close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Методы формирования объемных микроструктур устройств микроэлектроники и микросистемной техники космического назначения

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
АНУРОВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУР
УСТРОЙСТВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И
МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные
компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва − 2018
2
Работа выполнена на кафедре «Конструирование, технология и производство
радиоэлектронных средств» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)» и в АО «Российские космические
системы».
Научный руководитель:
Жуков Андрей Александрович
доктор технических наук, доцент,
начальник отдела АО «Российские космические
системы» (г. Москва),
заведующий
кафедрой
«Технология
производства приборов и систем управления
летательных
аппаратов»
ФГБОУ
ВО
«Московский
авиационный
институт
(национальный
исследовательский
университет)»
Официальные оппоненты:
Одиноков Вадим Васильевич
доктор технических наук, профессор,
заместитель генерального директора по науке
ОАО «НИИТМ»
Обижаев Денис Юрьевич
кандидат технических наук,
начальник отдела научно-технологического
комплекса нано- и микротехнологий научноисследовательского центра нанотехнологий
ФГУП «ЦНИИХМ»
Ведущая организация:
Федеральное
государственное
автономное
образовательное
учреждение
высшего
образования «Национальный исследовательский
университет
«Московский
институт
электронной техники».
Защита диссертации состоится «07» июня 2018 г. в 16 часов 00 мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.157.06 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г.
Москва, ул. Красноказарменная, д.14, корпус К, ауд. К-102а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на
сайте www.mpei.ru.
Автореферат разослан «___» _____________ 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.06
к.т.н., доцент
Сарач О.Б.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Применение устройств микроэлектроники (МЭ)
и микросистемной техники (МСТ) в космосе предъявляет к ним повышенные требования в
части расширенного температурного диапазона применения, использования материалов,
слабочувствительных к дестабилизирующим факторам космического пространства (ДФКП)
и т.д., что, в свою очередь, требует разработки новых или совершенствования существующих
конструкций и методов их изготовления. Формирование функциональных элементов
устройств МЭ и МСТ в объеме подложки позволяет существенно повысить стойкость
устройств к ДФКП, а применение усовершенствованных материалов и конструктивных
решений – расширить температурный диапазон. Изготовление устройств микроэлектроники
и микросистемной техники космического назначения (далее – устройства МЭ и МСТ) по
технологии объемной микрообработки, в частности, создание объемных высокоаспектных
микроструктур заданного профиля в кремнии, полиимидных (ПИ) слоях и других
материалах, требует широкого использования методов плазмохимического травления (ПХТ),
таких как плазменное травление, реактивное ионное травление (РИТ), травление в
индуктивно-связанной плазме (ИСП) и т.д. Широкое применение получили технологии
травления в реакторах ИСП с использованием Bosch, Pseudo Bosch и крио-процессов. Из
технологий высокоанизотропного плазмохимического травления объемных микроструктур в
кремнии наибольшее распространение получили Bosch и Pseudo Bosch-процессы, широко
исследованные Зихао Оуянг из Университета Иллинойс, США. В Российской Федерации
больших успехов в исследованиях технологий ПХТ достиг коллектив Ярославского Филиала
ФГБУН Физико-технологического института РАН (д.ф-м.н. Амиров И.И.). Кроме того,
большое значение при формировании устройств МЭ и МСТ придается выбору материала для
диэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски в технологии
LOCOS. Для этих целей наиболее подходящими являются пленки низкотемпературного
нитрида кремния, подробно исследованные Энцо Каролло в STMicroelectronics (Швейцария)
и Micron Technology Inc. (США). Основными устройствами МЭ и МСТ, при изготовлении
которых применяется Bosch-процесс, являются микроструктурные экранно-вакуумные
изоляции космических аппаратов (ЭВИКА), датчики давления, клапаны, маятники и SIWфильтры (СВЧ фильтры, изготавливаемые по технологии интегрированного в подложку
волновода). Pseudo Bosch-процесс используется для формирования объемных микроструктур
с гладкими стенками в технологиях щелевой изоляции, при изготовлении силовых
транзисторов с вертикальным затвором (СТВЗ), конденсаторов и микросхем. Изготовление
разнородных устройств МЭ и МСТ с применением объемных микроструктур, таких как
полупроводниковый СТВЗ, микросистемная ЭВИКА и СВЧ SIW-фильтр, требует разработки
методов формирования вертикальных канавок в кремнии шириной 0,8-2 мкм и глубиной
1,5-6,5 мкм, вертикальных отверстий и канавок в кремнии и полиимиде глубиной 10-20 мкм,
сквозных высокоаспектных микроотверстий в кремниевых пластинах диаметром до 250 мкм
и глубиной более 380 мкм с фасками на входе и выходе микроотверстия. При выборе
4
материала для диэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски в
технологии LOCOS возникает задача разработки технологии формирования малодефектной
пленки нитрида кремния на кремнии при температуре процесса не выше 200 °С с высоким
напряжением пробоя и минимальными остаточными сжимающими напряжениями.
Отсутствие методов высокоанизотропного плазмохимического травления объемных
микроструктур в кремнии, полиимиде и метода формирования низкотемпературного
малодефектного нитрида кремния не позволяет внедрить в России в серийное производство
СТВЗ, ЭВИКА и SIW-фильтры космического назначения.
Таким образом, актуальна разработка конструкций и технологий изготовления новых
устройств МЭ и МСТ космического назначения путем совершенствования методов
плазмохимического травления объемных высокоаспектных микроструктур в кремнии,
полиимиде и осаждения пленок нитрида кремния.
Цель работы: исследование и разработка технологии формирования объемных
микроструктур для микросистемной техники космического назначения.
