1. Литературный обзор
реклама
1. Литературный обзор 1.1. Введение Известно, что переход от кремниевых пластин, в том числе с эпитаксиальным слоем, на многослойные структуры, или структуры кремний на изоляторе (КНИ) при производстве большого класса полупроводниковых приборов и микросхем дает заметные преимущества по сравнению с объемным материалом, в частности, снижение потребляемой мощности и увеличение быстродействия [1]. В КНИ технологии, в отличии от традиционной микроэлектроники, не используют монолитные пластины кремния. Стартовым материалом в этом случае являются структуры КНИ, т. е. пластины кремния, в которых скрытый в их объеме диэлектрический слой отделяет от подложки тонкий слой кремния. В качестве скрытого диэлектрика используют, как правило, слои диоксида или оксинитрида кремния [2]. При этом в КНИ структурах, используемых для изготовления микроэлектронных приборов, характерные значения толщин отделенного слоя кремния, в котором формируются рабочие элементы приборов; и скрытого диэлектрического слоя составляют 0,05...0,2 и 0,2...0,4 мкм, соответственно. Вообще говоря, идея КНИ технологии была высказана еще при создании первого транзистора. Но успешно удалось ее реализовать только в 70-х годах прошлого века, используя эпитаксиальные пленки кремния, выращенные на сапфире. Что же касается упомянутых КНИ-структур, то их успешное применение в разработке и производстве приборов дело, главным образом, последнего десятилетия. Столь устойчивый интерес к КНИ технологии был обусловлен, прежде всего, стремлением повысить радиационную стойкость микроэлектронных приборов. Устойчивость к воздействию радиации - одна из важнейших характеристик надежности полупроводниковых приборов. Известно, что ионизирующая радиация генерирует в облучаемых кристаллах избыточные электроны и дырки. При больших интенсивностях воздействия радиационноиндуцированный ток может существенно затруднить и даже полностью нарушить нормальное функционирование прибора. Если же элементы прибора разместить в слое кремния КНИ-структуры, количество 6 радиационно-индуцированных носителей сравнительно с таким же прибором, изготовленным в объеме кристалла кремния, будет во столько же раз меньше, во сколько толщина слоя кремния d меньше диффузионной длины L носителей в объемном кремнии (характерные значения составляют d » 0,1, L » 100 мкм, L/d » 103). Отметим, что КНИ технология обеспечивает микроэлектронным приборам, кроме отмеченного выше достоинства, еще целый ряд других важных преимуществ сравнительно с их аналогами, изготовленными на пластине кремния. КНИ прибор отделен от подложки диэлектрическим слоем. Благодаря этому существенно подавляются паразитные токи в подложку, возникающие при повышении температуры в процессе эксплуатации прибора. Как следствие, рабочая температура КНИ приборов на 100...150°C выше, чем у кремниевых аналогов. Малая толщина отсеченного слоя кремния обеспечивает резкое уменьшение емкостей p-n-переходов КНИ приборов. Результатом этого является существенное повышения их быстродействия. И, наконец, уменьшение емкости p-n-переходов и уменьшение токов утечки вглубь подложки, наряду с больше крутизной передаточной характеристики в подпороговой области ВАХ, позволяет заметно понизить напряжение питания КНИ ИС. Яркая иллюстрация упомянутых достоинств КНИ технологии - осуществление рядом ведущих зарубежных фирм разработки и производства микропроцессоров гигагерцового диапазона и сверхбольших ИС памяти емкостью 64 Мбайт. Вполне естественно, что отмеченные возможности КНИ технологии привлекли внимание и разработчиков чувствительных элементов датчиков. Так фирма "Honewell", (США), разработала и освоила производство КНИ датчиков давления, характеризующихся повышенной рабочей температурой (до 225 °С) [3]. 7 1.2. Методы получения структур КНИ 1.2.1. SIMOX На базе КНИ-структур традиционно изготавливают КМОП-схемы. Эти структуры, как правило, выполняются по технологии создания изоляции путем внедрения кислорода (SIMOX – Separation by IMplanted OXygen) (рис.1.1) либо на сапфировой подложке (КНС-технология). Первая технология, используемая IBM, предусматривает имплантацию очень больших доз ионов кислорода с последующим высокотемпературным отжигом с целью формирования тонкого слоя диоксида кремния. Схема изготавливается на ультратонком слое кремния nтипа поверх бездефектного плоского диэлектрического слоя. КНС-технология предпочтительна для создания ВЧ-устройств, поскольку сапфир – лучший изолятор, чем диоксид кремния. Рис.1.1. Изготовление структур КНИ по технологии SIMOX. 1.2.2. ELTRAN Технология ELTRAN (Epitaxial Layer TRANsfer) основана на формировании монокристаллического слоя на пористом кремнии (рис.2). 8 Рис.1.2. Изготовление структур КНИ по технологии ELTRAN. 1.2.3. BESOI Из-за высокой плотности дефектов эпитаксиальных пленок КНИ- и SIMOXтехнологии непригодны для реализации биполярных транзисторов. Эта проблема может быть решена с помощью новой КНИ-структуры с металлидным слоем (соединение или сплав металлов), получившей название КНИМ. КНИМ-структура создается по технологии “связки” пластин с последующим утонением одной из них (BESOI — Bonded and Etched back SOI). Схема получения структуры показана на рис.1.3. Полевые и биполярные транзисторы формируются в слое кремния, нанесенном поверх промежуточного скрытого низкоомного слоя металлида на диэлектрике. В ходе исследований предложены технические решения таких ключевых проблем, как сращивание кремниевых пластин металлидами, получение плоской границы раздела скрытый металлидный слой–кремний, утонения структуры, формирования npn/pnp- и КМОП-транзисторов, а также омического контакта между скрытым металлидным и кремниевым слоями. В большинстве КНИ-структур проблема сращивания пластин решается применением в качестве “связующего” материала оксида кремния, выполняющего затем роль изолятора. Это требует высокотемпературной обработки в течение 9 достаточно длительного времени. Сращивание по всей поверхности пластины не гарантируется. Если же при