0

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

И ОБОРУДОВАНИЕ

В ТЕХНОЛОГИИ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Монография

Под редакцией академика НАН Беларуси А. П. Достанко

и доктора технических наук А. М. Русецкого

Минск

«Бестпринт»

2011

1 УДК 621.762.27 ББК 34.55 А.П. Достанко, А.М. Русецкий, С.В. Бордусов, В.Л. Ланин, Л.П. Ануфриев, С.В. Карпович, В.В. Жарский, В.И. Плебанович, А.Л. Адамович, Ю.А. Грозберг, Д.А. Голосов, С.М. Завадский, Я.А. Соловьев, И.В. Дайняк Н.С. Ковальчук, И.Б. Петухов, Е.В. Телеш, С.И. Мадвейко Электрофизические процессы и оборудование в технологии микрои наноэлектроники : монография / А. П. Достанко [и др.] ; под ред. акад. НАН Беларуси А. П. Достанко и д-ра техн. наук А. М. Русецкого. – Минск :

Бестпринт, 2011. – 210 с. : ил. – ISBN 985-.

Рассмотрены и обобщены результаты исследований и разработок в области теории, технологии и оборудования для электрофизических методов обработки материалов изделий микро- и наноэлектроники.

Предназначена для инженерно-технических работников предприятий электронной и других отраслей промышленности, специалистов научно-исследовательских институтов, аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов технических вузов.

Рекомендовано к изданию Советом БГУИР, протокол № 2 от 20.10. 2011 г.

Рецензенты:

академик НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор В. А. Лабунов, член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор Ф.И. Пантелеенко © Оформление. УП «Бестпринт», ISBN 985Electrophicical processes and systems in micro- and nanoelectronics technology Edited by Academician of National Academy of Science of Belarus A.P. Dostanko and Dr. Tech. Sci. A.M. Rusetski Minsk Electrophysical processes and the equipment in technology micro-and nanoelectronics: monograph / A.P. Dostanko [etc.]; under the editorship of acad.

NAS Belarus A.P. Dostanko and Dr. Sci. Tech. A.M. Rusetski. - Minsk: Bestprint, 2011. - 210 p.: – ISBN 985.

Results of researches and workings out in the field of the theory, technology and the equipment for electrophysical methods of processing of materials of products micro-and nanoelectronics are considered and generalized.

It is intended for technical officers of the enterprises electronic and other industries, experts of scientific research institutes, post-graduate students, graduates and students of older years of technical colleges.

А.P. Dostanko, A.M. Rusetski, S. V. Bordusov, V.L. Lanin, L.P. Anufriev, S.V. Karpovich, V.V. Jarski, V.I. Plebanovich, A.L. Adamovich, Y. A. Grosberg, D.A. Golosov, S.M. Zavadski, J. A. Solovev, I.V. Dajnijk, N.S. Kovalchuk, I.B. Petuchov, E.V. Telech, S.I. Madveika It is recommended to the edition Council BGUIR, the report №2 at 28.10. Academician NAS of Belarus, Dr. Sci. Tech., Professor V.A. Labunov, Corresponding member NAS of Belarus, Dr. Sci. Tech., Professor F.I. Panteleenko

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА

ПРЕЦИЗИОННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ

МАЛОДЕФЕКТНЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ СУБМИКРОННЫХ

РАЗМЕРОВ

1.1. Локализация имплантируемых примесей бора и углерода в кремнии........ 1.2. Пошаговое ионное легирование кремния

1.3. Пошаговая имплантация бора в производстве микросхем на биполярных транзисторах

1.4. Электрофизические параметры транзисторов и диодов, изготовленных с использованием метода ионного легирования

Список литературы к главе 1

ГЛАВА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР ПЛАЗМОЙ СВЧ РАЗРЯДА

2.1. Процессы удаления материала с поверхности твердых тел

2.1.1. Активирование поверхности и плазменная очистка

2.1.2. Плазменное травление в вакууме

2.2. Получение микроразмерных слоев на поверхности твердого тела............ 2.3. Модификация структуры поверхностных слоев твердых тел

2.4. Применение СВЧ энергии в технологии микроэлектронных изделий....... 2.5. Тенденции развития процессов СВЧ плазменной обработки изделий электронной техники

Список литературы к главе 2

ГЛАВА

СВЧ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Возбуждение и распространение СВЧ-поля в электродинамической системе «камера-материал»

3.2. Моделирование распределения СВЧ-поля в ближней зоне облучателей.. 3.2.1. Электродинамическая модель

3.2.2. Распределение СВЧ-поля в ближней зоне резонансного облучателя

3.2.3. Распределение СВЧ-поля в ближней зоне антенной решетки.................. 3.3. Конструкции облучателей СВЧ установок

3.4. Экспериментальные исследования поля излучения резонансного облучателя

Список литературы к главе 3

ГЛАВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАГНЕТРОННОГО

РАСПЫЛЕНИЯ

4.1. Расчет скорости нанесения микроразмерных слоев при магнетронном распылении

4.2. Расчет распределения толщины микроразмерных слоев на линейно перемещаемые подложки

4.3. Расчет распределения толщины микроразмерных слоев на барабанные подложкодержатели

4.4. Расчет элементного состава микроразмерных слоев при магнетронном распылении мозаичных мишеней

Список литературы к главе 4

ГЛАВА

ФОРМИРОВАНИЕ МЕМБРАН МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ

МИКРОННОЙ И СУБМИКРОННОЙ ТОЛЩИНЫ

5.1. Микромеханические системы

5.2. Технология формирования элементов конструкций микромеханических систем

5.2.1. Осаждение слоев поликристаллического кремния

5.2.2. Осаждение слоев нитрида кремния

5.2.3. Осаждение слоев диоксида кремния

5.2.4. Нанесение слоев платины и никеля

5.2.5. Глубокое травление кремния

5.2.6. Формирование КНИ-структур

5.3. Остаточные напряжения в многослойных системах

Список литературы к главе 5

ГЛАВА

МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ШАРИКА

НА ЗОЛОТОЙ И МЕДНОЙ ПРОВОЛОКЕ

ПРИ ТЕРМОЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКЕ

МЕТОДОМ «ШАРИК-КЛИН»

6.1. Современное состояние и проблемы технологии термозвукового присоединения золотой и медной проволоки методом «шарик-клин» в изделиях микроэлектроники

6.2. Методы формирования шарика в защитной атмосфере

6.3. Устройства формирования шарика электроискровым способом............... 6.4. Методы контроля процесса образования шарика

6.5. Оборудование термозвукового присоединения проволочных выводов методом «шарик-клин» в изделиях микроэлектроники

Список литературы к главе 6

ГЛАВА

ПРЕЦИЗИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

НА ОСНОВЕ МОДУЛЬНОГО ПРИВОДА ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ........ 7.1. Исполнительный координатный привод прямого действия для оборудования микро- и наноэлектроники

7.2. Установка голографического формирования структур на полупроводниковой пластине

7.3. Установка алмазного точения и полирования для прецизионных асферических линз

7.4. Координатная пятиосевая установка финишной полировки

7.5. Генератор изображения ЭМ-5289

Список литературы к главе 7

ГЛАВА

ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

ПРЯМЫМ ИОННЫМ ОСАЖДЕНИЕМ

ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОПТИКИ

8.1. Особенности нанесения тонкопленочных покрытий прямым осаждением из ионных потоков

8.2. Устройства для генерации ионных потоков

8.3. Формирование покрытий из диоксида кремния

8.3.1. Формирование покрытий из диоксида кремния c использованием торцевого холловского ускорителя

8.3.2. Использование вторичного ионного пучка в ускорителе с анодным слоем для нанесения пленок диоксида кремния

8.3.3. Синтез пленок диоксида кремния, легированных фтором

8.4. Формирование покрытий из нитрида кремния

8.5. Формирование покрытий из нитрида углерода

8.6. Формирование покрытий из алмазоподобного углерода

8.7. Применение разработанных процессов для синтеза ориентирующих покрытий в ЖК-дисплеях

Список литературы к главе 8

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Электрофизические процессы и оборудование широко применяются в технологии микро– и наноэлектроники. К ним, в частности, относятся плазменные, лазерные, ионно-лучевые и ультразвуковые процессы. Развитие этих технологий является одним из приоритетных направлений современного научно-технического прогресса в Республике Беларусь. Основные их достоинства определяются высокой эффективностью воздействия концентрированных потоков энергии на материалы, что позволяет целенаправленно формировать твердотельные структуры в микро– и наноэлектронике, интенсифицировать процессы обработки материалов и существенно улучшить качественные показатели изделий.

