Московский инженерно-физический институт(государственный университет)

ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИИ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Кафедра №37Кафедра №37«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»

ЛАЗЕРНАЯЛАЗЕРНАЯТЕХНОЛОГИЯТЕХНОЛОГИЯ

Лекция-Лекция-1313

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.

Лазерный отжиг полупроводников после ионной имплантацииЛазерный отжиг полупроводников после ионной имплантацииВ технологии создания полупроводниковых приборов метод ионной имплантации получил В технологии создания полупроводниковых приборов метод ионной имплантации получил

широкое распространение в силу ряда преимуществ перед традиционными способами широкое распространение в силу ряда преимуществ перед традиционными способами введения примесей в полупроводниковые кристаллы (эпитаксия, диффузия, сплавление). К введения примесей в полупроводниковые кристаллы (эпитаксия, диффузия, сплавление). К основным преимуществам относятся: сокращение длительности процесса введения основным преимуществам относятся: сокращение длительности процесса введения примесей, однородность распределения и воспроизводимость параметров, возможность примесей, однородность распределения и воспроизводимость параметров, возможность точного контроля количества вводимых атомов примеси, отсутствие необходимости точного контроля количества вводимых атомов примеси, отсутствие необходимости поддерживать высокую температуру в процессе имплантации.поддерживать высокую температуру в процессе имплантации.

В то же время метод ионной имплантации имеет существенный недостаток, заключающийся в В то же время метод ионной имплантации имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что бомбардировка тяжелыми частицами приводит к образованию радиационных том, что бомбардировка тяжелыми частицами приводит к образованию радиационных дефектов, а большинство имплантированных атомов занимает нерегулярные положения в дефектов, а большинство имплантированных атомов занимает нерегулярные положения в решетке и поэтому электрически неактивны. В связи с этим необходимо проведение решетке и поэтому электрически неактивны. В связи с этим необходимо проведение соответствующей термообработки ионно-легированных образцов (отжиг), во-первых, для соответствующей термообработки ионно-легированных образцов (отжиг), во-первых, для того, чтобы восстановить кристаллическую решетку и, во-вторых, чтобы перевести того, чтобы восстановить кристаллическую решетку и, во-вторых, чтобы перевести имплантированные атомы в электрически активные состояния.имплантированные атомы в электрически активные состояния.

В середине 70-х годов было обнаружено, что облучение короткими мощными лазерными В середине 70-х годов было обнаружено, что облучение короткими мощными лазерными импульсами нарушенного при ионной имплантации аморфного слоя полупроводника импульсами нарушенного при ионной имплантации аморфного слоя полупроводника приводит к восстановлению совершенной кристаллической структуры и электрической приводит к восстановлению совершенной кристаллической структуры и электрической активации введенной примеси. активации введенной примеси.

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.

Лазерный отжиг полупроводников после ионной имплантацииЛазерный отжиг полупроводников после ионной имплантации

Существует достаточно много моделей, объясняющих процессы импульсного лазерного отжига.Существует достаточно много моделей, объясняющих процессы импульсного лазерного отжига.Наиболее общей считается тепловая модель.Наиболее общей считается тепловая модель.Среди нетопловых теорий выделяются плазменная модель и модель, основанная на теории Среди нетопловых теорий выделяются плазменная модель и модель, основанная на теории

перехода Пайерлса. перехода Пайерлса. Саму процедуру лазерного отжига можно проводить путем как твердофазной, так и Саму процедуру лазерного отжига можно проводить путем как твердофазной, так и

жидкофазной эпитаксиальной кристаллизации от ненарушенной подложки. В первом жидкофазной эпитаксиальной кристаллизации от ненарушенной подложки. В первом случае в результате лазерного нагрева температура приповерхностного слоя, поглотившего случае в результате лазерного нагрева температура приповерхностного слоя, поглотившего излучение, не превышает температуру плавления, во втором - превосходит ее. Первый излучение, не превышает температуру плавления, во втором - превосходит ее. Первый режим, как правило, реализуется при использовании «длинных» (более 1 мкс) импульсов режим, как правило, реализуется при использовании «длинных» (более 1 мкс) импульсов лазерного излучения, второй - при использовании наносекундных и пикосекундных лазерного излучения, второй - при использовании наносекундных и пикосекундных импульсов.импульсов.

Анализ многочисленных экспериментальных результатов показывает, что наиболее интересные Анализ многочисленных экспериментальных результатов показывает, что наиболее интересные из них как с физической, так и с практической точек зрения получены в режиме из них как с физической, так и с практической точек зрения получены в режиме воздействия наносекундных и пикосекундных импульсов излучения.воздействия наносекундных и пикосекундных импульсов излучения.