Решаемые задачи:
1. Выявить конструктивные и физико-технологические ограничения при
формировании объемных микроструктур силового транзистора с вертикальным затвором,
экранно-вакуумной изоляции КА и SIW-фильтра, провести приборно-технологическое
моделирование конструкции силового транзистора.
2. Исследовать и разработать плазменные методы формирования объемных
микроструктур для создания силовых транзисторов с вертикальным затвором, экранновакуумных изоляций КА и SIW-фильтров.
3. Исследовать и разработать технологию плазмохимического осаждения
малодефектных пленок нитрида кремния.
4. Разработать новые конструкции и маршруты изготовления силового транзистора
с вертикальным затвором, экранно-вакуумной изоляции КА и SIW-фильтра.
Научная новизна:
1. Показано, что предварительная обработка поверхности кремниевой подложки в
азотной плазме перед низкотемпературным (менее 200 °С) осаждением нитрида кремния
позволяет сформировать на границе «кремний - нитрид кремния» переходной слой толщиной
от 2 до 6 нм, что приводит к снижению дефектности пленки нитрида кремния и обеспечивает
требуемую величину адгезии слоев.
2. С использованием приборно-технологического моделирования проведено
исследование зависимости величины порогового напряжения МОП-транзистора с
вертикальным затвором, изолированным термическим окислом, от глубины p-n перехода
«исток-карман» и толщины подзатворного диэлектрика. Установлено, что оптимальная
глубина p-n перехода «исток-карман» составляет 1-1,2 мкм при толщине подзатворного
диэлектрика 60±10 нм.
5
3.
Исследованы условия появления notching-эффекта при анизотропной стадии
реактивного ионного травления (РИТ) волноводов SIW-фильтра с диаметром
микроотверстий 150-250 мкм. Установлено, что формирование фаски на нижней кромке
микроотверстия происходит при использовании пленки полиимида толщиной ≥ 3 мкм,
нанесенной на обратную сторону кремниевой пластины, а время перетрава при выбранном
режиме анизотропного РИТ составляет не менее 3,5-4 минут. Использование предложенной
технологии позволяет снизить вероятность отказов, связанных с обрывом металлизации на
кромках волноводов, и уменьшить переходное сопротивление металлизации до 1*10-3 Ом.
4. Предложена новая конструкция микроструктурной экранно-вакуумной изоляции
космических аппаратов (КА), состоящая из микропрофилированной кремниевой подложки,
теплоотражающих металлических микропластин, позволяющая защитить от резких
перепадов температуры всю неиспользуемую поверхность нано/пико спутника и снизить на
15-20 % скорость изменения температуры поверхности КА.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Предложены конструкции устройств космического назначения:
 силового транзистора с вертикальным затвором, включающего канавки,
покрытые подзатворным диэлектриком толщиной 60 нм, заполненные поликремнием,
легированным фосфором до предела растворимости и верхней изоляции из диоксида
кремния толщиной 0,8-1,0 мкм;
 экранно-вакуумной изоляции КА, состоящей из микропрофилированной
кремниевой подложки, теплоизоляционных канавок в кремнии и ПИ, металлических
микропластин для создания вакуумного зазора величиной 10-20 мкм и сферических
спейсеров диаметром 40 мкм для создания многослойной конструкции;
 SIW-фильтра, состоящего из сквозных металлизированных микроотверстий
диаметром 150-250 мкм с фасками на входе и выходе микроотверстий.
2. Разработаны технологии изготовления:
 силового транзистора с вертикальным затвором, с использованием методов
самосовмещения (низкотемпературный нитрид кремния) и перекрестного совмещения в
процессах фотолитографии;
 микроструктурной экранно-вакуумной изоляции КА с увеличенными в 1,33 раза
габаритными размерами кристалла и повышенным в 1,25 раза коэффициентом заполнения по
сравнению с известными аналогами;
 SIW-фильтра со сквозными металлизированными микроотверстиями в
кремниевой подложке с положительным клином травления на входе и выходе
микроотверстий за счет применения полиимидного покрытия в качестве «стоп - слоя».
3. Впервые определены закономерности влияния технологических факторов на
параметры силового транзистора с вертикальным затвором, экранно-вакуумной изоляции КА
и SIW-фильтра.
6
Методы исследования:
Для решения поставленных задач в работе использовались методы оптической,
электронной
и
атомно-силовой
микроскопии,
стилусной
профилометрии,
энергодисперсионной спектрометрии, спектральной эллипсометрии и электрографии.
Положения, выносимые на защиту:
На защиту выносятся:
1. Метод формирования малодефектных пленок нитрида кремния для
диэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски в технологии
LOCOS, обеспечивающий получение новых устройств МЭ и МСТ космического назначения
за счет управления переходным слоем на межфазной границе кремний-нитрид кремния.
2. Метод управления углом наклона стенки канавки силового транзистора с
вертикальным затвором в диапазоне от 82° до 92° путем варьирования мощности ВЧ
смещения Pseudo Bosch-процесса от 10 до 100 Вт.
3. Метод управления глубиной и углом наклона клина травления в микроотверстии
SIW-фильтра с использованием в качестве «стоп-слоя» полиимидного покрытия,
позволяющий изготавливать фильтры с вносимыми потерями ≤2,0 дБ.
4. Конструкция микроструктурной многослойной экранно-вакуумной изоляции КА,
состоящая из теплоотражающих элементов в виде массива прямоугольных микропластин,
позволяющая снизить скорость изменения температуры поверхности КА на 15-20 %.
Результаты внедрения:
Результаты диссертационной работы использованы:
1. В работах АО «Российские космические системы» при выполнении
государственного контракта № 754-К757/14/393 от 17.12.14 г. с Федеральным космическим
агентством по ОКР «Разработка технологий изготовления радиационно-стойких
микромодулей для блоков бортовой аппаратуры РКТ», шифр темы «Микромодуль» и в
СЧ ОКР, посвященной разработке технологии изготовления МЭМС-фильтров.