Приведенные в монографии научные и практические результаты получены при выполнении Государственных научно–исследовательских программ: ГПОФИ «Высокоэнергетические, ядерные и радиационные технологии»: № 06-3015 «Изучение процессов генерации и ускорения сильноточных, широких пучков ионов низких энергий и разработка физикотехнических основ построения технологических газоразрядных источников» № Гос. регистрации 20061378, № 06-3035 «Исследование физико-химических свойств и особенностей формирования низкотемпературной неравновесной плазмы СВЧ разряда в плазмотронах резонаторного типа с размерами разрядной камеры, сопоставимыми с длиной волны возбуждения плазмы» № Гос. регистрации 20066837, ГППИ «"Материалы в технике»: № 06- «Разработка технологии управления структурой и свойствами микро- и нанослоев нитридов и оксидов реактивными ионно-плазменными методами»№ Гос. регистрации 2006807, № 06-3014 Разработка макетного модуля и технологии получения слоев диэлектрических материалов в условиях импульсного разряда № Гос. регистрации 2006808 в 2006-2010 гг., а также Комплексного задания Министерства образования Республики Беларусь «Модульные технологические системы и процессы формирования функциональных твердотельных микро- и наноструктур».

Участие авторов выразилось следующим образом: глава 1 – Плебанович В.И., глава 2 – Бордусов С.В., Достанко А.П., Мадвейко С.И., глава 3 – А.Л.

Адамович, Ю.А. Грозберг, глава 4 – Д.А. Голосов, С.М. Завадский, глава 5 – Л.П. Ануфриев, Я.А. Соловьев, Н.С. Ковальчук, глава 6 – В.Л. Ланин, И.Б.

Петухов, глава 7 – С.В. Карпович, В.В. Жарский, А.М. Русецкий, И.В. Дайняк, глава 8 – А.П. Достанко, Е.В. Телеш.

ПРЕЦИЗИОННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ

МАЛОДЕФЕКТНЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ СУБМИКРОННЫХ

РАЗМЕРОВ

Повышение процента выхода годных интегральных микросхем является важнейшей технико-экономической задачей, для чего необходимо различными методами снижать дефектность. Ионное легирование по своей физической сути является источником дефектов, т.к. основано на разрушении связей в кристаллической структуре полупроводника.

В слоях кремния во время ионной имплантации накапливаются в значительных концентрациях устойчивые при комнатных температурах радиационные дефекты. В процессе последующей термообработки, необходимой для отжига дефектов и электрической активации внедренной примеси, точечные дефекты перестраиваются в остаточные протяженные нарушения типа стержнеобразных дефектов {113}, дефектов упаковки, ограниченных дислокационными петлями. Эти нарушения имеют междоузельную природу. Остаточные нарушения вносят глубокие уровни в запрещенную зону кремния и в значительной степени влияют на генерационнорекомбинационные процессы в ионно-легированных структурах кремния. Тем самым они существенно ухудшают параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем и снижают процент выхода годных изделий микроэлектроники [1].

Образование остаточных нарушений в кремнии носит пороговый характер. Это значит, что для образования при термообработке остаточных нарушений необходимо накопление в процессе имплантации критической концентрации точечных дефектов [2]. В случае ионов В+ пороговая доза ионов составляет 11014 см-2 и, например, для дозы ионов 11015 см-2 необходимо шагов имплантации и промежуточных отжигов. Это не может быть приемлемым для практического использования. Интересно отметить, что для существенно более тяжелого иона Р+ пороговая доза также составляет 11014 см-2.

Аномалии в образовании остаточных нарушений при термообработке кремния, имплантированного ионами В+ и Р+, заключающиеся в одинаковых пороговых дозах образования остаточных нарушений при существенно (в 10 раз) различающихся эффективностях введения стабильных радиационных дефектов, в работе [3] объясняются влиянием упругих напряжений, создаваемых областями скоплений дефектов, на объединение точечных дефектов в протяженные нарушения.

Существует и другая принципиальная возможность подавления образования остаточных нарушений в имплантированных слоях кремния, заключающаяся в дополнительной имплантации в слои углерода [2, 4].

Показано, что обычная имплантация углерода не приводит к положительному эффекту [5]. Для того, чтобы атомы С являлись ловушками для избыточных междоузельных атомов Si, необходимо атомы углерода перевести в узлы решетки кремния. Для этого предлагается слои с внедренным углеродом дополнительно имплантировать более тяжелыми ионами (например, Ar) для их аморфизации. Далее необходимо провести быструю рекристаллизацию слоя, в ходе которой атомы углерода располагаются в узлах решетки. После этого в слои кремния имплантируется электрически активная примесь (В или Р). Такое количество дополнительных операций делает и этот метод не технологичным для практического использования.

Разработаны методы создания совершенных ионно-легированных слоев кремния с приемлемым для практики количеством операций ионного легирования. В предложенном методе важным является локализация в решетке внедряемых примесей.

1.1. Локализация имплантируемых примесей бора и углерода Локализация в решетке имплантируемых примесей определяется ее взаимодействием с точечными радиационными дефектами. Примеснодефектное взаимодействие является одной из важнейших проблем физики реального кристалла. По данным разных авторов количество бора в узлах решетки кремния сразу после имплантации при комнатной температуре составляет от 20 до 70 %, имеются сообщения о практически 100 %-ной локализации бора в узлах [6–8]. Что касается имплантации фосфора, то его доля в узлах в целом несколько больше, чем бора, но результаты также сильно различаются [8–10]. Причина расхождений остается не ясной. Некоторые авторы связывают это с неточностями эксперимента либо с некорректной обработкой полученных результатов [6]. Нам представляется, что расхождения определяются условиями имплантации. В работах [11–13] исследована роль плотности тока имплантации на локализацию внедренной примеси бора и углерода в кремнии рентгенодифракционным и электрофизическим методами.

Исследовалась имплантация бора и углерода в кремний n-типа с исходным удельным сопротивлением о = 0,5 Омсм, а также имплантация бора в кремний, сильно легированный при выращивании бором (о = 0,005 Омсм); для сравнения изучалась имплантация фосфора в кремний p-типа с о = 10 Омсм.

Имплантацию проводили сканирующим пучком ионов с энергией 100 кэВ при эффективных плотностях тока ионов Jэф от 0,04 до 2 мкАсм-2.

Установлено, что имплантация приводит к увеличению периода решетки (ПР) кремния. Его изменение определяется двумя факторами: радиационными дефектами, увеличивающими ПР, и атомами примеси (бора и углерода), сжимающими решетку, если они располагаются в узлах. Уменьшение ПР обусловлено тем, что ковалентные радиусы атомов В (0,08 нм) и С (0,07 нм) меньше ковалентного радиуса атома Si (0,1175 нм).

На рис. 1.1 (кривая 1) показано изменение периода решетки а в кремнии в результате имплантации ионов В+ дозой 1,81015 см-2 при различной плотности тока ионного пучка: Jэф варьировалась от 0,04 до 2 мкАсм-2. Очевидно что, с увеличением эффективной плотности тока ионов от 0,04 до 1 мкАсм- происходит существенное уменьшение а, но затем кривая а(Jэф) выходит на насыщение. Отметим, что при имплантации в указанных пределах плотности тока ионов температура образцов заметно не повышалась. Изменение ПР кремния в результате имплантации ионов С+ дозой 41014 см-2 в зависимости от плотности тока ионного пучка показано на рис. 1.1 кривой 2. Эта зависимость аналогична зависимости для ионов В+.