сращивании двух пластин использовать в качестве связующего материала силицид металла, формируемый в результате взаимодействия предварительно нанесенных на пластины слоев металла и поликремния, температуру процесса можно снизить до 800–900оС. Достоинства этого процесса — “мягкое” сращивание при одновременном создании скрытых низкоомных металлидных слоев. Рис 1.3. Схема изготовления структур КНИ с указанием основных этапов производства, используемых технологических слоев, получаемых с использованием отечественных типов оборудования Возможные загрязнения на поверхности пластины – прежде всего остатки естественного оксида кремния — влекут за собой проблему получения планарной 10 границы раздела между металлидным слоем и кремнием. Из-за загрязнений взаимодействие силицидообразующего металла с кремнием неоднородно, что приводит к образованию непланарного фронта силицид/кремний. Чтобы избежать этого, на верхнюю пластину кремния наносят дополнительный барьерный слой металлида. Большинство силицидообразующих систем металл-кремний имеют набор различных силицидных фаз. В предлагаемой технологии источники кремния — слой поликремния, с одной стороны, и кремниевая пластина, с другой, — практически бесконечны по отношению к тонкой пленке металла, т.е. всегда имеется избыток кремния. Отсюда следует, что стабильность какой-либо силицидной фазы в системе металл–кремний условна. Она определяется некоторым температурно-концентрационным диапазоном, выход за который приводит к деградации данной силицидной фазы и, в конечном итоге, к потреблению кремния из слоя, предназначенного для изготовления элементов схемы (вследствие расходования всего поликремния). Таким образом, наличие барьерного слоя между объемным материалом и слоем силицидообразующего металла преследует также цель повышения стабильности структуры. Задавая толщину слоев поликремния и силицидообразующего металла, можно получать требуемый силицид из набора возможных фаз и тем самым управлять механическими напряжениями, возникающими в системе. Как известно, наиболее эффективные диффузионные барьеры — тугоплавкие металлы, их соединения и сплавы. С точки зрения термодинамики материал диффузионного барьера, представляющий собой химическое соединение металла, должен иметь более отрицательную теплоту образования соединения, чем силицид, а сплав металлов диффузионного барьера – обеспечивать возможность управления механическими свойствами системы путем подбора концентрации его составляющих. Этим требованиям отвечают нитриды, бориды и карбиды тугоплавких металлов. Особенно хорошо изучены свойства нитрида титана. Материалом второго слоя может быть любой силицидообразующий металл. Но предпочтительнее те, у которых имеются силицидные фазы с параметрами кристаллической решетки, близкими к кремниевой, такие как никель и кобальт. 11 Проблема утонения рабочей пластины может быть решена путем формирования нитридного стопора. Для этого после предварительного (грубого) утонения без “перешлифовки”, т.е. без выхода плоскости шлифовки на поверхность диэлектрика, в областях нанесения бокового изолирующего элементы схемы диэлектрика вытравливаются отверстия до изолирующего слоя. Затем на рельефную поверхность осаждается слой нитрида кремния, по толщине равный рабочему слою кремния. Плоскость шлифовки устанавливается параллельно изолирующему слою диэлектрика, и пластина сошлифовывается до слоя нитрида кремния, осажденного поверх изолирующей пленки диоксида кремния на первой (нижней) пластине. “Встроенный” островок нитрида кремния обеспечивает боковую изоляцию окон [4]. 1.2.4. SmartCut Согласно этой технологии в методе прямого сращивания вместо процессов шлифовки и травления для утонения одной из пластин предлагается использовать технологию отслаивания (скалывания) части рабочей пластины кремния в области слоя, легированного водородом при имплантации протонов на заданную глубину в пластину кремния. Микроструктура данного слоя включает в свой состав наполненные водородом нанопоры, вызывающие его объемные изменения. Вследствие этого в слое возникают напряжения, приводящие к скалыванию соответствующей толщины монокристаллической кремниевой пластинки, т.е. реализуется процесс «газового скалывания». Используемая технология сращивания пластин состоит в сращивании двух окисленных поверхностей пластин кремния с заданными толщинами окисла SiO2 на каждой из них. Первоначальной задачей является насыщение сращиваемых поверхностей ОН-группами на атомах кремния. 12 Рис.1.3. Изготовление структур КНИ по технологии SmartCut. Одним из основных условий в процессе получения структур КНИ является чистота поверхности подложек. Подготовка поверхности пластин кремния является определяющим этапом не только с точки зрения качества изготовляемых структур КНИ, но и работоспособности созданных на их основе элементов. Загрязнения и геометрические несовершенства поверхности пластин кремния являются основными причинами брака при проведении операций термического сращивания пластин для получения структур КНИ. Первоочередной задачей в этих случаях является обеспечение условий чистых комнат в процессе развития высоких технологий производства структур КНИ и в производстве микроэлектромеханических изделий. В процессе изготовления структур КНИ применяются различные технологических операции, среди которых химическая обработка пластин, имплантация протонов, высокотемпературные операции и др. Надежность, качество получаемых структур КНИ, микроэлектронных изделий на их основе в значительной степени зависят от загрязнений, вызываемых, прежде всего механическими частицами в технологическом маршруте изготовления продукции. Присутствие инородных частиц на участках поверхности пластин кремния, 13 подверженной ионной имплантации, приводит к рассеянию ионного пучка, при этом доза имплантированных ионов водорода будет отличной от средней дозы. Возникают локальные участки с отличающейся электропроводностью, которые являются причиной возрастания токов утечки или короткого замыкания с подложкой. При получении