2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...........................................................6
ГЛАВА I. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА М01ЮКРИСТАЛЛИЧЕС.КИЙ И ИМПЛАНТИРОВАННЫЙ КРЕМНИЙ ..........................................................11
§1.1. Общая характеристика различных режимов импульсного отжига 11
§1.2. Анизотропное локальное плавление монокристаллического и
имплантированного кремния ...................................13
§ 1.3. Расчеты температурных полей при ИСО........................23
§1.4. Дефектность имплантированного и отожженного кремния.........28
§1.5. Термопластические эффекты в полупроводниках в процессе
импульсного светового отжига.................................31
§ 1.6. Методики исследования динамики структурных и фазовых переходов на поверхности полупроводников при импульсных световых
обработках ..................................................36
§1.6.1. Методика зондирования, основанная на изменении интенсивности отраженного от поверхности образца излучения зондирующего
лазера......................................................37
§1.6.2. Исследование динамики процессов с помощью киносъемки .....46
§ 1.7. Краткие выводы из анализа литературы.......................51
§1.8. Задачи диссертационной работы...............................48
ГЛАВА II. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА ........................52
§2.1. Подготовка образцов и техника ионной имплантации ...........52
§2.2. Обработка образцов импульсным некогерентным излучением......52
§2.3. Техника импульсной твердофазной диффузии ...................55
§2.4. Методика исследования кристаллической структуры и микрорельефа поверхности кремния .........................................56
§2.5. Методика исследования электрофизических параметров ионнолегированных слоев ....................................................58
§ 2.6. Установка для исследования динамики зарождения и роста ЛОП ......61
§2.7. Установка для исследования динамики структурных и фазовых
переходов на поверхности ионно-имплантированных слоев кремния....64
ГЛАВА 1П. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА АНИЗОТРОПНОГО
ЛОКАЛЬНОГО ПЛАВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
И ИМПЛАНТИРОВАННОГО КРЕМНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ 68
§3.1. Исследование эффекта анизотропного локального плавления в
монокристаллическом кремнии..................................69
§3.2. Исследование эффекта анизотропного локального плавления в
имплантированном кремнии....................................73
§3.3. Исследование трансформации кристаллической структуры ионнолегированных слоев кремния...................................88
Заключение к главе П1 ...........................................96
ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ И АНИЗОТРОПНОГО ЛОКАЛЬНОГО ПЛАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ СВЕТОВЫХ ОБЛУЧЕНИЯ ..................................................... 98
§4.1. Исследование динамики зародышсобразования и роста локальных
областей плавления в монокристаллическом кремнии ............98
§4.2. Формирование двумерной периодической структуры локальных областей плавления на поверхности кремния для исследования динамики ИСО....................................................104
4
§4.3. Формирование одномерной измерительной структуры с
применением НЛО и ИСО........................................110
§4.4. Исследование динамики структурно-фазовых переходов
аморфизованного ионно-легированного слоя кремния.............118
Заключение к главе IV ...........................................123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................124
ЛИТЕРАТУРА ......................................................126
5
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ
I. ИИ- ионная имплантация;
ИЛС - ионно-легированный слой;
Б1<Р+> - кремний, имплантированный ионами фосфора;
ИСО - импульсный световой отжиг;
НЛО - наносекундный лазерный отжиг;
ОИЛС - отожженные ионно-легированные слои;
ИТФД -импульсная твердофазная диффузия;
ЛОП - локальные области плавления;
ДБЭ - дифракция быстрых электронов (на отражение);
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия;
II. Е,Т, Ф - энергия, плотность тока ионного пучка, температура и доза ионной имплантации
X, \у, 1о, хя - длина волны, плотность энергии, плотность мощности излучения и длительность светового импульса.;
III. К, Ь - плотность и размер локальных областей плавления;
V - средний объем ЛОП;
Н, с, р, <1 - скрытая теплота плавления, удельная теплоемкость, плотность
кристалла, толщина пластины, соответственно;
а, К- коэффициетгы поглощения и отражения кремния;
Тпд - температура плавления;
АТ - величина перегрева.
6
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологии развития микроэлектроники связаны с разработкой и производством сверхбольших (СБИС) и сверхскоростных (ССИС) интегральных схем [1,2]. Переход к созданию СБИС и ССИС с субмикронными размерами элементов требует привлечения самых современных технологий, в частности, ионной имплантации (ИИ) и импульсного светового отжига (ИСО).