Уменьшение а может быть обусловлено тем, что с ростом плотности тока ионов большее число атомов бора (кривая 1) и углерода (кривая 2) располагается в узлах решетки. Локализация примесей определяется захватом их на вакансии и вытеснением из узлов междоузельными атомами кремния, возникающими при имплантации (эффект Воткинса). Вакансии в кремнии при имплантации являются подвижными. Поэтому с ростом плотности тока ионов возрастает мгновенная концентрация вакансий, что должно способствовать переходу атомов бора и углерода в узлы решетки. Если выход зависимости а(Jэф) на насыщение в случае ионов В+ (кривая 1) обусловлен тем, что при Jэф>1,0 мкАсм-2 весь внедренный бор располагается в узлах решетки, то из различия в ковалентных радиусах В и Si и наблюдаемого изменения в а можно определить количество бора в узлах решетки при всех значениях плотности тока ионов.

Например, при Jэф=0,04 мкАсм-2 количество бора в узлах решетки составляет 10 %. В случае имплантации углерода наблюдаемое различие в а для максимального и минимального значений плотности тока ионов требует, чтобы разница в концентрациях углерода в узлах решетки составляла 21019 см-3.

Но при дозе 41014 см-2 и энергии ионов 100 кэВ средняя концентрация углерода по профилю внедрения составляет 21019 см-2. Из этого следует, что при плотности тока ионов С+, равной 1,0 мкАсм-2, весь внедренный углерод локализован в узлах решетки, при 0,05 мкАсм-2 – в междоузлиях.

Рис. 1.1. Изменение периода решетки а в имплантированном кремнии в зависимости от плотности тока ионов Jэф : 1 – В+, Ф = 1,81015см-2; 2 – С+, Доля атомов углерода, локализованного в узлах решетки, в зависимости от плотности тока показана на рис. 1.2. На рис. 1.3 представлены кривые восстановления ПР в процессе изохронного отжига для кремния, имплантированного ионами В+ с плотностью тока ионов Jэф=0,04 мкАсм- (кривая 1) и 2 мкАсм-2 (кривая 2). Кривой 3 показано восстановление ПР в сильно легированном бором кремнии (о=0,005 Омсм) и имплантированном ионами В+ при плотности тока 0,2 мкАсм-2. Восстановление ПР (кривая 1) протекает на трех стадиях: 1 – 100-280, 2 – 380-600 и 3 – 700-900 °С. Первая стадия связывается с отжигом главным образом дивакансий, на второй стадии отжигаются преимущественно многовакансионные комплексы [14].

Аналогичные стадии наблюдаются и в кремнии, имплантированном ионами Si [15]. Третья стадия отжига при 700- 900 °С характерна [16] только для кремния, имплантированного ионами бора; на этой стадии отжигаются комплексы атома бора с дивакансией.

В кремнии, имплантированном ионами В+ при плотности тока ионов Jэф=2 мкАсм-2, на кривые восстановления ПР накладываются стадии «обратного» отжига в области 120 и 480 °С (кривая 2). Аналогичные стадии «обратного» отжига наблюдаются в сильно легированном бором кремнии, облученном ионами В+ с плотностью тока 0,2 мкАсм-2 (кривая 3).

Рис. 1.2. Доля атомов углерода в узлах решетки кремния в зависимости Характерные стадии «обратного» отжига связываются с вытеснением бора из узлов междоузельными атомами Si [15]. Свободные атомы кремния образуются при развале междоузельных комплексов. При 120 °С отжигаются Si-P6-центры [17], при 480 °С – Si-B3 [18]. Существование стадий «обратного»

отжига свидетельствует об увеличении количества атомов бора в узлах решетки с ростом плотности тока имплантации, что предполагалось на основе зависимостей а(Jэф), представленных на рис. 1.1.

Характерным для процесса ионного легирования, особенно легких ионов, является высокий уровень неупругих потерь. При имплантации в кремний ионов В+ и С+ с энергией 100 кэВ неупругие потери составляют около 80 %, и с увеличением плотности тока ионов уровень ионизации в кристалле возрастает.

Можно предположить, что при высоком уровне ионизации процесс вытеснения примесей замещения подавляется. Эти соображения подтверждаются результатами электрофизических исследований имплантированного кремния.

На рис. 1.4 приведены кривые электрической активации имплантированного бора в кремнии, т. е. зависимость слоевой концентрации носителей заряда от температуры изохронного отжига (15 минут) Ns(Т) – кривая 1.

Кривая 2 соответствует зависимости Ns(Т), полученной при изохронном отжиге с одновременным облучением имплантированного слоя электронами с энергией 10 кэВ и плотностью тока 5 мкАсм-2. В случае «подсветки»

электронами зависимость Ns(Т) не содержит стадии «обратного отжига, характерной для кривой электрической активации бора в кремнии (кривая 1).

Стадия «обратного» отжига в кривой электрической активации имплантированного бора в кремнии, как известно [19], обусловлена вытеснением бора из узлов междоузельными атомами Si, образующимися при отжиге междоузельных комплексов Si-В3. Повышая уровень ионизации в кристалле путем облучения электронами, мы подавляем процесс замещения по Воткинсу.

Рис. 1.3. Восстановление периода решетки в кремнии, имплантированном ионами В аФ – изменение ПР в результате имплантации дозой Ф, аТ – изменение ПР в результате имплантации и отжига: 1 – Si:P, 0 = 0,5 Омсм; Jэф = 0,04 мкАсм-2; 2 – Si:P, 0 = 0,5 Омсм; Jэф = 2 мкАсм-2;

Стадия «обратного» отжига на кривой Ns(Т) наблюдалась в работе [20] и для имплантированного фосфора Поскольку фосфор вытесняется значительно меньше, чем бор [20], то для ее наблюдения необходима большая доза фосфора, выше 11015 см-2. При таких дозах фосфора имплантированный слой становится аморфным. Поэтому для наблюдения вытеснения фосфора из узлов решетки междоузельными атомами Si (кривая 3) образцы кремния после имплантации фосфора дозой 1,51015 см-2 отжигались для рекристаллизации аморфного слоя и затем облучались ионами Si+ дозой 11014 см-2 для введения радиационных дефектов. Если изохронный отжиг проводился при одновременном облучении имплантированного слоя электронами с энергией 10 кэВ, то стадия «обратного»

отжига не наблюдалась (кривая 4).

Рис. 1.4. Электрическая активация имплантированных атомов бора (1, 2) и фосфора (3, 4) 2, 4 – отжиг с подсветкой электронами Можно предположить, что подавление вытеснения примесей из узлов в междоузлия обусловлено зарядовым состоянием компонентов. Если при высоком уровне ионизации междоузельный атом Si захватывает неравновесный носитель заряда, например, электрон и заряжается отрицательно, то он не сможет вытеснить в силу электростатического барьера атом бора, который в узле является отрицательно заряженным ионом. Но такая схема, видимо, не работает, поскольку с увеличением уровня ионизации подавляется вытеснение и положительного иона фосфора (см. рис. 1.4, кривая 4).

В работе [20] развито представление, согласно которому из узлов решетки вытесняются междоузельными атомами Si все примеси замещения, у которых ковалентный радиус не совпадает с ковалентным радиусом атома решетки. Междоузельные атомы Si движутся к источнику искажения (атом замещения) в поле упругих деформаций, создаваемых этим атомом. На атомном уровне это представляется следующим образом. Атомы решетки, смещенные из равновесных положений относительно атома замещения, поляризуются, т. е. на каждом из них образуется электрический диполь. Под влиянием диполей смещенных атомов решетки на междоузельном атоме индуцируется дипольный момент. В результате диполь диполь-дипольного взаимодействия междоузельный атом Si притягивается к поляризованным атомам решетки. Поскольку величина дипольного момента на смещенных атомах решетки нарастает к источнику деформации, то междоузельный атом Si движется к атому замещения Схематически это показано на рис. 1.5. Если теперь в слое создается высокий уровень ионизации, то неравновесные электроны и дырки экранируют диполи на смещенных атомах решетки, и описанный механизм миграции не работает. Таким образом, повышая уровень ионизации, можно подавить вытеснение примесей из узлов решетки как в процессе имплантации так и в процессе последующего отжига Рис. 1.5. Движение атома Si в кремнии в поле упругих деформаций, создаваемых примесью замещения [20] Поэтому имплантацию ионов бора и углерода в кремний целесообразно проводить при максимально возможных плотностях тока ионов, не превышающих однако значений при которых происходит разогрев образцов.