Отличительной особенностью лазерного отжига наносекундными импульсами излучения Отличительной особенностью лазерного отжига наносекундными импульсами излучения является наличие больших градиентов температуры (10является наличие больших градиентов температуры (1088 К/с), так что на границе раздела К/с), так что на границе раздела твердой и жидкой фаз скорость движения фронта кристаллизации аномально высока (до 10твердой и жидкой фаз скорость движения фронта кристаллизации аномально высока (до 10 33 см/с). см/с).

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерный отжиг полупроводников после ионноЛазерный отжиг полупроводников после ионной имплантациий имплантации

При лазерном отжиге в наносекундном режиме реализуются наиболее интересные эффекты: При лазерном отжиге в наносекундном режиме реализуются наиболее интересные эффекты: достижение высокого совершенства восстановления кристаллической структуры при достижение высокого совершенства восстановления кристаллической структуры при отсутствии макроскопических дефектов; высокая эффективность легирования при больших отсутствии макроскопических дефектов; высокая эффективность легирования при больших дозах имплантации; достижение концентрации примесей в замещающих положениях с дозах имплантации; достижение концентрации примесей в замещающих положениях с существенным превышением пределов равновесной растворимости. В таблице приведены существенным превышением пределов равновесной растворимости. В таблице приведены сравнительные данные по растворимости примесей в кремнии в равновесных условиях и сравнительные данные по растворимости примесей в кремнии в равновесных условиях и при наносекундном отжиге.при наносекундном отжиге.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.

Лазерное легирование является альтернативной Лазерное легирование является альтернативной операцией относительно ионной имплантации с операцией относительно ионной имплантации с последующим импульсным лазерным отжигом.последующим импульсным лазерным отжигом.Лазерное легирование полупроводниковых Лазерное легирование полупроводниковых материалов может быть реализовано на материалов может быть реализовано на практике различными способами:практике различными способами:обработка структур «пленка диффузанта - обработка структур «пленка диффузанта - матрица»;матрица»;обработка материалов в камере высокого обработка материалов в камере высокого давления;давления;обработка материалов в жидкостях;обработка материалов в жидкостях;инжекция мелких частиц в расплавленный инжекция мелких частиц в расплавленный излучением слой материала.излучением слой материала.ПроцессПроцесс лазерного легирования включает лазерного легирования включает несколько стадий: несколько стадий: 1)нанесение пленки диффузанта на матрицу, 1)нанесение пленки диффузанта на матрицу, 2) облучение на воздухе, 2) облучение на воздухе, 3) облучение в вакуумной камере, 3) облучение в вакуумной камере, 4) облучение через прозрачное4) облучение через прозрачное покрытиепокрытие

Лазерное легированиеЛазерное легирование

Упрощенная модель процесса лазерного легированияУпрощенная модель процесса лазерного легирования..

1) энергия лазерного излучения поглощается в тонком слое облучаемого вещества пленки и 1) энергия лазерного излучения поглощается в тонком слое облучаемого вещества пленки и практически мгновенно решетке поглощающего материала;практически мгновенно решетке поглощающего материала;2) материал, поглотивший излучение, за время 2) материал, поглотивший излучение, за время ~ 1~ 1 нс нагревается до температуры плавления. нс нагревается до температуры плавления.3) одновременное существование расплава материала пленки и матрицы;3) одновременное существование расплава материала пленки и матрицы;4) атомы пленки и матрицы имеют возможность взаимноперемешиваются в жидкой фазе;4) атомы пленки и матрицы имеют возможность взаимноперемешиваются в жидкой фазе;5) в результате процесса диффузии формируется определенноераспределение атомов пленки в 5) в результате процесса диффузии формируется определенноераспределение атомов пленки в поверхностном слое матрицы;поверхностном слое матрицы;6) процесс остывания материала происходит в условиях быстрого движения фронта 6) процесс остывания материала происходит в условиях быстрого движения фронта отвердевания со скоростями 10 м/с от границы раздела жидкость - твердое тело по отвердевания со скоростями 10 м/с от границы раздела жидкость - твердое тело по направлению к поверхности.Движение этого фронта фиксирует концентрационный профиль направлению к поверхности.Движение этого фронта фиксирует концентрационный профиль атомовлегирующего элемента в поверхностном слое матрицы.атомовлегирующего элемента в поверхностном слое матрицы.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.

Пример формирования Пример формирования nn-р-перехода в -р-перехода в GaAsGaAs методом лазерного легирования методом лазерного легирования..