2. В работах ООО «Базовые технологии» при выполнении прикладных научных
исследований по лоту шифр 2016-14-579-0009 по теме «Разработка радиочастотного
микроэлектромеханического переключателя емкостного типа для применений в
перспективных космических системах».
3. В работах отраслевого центра проектирования и изготовления СБИС
АО «Российские космические системы» при выполнении государственного контракта
№ 754-Т395/09 от 12.05.09 г. с Федеральным космическим агентством по ОКР «Разработка
технологических процессов проектирования специализированных СФ-блоков для РЭА РКТ
на основе единой среды «комплекс – аппаратура – компоненты», разработка
технологических процессов изготовления РЭА с использованием ЭРИ смешанной
комплектации, разработка технологических процессов изготовления электроуправляемых
микрооптоэлектромеханических систем с изменяемым коэффициентом отражения,
разработка методов и средств тестирования СФ-блоков и СБИС», шифр темы «МЭМС».
7
4.
В
учебном
процессе
ФГБОУ
ВО
«Московский
авиационный
институт
(национальный исследовательский университет)» при подготовке инженеров по
специальности 210201 кафедрой «Конструирование, технология и производство
радиоэлектронных средств» по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники».
Достоверность полученных результатов подтверждается положительными
результатами
проведенных
экспериментальных
исследований,
использованием
разработанных конструкций, технологий и методов изготовления устройств МЭ и МСТ
космического назначения в АО «Российские космические системы», а также актами об
использовании результатов работы в АО «Российские космические системы» (г. Москва),
ООО «Базовые технологии» (г. Москва), в ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)» (г. Москва).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических
конференциях (НТК):
 НТК ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы»,
посвященная 100-летию профессора Б. Ф. Высоцкого, 24 апреля 2009 г., г. Москва, ФГБОУ
ВО «МАИ», 2009 г.;
 Вторая Всероссийская НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического
приборостроения и информационных технологий», посвященная 100-летию со дня рождения
М. С. Рязанского, 2-4 июня 2009 года, г. Москва, ФГУП «РНИИ КП», 2009 г.;
 Седьмая НТК «Микротехнологии в авиации и космонавтике», 16-17 сентября
2009 г., г. Москва, ФГУП «РНИИ КП», 2009 г.;
 Восьмая НТК «Микротехнологии в космосе», 6-8 октября 2010 г., г. Москва,
ФГУП «РНИИ КП», 2010 г.;
 НТК студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике»,
26-30 апреля 2011 г., г. Москва, ФГБОУ ВО «МАИ», 2011 г.;
 Третья Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое
творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях», 28 июня–1 июля 2011 г.,
г. Москва, ГОУ ВПО «МГСУ», 2011 г.;
 Международная НТК «INTERMATIC –2011», 14–17 ноября 2011 г., г. Москва,
МГТУ МИРЭА – ИРЭ РАН, 2011 г.;
 Московская молодёжная научно-практическая конференция «Инновации в
авиации и космонавтике – 2012», 17–20 апреля 2012 г., г. Москва, ФГБОУ ВО «МАИ»,
2012 г.
Личный вклад автора состоял в анализе предметной области, постановке задач,
проведении экспериментальных исследований, анализе и апробации полученных
результатов, написании в соавторстве научных публикаций по результатам работ.
Публикации. По материалам и основному содержанию диссертации опубликованы
9 работ в научно-технических журналах и трудах конференций, из них 2 статьи – в
8
рецензируемых журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК Минобрнауки
России. По результатам работы получены 4 патента РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих
выводов, списка литературы, включающего 93 наименования и трех приложений. Материалы
диссертации изложены на 149 страницах машинописного текста и содержат 94 рисунка и
13 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность решения поставленных в диссертации задач,
сформулированы цель и задачи исследований, обоснована научная новизна, показана
практическая значимость работы.
В первой главе проведен анализ конструкций устройств МЭ и МСТ, изготовленных с
применением объемных микроструктур, методов формирования объемных микроструктур и
их характеристик, материалов масок, используемых для их формирования, технологий
изготовления и характеристик типовых устройств на основе объемных микроструктур.
Приведены физико-технологические и конструктивные ограничения при формировании
объемных микроструктур. Выявлены наиболее перспективные для исследования устройства:
силовой транзистор с вертикальным затвором, экранно-вакуумная изоляция КА, SIW-фильтр
и технологии их изготовления. Определено, что указанные устройства изготавливают с
применением объемных микроструктур в кремнии и ПИ и во всех случаях с использованием
сухих методов травления кремния и ПИ. В России технологии серийного изготовления
исследуемых устройств отсутствуют. Рассмотрены достоинства и недостатки Bosch-процесса
и Pseudo Bosch-процесса травления кремния, масок из фоторезиста, ПИ, диоксида, нитрида
кремния и металлов. Показано, что пленки из нитрида кремния являются наиболее часто
используемыми в технологии формирования объемных микроструктур и применяются для
диэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски в технологии
LOCOS. Предложена классификация объемных микроструктур по типу, форме и материалу,
определены зависимости параметров устройств МЭ и МСТ от критических характеристик
объемных микроструктур. Проанализированы типовые технологии изготовления СТВЗ,
ЭВИКА и SIW-фильтров, выявлены критические операции при их изготовлении и приведены
основные параметры конечных устройств. На основании анализа конструкций и технологий
изготовления СТВЗ, ЭВИКА и SIW-фильтров выявлены следующие конструктивные и
физико-технологические ограничения при их изготовлении: отсутствие в России рабочей
конструкции вертикальных затворов СТВЗ; отсутствие технологичной конструкции
вакуумных зазоров величиной 10-20 мкм ЭВИКА с высокой однородностью по кристаллу;
малые габаритные размеры кристаллов ЭВИКА (не более 15х15 мм), низкие коэффициенты
заполнения площади кристалла (40-70 %) и недостаточные коэффициенты отражения (3060 %) поверхности ЭВИКА; наличие в SIW-фильтрах острых кромок по периметру сквозных
микроотверстий на лицевой и обратной стороне подложки после глубинного травления
кремния; низкое аспектное отношение (не выше 16:1) и высокая шероховатость (>10 нм)
9
стенок и дна канавок кремниевого СТВЗ;
низкое аспектное отношение (<18:1)
протравленных сквозных микроотверстий в кремнии; невысокое качество пленок нитрида
кремния, формируемых на кремнии при температурах до 200 °С, заключающееся в низком
напряжении пробоя, наличии остаточных сжимающих напряжений и дефектов в виде пор и
пузырей, что ограничивает применение подобных пленок в качестве диэлектрической
изоляции, диффузионного барьера, маски в технологии LOCOS и препятствует внедрению
СТВЗ, ЭВИКА и SIW-фильтров в серийное производство.