Ионная имплантация, основанная на внедрении в твердое тело ускоренных в электростатическом поле ионизованных атомов и молекул, является основным методом введения примеси в полупроводниковые материалы при изготовлении приборов микроэлектроники [3]. В процессе замедления имплантированных ионов в полупроводнике образуются радиационные дефекты. Поэтому технологический цикл изготовления изделий полупроводниковой микроэлектроники включает в себя высокотемпературный отжиг, используемый для устранения радиационных дефектов и электрической активации примеси, введенной ионной имплантацией [3,4]. Диапазон длительностей термообработок, используемых в настоящее время, изменяется от наносекунд до десятков минут, а температуры - от сотен градусов Цельсия до температуры плавления полупроводника.
В настоящее время в промышленности вместо традиционного термического широко используется импульсный световой отжиг, хотя многие физические аспекты протекающих при этом процессов изучены недостаточно
[5,6].
В последнее время заметный интерес вызывает эффект анизотропного локального плавления поверхности монокристаплических и имплантированных полупроводников, который при определенных режимах сопутствует процессу импульсного светового облучения (ИСО). Суть этого интересного физического эффекта заключается в том, что при однородном
7
облучении поверхности и определенных для каждого полупроводника сочетаниях параметров импульса светового излучения на исходной идеально гладкой поверхности полупроводника образуются локальные области плавления, разделенные участками нсрасплавившегося материала [13-27].
Интерес к эффекту обусловлен следующим. Во-первых, изучение механизма и основных закономерностей локального плавления позволяет получить ценную физическую информацию о свойствах полупроводника и процессах, протекающих в образце во время и после действия мощного импульса света. Во-вторых, эти исследования непосредственно связаны с решением важной прикладной проблемы - оптимизацией режимов импульсного светового отжига ионно-легированных слоев (ИЛС), импульсной твердофазной диффузии из поверхностного слоя, а также рекристаллизации аморфных и поликристаллических слоев на изолирующей подложке [44].
Несмотря на довольно большое количество статей, к моменту начала данной работы не было ясности в понимании физического механизма возникновения этого важного эффекта и его основных закономерностей даже в монокристаллах, не говоря уже об ИЛС. Хотя многие экспериментальные результаты изучения эффекта анизотропного локального плавления на монокристаллическом кремнии, полученные в то время, объяснялись моделью, предполагающей существование кратковременного метастабильного состояния, характеризуемого перегревом поверхности кремния в твердой фазе относительно равновесной температуры плавления, но тем не менее до сих пор еще нет единого мнения относительно доминирующего механизма. Кроме того, по результатам наших исследований и работ других авторов было установлено, что основные закономерности проявления эффекта на имплантированном кремнии требуют обязательного учета дополнительных факторов, таких как степень разупорядочения ионнолегированного слоя, особенности процессов рекристаллизации и вторичного дефектообразования в процессе ИСО и др.
8
С учетом вышеизложенного, настоящая диссертационная работа посвящена более глубокому и детальному изучению влияния различных режимов обработки полупроводников на особенности проявления
анизотропного локального плавления, исследованию динамики процесса анизотропного локального плавления в монокристаллических и
имплантированных полупроводниках. Это позволит ответить на
дискуссионный вопрос о доминирующем физическом механизме, лежащем в основе эффекта анизотропного локального плавления при импульсном световом облучении полупроводников и тем самым эффективно управлять этим эффектом.
Данные этих исследований особенно необходимы при разработке физических основ новых технологических процессов в производстве интегральных схем и других приборов микро- и оптоэлектроники.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения.
В первой главе рассмотрено математическое моделирование тепловых процессов, сопровождающих взаимодействие импульсов света с полупроводником, обобщены известные теоретические и экспериментальные работы по анизотропному локальному плавлению полупроводников когерентным и некогерентным светом. Приведены конструкции экспериментальных установок, позволяющих исследовать процессы плавления поверхности поду проводи и ков в процессе отжига импульсами когерентного и нскогерентного света. В конце главы сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе представлены конструкции оригинальных экспериментальных установок, созданных для исследования динамики анизотропного локального плавления монокристаллического кремния и структурно-фазовых переходов на поверхности имплантированного кремния в течение и по окончании светового импульса. Описаны методики исследования этих процессов, а также методики подготовки и анализа экспериментальных образцов.
9
В третьей главе изложены результаты экспериментального исследования эффекта анизотропного локального плавления монокрист аллического кремния. Проведены систематизированные экспериментальные исследования анизотропного локального плавления имплантированного кремния: влияние мощности и длительности светового импульса, дозы и энергии имплантации, типа иона на плотность, размеры и форму локальных областей плавления.
Исследована зависимость структуры отожженных ионно-легированных слоев (ОИЛС) кремния от длительности светового импульса ти и плотности мощности излучения 10. Рассчитаны временные зависимости температуры образца кремния во время действия и после окончания светового импульса с различными значениями 10 и ти. Проведено сопоставление с результатами исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) структуры ИЛС, подвергнутых ИСО. Изучен вопрос о влиянии атмосферы и повторных термообработок на структуру ИЛС.