При высокой плотности тока ионов практически весь бор и углерод будут располагаться в узлах решетки и тем самым при последующем отжиге междоузельные атомы бора и углерода будут ловушками для междоузельных атомов кремния. Это должно подавлять формирование дислокационных петель внедренного типа.

Таким образом результаты исследований показывают: количество примесей бора и углерода, располагающихся в узлах решетки кремния непосредственно при имплантации при комнатных температурах, зависит от плотности тока ионов. Во-первых, потому, что с ростом плотности тока имплантации растет мгновенная концентрация вакансий, и это способствует переходу примеси в узлы решетки. Во-вторых, с ростом плотности тока ионов и соответствующим повышением концентрации неравновесных носителей заряда подавляется процесс вытеснения примесей замещения из узлов решетки междоузельными атомами кремния.

1.2. Пошаговое ионное легирование кремния Образование остаточных нарушений в кремнии носит пороговый характер, как это было отмечено выше. Это положено в основу пошагового метода ионного легирования кремния. Однако для создания высоколегированных слоев кремния число операций может быть слишком велико для того, чтобы этот метод нашел практическое применение.

Для уменьшения числа операций предлагается эффект пороговой дозы совместить с эффектом аннигиляции дефектов на примесях замещения [21–23], используя явление Воткинса [24]. Это явление заключается в вытеснении примесей замещения (В, Ga, Al) из узлов решетки в междоузлия междоузельными атомами Si, образующимися при облучении. Явление вытеснение бора из узлов наблюдается и при термообработке имплантированного кремния. В этом случае источником междоузельных атомов Si являются междоузельные комплексы типа Si-B3 [18], распадающиеся при температуре 480°С и естественно при более высоких температурах, при которых проводят термическую обработку имплантированного кремния для электрической активации внедренной примеси.

После первого шага имплантации бора допороговой дозой (11014 см-2) и отжига (Т900 °С) вся внедренная примесь располагается в узлах решетки [2].

Если атомы бора являются ловушками для междоузельных атомов Si через эффект Воткинса, то следующая доза бора может быть больше пороговой.

Поскольку эффективность введения устойчивых радиационных дефектов при имплантации ионов В+ составляет порядка 1 на ион, то всякая следующая доза будет больше предыдущей на дозу ранее внедренного и термоактивированного бора. Условием положительного эффекта является сохранение бора в узлах решетки в процессе следующего шага имплантации, т. е. эффект Воткинса в процессе имплантации необходимо подавить. При этом в процессе имплантации число выбитых из узлов решетки атомов Si в 20 раз превышает число образующихся устойчивых комплексов [24].

Результаты исследования вытеснения атомов бора из узлов решетки кремния во время имплантации представлены на рис. 1.6 [13]. Здесь показано изменение периода решетки (ПР) а в кремнии, сильно легированном бором (0=0,005 Омсм) в результате имплантации ионов В+ в зависимости от плотности тока ионного пучка Jэф. Изменение ПР определяется радиационными дефектами, которые увеличивают ПР, и атомами бора, сжимающими решетку кремния, если они располагаются в узлах, вследствие различия в ковалентных радиусах атомов В (0,08 нм) и Si (0,1175 нм). Наблюдаемая зависимость а(Jэф) может быть объяснена тем, что с уменьшением плотности тока ионного пучка растет эффективность вытеснения бора из узлов решетки. Исходя из соотношения ковалентных радиусов бора и кремния и различия в а для сильно легированного бором кремния и слабо легированного кремния n-типа, можно оценить концентрации вытесненного бора из узлов решетки. Результаты представлены в табл. 1.1.

Концентрация бора, вытесненного из узлов решетки Концентрация вытесненного из узлов решетки бора в результате имплантации ионами В+ дозой 1,81014 см-2 при Jэф=0,05 мкАсм-2 составляет 2,11019 см-3. Исходная концентрация бора в кремнии составляла 31019 см-3. При Jэф=1 мкАсм-2 вытесняется лишь 31017 см-3 атомов бора. Таким образом, варьируя плотность тока ионов при имплантации, можно управлять процессом замещения по Воткинсу, и при плотностях тока ионов Jэф больше 1 мкАсм- вытеснение бора может быть подавлено практически полностью.

Влияние плотности тока имплантации на эффективность вытеснения бора из узлов решетки междоузельными атомами Si объясняется уровнем ионизации в слое внедрения. В пользу этого говорят исследования электрической активации внедренного бора в процессе изохронного отжига (рис. 1.4). Таким образом, повышая уровень ионизации, можно подавить вытеснение примесей из узлов решетки в процессе имплантации.

На рис. 1.7, а показаны электронные микрофотографии кремния, имплантированного ионами бора дозами 31014, 71014 и 1,51015 см-2. Отжиг проводился при 900 оС в течение 15 мин. На рис. 1.7б представлены микрофотографии ПЭМ кремния, имплантированного бором такими же результирующими дозами, но пошаговым методом. В отличие от чисто пошагового метода [2] доза 31014 см-2 набиралась не в три, а в два приема:

после первой имплантации пороговой дозой 11014 см-2 проводился отжиг структур при температуре 900 оС в течение 15 минут.

Рис. 1.6. Изменение периода решетки а в кремнии, сильно легированном бором (0 = 0,005 Омсм) в зависимости от плотности тока имплантации ионов Образцы облучались дозой в два раза превышающей пороговую, т.е.

210 см-2. Эффективная плотность тока ионного пучка составляла 1,5 мкАсм-2.

Затем проводилась термообработка в аналогичных условиях. Доза 71014 см- набиралась в три шага. Первые два шага аналогичны предыдущему случаю (11014 см-2+21014 см-2). В третьем шаге имплантировалась доза бора 41014 см-2.

Доза 1,51015 см-2 набиралась в четыре шага. В образцы предыдущей партии {11014+21014+ 41014 (см-2)} добавлялась доза бора 81014 см-2.

Как видно из рис. 1.7, а при обычном режиме имплантации в слоях кремния с увеличением дозы имплантации растет концентрация остаточных нарушений. При дозе ионов бора 1,51015 см-2 их концентрация составляет порядка 1011 см-2. В слоях кремния, созданных модифицированным пошаговым методом, остаточные дефекты не выявляются (рис. 1.7, б). Отсутствие остаточных нарушений обусловлено тем, что междоузельные атомы Si, образующиеся при отжиге комплексов радиационных дефектов, расходуются на вытеснение бора из узлов решетки и не участвуют в создании протяженных нарушений.

Такая ситуация может быть реализована лишь при соблюдении условий, обеспечивающих сохранение атомов бора в узлах решетки во время имплантации. На рис. 1.7, в показана микрофотография кремния, имплантированного ионами бора дозой 1,51015 см-2 пошаговым методом, аналогично партии 3, но последний шаг имплантации дозой 81014 см-2 был выполнен при плотности тока ионов 0,05 мкАсм-2. Концентрация остаточных нарушений в этом случае составляет порядка 5109 см-2. Это является результатом того, что во время имплантации атомы бора были вытеснены из узлов решетки междоузельными атомами Si, возникающими при внедрении и не могли быть ловушками для атомов Si, возникающих при распаде комплексов радиационных дефектов.

Может возникнуть вопрос, что в конечном итоге в результате термообработки все атомы бора окажутся в узлах, т. е. будут возникать собственные междоузельные атомы. Но процесс захвата бора на термодинамически равновесные вакансии протекает достаточно медленно и не создает такого пересыщения атомами Si, как это имеет место при распаде междоузельных комплексов, созданных при имплантации.

При дозах имплантации, выше 1,51015 см-2 и температуре отжига 1150 °С в процессе отжига при расположении атомов бора в узлах в силу несовпадения периодов решетки в слое внедрения и в кристалле образуются дислокации несоответствия. Сетка дислокаций несоответствия показана на микрофотографии ПЭМ на рис. 1.7, г для образца кремния, имплантированного бором дозой 1,81015 см-2. Интересно отметить, что в этом случае дислокационные петли отсутствуют. Это объясняется тем, что линии дислокаций поглощают избыточные атомы кремния (переползание дислокаций) [25]. Таким образом, в разработанном методе подавление образование дислокационных петель из избыточных междоузельных атомов кремния основано на совмещении эффекта пороговой дозы образования остаточных нарушений и эффекта аннигиляции точечных дефектов на примесных атомах бора через эффект замещения по Воткинсу во время термообработки.

