки d определяется шириной окна в окисной маске W так, как это показано на рис.2.

d = W/2×tg54.7o~0.7´W

Таким образом, при травлении в щелочной среде на пластинах ориентации (100) естественным образом формируются V-образные канавки с глубиной, самосогласованной с размерами окон в маске.

Технология формирования КСДИ-структур, приведенная на рис.3, включает следующие операции:

На первом этапе пластины монокристаллического кремния ориентации (100) подвергаются термическому окислению для формирования защитного слоя SiO₂. Затем с помощью фотолитографии в этом слое формируются окна заданных размеров, которые определяют как необходимую топологию, так и глубину V-образных канавок на следующей операции анизотропного травления. На 4 этапе защитный окисел удаляется и в результате длительного высокотемпературного окисления формируется очень толстый (1-2 мкм) слой SiO₂ высокого качества, который обеспечивает высокое качество изоляции между элементами готовой структуры. На 5 этапе осаждают слой поликристаллического кремния для заполнения V-образных канавок с дальнейшим наращиванием толщины поликремния до 300-350 мкм для формирования будущей подложки. На заключительном этапе происходит удаление полировкой тыльной части исходной монокристаллической пластины до вскрытия «карманов».

Эти монокристаллические карманы служат основой для формирования в них стандартных полупроводниковых элементов в результате проведения операций окисления, диффузии, фотолитографии и т.д. На рис.4 показан позиционно-чувствительный датчик, изготовленный с использованием КСДИ-структуры, состоящей из двух изолированных монокристаллических «карманов».

Длина этих карманов достигает 20мм, а глубина – 15 мкм. В этих карманах сформирован набор из 600 пар встречно включенных диодов. Хорошее качество p-n переходов и высокое сопротивление изоляции между карманами обеспечивает значение интегрального темнового тока 10^-10-10^-11 А, что позволяет фотоприемнику определять координату очень слабого оптического сигнала.

Однако технология КСДИ обладает рядом недостатков, таких как большие временные и энергозатраты, требуемые для операции эпитаксии поликристаллического кремния. Эта операция является и наиболее вредной с экологической точки зрения. Кроме того, технология КСДИ не позволяет формировать карманы с глубиной, превышающей 30-35 мкм из-за большой потери полезной площади и больших механических напряжений, возникающих при большой глубине V-образных канавок. В то же время создание очень мелких карманов связано с высоким процентом брака на операции вскрытия «карманов».