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

ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»АО «Российские космические системы»На правах рукописиАнуров Алексей ЕвгеньевичМЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУРУСТРОЙСТВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИКОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯСпециальность 05.27.01 –«Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника,приборы на квантовых эффектах»Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук, доцентЖуков Андрей АлександровичМосква − 20182ОглавлениеСтр.Введение….…………...………………………………………………………...............................4ГЛАВА 1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ УСТРОЙСТВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ИМИКРОСИСТЕМНОЙОБЪЕМНЫХТЕХНИКИ,МИКРОСТРУКТУР,ИЗГОТОВЛЕННЫХМЕТОДОВСПРИМЕНЕНИЕМФОРМИРОВАНИЯОБЪЕМНЫХМИКРОСТРУКТУР И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК, МАСОК ДЛЯ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ,ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ.................101.1 Анализ конструкций устройств микроэлектроники и микросистемной техники,изготовленных с применением объемных микроструктур ……........................................101.2 Анализ методов изготовления объемных микроструктур, их характеристик имасок, применяемых для их формирования…………….....................................................161.3 Классификация объемных микроструктур…………………………………………….191.4 Анализ технологий изготовления и характеристик типовых устройств на основеобъемных микроструктур.………………………………..…………………………………231.5 Конструктивные и физико-технологические ограничения при формированииобъемных микроструктур силовых транзисторов с вертикальным затвором (СТВЗ),микроструктурныхмногослойныхэкранно-вакуумныхизоляцийкосмическихаппаратов (КА) и SIW-фильтров…………………….………………………………….......30Выводы по главе 1……………………………………………………………….........................31ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУРСИЛОВЫХТРАНЗИСТОРОВМИКРОСТРУКТУРНЫХИЗОЛЯЦИЙ КА,СКВОЗНЫХСВЕРТИКАЛЬНЫММНОГОСЛОЙНЫХЗАТВОРОМ,ЭКРАННО-ВАКУУМНЫХМЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХМИКРООТВЕРСТИЙSIW-ФИЛЬТРОВ И МАСОК В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХМИКРОСТРУКТУР……………………………………………………………………………...332.1 Объекты исследования ………………………………………………………………….332.1.1 Объекты исследования объемных микроструктур в кремнии силовыхтранзисторов с вертикальным затвором.………………….…………………………...332.1.2 Объекты исследования объемных микроструктур в кремнии и полиимидемикроструктурных многослойных экранно-вакуумных изоляций КА………..........362.1.3 Объекты исследования сквозных металлизированных микроотверстий SIWфильтров.…………………………………..……………………………………………..3932.1.4 Объекты исследования маски в технологии изготовления объемныхмикроструктур……………………………….…...……………………………………...402.2 Методы исследования….……………………………………………..…………………42Выводы по главе 2...……………………………………………………………………………...44ГЛАВА3РЕЗУЛЬТАТЫИССЛЕДОВАНИЯКОНСТРУКЦИИИМЕТОДОВФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУР……………………………………....3.1 Моделирование конструкции силового транзистора с вертикальным затвором ….45453.2 Результаты исследования формирования объемных микроструктур в кремниисиловых транзисторов с вертикальным затвором ………………………………………...533.3 Результаты исследования формирования объемных микроструктур в кремнии иполиимиде микроструктурных многослойных экранно-вакуумных изоляций КА........3.4Результатыисследованияформированиясквозных64металлизированныхмикроотверстий SIW-фильтров……………………………………………………….........723.5 Результаты исследования метода формирования пленки нитрида кремния втехнологии изготовления объемных микроструктур ………………………….………....79Выводы по главе 3……………………………………………………………….........................87ГЛАВА4УСТРОЙСТВАМИКРОЭЛЕКТРОНИКИИМИКРОСИСТЕМНОЙТЕХНИКИ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ПО ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНЫХМИКРОСТРУКТУР……………………………………………………………………………...914.1 Силовой транзистор с вертикальным затвором …….………………………..……….914.2 Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция КА………………..1014.3 SIW-фильтр………………………………………………………………………………1134.4 Показатели технического уровня формирования объемных микроструктур иразработанных на их основе устройств МЭ и МСТ……………………………………….1164.5 Влияние технологических факторов на параметры устройств МЭ и МСТ………….121Выводы по главе 4……………………………………………………………….........................122Заключение……………………………………….……………………………………...……….123Сокращения и условные обозначения….…………..……..………………..…………………..124Список литературы……………………………………………...………………………….……126Приложение А.