Лазерное легированиеЛазерное легирование

В качестве подложки выбирался В качестве подложки выбирался GaAsGaAs-р-типа -р-типа проводимости (АГЧЦ, р~10проводимости (АГЧЦ, р~101919 см) толщиной 0,3 мм. см) толщиной 0,3 мм. Экспериментально измеренное пропускание Экспериментально измеренное пропускание излучения с длиной волны 1,06 мкм для данных излучения с длиной волны 1,06 мкм для данных образцов составляло 50%образцов составляло 50%. . Этапы обработки образцов Этапы обработки образцов приведены на рисунке. На химически полированную приведены на рисунке. На химически полированную поверхность подложки наносились пленки толщиной поверхность подложки наносились пленки толщиной 400 Å и 3000 Å. Напыление пленок производилось 400 Å и 3000 Å. Напыление пленок производилось через структурную маску, состоящую из квадратов со через структурную маску, состоящую из квадратов со стороной 700 мкм и расстоянием между квадратами стороной 700 мкм и расстоянием между квадратами 300 мкм, плотно соприкасающуюся с поверхностью 300 мкм, плотно соприкасающуюся с поверхностью GaAGaAss. . Облучение тонкой (400 Å) пленки проводилось Облучение тонкой (400 Å) пленки проводилось со стороны пленки, а толстая пленка (3000 Å) со стороны пленки, а толстая пленка (3000 Å) облучалась с обратной стороны пластины облучалась с обратной стороны пластины GaAsGaAs после после снятия структурной маски.снятия структурной маски.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Создание силицидовСоздание силицидов

Одним из требований планарной технологии БИС является низкое контактное Одним из требований планарной технологии БИС является низкое контактное сопротивление новых материалов, максимально большая проводимость сопротивление новых материалов, максимально большая проводимость соединительных проводящих дорожек и химическая стойкость материала проводящих соединительных проводящих дорожек и химическая стойкость материала проводящих дорожек к травителям, содержащим плавиковую кислоту. Наиболее полно этим дорожек к травителям, содержащим плавиковую кислоту. Наиболее полно этим требованиям соответствуют силициды металлов. Использование силицидов открывает требованиям соответствуют силициды металлов. Использование силицидов открывает широкие перспективы в изготовлении монолитных структур «полупроводник-металл-широкие перспективы в изготовлении монолитных структур «полупроводник-металл-полупроводник».полупроводник».Традиционно пленки силицида получают отжигом систем «металлическая пленка-Традиционно пленки силицида получают отжигом систем «металлическая пленка-полупроводниковая подложка» в вакуумных печах. Однако длительное полупроводниковая подложка» в вакуумных печах. Однако длительное высокотемпературное воздействие на материал может привести к перераспределению высокотемпературное воздействие на материал может привести к перераспределению примесных атомов, что неприемлемо в планарной технологии изготовления приборов примесных атомов, что неприемлемо в планарной технологии изготовления приборов микроэлектроники. В связи с этим в последние годы серьезное внимание технологов микроэлектроники. В связи с этим в последние годы серьезное внимание технологов привлекают методы быстрого термического отжига структур «металл-кремний» привлекают методы быстрого термического отжига структур «металл-кремний» электронными и лазерными пучками, а также ламповый отжиг для создания тонких электронными и лазерными пучками, а также ламповый отжиг для создания тонких слоев силицидов.слоев силицидов.Использование лазерного излучения, когда вся энергия пучка теряется в основном в Использование лазерного излучения, когда вся энергия пучка теряется в основном в очень тонком приповерхностном слое, позволяет создавать тонкие слои силицидов, что очень тонком приповерхностном слое, позволяет создавать тонкие слои силицидов, что делает этот способ привлекательным для таких приложений, как создание проводящих делает этот способ привлекательным для таких приложений, как создание проводящих дорожек в СБИС.дорожек в СБИС.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.3. Создание силицидов3. Создание силицидов