Необходимым условием положительного эффекта является сохранение атомов бора в узлах решетки во время очередного шага имплантации. Это реализуется при плотностях тока ионов не ниже 1 мкАсм-2, обеспечивающих уровень ионизации в слое внедрения, блокирующий процесс замещения. При дозе бора 1,51015 см-2 число шагов имплантации с 15 при обычном пошаговом методе снижается до 4.

(1+2)1014 см-2 (1+2+4)1014 см-2 (1+2+4+8)1014 см- Риc. 1.7. Электронные фотографии кремния, имплантированного:

ионами В+ (а), ионами В+ пошаговым методом с плотностью тока ионов Jэф = 1,5 мкАсм-2 (б), пошаговым методом при Jэф = 0,05 мкАсм- 1.3. Пошаговая имплантация бора в производстве микросхем Преимущества пошаговой имплантации проверены на примере создания интегральных микросхем (ИС) на основе биполярных транзисторов [25, 26], где используется ионная имплантация бора для формирования одновременно: базы вертикальных n-p-n транзисторов, эмиттера и коллектора горизонтальных p-n-p транзисторов и четырех входных диодов, образующих диодный мост. Ионное легирование проводится через маску оксида кремния толщиной 700 нм без маски фоторезиста. Поэтому при пошаговом режиме ионного легирования не требуется после каждого шага внедрения бора и отжига выполнять трудоемкую операцию фотолитографии. Доза имплантации ионов В+ для формирования указанных слоев составляет 51014 см-2 (85 мкКсм-2). Эта доза в пять раз превышает пороговую дозу образования остаточных нарушений. Плотность протяженных нарушений в таких слоях составляет 3108 см-2 (рис. 1.8). При такой дозе для подавления образования остаточных нарушений необходимо в обычном пошаговом режиме проводить 5 операций ионного легирования. В модернизированном нами пошаговом методе требуется 3 шага (1+2+2)1014 см-2.

Для возможного уменьшения числа шагов ионного легирования исследовано образование остаточных нарушений в кремнии, имплантированном ионами В через окисный слой толщиной 150 нм. В этом случае часть потерь энергии иона, в том числе и на упругие взаимодействия, приходится на слой окисла. На рис. 1.9 показаны профили упругих потерь ионов В+ с энергией 60 кэВ, внедряемых в кремний с окисным слоем (кривая 1), и профиль распределения бора (кривая 2). Как видно из рисунка, в окисном слое на упругие взаимодействия, т. е. на смещение атомов и создание точечных радиационных дефектов (и их скоплений), из которых затем при термообработке формируются остаточные нарушения, теряется около трети энергии иона бора.

В силу этого можно ожидать, что пороговая доза образования остаточных нарушений при внедрении через слой окисла несколько возрастет. На рис. 1. показаны микрофотографии ПЭМ кремния, имплантированного ионами В+ с энергией 60 кэВ дозой 21014 см-2 и 51014 см-2 через окисный слой толщиной 150 нм и отожженного при температуре 900 °С в течение 15 мин.

имплантированного ионами B+ дозой 51014 см- В этом случае остаточные нарушения либо не выявляются, либо выявляются одиночные дефекты. Выявление одиночных дефектов может свидетельствовать, что плотность нарушений в слое может составлять 106 см-2.

Рис. 1.9. Профили распределения упругих потерь (1) Плотность остаточных дефектов в этом случае практически такая же как и при внедрении бора непосредственно в кремний (рис. 1.8). Но в кремнии, имплантированном через окисный слой, как видно из рис. 1.10, б, при термообработке преимущественно образуются дислокационные петли, тогда как в случае имплантации без слоя окисла образуется более широкий спектр остаточных нарушений: петли, обычные и зигзагообразные стержневые дефекты [28]. Возможно, это является результатом того, что в кремнии, имплантированном через окисел, остаточные дефекты образуются как из точечных дефектов радиационного происхождения, так и за счет дефектов, генерируемых в слое кремния при окислении. Известно, что при достаточно больших скоростях окисления концентрация избыточных атомов кремния может быть настолько велика, что протяженные нарушения образуются непосредственно в этом процессе [29].

Таким образом, если имплантация бора через окисный слой при дозах близких к пороговой (11014 см-2) дает некоторый эффект, то при дозе бора 51014 см-2 заметного различия в концентрациях остаточных нарушений не наблюдается (рис. 1.8 и 1.10, б). Исходя из полученных результатов на контрольных пластинах, для эксперимента на рабочих пластинах были выбраны два процесса: ионное легирование в два и три шага.

Рис. 1.10. Микрофотография ПЭМ кремния, имплантированного ионами B+ дозой 21014 см-2 (а) и 51014 см-2 (б) через слой окисла толщиной 150 нм 1.4. Электрофизические параметры транзисторов и диодов, изготовленных с использованием метода ионного легирования Структура вертикального и горизонтального биполярного транзисторов схематически показана на рис. 1.11 и 1.12. Глубина p-n-перехода в области базы вертикального n-p-n транзистора и в области эмиттера горизонтального p-n-p транзистора составляет 2,1 мкм. Процесс формирования p-типа слоев в данном изделии состоит из следующих операций:

1. Создание окисного слоя толщиной 700 нм методом пирогенного окисления при 1100 °С.

2. Фотолитография и травление окисла. В слое окисла вскрываются окна, в которых формируются области базы n-p-n транзисторов эмиттера и коллектора p-n-p транзисторов а также p-области входных диодов 3. Создание окисных слоев вскрытых окон пирогенным окислением при 925 °С перед ионным легированием бора. Толщина окисла составляет 150 нм.

4. Ионное легирование бором. Доза 85 мкКсм-2. Энергия ионов 60 кэВ.

5. Химическая очистка 6. Отжиг и окисление базы при 1100 °С.

Рис. 1.11. Структура вертикального Рис. 1.12. Структура горизонтального На этих рисунках показаны n+скр.слой – сильно легированный сурьмой скрытый слой n-типа проводимости для снижения последовательного сопротивления коллектора p++ – сильно легированная бором область разделения элементов ИМС;

p+cc – сильно легированный бором скрытый слой р-типа проводимости n- – область слабо легированного коллектора n-p- вертикального транзистора и область слабо легированной базы горизонтального p-n-p транзистора;

p – легированная бором область базы вертикального n n-p-n транзистора, области эмиттера и коллектора горизонтального p-n-p транзистора n++ – сильно легированная фосфором область эмиттера вертикального n-p-n транзистора и контакта к базе горизонтального p-n-p транзистора Ионное легирование бором проводилось в 1 шаг (стандартная технология), в два и в три шага. В случае трех шагов суммарная доза набиралась как (16+32+37) мкКсм-2 с промежуточными отжигами при 850 °С в течение 30 мин в атмосфере азота. В двух шаговом методе легирования первая доза составляла 28 мкКсм-2, вторая – 57 мкКсм-2 с аналогичным промежуточным отжигом.

Эксперимент проводился на рабочей партии изделия в количестве пластин. На 5 пластинах ионное легирование бора было сделано в 3 шага, на пластинах – в два шага. Остальные пластины изготавливались по текущему режиму с легированием бора в 1 шаг. На диодах измерялись следующие параметры: ток утечки диода при обратном смещении 5 В; обратное напряжение при уровне тока 100 мкА; прямое падение напряжения при уровне тока 100 мкА; вольт-амперная характеристика диода при обратном смещении.

Результаты измерений представлены в табл. 1.2. Каждый параметр измерялся в двух точках на пластине. Анализ полученных результатов свидетельствует, что токи утечки диодов на опытных пластинах с ионным легированием в три шага в среднем на 50 % меньше, чем на пластинах со стандартным легированием бора в 1 шаг. Напряжение пробоя на опытных партиях на 2-4 В выше, чем на текущих пластинах. Величина прямого падения напряжения на диодах опытных и стандартных пластин практически одинаковы. На рис. 1.14 приведены вольт-амперные характеристики при обратном смещении входных диодов с опытных (имплантация в три шага) и стандартных пластин. Эти кривые являются характерными для этих партий диодов и демонстрируют положительный эффект пошагового метода ионного легирования бора при создании входных диодов в изделии.