Проанализировав конструкции и технологии изготовления устройств МЭ и МСТ,
выявлено, что рассматриваемые устройства в России полностью (полупроводниковая
пластина и сборка) серийно не изготавливаются. Для их изготовления необходимо
разработать новые конструкции на основе объемных высокоаспектных микроструктур и
совершенствовать методы высокоанизотропного плазмохимического травления объемных
микроструктур в кремнии, полиимиде и осаждения пленок низкотемпературного нитрида
кремния.
Во второй главе представлены объекты исследований объемных микроструктур в
кремнии СТВЗ, объемных микроструктур в кремнии и ПИ ЭВИКА, сквозных
металлизированных микроотверстий SIW-фильтров и пленки нитрида кремния в технологии
изготовления устройств МЭ и МСТ. Приведены конструктивные особенности
рассматриваемых структур, описаны последовательности их изготовления. Представлено
технологическое и измерительное оборудование, примененное при исследовании и
разработке объемных микроструктур устройств МЭ и МСТ.
Объектами исследования СТВЗ являлись вертикальные канавки шириной 0,8-2 мкм и
глубиной 1,5-6,5 мкм, формируемые Bosch-процессом и Pseudo Bosch-процессом травления
кремния. К канавкам предъявлялись следующие требования: шероховатость стенок ≤10 нм;
шероховатость дна ≤10 нм; угол наклона стенок 85-90°; открытая площадь кремния от 10 до
50 %; дно канавки полукруглой формы; в верхней части наличие галтелей; высокая
повторяемость ширины по пластине.
Объектами исследования ЭВИКА являлись трапециевидные канавки в ПИ глубиной
10-20 мкм с минимальными размерами 30-40 мкм; вертикальные отверстия в ПИ глубиной
10-20 мкм и диаметром 3-10 мкм; трапециевидные канавки в кремнии глубиной 10-20 мкм с
минимальными размерами 50-60 мкм; вертикальные канавки и отверстия в кремнии
глубиной 10-20 мкм с минимальными размерами 30-40 мкм, либо диаметром 30-40 мкм.
К микроструктурам предъявлялись следующие требования: глубина 10-20 мкм, гладкие
стенки.
Объектами исследования SIW-фильтров являлись сквозные вертикальные
микроотверстия в кремнии диаметром 150-250 мкм и глубиной 380-400 мкм с
положительным клином травления на входе и выходе микроотверстия. К микроотверстиям
предъявлялись следующие требования: ширина ±5 мкм; шероховатость стенок Ra≤500 нм;
наличие фаски на входе и выходе микроотверстия.
10
Объектами исследования материала для диэлектрической изоляции, в качестве
диффузионного барьера и маски в технологии LOCOS являлись пленки нитрида кремния
толщиной 60-300 нм. Основными требованиями к пленкам являлись: температура процесса
≤200 °С; пробивное напряжение ≥ 50 В/см2 (при толщине 100 нм); отсутствие остаточных
напряжений; малая дефектность.
В
третьей
главе
представлены
результаты
приборно-технологического
моделирования конструкции силового транзистора с вертикальным затвором в САПР TCAD
и исследования методов формирования объемных микроструктур в кремнии и ПИ устройств
МЭ и МСТ.
В САПР исследовались объемная микроструктура (затвор) транзистора и полностью
сформированный транзистор. Расчет порогового напряжения показал значения 4,5-5 В и
потребовал необходимости корректировки модели. Исследования показали, что увеличение
глубины p-n перехода исток-карман ≥1 мкм позволяет достичь порогового напряжения
2-2,5 В. Были рассчитаны распределение электрического поля в подзатворном диэлектрике
вблизи перехода между стенкой и дном канавки и интеграл ионизации в месте
предполагаемого пробоя по току. Градиент электрического поля в подзатворном диэлектрике
плавно изменяется до значения 2,875·106 В·см-1 за счет плавного перехода между стенкой и
дном, что предотвращает пробой подзатворного диэлектрика в этом месте. Сильное
электрическое поле возникает в углах микроструктуры, где начинается ударная ионизация
электронов с последующим пробоем структуры. Уменьшить такое сильное электрическое
поле можно двумя способами: еще больше скруглить дно канавки, желательно до
исчезновения горизонтального дна, или увеличить толщину эпитаксиального слоя и
уменьшить концентрацию примеси в области дрейфа. Результаты моделирования показали
необходимость увеличения глубины p-n перехода «исток-карман», коррекции глубины
формирования объемной микроструктуры и подтвердили необходимость формирования
круглого дна микроструктуры для предотвращения пробоя подзатворного диэлектрика по
углам канавки.