В четвертой главе представлены результаты исследования процесса зародышеобразования и роста локальных областей плавления, а также процесса эпитаксиальной твердофазной рекристаллизации аморфизованного ионно-легированного слоя кремния в динамике на специально созданных установках. На основе обнаруженных и изученных физических закономерностей эффекта анизотропного локального плавления предложены способы формирования на поверхности кремния одномерной и двумерной периодической структуры локальных областей плавления для исследования динамики ИСО.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
При решении этих задач часть исследований была выполнена в рамках проектов, финансируемых Министерством науки и технологий РФ (№140/57/2, №02.04.318.89.3.2), Российским фондом фундаментальных исследований (№94-02-03620, №96-15-97265, №98-02-16591) и поддержана
10
Международной Соросовской программой Образования в Области Точных Наук (именные стипендии 1996 и 1997 годов), а также стипендией Главы Администрации г. Казани 1996 года.
Все основные результаты, полученные в диссертационной работе были доложены и обсуждены на 11 Международных, 6 Российских и Всесоюзных, 4 региональных конференциях и школах, на итоговых конференциях КФТИ КНЦ РАН и КГУ им. Ульянова-Ленина, а также опубликованы в отечественной и зарубежной печати в виде 12 статей. Получен Патент РФ на изобретение № 2120653. Результаты, полученные в процессе выполнения данной работы были включены в Перечень важнейших достижений АН СССР в области естественных наук (в 1997 г.).
II
ГЛАВА I
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОВОГ О ИЗЛУЧЕНИЯ НА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ И ИМПЛАНТИРОВАННЫЙ КРЕМНИЙ
§1.1. Общая характеристика различных режимов импульсного отжига
В настоящее время исследуется широкий диапазон длительностей импульсной обработки. В литературе предложены различные варианты классификации режимов импульсного отжига [7,8]. Так например, в [7] предложено следующее:
1. Адиабатический режим (поверхностный нагрев): т » 10'12 -10^ с. Этот режим реализуется импульсными потоками фотонов, электронов, ионов. Световые импульсы обеспечивают нагрев только приповерхностного слоя
А
полупроводникового кристалла. Скорость нагрева достигает 10 град/с, и при соответствующих плотностях энергии может происходить расплавление поверхностного слоя. Охлаждение происходит за счет теплоотдачи в подложку. Потери тепла за счет излучения и конвекция не вносят заметного вклада. Существующими источниками некогерентного света [9] этот режим не реализуется.
2. Режим теплопроводности (поверхностно-объемный нагрев): т * 10'6-10'2 с, реализуется импульсными газоразрядными лампами, сканируемыми потоками фотонов и электронов. Тепло, выделяющееся при поглощении световой энергии в приповерхностном слое, успевает диффузионно перераспределиться в объеме полупроводникового кристалла. Конвекция пренебрежимо мала, но начинает проявляться вклад теплоизлучения.
3. Режим теплового баланса (объемный нагрев): т > 10'2 с, реализуется дуговыми и галогенными лампами, резистивными излучателями, плазмой, потоками низкоэнергетических фотонов, в печах. Тепловой фронт успевает
12
пройти по всей толщине (> 200 мкм) обрабатываемой пластины и температура в объеме выравнивается. Режим теплового баланса включает в себя нестационарный тепловой баланс и стационарный (изотермический режим).
Последний третий режим представляет особый интерес. Режим нестационарного теплового баланса характеризуется следующими особенностями: во-первых, практически отсутствуют градиенты по толщине пластины, что позволяет перейти от пространственно-временного описания теплового режима только к временному; во-вторых, он сочетает в себе нестационарность нагрева и охлаждения, характерные для адиабатического режима и режима теплопроводности, с возможностью выхода на стационарную фазу, характерную для изотермических обработок.
Скорость рекристаллизации аморфных слоев кремния при равновесном термическом отжиге в твердофазном режиме определяется в первом приближении соотношением Аррениуса [10,11]:
где у0 - параметр, не зависящий от кристаллографической ориентации подложки,
к - постоянная Больцмана,
Т - температура образца,
Е„ - энергия активации.
Хотя эта формула экспериментально была подтверждена лишь в узком температурном диапазоне и проявляла дополнительную зависимость от сорта имплантированной примеси [11], тем не менее было показано, что се можно экстраполировать в области более высоких температур, и она может быть использована также для описания процессов рекристаллизации при импульсных режимах отжига. Для аморфного кремния с ориентацией (100): у0=3.5Ю6 см/с, Е,=2.35 эВ [11]. Известная зависимость скорости рекристаллизации от температуры позволяет проводить оценку времени,
(1)
- Київ+380960830922