Автореферат (Методы формирования объемных микроструктур устройств микроэлектроники и микросистемной техники космического назначения)

На правах рукописиАНУРОВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧМЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУРУСТРОЙСТВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ИМИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯСпециальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронныекомпоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква − 20182Работа выполнена на кафедре «Конструирование, технология и производстворадиоэлектронных средств» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» и в АО «Российские космическиесистемы».Научный руководитель:Жуков Андрей Александровичдоктор технических наук, доцент,начальник отдела АО «Российские космическиесистемы» (г.

Москва),заведующийкафедрой«Технологияпроизводства приборов и систем управлениялетательныхаппаратов»ФГБОУВО«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательскийуниверситет)»Официальные оппоненты:Одиноков Вадим Васильевичдоктор технических наук, профессор,заместитель генерального директора по наукеОАО «НИИТМ»Обижаев Денис Юрьевичкандидат технических наук,начальник отдела научно-технологическогокомплекса нано- и микротехнологий научноисследовательского центра нанотехнологийФГУП «ЦНИИХМ»Ведущая организация:Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательноеучреждениевысшегообразования «Национальный исследовательскийуниверситет«Московскийинститутэлектронной техники».Защита диссертации состоится «07» июня 2018 г.

в 16 часов 00 мин. на заседаниидиссертационного 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 насайте www.mpei.ru.Автореферат разослан «___» _____________ 2018 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.06к.т.н., доцентСарач О.Б.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Применение устройств микроэлектроники (МЭ)и микросистемной техники (МСТ) в космосе предъявляет к ним повышенные требования вчасти 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 существующихконструкций и методов их изготовления.

Формирование функциональных элементовустройств МЭ и МСТ в объеме подложки позволяет существенно повысить стойкостьустройств к ДФКП, а применение усовершенствованных материалов и конструктивныхрешений – расширить температурный диапазон. Изготовление устройств микроэлектроникии микросистемной техники космического назначения (далее – устройства МЭ и МСТ) потехнологии объемной микрообработки, в частности, создание объемных высокоаспектныхмикроструктур заданного профиля в кремнии, полиимидных (ПИ) слоях и другихматериалах, требует широкого использования методов плазмохимического травления (ПХТ),таких как плазменное травление, реактивное ионное травление (РИТ), травление виндуктивно-связанной плазме (ИСП) и т.д. Широкое применение получили технологиитравления в реакторах ИСП с использованием Bosch, Pseudo Bosch и крио-процессов. Изтехнологий высокоанизотропного плазмохимического травления объемных микроструктур вкремнии наибольшее распространение получили Bosch и Pseudo Bosch-процессы, широкоисследованные Зихао Оуянг из Университета Иллинойс, США.

В Российской Федерациибольших успехов в исследованиях технологий ПХТ достиг коллектив Ярославского ФилиалаФГБУН Физико-технологического института РАН (д.ф-м.н. Амиров И.И.). Кроме того,большое значение при формировании устройств МЭ и МСТ придается выбору материала длядиэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски в технологииLOCOS. Для этих целей наиболее подходящими являются пленки низкотемпературногонитрида кремния, подробно исследованные Энцо Каролло в STMicroelectronics (Швейцария)и Micron Technology Inc. (США).

Основными устройствами МЭ и МСТ, при изготовлениикоторых применяется Bosch-процесс, являются микроструктурные экранно-вакуумныеизоляции космических аппаратов (ЭВИКА), датчики давления, клапаны, маятники и SIWфильтры (СВЧ фильтры, изготавливаемые по технологии интегрированного в подложкуволновода).

Pseudo Bosch-процесс используется для формирования объемных микроструктурс гладкими стенками в технологиях щелевой изоляции, при изготовлении силовыхтранзисторов с вертикальным затвором (СТВЗ), конденсаторов и микросхем. Изготовлениеразнородных устройств МЭ и МСТ с применением объемных микроструктур, таких какполупроводниковый СТВЗ, микросистемная ЭВИКА и СВЧ SIW-фильтр, требует разработкиметодов формирования вертикальных канавок в кремнии шириной 0,8-2 мкм и глубиной1,5-6,5 мкм, вертикальных отверстий и канавок в кремнии и полиимиде глубиной 10-20 мкм,сквозных высокоаспектных микроотверстий в кремниевых пластинах диаметром до 250 мкми глубиной более 380 мкм с фасками на входе и выходе микроотверстия.

При выборе4материала для диэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски втехнологии LOCOS возникает задача разработки технологии формирования малодефектнойпленки нитрида кремния на кремнии при температуре процесса не выше 200 °С с высокимнапряжением пробоя и минимальными остаточными сжимающими напряжениями.Отсутствие методов высокоанизотропного плазмохимического травления объемныхмикроструктур в кремнии, полиимиде и метода формирования низкотемпературногомалодефектного нитрида кремния не позволяет внедрить в России в серийное производствоСТВЗ, ЭВИКА и SIW-фильтры космического назначения.Таким образом, актуальна разработка конструкций и технологий изготовления новыхустройств МЭ и МСТ космического назначения путем совершенствования методовплазмохимического травления объемных высокоаспектных микроструктур в кремнии,полиимиде и осаждения пленок нитрида кремния.Цель работы: исследование и разработка технологии формирования объемныхмикроструктур для микросистемной техники космического назначения.Решаемые задачи:1.

Выявить конструктивные и физико-технологические ограничения приформировании объемных микроструктур силового транзистора с вертикальным затвором,экранно-вакуумной изоляции КА и SIW-фильтра, провести приборно-технологическоемоделирование конструкции силового транзистора.2. Исследовать и разработать плазменные методы формирования объемныхмикроструктур для создания силовых транзисторов с вертикальным затвором, экранновакуумных изоляций КА и SIW-фильтров.3. Исследовать и разработать технологию плазмохимического осаждениямалодефектных пленок нитрида кремния.4. Разработать новые конструкции и маршруты изготовления силового транзисторас вертикальным затвором, экранно-вакуумной изоляции КА и SIW-фильтра.Научная новизна:1. Показано, что предварительная обработка поверхности кремниевой подложки вазотной плазме перед низкотемпературным (менее 200 °С) осаждением нитрида кремнияпозволяет сформировать на границе «кремний - нитрид кремния» переходной слой толщинойот 2 до 6 нм, что приводит к снижению дефектности пленки нитрида кремния и обеспечиваеттребуемую величину адгезии слоев.2.

С использованием приборно-технологического моделирования проведеноисследование зависимости величины порогового напряжения МОП-транзистора свертикальным затвором, изолированным термическим окислом, от глубины p-n перехода«исток-карман» и толщины подзатворного диэлектрика. Установлено, что оптимальнаяглубина p-n перехода «исток-карман» составляет 1-1,2 мкм при толщине подзатворногодиэлектрика 60±10 нм.53.Исследованы условия появления notching-эффекта при анизотропной стадииреактивного ионного травления (РИТ) волноводов SIW-фильтра с диаметроммикроотверстий 150-250 мкм. Установлено, что формирование фаски на нижней кромкемикроотверстия происходит при использовании пленки полиимида толщиной ≥ 3 мкм,нанесенной на обратную сторону кремниевой пластины, а время перетрава при выбранномрежиме анизотропного РИТ составляет не менее 3,5-4 минут.

Использование предложеннойтехнологии позволяет снизить вероятность отказов, связанных с обрывом металлизации накромках волноводов, и уменьшить переходное сопротивление металлизации до 1*10-3 Ом.4. Предложена новая конструкция микроструктурной экранно-вакуумной изоляциикосмических аппаратов (КА), состоящая из микропрофилированной кремниевой подложки,теплоотражающих металлических микропластин, позволяющая защитить от резкихперепадов температуры всю неиспользуемую поверхность нано/пико спутника и снизить на15-20 % 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 диоксидакремния толщиной 0,8-1,0 мкм; экранно-вакуумной изоляции КА, состоящей из микропрофилированнойкремниевой подложки, теплоизоляционных канавок в кремнии и ПИ, металлическихмикропластин для создания вакуумного зазора величиной 10-20 мкм и сферическихспейсеров диаметром 40 мкм для создания многослойной конструкции; SIW-фильтра, состоящего из сквозных металлизированных микроотверстийдиаметром 150-250 мкм с фасками на входе и выходе микроотверстий.2.

Разработаны технологии изготовления: силового транзистора с вертикальным затвором, с использованием методовсамосовмещения (низкотемпературный нитрид кремния) и перекрестного совмещения впроцессах фотолитографии; микроструктурной экранно-вакуумной изоляции КА с увеличенными в 1,33 разагабаритными размерами кристалла и повышенным в 1,25 раза коэффициентом заполнения посравнению с известными аналогами; SIW-фильтра со сквозными металлизированными микроотверстиями вкремниевой подложке с положительным клином травления на входе и выходемикроотверстий за счет применения полиимидного покрытия в качестве «стоп - слоя».3.

Впервые определены закономерности влияния технологических факторов напараметры силового транзистора с вертикальным затвором, экранно-вакуумной изоляции КАи SIW-фильтра.6Методы исследования:Для решения поставленных задач в работе использовались методы оптической,электроннойиатомно-силовоймикроскопии,стилуснойпрофилометрии,энергодисперсионной спектрометрии, спектральной эллипсометрии и электрографии.Положения, выносимые на защиту:На защиту выносятся:1. Метод формирования малодефектных пленок нитрида кремния длядиэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски в технологииLOCOS, обеспечивающий получение новых устройств МЭ и МСТ космического назначенияза счет управления переходным слоем на межфазной границе кремний-нитрид кремния.2.