Исследования процессов формирования объемных микроструктур в кремнии силовых
транзисторов с вертикальным затвором, объемных микроструктур в кремнии и ПИ экранновакуумных изоляций КА, сквозных объемных микроструктур в кремнии под металлизацию и
пленки нитрида кремния в технологии изготовления устройств МЭ и МСТ, показали
следующее.
Формирование в кремнии объемных микроструктур вертикального транзистора
проводилось Bosch и Pseudo Bosch-процессами травления. При помощи Bosch-процесса
травления удалось получить канавки с вертикальными стенками, шероховатостью стенок
≤100 нм, шероховатостью дна ≤10 нм и глубиной 1,5-6,5 мкм при скорости травления
1,7-2 мкм/мин (рисунок 1а). С использованием Pseudo Bosch-процесса исследованы два
режима травления кремния: в газовой смеси SF6/C4F8 и SF6/O2 (рисунок 1б).
11
а
б
Рисунок 1 – Результаты травления канавок СТВЗ в Bosch-процессе (а)
и Pseudo Bosch-процессе (б) травления кремния
В Pseudo Bosch-процессе удалось получить канавки с углом наклона стенок 82-92°
(рисунок 2), с шероховатостью стенок и дна ≤10 нм при скорости травления 2,5-3,0 мкм/мин.
Рисунок 2 – Угол наклона стенки канавки при варьируемой мощности ВЧ смещения
Селективность травления кремния к фоторезистивной маске при использовании смеси
SF6/C4F8 составила 5:1, при использовании SF6/O2 ≥ 10:1. Также получены положительные
результаты по устранению выступа из нитрида кремния, лежащего под фоторезистивной
маской, при травлении с незначительным подтравом под маску. Исследованный Pseudo
Bosch-процесс по скорости травления, селективности травления кремния к фоторезисту,
подтраву под маску не уступает Bosch-процессу, однако превосходит его по шероховатости
стенок канавки (≤ 10 нм). Таким образом, разработан метод управления углом наклона
стенки канавки силового транзистора с вертикальным затвором в диапазоне от 82° до 92°
путем варьирования мощности ВЧ смещения Pseudo Bosch-процесса от 10 до 100 Вт.
Исследованы технологии формирования объемных микроструктур, позволяющие
получать отверстия и канавки в кремнии и ПИ глубиной 10-20 мкм с управляемым
профилем, гладкие канавки в кремнии шириной 0,8-2 мкм и глубиной 1,5-6,5 мкм.
Исследованы процессы анизотропного и изотропного травления объемных микроструктур в
кремнии и ПИ для экранно-вакуумных изоляций КА. Анизотропным (Pseudo Bosch-процесс)
травлением кремния получены канавки шириной 50-60 мкм, глубиной 11 и 20 мкм,
12
протравленные со скоростью травления более 2 мкм/мин через фоторезистивную маску с
начальной толщиной 2,7-2,8 мкм при растраве стенок по 750 нм на сторону (рисунок 3а).
Изотропным травлением протравлены отверстия диаметром 120 мкм на глубину 10,8-11 мкм
со скоростью травления 4,0-4,5 мкм/мин с углом стенок 45°-55° (рисунок 3б).
а
б
Рисунок 3 – Результаты анизотропного (а) и изотропного (б) травления ЭВИКА
Таким образом, разработаны следующие процессы травления большой площади
кремния для технологии изготовления ЭВИКА: анизотропия – 15, скорость травления
2,5-3,0 мкм/мин через фоторезистивную маску с начальной толщиной 2,7-2,8 мкм при
растраве стенок отверстий по 750 нм на сторону и изотропное травление канавок и отверстий
с гладкими стенками глубиной 11 и 20 мкм со скоростью травления 4,0-4,5 мкм/мин с углом
наклона стенок 45°-55°.
Для формирования объемных микроструктур в ПИ («жертвенном» слое) экранновакуумных изоляций КА разработаны процессы анизотропного травления в реакторе ИСП и
изотропного травления в реакторе емкостного типа. При анизотропном травлении ПИ
достигнута анизотропия травления порядка 10 при скорости травления 2-2,5 мкм/мин и ВЧсмещении 150-160 В. Изменение скорости травления ПИ от напряжения смещения при
различных давлениях в камере представлено на рисунке 4.
Vтр, мкм/мин
2,5
0,8 Па
2
1,5
8 Па
1
0,5
0
0
50
100
150
200
250
U,В
Рисунок 4 – Скорости травления (Vтр) ПИ при варьируемых
напряжениях ВЧ-смещения (U) и рабочих давлениях в камере
13
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о практически линейной
зависимости скорости травления ПИ от напряжения ВЧ-смещения. При увеличении
смещения до 200 В удалось добиться скорости травления ПИ до 2 мкм/мин, тогда как без
смещения скорость травления не превышала 0,6 мкм/мин. Исследования зависимости
анизотропии травления ПИ от напряжения ВЧ-смещения при различных давлениях в
реакторе показали, что боковой подтрав под маску уменьшается при увеличении напряжения
ВЧ-смещения приблизительно до 150 В. Зависимость подтрава от рабочего давления в
реакторе проявляется при травлении без смещения, либо при небольшом смещении, вплоть
до 80-100 В. Исследования зависимости скорости травления ПИ от ВЧ мощности и расхода
кислорода при изотропном травлении ПИ показали, что скорость травления ПИ заметно
падает при увеличении ВЧ мощности выше 800 Вт. Это связано с резким повышением
температуры на поверхности пластины. Оптимальная мощность ВЧ генератора, при которой
отсутствует перегрев подложки, составляет 750-800 Вт. При расходе кислорода менее
40 л/час, горение плазмы становится нестабильным. Максимальная скорость травления ПИ
достигается при расходе кислорода 65-75 л/час. Таким образом, для ЭВИКА разработаны
процессы анизотропного и изотропного травления кремния и ПИ и показана возможность
увеличения скорости травления кремния (в 1,25-2 раза) и ПИ (в 5 раз) по сравнению с
известными аналогами.