различных эпитаксиальных слоев наличие загрязнений приводит к дефектообразованию, проявляющегося в виде вздутий, бугорков, трещин, проколов. В процессах фотолитографии механические частицы приводят к искажению формируемого рисунка и, как следствие, к отказам в работе приборов из-за обрывов токоведущих дорожек и других причин. Наличие механических частиц на поверхности сращиваемых пластин приводит к образованию пор, возникновению напряжений в структуре и образованию области паразитной диффузии. К причинам, приводящим к браку структур КНИ, получаемых с использованием процесса сращивания пластин кремния можно отнести: 1) загрязнения перед операцией имплантации ионов водорода, при соединении и сращивании пластин кремния; 2) шероховатость поверхности; 3) геометрическое несовершенство (прогиб, коробление, локальная неплоскостность). Загрязнения на поверхности полупроводниковых пластин перед проведением сращивания являются основной причиной брака. Ужесточение требований к чистоте и совершенству поверхности пластин необходимо не только для получения структур КНИ, но и для производства интегральных схем и микоэлектромеханических устройств на их основе. Существует возможность использования новых перспективных направлений в микроэлектронике, таких как модифицированная технология структур КНИ, для создания элементов микромеханических устройств, таких как акселерометры и датчики угловой скорости (гироскопы). Разработана технология формирования функциональных элементов и комплексная система подготовки технологических данных на основе математического моделирования технологического процесса анизотропного химического травления для разработки промышленной технологии изготовления многопрофильных микромеханических систем сложной конструкции с высокой точностью и с использованием типовых процессов микроэлектроники [5]. 14 1.2.5. DeleCut Метод DeleCut (ion irradiated Deleted oxide Cut) является модификацией известного метода Smart Cut и предназначен для устранения недостатков базового метода. Предложенный способ позволяет существенно снизить температуру отжига и концентрацию радиационных дефектов в структурах КНИ, уменьшить толщину отсеченного слоя кремния и переходного слоя между слоем КНИ и скрытым окислом. Одновременно достигается увеличение однородности толщины слоев КНИ и диэлектрика до нескольких нанометров. Методом DeleCut созданы структуры КНИ с бездислокационными слоями КНИ толщиной 0.003-1.7 мкм с захороненным термическим окислом SiO2 (0.05-0.5мкм) на пластинах диаметром до 150 мм. Структуры КНИ обладают высокими электрофизическими характеристиками, подтвержденными изготовлением на них субмикронных (0.20.5) транзисторов КМОП и тестовых интегральных схем. Недостатком метода Smart Cut являются трудоемкость и увеличенная неоднородность толщины отсеченного слоя кремния из-за последней операции и повышенная по сравнению с кремнием температурная стабильность дефектов в облученном ионами диэлектрике. Использование структур КНИ толщиной 30-50 нм для УБИС и одноэлектронных приборов выдвигает очень высокие требования к совершенству границы (отсеченный слой Si)–(скрытый SiO2) как с точки зрения структурных, так и с точки зрения электрофизических свойств. Известно, что переходный слой на границе Si–(термический SiO2) может достигать нескольких нанометров. Улучшение свойств границы Si/SiO2 и уменьшение толщины переходного слоя также представляются исключительно важными для структур КНИ. 15 Рис.1.4. Два варианта создания структур КНИ: слева — методом DeleCut, справа — методом Smart Cut. В методе DeleCut, как и в методе Smart Cut, донорная пластина подвергается окислению до облучения. Защитный слой окисла препятствует выходу внедренного водорода, отжигу имплантационных дефектов, развитию микротрещин в объеме и имплантационного рельефа на поверхности в процессе облучения, но в отличие от метода Smart Cut перед соединением пластин слой стравливается (рис.1.4). Скрытый диэлектрик формируется термическим окислением на опорной пластине и не подвергается облучению в отличие от метода Smart Cut. Преимущества технологии DeleCut по сравнению с технологией Smart Cut связаны с использованием в качестве скрытого диэлектрика термического окисла на необлученной пластине. Это позволяет избежать его радиационных повреждений. Кроме того, граница сращивания Si/SiO2 между отсеченным слоем кремния и скрытым диэлектриком практически не имеет переходного слоя, позволяя получать слои кремния до 3-5нм. Главным достоинством технологии DeleCut является электрофизическое совершенство границы сращивания (слой перенесенного кремния)/(скрытый термический окисел SiO2) [1]. 16 1.3. Применение структур КНИ и чувствительных элементов МЭМС 1.3.1. Микроэлектромеханические системы (МЭМС) Сегодня на рынке микроэлектромеханических систем (МЭМС) представлено более 40 видов таких устройств. А начал он формироваться в 70-е годы с освоением массового производства первых интегральных электромеханических приборов – датчиков давления. Эти приборы, изготовленные методами объемной микрообработки, проложили дорогу групповой технологии формирования тонкопленочных мембранных структур с высоким выходом годных и низкой стоимостью, которая также с успехом применялась в производстве различных преобразователей для автомобильных систем. В начале 80-х годов появились МЭМС расходомеров и акселерометров. В конце десятилетия была предложена технология поверхностной микромеханической обработки. Первые изделия, изготовленные по этой технологии, также были предназначены для автомобильных устройств (акселерометры для подушек безопасности и адаптивные системы подвески). Тогда же началась разработка микроактюаторов. В 90-е годы появились МЭМС гироскопов, микрозондов, растровых “микромикроскопов”, микровентилей, головок струйных принтеров, элементов проекционных дисплеев, торсионных зеркал, газовых хроматографических систем, устройств считывания накопителей большой емкости. Современные МЭМС, выполненные наподобие ИС, представляют собой сформированные на единой подложке датчики, актюаторы, схемы управления с размерами элементов от нескольких сотен до нескольких единиц микрон. Но в отличие от микросхем, МЭМС, как правило, имеют трехмерную структуру. Для их изготовления используют технологические операции, полностью или частично позаимствованные у микроэлектроники: окисление, фотолитографию, травление, легирование, металлизацию, создание контактов, резку и т.п. Разработаны и специальные технологические операции, например химическое анизотропное травление (как правило, сухое), позволяющее формировать структуры в гальванически выращенных толстых металлических слоях. Освоены процессы 17 селективного травления в зависимости от концентрации примеси, метод анодной сварки или плавления для соединения пластин кремния. Базовым материалом для микромеханических приборов, как и для полупроводниковых приборов, служит кремний. Это объясняется наличием на рынке кремниевых пластин высокой степени чистоты и кристаллографического совершенства. Выполненные на кремнии МЭМС легко объединяются с электронными устройствами управления и обработки данных. К тому же монокристаллический кремний известен своими превосходными механическими характеристиками. Микромеханическая обработка открывает широкие перспективы для создания микрооптоэлектромеханических устройств, объединяющих на одной подложке оптические элементы, микропозиционеры и микроактюаторы. Преимущество этой технологии – возможность предварительного совмещения оптических элементов и проведения групповых процессов при изготовлении монолитной оптической системы, что в свою очередь приводит к уменьшению ее размеров и массы. С помощью объемной и поверхностной микромеханической технологии изготавливают головки считывания/записи оптических дисков, фемтосекундные корреляторы, переключатели волоконно-оптических систем, пространственные модуляторы света, элементы проекционных дисплеев, оптических сканеров и т.п. Большой интерес представляют формируемые методами микромеханической обработки элементы растровых электронных микроскопов, которые найдут применение в наноэлектронике [6]. Структуры КНИ широко используются в технологии МЭМС. Микрогравитационные ёмкостные акселерометры реализуются на подложках со структурой КНИ толщиной 50 мкм с использованием двухмасочного процесса с сухим травлением. Изготовленные приборы связаны с малошумящей, маломощной схемой считывания. Последняя схема изготовлена по КМОП технологии с карманом N-типа. Измеренная емкостная чувствительность составляет 0,3 пФг-1, эквивалентная усилению 0,75 Вг-1. Измеренное разрешение составляет 11 мкгГц-1/2 при 2 Гц и 0,2 мкгГц-1/2 при 100 Гц(полоса разрешения = 1 Гц). Интерфейсная ИС работает от одного 2,5 В источника питания. 18 Потребляемая мощность равна 4 мВт, частота дискретизации 100 кГц. Размер кристалла 0,65 мм2. Датчик скорости на КНИ подложке, разработанный для автомобильного контроля, осуществляет детектирование угловой скорости рыскания автомобиля. Датчик имеет новую открытую балочную структуру (OBS). Электроды возбуждения и детектирования OBS открыты в направлении внешних контактных площадок на поверхности. FEM анализ показал, что OBS превосходит другие структуры. OBS обладает высоким уровнем независимости между модами возбуждения и детектирования. Эта особенность обеспечивает стабильность вибрационного режима датчика. Датчик был изготовлен с использованием поверхностного микромеханического технологического процесса. Монолитные трёхосевые КНИ акселерометры с однородной чувствительностью изготавливаются на КНИ пластинах с использованием объемной микромеханической травления и герметизируются обработки глубокого стеклом. Конструкция реактивного ионного оптимизирована на обеспечение прямого независимого разрешения и частотных характеристик, то есть получение идентичных свойств по всем направлениям [7]. 1.3.2. Микрогироскопы на основе многослойных структур кремния и стекла Микромеханические системы, изготовленные с использованием достижений полупроводниковой технологии, имеют большие перспективы для различных областей применения и существенные резервы в снижении издержек на их производство. Возможности прецизионной обработки материалов, групповая технология формирования расположение) приборов, механической и совмещение электрических (или частей близкое прибора, взаимное а также разнообразие технологических процессов являются неоспоримыми достоинствами использования достижений микроэлектроники при изготовлении вариантов организации микроэлектромеханических элементов и систем. Существует огромное число различных механических систем, опирающихся на известные (ранее широко применяемые) и новые решения, учитывающие специфику используемых материалов и процессов. 19 Одним из интереснейших направлений разработки микроэлектромеханических систем (МЭМС) являются микродвигатели и микроколебательные системы акселерометры и гироскопы. Кремний, как самый популярный полупроводниковый материал, имеет массу достоинств и неоспоримые преимущества перед многими другими материалами, используемыми для изготовления на их основе микромеханических устройств. Микроколебательные системы, основанные на гироскопическом эффекте, имеют широкие перспективы применения в системах ориентации в пространстве. К достоинствам микрогироскопов колебательного типа (МГКТ) можно отнести следующее: возможность микроминиатюризации; методы интегральной технологии позволяют изготовить микромеханическую колебательную систему гироскопа с габаритными размерами 5-10 мм (и менее) при точности изготовления 1-2 мкм; возможность совместного изготовления микромеханической части гироскопа и электронной схемы обработки сигналов в едином технологическом цикле; приемлемую точность определения угловых скоростей и ускорений; оценки показывают, что случайная составляющая собственного ухода МГКТ может составлять до 1 угл. град/ч. Максимальная измеряемая угловая скорость 200 угл. град/с при погрешности измерения 0,05%. Существует значительное число конструкций МГКТ. Все они содержат несколько подвижных механических систем, которые могут колебаться во взаимно перпендикулярных плоскостях. Колебания в одной плоскости являются вынужденными. Наведенные колебания в другой плоскости появляются тогда, когда микрогироскоп поворачивается. 20 Рис.1.5. Структурная схема МГКТ Структурная схема МГКТ представлена на рис. 1.5. Она содержит внутреннюю колебательную систему (ВКС) 1 и внешнюю рамку (ВР) 2. Между собой ВКС и ВР соединены с помощью упругих торсионов 3. Внешняя рамка соединена с неподвижным основанием посредством аналогичных упругих торсионов 4. Внешняя рамка и внутренняя колебательная система электрически соединены между собой и подключены к нулевой шине. ВКС может совершать вынужденные колебания относительно оси Х под действием генератора гармонических колебаний 5 и системы обкладок 6, которые совместно с ВКС образуют плоский конденсатор. В случае вращения системы вокруг оси Z внешняя рамка будет совершать колебания относительно оси Y, амплитуда которых является функцией угловой скорости О и частоты колебаний ВКС. Информация об угловой скорости снимается с помощью системы обкладок 7 (образующих с внешней рамкой плоский конденсатор) и устройства обработки информации 8. Анализ предложенной структурной схемы показывает, что она технологически реализуема, однако при изготовлении устройства проблемными вопросами являются следующие: способ создания микрообъема, получение полированных поверхностей вытравливаемых элементов, форма поперечного сечения торсионов, обеспечивающих упругие колебания, и получение необходимых размеров элементов; способ возбуждения вынужденных колебаний; способ снятия сигнала, являющийся функцией угловой скорости. 21 обеспечение одинаковой собственной частоты колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях; групповая сборка элементов конструкции микрогироскопа. Способ создания элементов устройства (механических и электронных плат колебательной системы, рамок и торсионов, обеспечивающих упругие колебания) определяется технологией изготовления. Получение высокого рельефа при травлении достигается благодаря использованию химического анизотропного или плазмохимического травления. Сочетание различных методов травления позволяет формировать торсионы, имеющие в сечении треугольную, трапециевидную, х-образную и прямоугольную формы, а также может обеспечить получение гладкой (полированной) поверхности вытравливаемых элементов, что является необходимым, поскольку сказывается на добротности колебательной системы. Проведенные расчеты для торсионов различной формы показали, что модуль кручения для торсиона треугольной формы имеет максимальное значение. Использование трапецеидального и прямоугольного сечения уменьшает модуль кручения на 6,7% и 13,3% соответственно. Наименьшее значение модуля кручения имеет торсион круглой формы. В расчетах использованы значения параметров торсионов, изготовленных из кремния длиной lt=50 мкм, высотой a=50 мкм, модуль сдвига составил GSi=55 ГПа. Следует отметить, что при химическом травлении технологически наиболее легко реализовать торсионы трапецеидальной и треугольной формы, что связано с кристаллографической ориентацией плоскостей подложки кремния. Получить идеально круглое сечение торсиона очень сложно, однако использование изотропных травителей позволяет достичь округления острых углов при неизбежном растраве других участков поверхностей. Изготовление торсионов с вертикальными стенками (прямоугольной формой в разрезе) требует применения специальных методов, например, реактивно-ионное травление. Для возбуждения колебаний и снятия информации об угловой скорости целесообразно использовать конденсаторы типа металл-диэлектрик-полупроводник. При этом все подвижные части микроколебательной системы необходимо подключить к нулевой шине. Это означает, что материал колебательных систем 22 должен быть проводящим. Как видно из рис. 1, подключение к нулевой шине внутренней колебательной системы и внешней рамки обеспечивается через торсионы. Недостатком такого способа возбуждения колебаний и снятия полезной информации является необходимость в прецизионном изготовлении зазора в МДП конденсаторах. В большинстве случаев это достигается методами прецизионного травления и посадки изготовленных микроколебательных систем в специальные посадочные места. Обеспечение одинаковой собственной частоты колебаний внутренней системы и внешней рамки необходимо для эффективной работы МГКТ. Уравнение собственной частоты колебаний следующее: , (1) где m и lk - масса и длина колебательной системы соответственно, fk – модуль кручения. Анализ выражения (1) с учетом технологических возможностей показывает, что одним из наиболее эффективных способов подстройки собственных частот колебаний внутренней колебательной системы и внешней рамки является изменение длины торсиона и/или массы системы. Как уже было отмечено ранее, основными недостатками МГКТ, таких как, например, конструкции приборов компании Charles Stark/Draper Lab., Inc., является прецизионная посадка микроколебательной системы в специально изготовленное посадочное место. При этом точность посадки должна составлять 0,5-1 мкм, так как от этого зависит чувствительность устройства к угловой скорости. Избежать прецизионной посадки можно формированием колебательной системы на многослойных структурах (типа структур КНИ), имеющих строго определенную толщину монокристаллического кремния и промежуточного слоя диэлектрика (SiO2 или многокомпонентного стекла) на специальном основании. Технология получения подобных структур включает операции прецизионной химикомеханической обработки пластин кремния, формирование рельефа методами травления (обычно жидкостного анизотропного и/или плазмохимического), наращивание вспомогательных и конструкционных слоев, сращивание кремниевых 23 пластин. Повторные операции химико-механической обработки, травления и наращивания позволяют формировать необходимую многослойную структуру. Основными принципами проектирования и изготовления МГКТ из кремния являются следующие: прибор должен быть изготовлен с использованием интегральной кремниевой технологии; конструкция прибора должна обеспечивать простоту выполнения и расчетную точность функционирования; зазоры между элементами колебательной системы обеспечиваются методами селективного травления материалов с различными свойствами или методами плазмохимического травления; габаритные размеры механических элементов прибора определяются на основании расчета колебательной системы и ограничиваются технологическими возможностями производства. Конструкция МГКТ представлена на рис. 1.6. Рис. 1.6. Конструкция МГКТ Ее основу составляет колебательная система в виде центральной рамки, прикрепленной двумя торсионами к внешней рамке, которая, в свою очередь, прикреплена торсионами (расположенными перпендикулярно к направлению торсионов центральной рамки) к основанию. Генерация и измерение параметров колебаний осуществляется с помощью емкостной схемы, расположенной на несущей подложке [8]. 24 1.3.3. Беспроводные сенсорные сети «Smart dust» Если революция в электронике привела к созданию умных (смарт) игрушек и смарт бомб, то почему бы не появиться и "смарт пыли" (smart dust) – полностью функциональной сети сенсорных устройств, малые размеры и стоимость которых позволят разместить тысячи их на подлежащей контролю площади? И действительно, так называемая "смарт пыль" – прозвище, данное беспроводным сенсорным сетям, уже стала реальностью. Исследовательские работы, начатые в середине 90-х годов, наконец, принесли плоды в виде сетевых узлов размером с почтовую марку. Эти миниатюрные узлы, названные "крошками" (motes), могут объединять разнообразные датчики и устройства передачи собранной ими информации нуждающимся в ней пользователям. В 2004 году начались контрольные испытания smart dust технологии. "Пожарная цепочка" крошечных объединенных в сети датчиков, вероятно, в конечном итоге сможет отслеживать любое событие, в любое время и в любом месте. И многие крупные и малые фирмы, а также университеты стремятся сделать мир (и все, что на нем) умнее. Назначение узлов, или крошек smart dust сети, – сбор, анализ и хранение данных, на основе которых принимается разумное решение. Миниатюрная инфраструктура smart dust сети рассматривается как инфраструктура сенсорной сети с малой скоростью передачи информации небольшого объема. Беспроводные сенсорные узлы малой площади содержат датчики, фиксирующие изменения температуры, давления, влажности, уровня освещенности, звука и магнитного поля; источник питания; устройства обработки и передачи данных, а также программные сетевые средства и прикладные программы, объединенные в единую кремниевую платформу. Сбор и хранение данных не имеет смысла, если их нельзя передать заинтересованным пользователям. Самые популярные системы передачи – высокочастотные и оптические, каждая со своими достоинствами и недостатками. В случае высокочастотной передачи сетевые крошки содержат микропроцессор и трансивер, объединенные с датчиками, антенной и источником питания (рис.1.7). 25 Рис.1.7. Функциональная блок-схема узла беспроводной сенсорной сети со средствами регистрации данных и ВЧ-устройством двунаправленной передачи. Основные требования, предъявляемые к узлам smart dust сети, – малые габариты и, следовательно, малая потребляемая мощность (на уровне микроватт). Вот почему разработчики компании Dust Networks обратились к ячеистой беспроводной сенсорной сети – SmartMesh, в которой, по крайней мере между двумя узлами, имеется несколько каналов связи. Электронная "пожарная цепочка" сети передает сообщение от узла к узлу, добавляя свои данные (если они есть), пока оно не достигнет базовой станции, а затем и центрального компьютера. При этом для передачи данных от одного узла к соседнему требуется значительно меньшая мощность, чем при коммуникации между двумя конечными узлами. Сеть SmartMesh состоит из трех компонентов: самого узла, в который входят антенна, батарея, датчики и актюатор, разработанные фирмами, специализирующимися в области сенсорной технологии; устройства управления, или сетевого интерфейса, и программного обеспечения – операционной системы и прикладной программы, обеспечивающих выбор маршрута передачи, синхронизации, оптимизации работы сети. Прикладная программа может выполняться частями, причем части программы различных узлов могут отличаться друг от друга. Стандартные операционные системы, такие как Windows или Unix, для столь малых крошек слишком велики и требуют слишком мощных процессоров. Поэтому в Университете в Беркли была разработана чрезвычайно компактная сетецентрическая ОС – TinyOS, отличающаяся высокой степенью модульности. Благодаря модульному исполнению несущественные для данного узла модули программы удаляются, оставляя в памяти узла больше места для хранения данных 26 датчика (объем памяти, занимаемой программой, не превышает 4 Кбайт). Программное обеспечение сенсорной сети позволяет каждому узлу при поступлении данных "пробуждаться" на доли секунды для передачи информации ближайшему соседнему узлу. Как правило, узлы отключены в течение ~10 с и включаются для сбора данных на несколько миллисекунд (длительность интервалов включения/отключения задается при интеграции крошек в основное оборудование). В результате большая часть устройств узла отключена, функционирует лишь генератор тактовых сигналов и несколько таймеров. Благодаря такой экономии энергозатрат узел может функционировать без замены батареи до пяти лет. Если конфигурация сети изменяется из-за выхода одного из узлов из строя, падения его напряжения питания или воздействия радиопомех, встроенная логика остальных узлов вносит поправки и пересылает сообщение ближайшему работающему узлу сети. Все это обеспечивает высокую надежность сети. Вспомогательная программа TinyDB предназначена для обработки запросов с целью извлечения информации из TinyOS-сети. В сети компании Dust Networks узлы работают в шумоподобном режиме со скачкообразной перестройкой частоты в диапазоне 902–928 МГц. Расстояние между узлами составляет 30–60 м в помещении и до 150 м вне помещения. Однако из-за малых размеров крошек размер антенны также должен быть мал, и передачу данных необходимо вести на высокой частоте. А это не всегда совместимо с требованием малой потребляемой мощности. К тому же, ВЧ-трансиверы – достаточно сложные устройства со схемами модуляции и демодуляции, полосовыми фильтрами. А для передачи данных большого числа узлов требуются дополнительные схемы мультиплексной передачи с временным, частотным или кодовым разделением. Все это существенно усложняет задачу снижения потребляемой мощности до требуемого уровня в несколько микроватт. Поэтому более привлекательна оптическая связь. Со стороны нисходящей линии оптической связи модулированный сигнал может передаваться набору узлов-крошек единичным лазерным передатчиком. Приемник узла содержит полосовой оптический фильтр, фотодиод, предусилитель и слайсер. Со стороны восходящей линии связи для передачи сообщений можно 27 использовать лазерный передатчик. Но при этом потребляемая мощность достаточно велика. Чтобы ее снизить, можно использовать направленный пучок и устройство активного управления пучком, что усложняет конструкцию крошки. Эту проблему можно решить за счет применения пассивного, выполненного на базе МЭМС-структуры оптического передатчика, т.е. устройства, обеспечивающего передачу модулированных оптических сигналов без затраты энергии. Такая университета в ретрорефлектор структура Беркли. предложена Она (Corner-Cube разработчиками представляет Retroreflector собой – Калифорнийского кубический CCR) с тремя уголковый взаимно перпендикулярными гранями (зеркалами). При облучении ретрорефлектора удаленным лазером падающий на него свет отражается под углом 180°. Основа структуры – МЭМС-актюатор, обеспечивающий изменение положения одного из зеркал и тем самым модуляцию сигнала с быстродействием 10 Кбит/с. Узел smart dust сети с оптической связью так же, как и ВЧ-аналог, содержит сенсорную, обрабатывающую, приемную секции и источник питания. Приемник со стороны восходящей линии связи содержит формирователь изображения, выполненный на основе линзы и ПЗС или КМОП-матрицы датчиков изображения (рис.8). Помимо приема информации датчиков, ее фильтрации и хранения полученной выборки в памяти, узел опрашивает оптический приемник для обнаружения поступающих сообщений, которые могут содержать новые команды или отклики на предыдущие сообщения. 28 Рис.1.8. Структура узла беспроводной сенсорной сети с оптической связью Благодаря малой длине волны видимого света или ближнего ИК-излучения (400–1600 нм), на которых работают такие оптические передатчики и приемники, приборы миллиметрового размера могут формировать узкий пучок излучения. Другое достоинство работы на малых длинах волн – возможность приемника базовой станции, оснащенного малогабаритным формирователем изображения, декодировать данные, передаваемые одновременно большим числом узлов, расположенных в разных местах поля обзора приемника, т.е. возможность работы в режиме уплотнения с пространственным разделением. В результате конструкция крошек и протоколы системы значительно упрощаются. Для успешного приема данных такой системой необходимо лишь, чтобы узлы не блокировали линию прямой видимости друг друга (а это благодаря их малым размерам практически невозможно), а также чтобы данные различных узлов формировались различными элементами изображения. На конференции по электротехнике и радиоэлектронике 2002 года, посвященной сенсорам, разработчики описали автономный узел сенсорной сети с питанием от солнечной батареи, обеспечивающий двухстороннюю оптическую связь и занимающий объем 16 мм3. Узел преобразует сигналы датчиков в цифровую форму и передает/принимает данные, передаваемые оптическим излучением в свободном пространстве. В узел входят три микросхемы: 29 КМОП-специализированная схема ASIC-типа, содержащая светочувствительный датчик, генератор на частоту 3 МГц, оптический приемник, 8-бит АЦП и контроллер (конечный автомат); КНС-микросхема солнечной батареи с несколькими выходами; кубический уголковый МЭМС-ретрорефлектор (см. рис.1.9). Рис.1.9. Блок-схема автономного узла сенсорной сети с питанием от солнечной батареи. Максимальное быстродействие АЦП составляет ~100 Квыборок/с, энергия, затрачиваемая на одну выборку, – 360 пДж/с, мощность в режиме ожидания – 41 пВт при напряжении питания 1 В, ширина полосы пропускания – 2,5 кГц. Оптический приемник содержит фотодетектор, схемы обработки аналогового сигнала, цифровой блок восстановления синхронизации и логику для декодирования входящих пакетов данных. Приемник обнаруживает сигналы мощностью до 50 нВт (полный размах), что соответствует интенсивности 1,25 мкВт/мм2. Мощность, потребляемая приемником в рабочем состоянии, составила 26 мкВт при напряжении 2,1 В или 69 пДж/бит при скорости приема 375 Кбит/с. Кольцевой генератор, интегрированный в ASIC-микросхему, потреблял 1,5 мкВт при напряжении 1 В и частоте 3,9 МГц. CCR изготавливался на КНИ-подложке, поверх которой нанесен слой поликремния толщиной 50 мкм, позволяющий получить плоские гладкие отражающие поверхности. Для улучшения коэффициента отражения зеркал на этот слой осаждалась пленка золота толщиной 50 нм. CCR обеспечивал передачу 30 данных с быстродействием выше 4 Кбит/с на расстояние до 180 м. Потребляемая энергия составила 16 пДж/бит, что намного лучше, чем у беспроводных ВЧ-систем, скажем, Bluetooth (энергия передачи на расстояние несколько десятков метров – 1 нДж/бит). Матрица солнечных элементов также изготавливалась на КНИ-подложке площадью 2,6 мм2. При этом размер элементов матрицы зависел от вырабатываемого напряжения – 1 В для питания цифровых схем и АЦП, 2 В для аналоговых схем приемника и 3,8 В для CCR. Выход батареи при ярком солнечном свете составил 1 мВт/мм2 (1 Дж/день/мм2) и 1 мкВт/мм2 при ярком комнатном освещении. Эффективность батареи – 10–12%. Для питания узла использовался лазер на длину волны 810 нм, для передачи сообщений и данных – лазер на 660 нм. Чтобы блокировать питающее излучение при передаче, поверх фотодиода приемника монтировался высокочастотный фильтр. Разработчики сообщили о новом КНИ/КМОП-процессе, который позволит формировать элементы узла на двух кристаллах и создать крошку объемом 6,6 мм3 [9]. 31 1.4. Основные технологические процессы получения многослойных структур Основными технологическими процессами получения многослойных структур являются химическая обработка и сращивание элементов. Процесс химической обработки используется на всех этапах изготовления МЭМС. Результаты подготовки подложек оказывают решающее влияние на получение различных структур и микроэлектронных изделий на их основе. К чистой поверхности кремниевых пластин предъявляются требования по минимальному содержанию различных загрязнений: органических, примесей металлов, механических частиц. Кроме того, при очистке подложек предъявляются требования к состоянию поверхности, а именно: изменение шероховатости поверхности в процессе химической обработки и наличие естественного слоя SiO2. 1.4.1. Классификация загрязнений Загрязнения на поверхности пластин кремния могут быть органического и неорганического происхождения и их можно условно разделить по форме на жидкие и твердые пленочные загрязнения, частицы. Частицы и пленочные загрязнения могут состоять из ионов, атомов, молекул и т.д. Органические загрязнения присутствуют в остатках фоторезиста, различного вида жиров, смазки и масел, использующихся в производстве. Загрязнения могут присутствовать в виде молекул, ионов, атомов, а также образовывать соединения между собой и подложкой. Атомные загрязнения представляют собой металлические пленки или частицы, например, электрохимически осажденные пленки металлов (Au, Ag, Cu и др.); частицы материала (Si, Fe, Ni и др.). Ионные загрязнения представляют собой катионы или анионы из неорганических химических растворов, например, Na+, Cl-, SO32-. Загрязнения могут быть разделены по типу их физико-химического взаимодействия с поверхностью полупроводника. Физические (или механические) загрязнения (пыль, волокна, абразивные и металлические частицы, органические загрязнения) связаны с поверхностью силами физической адсорбции. Наиболее 32 опасными являются химические загрязнения, так как требуют большей энергии для удаления с поверхности, поскольку связаны с ней силами хемосорбции. В качестве примера химических загрязнений можно назвать окисные и сульфидные пленки, катионы, атомы металлов и др. Кроме того, при очистке подложек предъявляются требования к состоянию поверхности, а именно: изменение шероховатости поверхности в процессе химической обработки и наличие естественного слоя SiO2. Особенно актуальным вопрос шероховатости поверхности становится при изготовлении ИС с Bmin < 1 мкм при получении структур КНИ методом соединения двух полупроводниковых подложек. 1.4.2. Очистка поверхности подложек в перекисно-аммиачном растворе (ПАР) В отечественной микроэлектронике для удаления механических загрязнений с поверхности полупроводниковых пластин в основном используется обработка погружением в раствор NH4OH/H2O2/H2O. В процессе очистки поверхности подложек в указанном растворе между двумя химическими компонентами происходит компенсационное взаимодействие: перекись водорода (H2O2) окисляет кремний и образует слой оксида кремния (SiO2) непосредственно на поверхности подложки, а аммиак, напротив, подтравливает образовавшийся слой SiO 2. В результате протекания указанных процессов слой оксида кремния постоянно образуется и удаляется, а подтравливание слоя SiO2 под частицами способствует удалению с поверхности Si пластин загрязнений. Главным недостатком указанного процесса химической обработки является изменение концентрации компонентов в растворе в процессе его использования и хранения, что приводит к ухудшению характеристик поверхности подложек. Раствор перекиси водорода при нагревании разлагается по схеме 2H2O2=2H2O+O2. Уменьшается концентрация аммиака в растворе, что происходит за счет его летучести в процессе нагревания раствора. Добавками стабилизаторов снижают скорость разложения раствора. В литературных источниках рассматриваются варианты объемных отношений компонентов раствора NH4OH/H2O2/H2O как 1:1:3, с тенденцией 33 уменьшения концентраций NH4OH и H2O2 в воде при современных режимах химической обработки. Температура обработки варьируется от 20 до 80 С Технологические 1.4.3. процессы очистки поверхности полупроводниковых пластин Основные принципы, на которых базируется любая технология очистки поверхности подложек, заключаются в следующем. Технологические процессы должны состоять из ряда последовательных операций, из которых каждая предназначена для удаления одного или нескольких видов загрязнений. Технологические процессы увязываются с общим технологическим маршрутом изготовления приборов. Для химической очистки подложек следует применять вещества, у которых продукты взаимодействия с загрязнениями легко удаляются с поверхности при последующей обработке. Поскольку в технологии микроэлектроники постоянно совершенствуются технологические методы и отдельные операции (например, для уменьшения минимального топологического размера) необходимо постоянно совершенствовать методы очистки. Способы воздействия на поверхность пластин, применяемые в технологиях очистки, по характеру процесса делят на физические, химические, физикохимические. Так как процессы очистки полупроводниковой поверхности постоянно совершенствуются комбинированием и сочетанием различных методов, деление это условно. По агрегатному состоянию среды обработки методы очистки поверхности пластин подразделяются на "жидкостные" и "сухие". "Жидкостные" методы включают обработку в жидкостях и парах. Обработка в газовой среде или в вакууме относится к "сухим" методам очистки поверхности пластин. Общая схема "жидкостной" химической очистки поверхности подложек выглядит следующим образом: обработка в химических растворах, отмывка в воде, сушка. Существуют различные разработки и модификации процессов очистки [10]. 34