На n-p-n вертикальных и p-n-p горизонтальных транзисторах были измерены зависимости тока коллектора, тока базы и коэффициента усиления от напряжения на базе и коллекторе. Наиболее заметные различия наблюдаются в зависимостях коэффициента усиления от напряжения на базе для горизонтального p-n-p транзистора (рис. 1.15). На опытных пластинах величина составляет 220-230, на текущих – 170-190. В то же время для вертикального n-p-n транзистора существенных различий в параметрах опытных и контрольных образцов не зарегистрировано.

В ионно-легированных слоях образующиеся при термообработке из точечных радиационных дефектов протяженные нарушения вносят глубокие уровни в запрещенную зону кремния [1]. Эти нарушения являются центрами рекомбинации неравновесных носителей заряда. Подавление образования протяженных нарушений путем пошаговой имплантации бора приводит к увеличению коэффициента усиления горизонтальных транзисторов (рис. 1.14).

В случае горизонтального p-n-p транзистора пошаговой имплантацией формировались и коллектор, и эмиттер, т. е. подавлялось образование остаточных нарушений на обоих переходах: база-коллектор, база-эмиттер. В вертикальном n-p-n транзисторе пошаговой имплантацией бора формировалась только база.

Протяженные нарушения с уровнями энергии в средине запрещенной зоны являются также генерационными центрами и увеличивают токи утечки диодов. При формировании входных диодов пошаговой имплантацией бора токи утечки заметно ниже (рис. 1.13).

Вольтамперные характеристики идеального полупроводникового p-nперехода могут быть удовлетворительно описаны с помощью формулы Шокли.

Рис. 1.13. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики входных планарных диодов на опытной (3 шага) и текущей (1 шаг) пластинах Для кремниевых p-n-переходов наблюдается лишь качественное согласие с формулой Шокли. Основными причинами отклонения характеристики от идеальной являются [30]:

1. Влияние поверхности; в основном за счет ионных зарядов на ней или вблизи нее, которые индуцируют заряды в полупроводнике. Это приводит к образованию так называемых поверхностных каналов или поверхностных обедненных слоев.

Рис. 1.14. Зависимости коэффициента усиления горизонтальных транзисторов от напряжения на базе для опытной (3 шага) и текущей (1 шаг) партии Наличие канала влияет на обедненную область p-n-перехода и вызывает возрастание поверхностных токов утечки. Для интегральных схем, составляющих основу современной электронной техники, можно ограничиться лишь рассмотрением эффектов на границе раздела кремний – диоксид кремния.

2. Генерация и рекомбинация носителей в обедненном слое.

3. Туннелирование носителей между состояниями в запрещенной зоне.

4. Влияние последовательного сопротивления.

5. Пробой перехода под действием достаточно большого электрического В кремниевых планарных p-n-переходах поверхностные токи утечки обычно намного меньше генерационного тока в обедненной области.

На рис. 1.15 и 1.16 приведены обратные ветви вольт-амперных характеристик диодов с опытных (имплантация в три шага, рис. 1.17) и стандартных пластин (рис. 1.16), построенные в двойном логарифмическом масштабе. Как видно из рис. 1.16-1.17, для вольт-амперных характеристик диодов при обратном смещении, изготовленных как по технологии трехшаговой имплантации, так и по стандартной технологии присуще наличие двух участков со степенной зависимостью тока от напряжения J ~ Vn. На первом участке для низких напряжений n 0,5, что характерно для обратной вольт-амперной зависимости идеального диода [30]. В диодах, созданных трехшаговой имплантацией бора, зависимости обратного тока от напряжения лежат несколько ниже по сравнению с зависимостями для базовых приборов.

Это говорит о снижении генерационных процессов в обедненной области.

При напряжениях выше 5 В показатель степенной зависимости тока от напряжения n изменяется, причем величина показателя зависит от выбранной технологии ионной имплантации. В диодах, создаваемых трехшаговой имплантацией В+, при напряжениях выше 5 В показатель n принимает значения ниже 0,5, как это необходимо для диода, в котором плотность тока обусловлена генерацией в обедненной области. Причина снижения показателя n остается пока не ясной.

Высокие значения n (выше 0,5) наблюдались в приборах, изготовленных по стандартной технологии имплантации, и характерны для диодов с дислокациями в области p-n-перехода [31]. На рис. 1.17 представлены обратные вольт-амперные характеристики p-n-переходов с различной плотностью дислокаций [31, 32].

Рис. 1.15. Вольт-амперная характеристика диода при обратном смещении, изготовленного по стандартной технологии: 1 - образец 1; 2 - образец Как следует из рисунка, дислокации заметно увеличивают токи утечки pn-перехода. Особенно губительно для приборов сочетание дислокаций и примесей металлов с большими коэффициентами диффузии. В кремниевых переходах при декорировании дислокаций металлическими примесями наблюдалось увеличение токов утечки вплоть до короткого замыкания p-nперехода [32–34].

В настоящее время существует лишь качественное объяснение результатов экспериментов, в которых увеличение токов утечки связывается с образованием по дислокациям «мостиков» повышенной проводимости через область пространственного заряда p-n-перехода [31, 32, 35]. Оценки [35] дают сопротивления этих «мостиков» от 20 МОм до нескольких Ом. Эта интерпретация опирается на известный факт стекания примеси к дислокациям.

Наиболее распространенное объяснение влияния дислокаций на токи утечки основывается на предположении, что дислокация в кремнии n-типа ведет себя как цепочка акцепторов, а в p-кремнии – как цепочка доноров.

Поэтому из условий электронейтральности дислокация должна образовывать вокруг себя трубку повышенной концентрации основных носителей заряда [31].

Рис. 1.16. Вольт-амперная характеристика диода при обратном смещении, изготовленного по технологии трехшаговой имплантации:

Таким образом, можно предположить, что наблюдаемое нами уменьшение токов утечки в диодах, изготовленных по трехшаговой технологии имплантации по сравнению с диодами стандартной технологии, обусловлено, с одной стороны, снижением генерационных центров, связанных с дислокационными петлями.

Рис. 1.17. Обратные вольт-амперные характеристики p-n-переходов с различной плотностью дислокаций [31, 32] : А – плотность дислокаций менее 103 см-2;

В – более 5107 см-2; С – 107 см-2 (нестабильных дислокаций); D – диоды С другой стороны, снижение плотности дислокаций в области p-nперехода устраняет проводящий канал вдоль линий дислокаций. Подавление образования остаточных нарушений посредством пошаговой имплантации бора обеспечивает повышение процента выхода годных изделий. Результаты контроля функционирования кристаллов показаны в таблице 1.3. Видно, что при двухшаговой имплантации бора средний съем годных кристаллов увеличивается на 11,6 %, при имплантации бора в три шага съем годных изделий увеличивается на 15,5 %.

Таблица 1. Средний съем годных кристаллов на экспериментальных пластинах с ионной имплантацией бора в базу в 3 и 2 шага и текущих пластинах с имплантацией в один шаг Режим ИЛ бора Таким образом, использование в производстве ИС разработанного пошагового метода ионного легирования позволяет получать бездислокационные структуры кремния и тем самым улучшать электрофизические характеристики элементов интегральных схем (снизить токи утечки диодов, повысить коэффициенты усиления транзисторов) и повысить процент выхода годных изделий.

имплантированном кремнии / А.Р. Челядинский, Ф.Ф. Комаров // Успехи физич. наук. – 2003. – Т. 173, № 8. – С. 813–846.

2. Челядинский, А.Р. Модель пары: атом фосфора–междоузельный атом кремния / А.Р. Челядинский, В.А. Буренков // ФТТ. – 1998. – Т. 40, № 11. – С. 1995–1998.

3. Чернышев, А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем / А.А. Чернышев. – М: Радио и связь, 1988. – 256 с.

5 Конструктивно-технологические особенности интегральных схем, влияющие на их надежность / М.И. Горлов [и др.] // Машиностроитель. – 2005. – № 10. – С.37-39.

4. Jones, K.S. A systematic analysis of defects in ion-implanted silicon / K.S. Jones, S. Prussin, E.R. Weber // Appl. Phys. A. – 1988. – Vol. 45, № 1. – P. 1–3.

6. North, J.C. Channeling study of boron-implanted silicon / J.C. North, W.M. Gibson // Appl. Phys. Lett. – 1970. – Vol. 16, № 3. – P. 126–129.

7. The lattice location of boron ions implanted into silicon / G. Fladda [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 1970. – Vol. 16, № 8. – P. 313–315.

8. Proton and alpha-particle channeling tool for locating foreign atoms in crystals / L. Erikson [et al.] // Can. Nucl. Tech. – 1966. – Vol. 5, № 1. – P. 40–43.

9. Исследование метостоположения атомов фосфора в решетке кремния с помощью ядерной реакции 31Р (р, 0) 28Si / Н.А. Скакун [и др.] // ФТП. – 1975. – Т. 9, № 4. – С. 755–756.

10. Ion implantation of silicon and germanium at room temperature. Analysis by means of 1.0 MeV helium ion scattering / J.W. Mayer [et al.] // Can. J. Phys. – 1968. – Vol. 46. – P. 663–673.

11. Плебанович, В.И. Локализация имплантированных примесей бора и углерода в кремнии / В.И. Плебанович, А.Р. Челядинский, В.Б. Оджаев // Вестник БГУ. Сер. 1. – 2006. –№ 2. – С. 16–20.

12. Образование остаточных нарушений в кремнии, имплантированном ионами углерода и бора / В.И. Плебанович, А.И. Белоус, А.Р. Челядинский, В.Б. Оджаев // Доклады БГУИР. – 2006. – № 12(14). – С. 42–48.

13. Efficiency of Watkins substitution in silicon during implantation and annealing / A.R. Chelyadinskii, V.I. Plebanovich, V.Yu. Yavid, P. Zukowski // Материалы и структуры современной электроники: материалы Междунар.

науч. конф., Минск, 5-6 октября 2006 г. / БГУИР. – Минск, 2006. – С. 172–175.

14. Hirvonen, J.K. Lattice disorder in ion implanted boron-doped silicon / J.K. Hirvonen, F.H. Eisen // Appl. Phys. Lett. – 1971. – Vol. 19, № 1. – P. 14–16.

15. Bicknell, R.W. The role of the impurities on extended defect formation in irradiated silicon / R.W. Bicknell // Proc. R.Soc. London. Ser. A – 1969. – Vol. 311. – P. 75–79.

16. Стельмах, В.Ф. Рентгенодифракционные исследования кремния, имплантированного ионами бора / В.Ф. Стельмах, В.Д. Ткачев, А.Р. Челядинский // ФТТ. – 1978. – Т. 20, № 7. – С. 2196–2200.

17. Pre-amorphization damage in ion-implanted silicon / R.J. Schreutelkamp [et al.] // Mater. Scie. Rep. – 1991. – Vol. 6, № 7–8. – P. 275–366.

18. Werner, P. Investigation of CxSi1-х defects in C implanted silicon by transmission electron microscopy / P. Werner, S. Eichler, G. Mariani // Appl. Phys.

Lett. – 1997. – № 2. – P 252–254.

19. Емцев, В.В. Точечные дефекты, возникающие в кремнии с примесью бора, галлия и индия при низкотемпературном гамма-облучении / В.В. Емцев, М.А. Маргарян // Письма в ЖТФ. – 1984. – № 10. – С. 1063–1065.

20. Lee, Y.H. Silicon di-interstitial in ion-implanted silicon / Y.H. Lee // Appl.

Phys. Lett. – 1998. – Vol. 73, № 8. – P. 1119–1123.

21. Пошаговый метод ионного легирования кремния / В.И. Плебанович, А.И. Белоус, А.Р.Челядинский, В.Б.Оджаев // Доклады НАН Беларуси. – 2006. – Т. 50, № 6. – С. 47–51.

22. Создание бездислокационных ионно-легированных слоев кремния / В.И. Плебанович, А.И. Белоус, А.Р.Челядинский, В.Б.Оджаев // ФТТ. – 2008. – Т. 50, № 8. – С. 1378–1382.

23. Создание бездислокационных ионно-легированных слоев кремния / А.Р.Челядинский, В.И. Плебанович, А.И. Белоус, В.Б.Оджаев // Материалы и структуры современной электроники: материалы Междунар. науч. конф., Минск, 5-6 октября 2006 г. / БГУ. – Минск, 2006. – С. 237–242.

24. Watkins, G.D. Defects in irradiated silicon: EPR and electron-nuclear double resonance of interstitial boron / G.D. Watkins // Phys. Rev. – 1975. – Vol. 12, № 12. – P. 5824–5839.

25. Калинин, В.В. Образование дислокационных сеток при отжиге имплантированных бором слоев кремния / В.В. Калинин, Н.Н. Герасименко, С.И. Стенин // ФТТ. – 1976. – Т. 18, № 9. – С. 2803–2805.

26. Пошаговый метод ионного легирования кремния в создании интегральных микросхем / В.И. Плебанович, А.Р. Челядинский, Ю.Б. Васильев, А.И. Гладчук, В.Е.Осипов // Микроэлектроника. – 2008. – Т. 37, № 3. – С. 213–218.

27. Пошаговый метод ионного легирования кремния в создании интегральных микросхем / В.И. Плебанович, А.Р. Челядинский, Ю.Б. Васильев, А.И. Гладчук, В.Е.Осипов // Физика, материаловедение и физико-химические основы технологии получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе: материалы IV Российской науч. конф. c международным участием, Москва, 3-6 июля 2007 / Гос. технол. ун-т. – М.:, 2007. – С. 254–255.

28. Agarwal, А. Interstitial defects in silicon from 1–5 keV Si+ ion implantation / A. Agarwal // Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 70, № 25. – P. 3332–3334.

29. Lambert, J.A. The generation of point defects during the oxidation / J.A. Lambert, P.S. Dobson // Phil. Mag. A. – 1981. – Vol. 44, № 5. – P. 1031–1042.

30. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов / Зи С. – М.: Мир, 1984. – Т. 1. – С. 455.

31. Сорокин, Ю.Г. Влияние дислокаций на электрические параметры p-n-переходов / Ю.Г. Сорокин // Тр. Всес. Электротехнического института. – 1980. – № 90. – С. 91–101.

32. Lawrence, J.E. Behavior of dislocations in silicon semiconductor devices:

diffusion, electrical / J.E. Lawrence // J. Electrochem. Soc. – 1968. – Vol. 115. – P. 860–865.

33. Lawrence, J.E. Electrical properties of copper segregates in silicon p-njunctions / J.E. Lawrence // J. Electrochem. Soc. – 1965. – Vol. 112. – P. 796–800.

34. Mayer, A. The quality of starting silicon / A. Mayer // Solid State Technol. – 1972. – Vol. 15, № 4. – P. 38–45.

35. Plantinga, G.H. Effect dislocations on the transistors parameters fabricated by shallow diffusion / G.H. Plantinga // IEEE Trans. Electron Devices. – 1969. – Vol. 16, №4. – P. 394–400.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР ПЛАЗМОЙ СВЧ РАЗРЯДА

В настоящее время в научных исследованиях и промышленности широкое применение находят устройства и процессы вакуумной плазменной обработки твердых тел в сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных полях (микроволновой плазме) [1,2]. Одной из первых областей практического использования этого метода стало травление поверхностей в субмикронной технологии микроэлектроники, преимущества которого состоят в уменьшении подтравов и увеличении эффективности защитных масок в результате воздействия более концентрированных потоков химически активных частиц с меньшей кинетической энергией. Неравновесная плазма СВЧ разрядов позволяет осуществлять плазмохимические процессы при низкой температуре газа, но при более высокой температуре электронов. Такие особенности работы СВЧ генераторов плазмы, как отсутствие электродов, возможность осуществления режима, при котором нагрузка не влияет на работу СВЧ генератора, высокий КПД преобразования тока промышленной частоты в СВЧ ток, обусловливают повышенное внимание к ним исследователей и практиков.

В связи с этим обработка поверхностей материалов неравновесной плазмой СВЧ разряда находит все более широкое применение в качестве промышленных технологий изделий микроэлектроники.

2.1. Процессы удаления материала с поверхности твердыx тел 2.1.1. Активирование поверхности и плазменная очистка Перед проведением ряда технологических процессов (например, высокотемпературное окисление, первая фотолитография, нанесение металлической либо диэлектрической пленки и т.д.) следует провести очистку подложек для удаления как органических, так и неорганических загрязнений в виде инородных атомов и молекул, появляющихся на предыдущих этапах технологических процессов или во время переноса подложек с одной технологической линии на другую. Если такие загрязнения не удалить, то возможно ухудшение электрических характеристик приборов, а также понижение надежности интегральных микросхем.

Плазменная очистка поверхности подложек происходит вследствие химического взаимодействия загрязнений с ионами и радикалами активных газов с образованием летучих соединений, которые удаляются из реакционного объема в процессе откачки. Очищенные и активированные поверхности подложек обладают высокой прочности связью с наносимыми пленками [3].

Травление и очистка пластин перед осаждением пленок в едином вакуумном цикле позволяют уменьшить уровень загрязнений, получить хорошую текстуру, адгезию, микроструктуру и снизить электромиграцию в пленках.

Основными компонентами газовой смеси для очистки поверхности подложки от органических загрязнений с использованием СВЧ разряда является кислород с небольшими (до 1 об. %) добавками аргона, азота или гелия. Добавки H2, N2, Ar, He катализируют процессы диссоциации молекул кислорода в плазме до атомарного состояния и тем самым ускоряют процесс очистки. Плазменная обработка используется также с целью удаления собственного оксида, т.е. оксида, образующегося на чистой поверхности кремния в атмосфере кремния в качестве предварительной очистки перед осаждением пленочных слоев различных материалов и составов. В этом случае используется H2 с добавками H2O и NF3. Как правило, процесс реализуется способом травления "вне зоны разряда" [4]. Это позволяет свести к минимуму поверхностные повреждения и переосаждение.

Низкотемпературная очистка позволяет получить чистую поверхность без каких-либо дефектов. Установлено [5], что в случае плазменной очистки, проводимой в режиме реактивной ионно-лучевой обработки, имеется критическая доза облучения ионами водорода, выше которой на очищенной поверхности начинают наблюдаться кристаллические дефекты. Они впоследствии могут сказаться на качестве наносимых поверх эпитаксиальных слоев. Кроме того, определенные режимы низкотемпературной очистки в водородной плазме с источником, работающим в режиме электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), способствуют процессу образования шероховатости поверхности кремниевой пластины. По данным исследований [6] установлено, что шероховатость поверхности, в частности пластины Si (100), в сильной степени связана с зародышеобразованием и ростом пластинчатых дефектов (100) в подповерхностной области кремния: травление протекает в основном в местах пересечения этих дефектов и поверхности кремния. Уровень содержания этих дефектов и, следовательно, степень шероховатости поверхности кремниевой пластины можно контролировать, управляя величинами потока ионов водорода и температурой подложки в интервале 170 – 450 0С. Разработанный и исследованный в [7] процесс очистки in situ контактных отверстий размером < 0,5 мкм в схемах динамических ЗУПВ с использованием плазмы Н2, Ar и их смесей, возбуждаемой от источника ЭЦР, показал, что плазма высокой плотности, но с малой энергией ионов вносит минимальные повреждения в поверхностный слой, а благодаря высокой направленности эффективно удаляет поверхностные примеси из контактных отверстий, что обеспечивает получение низкого и стабильного контактного сопротивления. Кроме того, при такой очистке создается форма профиля контакта, способствующая заполнению отверстия алюминием.

Подготовка поверхности перед нанесением пленки для улучшения адгезии и управления составом границы раздела в режиме ионно-лучевой очистки проводится с использованием инертных газов в диапазоне энергий ионов от нескольких десятков до нескольких сотен электронвольт. СВЧ ионные источники, обеспечивающие большую плотность тока ионного пучка и сравнительно низкие энергии ионов, хорошо подходят для подготовки поверхности полимеров и других синтетических материалов перед нанесением металлов. Эти процессы могут также проводиться с применением активных газов, таких, как кислород или фторуглероды.

Еще одной перспективной областью применения ЭЦР источников является очистка поверхности полупроводниковой пластины перед процессом эпитаксии от примесей углерода и оксидов. Если оксид можно удалить высокотемпературным отжигом (800–1000 0С), то для удаления углерода приходится применять методы ионно-плазменного распыления, которые, однако, вносят радиационные нарушения, устраняемые также высокотемпературным отжигом (700 0С). Обработка в ЭЦР источнике в плазме водорода позволяет легко удалить углерод и оксид при температуре не выше 400 0С [8].

Процесс СВЧ плазмохимической обработки весьма перспективен для межоперационной очистки технологических и плазменных камер плазменных установок. В [9,10] предлагаются методы высокоэффективной СВЧ плазменной очистки плазменного технологического оборудования от остатков продуктов плазменных реакций. В частности, это может быть двухстадийный процесс [9].

На первой стадии производятся напуск в плазменную камеру из системы газоснабжения плазмообразующего газа и возбуждение плазмы под действием СВЧ энергии. Химически активные радикалы, образующиеся в плазме разряда, взаимодействуют с остатками загрязнений на внутренней поверхности технологической камеры и оснастки. На второй стадии к реакционноспособному газу добавляется инертный газ, после чего вновь возбуждается газовый разряд. Инертный газ, кроме того, может продуваться через технологическую камеру перед первой стадией с целью удаления осевших частиц, не связанных с конструктивными элементами. Реакционно-способным (реактивным) газом рекомендовано выбирать NF3, однако могут использоваться и другие фторсодержащие газы, такие, как CF4, SF6 и др. Более того, в качестве реактивных газов могут быть использованы вместо фторсодержащих газов хлор- или другие галогенсодержащие газы.

Газовая плазма СВЧ разряда применяется для реализации практически всех процессов вакуумного газоплазменного травления, используемых в производстве кремниевых микроэлектронных приборов (табл. 2.1).

Основные процессы вакуумного газоплазменного травления в производстве кремниевых микроприборов Травление Защитного Межслойной планаризации Контактных покрытий Контактных глубины Металлизации Аl/Si; Al/Si/Cu; Al/Si/Ti; Al/Si + на Si подложке TiW; AlN+ Аl/Si Плазма СВЧ разряда позволяет реализовать все виды физикохимического взаимодействия энергетических и химически активных частиц с поверхностными атомами или молекулами обрабатываемого материала.

В процессаx реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ) обрабатываемый материал вынесен из зоны плазмы разряда, находится в вакууме и подвергается воздействию пучка ускоренных ионов химически активного газа, которые в процессе перезарядки, диссоциации и нейтрализации в пучке и на поверхности материала могут образовывать реакционноспособные травящие частицы и производить травление.

Отличительной особенностью механизма РИЛТ по сравнению с другими процессами вакуумно-плазменного травления является то, что в нем используется как физическое, так и химическое взаимодействие ускоренных ионов с атомами поверхностных слоев обрабатываемого материала. По сравнению с ИЛТ при этом значительно повышается скорость травления материала, а в некоторых случаях также степень использования рабочего газа.

Процессы РИЛТ с применением плазмы СВЧ разряда реализуются в газоразрядных системах, использующих явление электронного циклотронного резонанса. К настоящему времени имеются сообщения о травлении с помощью этих газоразрядных систем практически всех материалов микроэлектроники в широком наборе газов и их смесей (табл. 2.2).

Используя возможность изменения угла падения пучка, с помощью РИЛТ удалось создать в диоксиде кремния решетки косоугольного профиля с субмикронным периодом. Показана возможность травления Si, Mo, Ti и сплавов Аl. Применение РИЛТ при обработке материалов типа AIIIBV позволило, опираясь на расширенные возможности метода, получить рельеф с профилем, не достижимым другими методами. Сопряженная с РИЛТ техника, названная травлением, стимулированным ионным пучком, использована при изготовлении приборов на GaAs.

Типовые технологические режимы обработки: степень предварительного вакуума не хуже 710-4 Па, рабочее давление порядка 510-2 Па, плотность ионного тока не менее 5 мА/см2, энергия ионов в процессе травления 20 – 40 эВ. Такие режимы дают возможность осуществлять анизотропное травление с нулевым подтравом под маску с высокой селективностью травления материалов.