Исследованы сквозные микроотверстия в кремниевых пластинах глубиной более
380 мкм с положительным клином травления на входе и выходе микроотверстия и
предложен метод управления глубиной и углом наклона клина травления с использованием в
качестве «стоп-слоя» полиимидного покрытия. Для формирования положительных клиньев
травления с двух сторон подложки при создании сквозных микроотверстий в кремнии под
металлизацию сравнивались полиимидное покрытие в качестве «стоп - слоя» и слой из
алюминия. Показано, что при использовании алюминиевого покрытия на обратной стороне
пластины (рисунок 5а) положительный клин травления не образуется (1), что связано со
стоком электрического заряда, а при использовании ПИ покрытия (рисунок 5б) образуется
клин травления (2) размером 25х40 мкм.
а
б
Рисунок 5 – Фотографии сквозных микроотверстий с нанесенным
на обратную сторону пластины алюминием (а) и ПИ покрытием (б)
14
Исследования зависимости глубины клина травления (h2) на границе «кремнийполиимид» от количества циклов Bosсh-процесса (N), рисунок 6а, и зависимости угла
наклона клина травления (α2) на границе «кремний-полиимид» от количества циклов Bosсhпроцесса, рисунок 6б, имеют линейную зависимость на рассматриваемом участке графика.
а
б
Рисунок 6 – Глубина положительного клина травления (а) и угол наклона клина травления
(б) на границе «кремний-полиимид» при варьируемом количестве циклов Bosсh-процесса
Получены сквозные микроотверстия глубиной 380-400 мкм, шириной 150-250 мкм с
разбросом по ширине ±5 мкм и анизотропией 50. Определено, что размеры положительного
клина травления на границе кремний–полиимид линейно возрастают пропорционально
количеству циклов травления. Шероховатость стенок микроотверстий составляет: Ra от
180 нм до 410 нм, Rmax – 3,1 мкм, что соответствует уровню иностранных аналогов.
Последовательная обработка пластин в кислородной плазме и травителе алюминия позволяет
гарантированно удалить пленки алюминия и полиимида с пластины и добиться высокой
чистоты поверхности стенок микроотверстий.
Исследован процесс осаждения пленки нитрида кремния на кремниевую подложку.
Разработан метод формирования пленки нитрида кремния при помощи процесса ПА ХОГФ
при низком давлении при температуре осаждения до 200 °С толщиной 60-300 нм с
коэффициентом преломления не менее 1.9, пробивными напряжениями 70-110 В/см2
(напряженность электрического поля пробоя 1,4*107 Вт/см), без остаточных сжимающих
напряжений, с малым количеством дефектов, не имеющий явной межфазной границы
раздела «кремний-нитрид кремния». Определено, что при предварительной обработке
поверхности кремниевой подложки в азотной ВЧ плазме на межфазной границе «кремнийнитрид кремния» формируется переходной слой в виде сплошной пленки нитрида кремния
толщиной от 2 до 6 нм в зависимости от режима и времени обработки. Разработанная
технология позволяет использовать исследованные пленки в качестве диэлектрической
изоляции, диффузионного барьера и маски в технологии LOCOS.
Результаты исследования конструкции силового транзистора с вертикальным
затвором в САПР TCAD и разработанные методы высокоанизотропного плазмохимического
травления объемных микроструктур в кремнии, полиимиде и осаждения малодефектных
слоев низкотемпературного нитрида кремния позволяют разработать маршруты
15
изготовления
силового
транзистора
с
вертикальным
затвором,
микроструктурной
многослойной экранно-вакуумной изоляции космических аппаратов и SIW-фильтра.
В четвёртой главе представлены разработанные конструкции и технологии
изготовления опытных образцов силового транзистора с вертикальным затвором,
микроструктурной многослойной экранно-вакуумной изоляции космических аппаратов и
SIW-фильтра.
Разработаны конструкция (рисунок 7) и технология изготовления силового
транзистора с вертикальным затвором.
а
б
Рисунок 7 – Конструкция ячейки силового транзистора с вертикальным затвором (а)
и микрофотография затвора СТВЗ шириной 1-1,5 мкм (б)
Измерения электрических характеристик показали следующее. Максимально
допустимое постоянное напряжение сток-исток составляет 160-200 В при Iобр=5 мкА и
400-450 В при Iобр=20 мкА. Максимально допустимый постоянный ток стока составляет
12 А. Сопротивление сток-исток в открытом состоянии составляет 0,05 и 0,1 Ом
соответственно. Максимально допустимое постоянное напряжение затвор-исток равняется
±25 В, что соответствует примененной толщине подзатворного диоксида кремния 60 нм,
общей глубине канавок 4-5 мкм и параметрам иностранных аналогов. Пороговое напряжение
составляет 2 В. По измеренным характеристикам разработанные опытные образцы
транзистора не уступают иностранным аналогам и превосходят отечественные разработки
планарных транзисторов по таким параметрам, как сопротивление открытого канала
(в 1,6 раза при Up=200 В и в 1,5 раза при Up=400 В) и максимально допустимое напряжение
затвор-исток (в 1,25 раза).
Предложены конструкция (рисунок 8) и технология изготовления микроструктурной
экранно-вакуумной изоляции космических аппаратов.
