Чтение онлайн

Рис. 5. Зависимость максимальной температуры в центре пятна от нормированной мощности лазерного излучения

«Истинная» температура (Т) может быть определена итерационным способом. На рис. 6 показаны температурные профили вдоль оси х при сканировании с различными скоростями.

Рис. 6. Распределение температуры в кремниевой подложке вдоль направления сканирования луча с различной скоростью (Р = 4 Вт, r = 20 мкм, Тподл = 350° С): 1 – v = 0 cм/c; 2 – v = 10 cм/c; 3 – v = 50 cм/c; 4 – v = 200 cм/c

Видно, что, начиная с = 20 см/c и более, максимальная температура нагрева уменьшается, а квазистационарное распределение температуры становится отличным от стационарного.

При расчёте температурных полей для упрощения математических расчётов с сохранением требуемой точности вначале определяют режим нагрева.

В качестве критерия для классификации режимов лазерной обработки (ЛО) используется глубина проникновения теплового фронта L в нагреваемом материале за время воздействия tP:

где – коэффициент температуропроводности материала подложки.

В случае, когда область распространения тепла в подложку соизмерима с областью поглощения лазерного излучения (L da), данный режим называется адиабатическим. Если область перераспределения тепла больше толщины слоя поглощения, но меньше толщины подложки (da < L < dS), то это – режим теплового потока. При достижении теплового фронта необлучаемой стороны образца или плёнки на подложке (L > dS) градиентами температуры по толщине обычно пренебрегают, а нагрев происходит в режиме теплового баланса. Названные режимы схематически изображены на рис. 7.

Рис. 7. Классификация режимов фотонного нагрева: 1 – адиабатический L dа; 2 – режим теплового потока dа < L < dS; 3 – режим теплового баланса L >> dS

Адиабатический режим реализуется в диапазоне очень коротких импульсов 10– 15– 10– 6 с с помощью импульсного лазерного излучателя. В режиме теплового потока при длительностях импульсов светового потока 10– 6– 10– 2 с так же, как и при адиабатическом режиме наблюдается градиент температур по толщине облучаемой пластины. Этот режим осуществляется с использованием импульсных ксеноновых ламп и импульсного лазерного излучения. Режим теплового баланса при длительностях 10– 2 с до 100 с характеризуется отсутствием градиента температур в подложке и реализуется с помощью графитовых нагревателей или галогенных ламп [3-7, 12, 16-18, 20]. Это самый мягкий режим фотонной обработки, который широко используется в технологии изготовления интегральных схем [4-7].

Аморфные и поликристаллические пленки занимают важное место в технологии изготовления интегральных схем. Они используются для получения ленточного кремния, боковой изоляции активных компонентов в технологиях VATE, Полипланар, в качестве подложек при изоляции интегральных микросхем (ИМС) тонкой пленкой диэлектрика, в качестве материала затвора в КМОП БИС, в технологии изготовления ИМС кремний на сапфире (КНС) и др. В процессе изготовления ИМС активные области приборов легируются большой дозой примеси, приводящей к аморфизации монокристалла. Для восстановления структуры кристалла, отжига дефектов, увеличения проводимости поликристаллических и аморфных пленок используется изотермический отжиг в различных технологических средах. Однако качество этого отжига далеко не всегда удовлетворяет разработчиков ИМС. Лазерное излучение имеет ряд преимуществ, о которых говорилось ранее, и может быть применено для рекристаллизации аморфных и поликристаллических пленок.

При лазерной обработке слоев аморфного или поликристаллического материала, нанесенного на монокристаллическую подложку из одноименного материала происходит их гомоэпитаксиальная рекристаллизация. При использовании монокристаллической подложки из другого материала возможна гетероэпитаксиальная рекристаллизация, если материал подложки близок по кристаллической структуре нанесенному материалу в монокристаллическом состоянии [3, 21, 22]. Методы получения высококачественных тонких эпитаксиальных полупроводников на монокристаллических подложках с минимальным перераспределением примеси у поверхности раздела разрабатываются давно. Основные усилия сконцентрированы на исследовании твердофазной рекристаллизации аморфных слоев кремния, напыленных на аморфную подложку, путем отжига при температуре кристаллизации 900-1000 К. Преимущество этого метода, по сравнению с эпитаксиальным осаждением из паров элементов, заключается в простоте контроля толщины слоя и низких температурах обработки. Однако, получение высококачественных кремниевых слоев можно осуществить в условиях сверхвысокого вакуума, так как этот процесс чрезвычайно чувствителен к загрязнению на поверхности роста и к примесям, захваченным рекристаллизирующимся слоем. Исследования воздействия непрерывного лазерного излучения на напыленные слои кремния показали, что для получения качественных эпитаксиальных слоев, как и при обычной твердофазной эпитаксии, необходимы все технологические операции, включая очистку поверхности, нанесение слоя и лазерную обработку проводить в сверхвысоком вакууме без его нарушения в промежутках между операциями. В случае лазерной обработки на воздухе наличие на поверхности раздела окисла или примесей приводило к образованию поликристаллического слоя. Однако если мощность лазерного излучения и скорость сканирования лазерного луча достаточно велики, то аморфный слой может проплавляться до монокристаллической подложки с последующей его жидкофазной эпитаксиальной рекристаллизацией. Однако основной проблемой остается пористость аморфного слоя, для предотвращения которой применяют низкотемпературное осаждение из паров, эпитаксию из молекулярных пучков и дополнительный отжиг. При этом необходимо обеспечить условия, при которых энергия лазерного излучения была достаточна для проплавления пленки до монокристаллической подложки.