Хорошо изучены процессы образования силицидов платины, палладия, никеля, Хорошо изучены процессы образования силицидов платины, палладия, никеля, молибдена и ниобия под действием неодимового лазера. В экспериментах пленки молибдена и ниобия под действием неодимового лазера. В экспериментах пленки названных элементов толщиной 45-210 нм вжигались в <100> названных элементов толщиной 45-210 нм вжигались в <100> SiSi при плотности при плотности энергии излучения 1,8-4,5 Дж/смэнергии излучения 1,8-4,5 Дж/см22 и длительности импульса 100 нс. В результате и длительности импульса 100 нс. В результате облучения получались однородные по глубине многофазовые слои силицидов, которые облучения получались однородные по глубине многофазовые слои силицидов, которые исследовались методом обратного резерфордовского рассеяния ионов Неисследовались методом обратного резерфордовского рассеяния ионов Не++, , сканирующей электронной микроскопией и рентгеновским анализом. Исследования сканирующей электронной микроскопией и рентгеновским анализом. Исследования микроструктуры показали, что полученные слои являются результатом плавления микроструктуры показали, что полученные слои являются результатом плавления тонкого слоя, перемешивания атомов металла с кремнием в жидкой фазе и быстрой тонкого слоя, перемешивания атомов металла с кремнием в жидкой фазе и быстрой рекристаллизации. Например, при облучении тонкой пленки 45 нм рекристаллизации. Например, при облучении тонкой пленки 45 нм PtPt импульсами в импульсами в диапазоне плотностей энергии 2-5 Дж/смдиапазоне плотностей энергии 2-5 Дж/см22 было обнаружено, что глубина было обнаружено, что глубина прореагировавшего слоя меняется со 170 до 46О нм, а средний состав - от прореагировавшего слоя меняется со 170 до 46О нм, а средний состав - от PtSiPtSi2,72,7 до до

PtSiPtSi10,410,4. .

Сравнение результатов с результатами, полученными для обычной термодиффузии, Сравнение результатов с результатами, полученными для обычной термодиффузии, показывают, что слои формируются не за счет твердофазной диффузии. Полученные показывают, что слои формируются не за счет твердофазной диффузии. Полученные фазы, как показывафазы, как показываeeт микроструктура, растут из сильно переохлажденной жидкой т микроструктура, растут из сильно переохлажденной жидкой фазы. Это означает, что металлическая пленка нагревается и реагирует с кремнием при фазы. Это означает, что металлическая пленка нагревается и реагирует с кремнием при температуре эвтектики, формируя тонкую пленку сплава «металл-кремний».температуре эвтектики, формируя тонкую пленку сплава «металл-кремний».

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Создание силицидовСоздание силицидов

При изучении структуры слоев силицидов При изучении структуры слоев силицидов PdPd, , MoMo, и Со, образующихся под действием , и Со, образующихся под действием излучения АИГ: Nизлучения АИГ: Ndd -лазера с длительностью импульса 180 нс, с помощью -лазера с длительностью импульса 180 нс, с помощью просвечивающей электронной микроскопии было установлено, что эти силициды просвечивающей электронной микроскопии было установлено, что эти силициды состоят из двух видов зерен (ячеек) с большей концентрацией металла в их стенках состоят из двух видов зерен (ячеек) с большей концентрацией металла в их стенках (оболочках): малые зерна с диаметром 0,1 мкм, получающиеся при быстром (оболочках): малые зерна с диаметром 0,1 мкм, получающиеся при быстром затвердевании переохлажденного расплава, и большие зерна ~1 мкм, получающиеся затвердевании переохлажденного расплава, и большие зерна ~1 мкм, получающиеся при перемешивании в расплаве. Дифракция рентгеновских лучей и каналированные при перемешивании в расплаве. Дифракция рентгеновских лучей и каналированные спектры при обратном резерфордовском рассеянии ионов спектры при обратном резерфордовском рассеянии ионов HeHe++ показывают, что в показывают, что в системе системе CoCo//SiCoSiCo, находящейся внутри зерен, располагается в узлах матрицы , находящейся внутри зерен, располагается в узлах матрицы SiSi или или образует соединение образует соединение CoSiCoSi22, имеющее ту же ориентацию, что и эпитаксиально , имеющее ту же ориентацию, что и эпитаксиально

выросший выросший SiSi. В случае . В случае PdPd и и MoMo это не наблюдалось. При облучении системы это не наблюдалось. При облучении системы MoMo//SiSi было обнаружено гексагональное соединение было обнаружено гексагональное соединение MoSiMoSi22 и не было тетрагонального и не было тетрагонального

соединения соединения MoSiMoSi22, которое получается из высокотемпературной фазы. Силициды , которое получается из высокотемпературной фазы. Силициды PdPd

состояли из соединений состояли из соединений PdPd22SiSi и и PdSiPdSi22..

Расчет температурных профилей в системе «металл-полупроводник» (кремний) Расчет температурных профилей в системе «металл-полупроводник» (кремний) показывает, что для формирования слоя силицида больше 100 Å при температуре ниже показывает, что для формирования слоя силицида больше 100 Å при температуре ниже точки плавления необходимо проводить облучение импульсами длиннее 1 мкс. При точки плавления необходимо проводить облучение импульсами длиннее 1 мкс. При облучении импульсами короче 10облучении импульсами короче 10-7-7 с формирование силицидов и эпитаксиальный рост с формирование силицидов и эпитаксиальный рост кремния происходит при температуре выше температуры плавления кремния.кремния происходит при температуре выше температуры плавления кремния.