Акты об использовании результатов диссертационной работы……...…….135Приложение Б. Результаты испытаний образцов электроуправляемой ЭВИКА поопределению физико-механических свойств…………………………………………………..141Приложение В. Результаты испытаний электроуправляемой ЭВИКА по определениютеплофизических характеристик………………………………………………………………..1464ВведениеАктуальность темы исследованияПрименение устройств микроэлектроники (МЭ) и микросистемной техники (МСТ) вкосмосе предъявляет к ним повышенные требования в части расширенного температурногодиапазонаприменения,использованияматериалов,слабочувствительныхкдестабилизирующим факторам космического пространства (ДФКП) и т.д., что, в свою очередь,требует разработки новых или совершенствования существующих конструкций и методов ихизготовления. Формирование функциональных элементов устройств МЭ и МСТ в объемеподложки позволяет существенно повысить стойкость устройств к ДФКП, а применениеусовершенствованных материалов и конструктивных решений – расширить температурныйдиапазон.

Изготовление устройств микроэлектроники и микросистемной техники космическогоназначения (далее – устройства МЭ и МСТ) по технологии объемной микрообработки, вчастности, создание объемных высокоаспектных микроструктур заданного профиля в кремнии,полиимидных (ПИ) слоях и других материалах, требует широкого использования методовплазмохимического травления (ПХТ), таких как плазменное травление, реактивное ионноетравление (РИТ), травление в индуктивно-связанной плазме (ИСП) и т.д.

Широкое применениеполучили технологии травления в реакторах ИСП с использованием Bosch, Pseudo Bosch икрио-процессов. Из технологий высокоанизотропного плазмохимического травления объемныхмикроструктур в кремнии наибольшее распространение получили Bosch и Pseudo Boschпроцессы,широкоисследованныеЗихаоОуянгизУниверситетаИллинойс,США.В Российской Федерации больших успехов в исследованиях технологий ПХТ достиг коллективЯрославского Филиала ФГБУН Физико-технологического института РАН (д.ф-м.н. АмировИ.И.).

Кроме того, большое значение при формировании устройств МЭ и МСТ придаетсявыбору материала для диэлектрической изоляции, в качестве диффузионного барьера и маски втехнологииLOCOS.низкотемпературногоДляэтихнитридацелейкремния,наиболееподробноподходящимиисследованныеявляютсяЭнцопленкиКаролловSTMicroelectronics (Швейцария) и Micron Technology Inc. (США). Основными устройствамиМЭиМСТ,приизготовлениикоторыхприменяетсяBosch-процесс,являютсямикроструктурные экранно-вакуумные изоляции космических аппаратов (ЭВИКА), датчикидавления, клапаны, маятники и SIW-фильтры (СВЧ фильтры, изготавливаемые по технологииинтегрированноговподложкуволновода).PseudoBosch-процессиспользуетсядляформирования объемных микроструктур с гладкими стенками в технологиях щелевойизоляции, при изготовлении силовых транзисторов с вертикальным затвором (СТВЗ),конденсаторов и микросхем.

Изготовление разнородных устройств МЭ и МСТ с применением5объемных микроструктур, таких как полупроводниковый СТВЗ, микросистемная ЭВИКА иСВЧ SIW-фильтр, требует разработки методов формирования вертикальных канавок в кремниишириной 0,8-2 мкм и глубиной 1,5-6,5 мкм, вертикальных отверстий и канавок в кремнии иполиимиде глубиной 10-20 мкм, сквозных высокоаспектных микроотверстий в кремниевыхпластинах диаметром до 250 мкм и глубиной более 380 мкм с фасками на входе и выходемикроотверстия. При выборе материала для диэлектрической изоляции, в качестведиффузионного барьера и маски в технологии LOCOS возникает задача разработки технологииформирования малодефектной пленки нитрида кремния на кремнии при температуре процессане выше 200 °С с высоким напряжением пробоя и минимальными остаточными сжимающиминапряжениями.

Отсутствие методов высокоанизотропного плазмохимического травленияобъемных микроструктур 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 и задачи работыЦелью работы являются исследование и разработка технологии формирования объемныхмикроструктур для микросистемной техники космического назначения.Задачами работы являются:- выявление конструктивных и физико-технологических ограничений при формированииобъемных микроструктур силового транзистора с вертикальным затвором, экранно-вакуумнойизоляции КА и SIW-фильтра, проведение приборно-технологического моделированияконструкции силового транзистора;-исследованиеиразработкаплазменныхметодовформированияобъемныхмикроструктур для создания силовых транзисторов с вертикальным затвором, экранновакуумных изоляций КА и SIW-фильтров;- исследование и разработка технологии плазмохимического осаждения малодефектныхпленок нитрида кремния;- разработка новых конструкций и маршрутов изготовления силового транзистора свертикальным затвором, экранно-вакуумной изоляции КА и SIW-фильтра.6Научная новизна1.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 толщиной от2 до 6 нм, что приводит к снижению дефектности пленки нитрида кремния и обеспечиваеттребуемую величину адгезии слоев.2.исследованиеСиспользованиемзависимостиприборно-технологическоговеличиныпороговогомоделированиянапряженияпроведеноМОП-транзисторасвертикальным затвором, изолированным термическим окислом, от глубины p-n перехода«исток-карман» и толщины подзатворного диэлектрика.