Спектральный состав лазерного излучения выбирают из следующих соображений. При энергии кванта лазерного излучения h, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводникового материала Е, поглощение излучения лазера происходит вблизи поверхности полупроводника, что приводит к нагреву, а при повышении пороговой плотности мощности лазерного излучения и к плавлению слоя пленки, и поверхностного слоя полупроводника. В случае когда h < E, поглощение идет в объеме пленки, и образец можно облучать с тыльной стороны поверхности [21].

Импульсный лазерный нагрев был использован для отжига пленок аморфного кремния, напыленного на кремниевые подложки ориентации (100) в камере сверхглубокого вакуума с криогенной откачкой при давлении 10– 9 Торр. Перед напылением подложки были очищены от окислов и молекул аргона ионной бомбардировкой ионами аргона. Лазерное облучение производилось лазером Nd: АИГ (=1,064 мкм) с модулированной добротностью, действующим в режиме ТЕМ00. Обработка осуществлялась с частотой 11,4 кГц при длительности импульса 125 нс. Лазерный пучок сканировался по поверхности образца с шагом 8 мкм. Интенсивность света регулировалась с помощью призменных поляризаторов и составляла от 20 до 140 мВт/см2. В результате исследований структуры пленок после лазерной кристаллизации было установлено, что кристаллизация, вызванная лазерным облучением, происходит путем плавления и последующего эпитаксиального роста и дает эпитаксиальную пленку хорошего кристаллического совершенства. Лазерная кристаллизация пленок, напыленных при низких и комнатных температурах, позволяет значительно снизить автолегирование и легирование пленок при концентрациях примеси в пределах 1014– 1020 см– 3.

Результаты исследований кристаллической структуры и электрические свойства поликристаллического кремния (ПКК) после отжига аргоновым лазером, работающим в непрерывном режиме, приведены в работах [22-24]. Пленка поликристаллического кремния толщиной 0,4 мкм, осажденная в реакторе химического напыления при низком давлении, была имплантирована бором дозой 5·1014 см– 2, а затем подвергалась облучению сканирующим непрерывным аргоновым лазером. В качестве подложки использовали монокристаллический кремний, на который осаждали слой Si3N4 толщиной 1000 A.

После легирования часть образцов отжигали при 1100 °С в течение 30 мин в среде сухого азота. Результаты отжига контрольных образцов сравнивались с образцами, подвергавшимися лазерному отжигу. С помощью просвечивающей электронной микроскопии было показано, что лазерный отжиг привел к увеличению размеров зерен от 500 A до образования узких кристаллов размерами порядка 25x2 мкм. Каждое зерно не имело дефектов и доходило без разрывов до подложки Si3N4. Электрические измерения показали, что бор имел 100 %-ную активность и холловскую подвижность ~45 см2/В·с, что приближается к подвижности в монокристалле при той же концентрации носителей. Термический отжиг приводит к образованию структуры со средним размером зерен, равным 1000 A, а его удельное сопротивление в 2,2 раза превышало удельное сопротивление материала, полученного при лазерном отжиге. Дополнительный лазерный отжиг термически отожженных образцов понижал удельное сопротивление до величины, которая приближалась к величине, полученной после одного только лазерного отжига.

Исследовалось также влияние режимов лазерного отжига на изменение удельного сопротивления поликристаллического кремния. В МОП ИС поликристаллический кремний обычно используется для формирования управляющих электродов и межсоединений. Поэтому для повышения быстродействия БИС такой материал должен иметь низкое удельное сопротвление. Пленки поликристаллического кремния толщиной 3500 A получились разложением SiH4 при 550 °С. Эта пленка осаждалась на пленку SiO2. Диффузия фосфора проводилась при 1000 °С из POCl3, а мышьяка при 1100 °С из источника, установленного над поликристаллическим кремнием. Для сравнения с диффузионными образцами были изготовлены образцы, в которых легирование фосфором или мышьяком осуществлялось ионной имплантацией (D = 1016 см– 2). Образцы облучались Nd: АИГ лазером ( = 1,064 мкм). Частота повторения импульсов составляла 10 кГц, длительность импульса – 200 нс, диаметр пятна – 50 мкм, мощность – 1,7-2,6 Вт. Луч лазера был неподвижным. Сканирование осуществлялось столиком. Скорость перемещения 80 мм/с, расстояние между пятнами 8 мкм. После каждого сканирования луч лазера перемещался на 10 мкм. Этим удавалось снизить неоднородность температуры по диаметру пятна.