16
а
б
Рисунок 8 – Поперечное сечение ЭВИКА (а) и фотография микромодуля ЭВИКА (б)
Испытания электроуправляемых ЭВИКА по определению физико-механических
свойств показали, что в диапазоне внешних механических нагрузок от 1 до 2,3 мН
деформации исполнительных элементов ЭВИКА носят упругий характер, диапазон
деформаций (прогиб) исполнительных элементов при воздействии внешних механических
нагрузок изменяется от 0,07 мкм до 5,21 мкм, изгибная жесткость исполнительных
элементов при воздействии внешних механических нагрузок изменяется в диапазоне от
0,4 кН/м (для Р = 1 мН) до 7,53 кН/м (для Р = 2,3 мН). В ходе испытаний по определению
теплофизических характеристик при повышенной и пониженной температуре в условиях
высокого вакуума при управлении теплопроводностью и/или излучением поверхности
определены зависимости изменения температуры исследуемых образцов от времени в
диапазонах изменения внешних температур (293-433) К и (153-293) К. Максимальная
температура, зафиксированная эталонным термосопротивлением составила 485 К, а
минимальная 139 К. Изменение температуры образцов с экранно-вакуумной изоляцией
протекает приблизительно на 30 % медленнее, нежели образцов без изоляции.
Разработана конструкция SIW-фильтра, рисунок 9.
Рисунок 9 – Отдельный волновод SIW-фильтра
Углы микроотверстия закруглены, поз. 1, для предотвращения утонения металлизации
при переходе с поверхности кремниевой пластины, поз. 3, в отверстие. Стенки
17
микроотверстия покрыты слоем металлизации, поз. 2, суммарной толщиной не менее 4 мкм.
Исследовано формирование сквозного металлизированного микроотверстия диаметром
145-155 мкм, глубиной 380-400 мкм с фасками на входе и выходе отверстия,
шероховатостью стенок ≤ 3 мкм и сформированной металлизацией хром-медь-золото
толщиной не менее 4 мкм и удельным электрическим сопротивлением не более 1*10 -3 Ом,
что позволило изготовить SIW-фильтр с центральной частотой 20 ГГц с вносимыми
потерями ≤2 дБ и полосой пропускания 5-6 % от центральной.
Основные показатели технического уровня разработанных устройств и их аналогов
представлены в таблице.
Таблица – Показатели технического уровня разработанных устройств и их аналогов
Силовой транзистор с вертикальным затвором
International
КоэффиОбъект
АО «ФЗМТ»,
Rectifier, США,
циент
разра2П7160В,
IRFR13N20DPbF,
эффективботки
2П7160Г
IRFP4242PbF
ности
200
200
200
–
Рабочее
напряжение
(Uр), В
400
400
360
–
Сопротивление канала,
Ом, при
Uр = 200 В
0,05
0,08
0,235
4,7
Uр = 400 В
0,1
0,2
0,049
0,49
Экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов
Микроструктурная Электрорегулируемые КоэффиОбъект
система
покрытия с
циент
разратерморегуляции
изменяемой излуч.
эффективботки
поверхности малого
способностью,
ности
КА, АО «РКС»
Sensortex Inc., США.
Коэффициент
75
60-70
40
1,25
заполнения, %
Геометрический размер
20 х 20
15 х 15
15 х 15
1,33
кристалла, мм
Коэффициент
60-70
50-60
30-40
1,17
отражения, %
SIW-фильтр
КоэффиОбъект
Отечественный
MEMS Cavity Filter
циент
разраобъект аналогичного SiMF21R64/2R84-7D3,
эффективботки
назначения
METDA Corp. (Китай)
ности
Центральная частота,
20
21,7
–
ГГц
Вносимые потери, дБ
≤2,0
Отсутствует
≤2,0
1,0
Полоса пропускания от
5-6
13-14
–
центральной, %
В таблице приведены характеристики разработанных устройств, превосходящие
известные аналоги. Таким образом, предложены конструкции, маршруты изготовления и
изготовлены силовой транзистор с вертикальным затвором, микроструктурная многослойная
18
экранно-вакуумная изоляция КА и SIW-фильтр космического назначения, превосходящие
известные аналоги по сопротивлению канала
коэффициентам заполнения и отражения (ЭВИКА).
(СТВЗ),
геометрическим
размерам,
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
1. Предложены новые конструкции и технологии изготовления:
– силового транзистора с вертикальным затвором с уменьшенным в 1,5-1,6 раз
сопротивлением канала по сравнению с отечественными аналогами;
– микроструктурной экранно-вакуумной изоляции КА, позволяющей снизить на
15-20 % скорость изменения температуры поверхности КА;
– SIW-фильтра с центральной частотой 20 ГГц±10 МГц и вносимыми потерями
≤ 2,0 дБ.
2. Исследованы и разработаны плазменные методы формирования:
– объемных микроструктур в кремнии для силовых транзисторов с вертикальным
затвором, с использованием Pseudo Bosch-процесса травления и кислорода в качестве
пассивирующего газа. Получены канавки шириной 0,8-2 мкм и глубиной 1,5-6,5 мкм с
закругленным дном, анизотропией травления до 45, углом наклона стенок 89-90°,
шероховатостью стенок и дна ≤10 нм при скорости травления 2,2-2,6 мкм/мин и
селективности травления кремния к фоторезисту 10:1;
– объемных микроструктур для экранно-вакуумной изоляции КА. В кремнии –
канавки шириной 50-60 мкм, глубиной 11 и 20 мкм с гладкими стенками, протравленные со
скоростью 2,5-3,0 мкм/мин при растраве стенок по 750 нм на сторону. В полиимидном слое –
отверстия диаметром 3-10 мкм и глубиной 10-20 мкм, протравленные с анизотропией 10, при
скорости 2-2,5 мкм/мин, что позволило снизить скорость изменения температуры под
экранно-вакуумной изоляцией КА на 15-20 %;
– сквозных микроотверстий в кремнии для SIW-фильтров глубиной 380-400 мкм,
диаметром 150-250 мкм, углом наклона стенок 90°, анизотропией травления 50, с
положительным клином травления на входе и выходе микроотверстий.
3. Исследована и разработана технология плазмохимического осаждения
малодефектных пленок нитрида кремния для диэлектрической изоляции, в качестве
диффузионного барьера и маски в технологии LOCOS с образованием на границе «кремнийнитрид кремния» переходного слоя толщиной от 2 до 6 нм, что позволило обеспечить
требуемую величину адгезии слоев, пробивное напряжение до 70-110 В/см2 и получить
пленки без остаточных сжимающих напряжений.
4. С использованием приборно-технологического моделирования исследована
конструкция силового транзистора с вертикальным затвором, что позволило обоснованно
подходить к выбору глубины p-n перехода «исток-карман» и толщины подзатворного
диэлектрика.
19
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Пат. 2555891 Российская Федерация B81B7/04, B64G1/58. Микроструктурная
многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов [Текст] / А.Е. Ануров,
А.А. Жуков; заявитель и патентообладатель АО «Российские космические системы» –
№ 2014129942/11; заявл. 22.07.2015; опубл. 10.07.2015. – 11 с.: ил.
2. Пат. 2518283 Российская Федерация, H01L21/318. Способ осаждения нитрида
кремния на кремниевую подложку [Текст] / Ануров А.Е., Жуков А.А., Долгополов В.М.;
заявитель и патентообладатель АО «Российские космические системы» – № 2012153091/28;
заявл. 07.12.12; опубл. 11.04.14, Бюл. № 16. – 8 с.: ил.
3. Пат. 2623845 Российская Федерация, H01L21/336. Способ изготовления
силового полупроводникового транзистора [Текст] / Басовский А.А., Рябев А.Н.,
Ануров А.Е., Плясунов В.А.; заявитель и патентообладатель Госкорпорация "Роскосмос",
АО "Российские космические системы" – № 2016127021; заявл. 06.07.16; опубл. 29.06.17,
Бюл. № 19. – 10 с.: ил.
4. Пат. 2629926 Российская Федерация, H01L21/768. Способ изготовления
сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке [Текст]/ А.Е. Ануров,
А.А. Жуков, С.Г. Подгородецкий, Ю.М. Заботин; заявитель и патентообладатель
АО "Российские космические системы" – № 2016123687; заявл. 15.06.16; опубл. 04.09.17,
Бюл. № 25. – 5 с.: ил.
5. Ануров, А.Е. Анализ современных технологий объемного микропрофилирования
кремния для производства чувствительных элементов датчиков и МЭМС [Текст] / Л.В.
Соколов, А.А. Жуков, Н.М. Парфенов, А.Е. Ануров; Нано- и микросистемная техника, № 10,
2014. – с. 27-35.
6. Ануров, А.Е. Влияние технологических параметров на свойства наноразмерных
пленок нитрида кремния, осажденных в индуктивно-связанной плазме [Текст] /А.Е. Ануров,
А.А. Данилов, А.А. Жуков. Наноматериалы и наноструктуры-XXI, № 4, 2011. – с. 43-47.
7. Ануров, А.Е. Особенности процесса глубинного анизотропного травления
кремния в технологии изготовления траншейных МОП-транзисторов [Текст] / А.Е. Ануров,
Ю.М. Заботин, С.Г. Подгородецкий – изд-во «Физико-математическая литература» – М.:
Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, том 2, выпуск 4, 2015. –
с. 66-73.
8. Ануров, А.Е. Профиль, морфология и элементный состав поверхности сквозных
микроотверстий в кремниевых пластинах [Текст] / А.А. Жуков, Ю.М. Заботин,
С.Г. Подгородецкий, А.Е. Ануров; Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и
нейтронные исследования – М.: ФГУП Академический научно-издательский,
производственно-полиграфический и книгораспространительский центр Наука, № 10, 2017. –
с. 38-43.
9. Ануров, А.Е. Оценка тенденций развития теплоуправляющих микросистем для
изделий ракетно-космической техники [Текст] / А.Е. Ануров, А.А. Жуков; Сборник докладов
20
VII научно-практической конференции «Микротехнологии в авиации и космонавтике»,
16-17 сентября 2009 г. – М., 2009. – с. 32-33.
10. Ануров, А.Е. Микросистема терморегуляции малых космических аппаратов
[Текст] / А.Е. Ануров; Электронный журнал «Труды МАИ», выпуск № 45, 2010 – 10 с.
11. Ануров, А.Е. Исследование Pseudo Bosch-процесса травления кремния для
формирования
микронных
канавок
в
технологии
изготовления
траншейных
МОП-транзисторов [Текст] / А.Е. Ануров, Ю.М. Заботин, С.Г. Подгородецкий; Сборник
трудов VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы
ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» – М.:
АО «Российские космические системы», 2016. – с. 613-623: ил.
12. Ануров, А.Е.
Формирование исполнительных
элементов устройств
микросистемной техники травлением в индуктивно-связанной плазме [Текст] / А.Е. Ануров,
Е.А. Гринькин, А.А. Жуков; Научно-технический журнал Информационно-измерительные и
управляющие системы, № 8, т. 7, 2009. – с. 94-97.
13. Ануров, А.Е. Технологические особенности плазмохимического осаждения
наноразмерных пленок нитрида кремния [Текст] / А.Е. Ануров, А.А. Данилов, А.А. Жуков;
материалы Международной научно–технической конференции «INTERMATIC –2011»,
14-17 ноября 2011 г. – М.: МГТУ МИРЭА – ИРЭ РАН, 2011. – с. 73-77.
Автор выражает благодарность и признательность доктору технических наук Жукову
Андрею Александровичу, доктору технических наук Путре Михаилу Георгиевичу, кандидату
технических наук Басовскому Андрею Андреевичу, кандидату технических наук Корпухину
Андрею Сергеевичу, Рябеву Алексею Николаевичу и Якухину Сергею Дмитриевичу за
оказанную всестороннюю помощь при подготовке работы.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа