Быстрый термический отжиг

Размещено на http://www.allbest.ru/

Быстрый термический отжиг

История развития импульсного отжига

Импульсный наносекундный лазерный отжиг, протекающий с образованием жидкой фазы в приповерхностном слое полупроводниковой структуры, был открыт группой советских учёных под руководством Хайбулина И. Б. и стал интенсивно исследоваться, начиная с 1974 года. Интенсивные исследования по импульсному отжигу полупроводников показали, что данный метод имеет ряд уникальных достоинств перед традиционным длительным печным отжигом. Был также установлен и ряд недостатков импульсного отжига, основным из которых являются высокий градиент температур и, как следствие, большие механические напряжения и высокое содержание дефектов в полупроводниковой пластине. Выход из сложившейся ситуации был найден в начале восьмидесятых годов, когда специалистами фирмы Sony было предложено удлинить длительность термообработки вплоть до единиц - десятков секунд и проводить изотермический отжиг в твердой фазе при небольших длительностях термообработки, при которых не происходит существенного диффузионного перераспределения легирующих примесей. Начиная с этого времени, быстрые термические обработки полупроводниковых структур прошли большой путь от идеи и лабораторных исследований до широкого промышленного применения. В настоящее время отжиг с характерной длительностью в единицы секунд, вследствие большого диффузионного перераспределения имплантированной примеси, уже не обеспечивает получение сверхмелких ИЛС (толщина слоя 10-20 нм). В связи с этим, активно развиваются и внедряются в производство отжиги с длительностью в диапазоне от долей секунд до микросекунд. При этом отжиг имплантированного слоя по-прежнему происходит в твёрдой фазе. Как весьма недалёкая перспектива рассматривается возможность возврата к импульсному лазерному отжигу в наносекундном диапазоне длительностей с плавлением сверхтонкого приповерхностного слоя кремния.

Методы и оборудование быстрого термического отжига

Перечень термических процессов, используемых в технологическом маршруте изготовления ИС достаточно широк, среди наиболее важных из них необходимо отметить отжиг ионно-легированных слоёв (ИЛС), формирование плёнок силицидов металлов, отжиг омических контактов и металлизации, формирование плёнок термического оксида кремния, нитрида и оксинитрида кремния. Ещё совсем недавно большинство термических операций выполнялось в печи, которая представляла собой кварцевую трубу, вокруг которой был расположен нагреватель, а кассета с пластинами вдвигалась в зону нагрева и после выдержки в течение нескольких минут - десятков минут извлекалась наружу. В связи с уменьшением топологической нормы применение печного отжига стало невозможным, так как при длительных высокотемпературных обработках происходит сильное перераспределение легирующей примеси. Быстрый термический отжиг (БТО) - это процесс поштучной термообработки полупроводниковых пластин, протекающий в диапазоне длительностей отжига от единиц до десятков секунд, при этом максимальная температура отжига задаётся в диапазоне от 300 до 1400 °С, а скорость нагрева в пределах от 50 до 300 °С с-1. Характерной особенностью БТО является использование для нагрева мощного источника некогерентного электромагнитного излучения - обычно галогеновых ламп накаливания. Известны две основные конструкции реактора установок быстрого отжига. В первом варианте конструкции используются длинные цилиндрические галогеновые лампы, расположенные рядами с обеих сторон полупроводниковой пластины, таким образом, чтобы обеспечивать максимальную однородность нагрева (рис.1). Во втором случае, лампы имеют меньшую длину и установлены вертикально с одной стороны от пластины (рис.2). При этом лампы разбиты на группы, электропитание которых осуществляется от отдельных источников, а контроль температуры реализуется в нескольких зонах. Это позволяет более эффективно, чем в первом случае, управлять распределением температуры по площади пластины, добиваясь высокой однородности термообработки. В связи с этим, в настоящее время установки второго типа нашли более широкое применение, чем установки первого типа.

Рис.1. Система БТО: лампы накаливания с горизонтальным расположением нитей

БТО проводится либо в атмосфере сверхчистых инертных газов, либо в вакууме. Поэтому реактор, в котором производится отжиг, выполняется герметично, а установка БТО имеет сложную газовую систему. Держатель пластины в реакторе выполнен таким образом, чтобы минимизировать теплоотвод и обеспечить однородный нагрев пластины. Для роста пропускной способности установка обычно оборудуется автоматом загрузки и выгрузки пластин из кассеты в кассету. Основными параметрами процесса БТО являются: ѓ время отжига (t, с) ѓ время нагрева до максимальной температуры (t1, с); ѓ скорость нагрева до максимальной температуры (dT/dt, °С с-1); ѓ время выдержки при максимальной температуре (ф, с); ѓ максимальная температура (Tmax, °С); ѓ скорость охлаждения (dT/dt, °С с-1); ѓ однородность распределения температуры по поверхности пластины; ѓ плотность мощности падающего излучения (W, Вт см-2).

импульсный лазерный отжиг полупроводниковый

Рис.2. Система БТО: лампы накаливания с вертикальным расположением нитей

Для быстрого отжига используются два режима нагрева пластины. Первый режим характеризуется постоянной величиной плотности мощности падающего излучения W в течение всего времени отжига и прост с точки зрения его реализации. Полагая, что вся подводимая к пластине энергия излучения расходуется на нагрев и тепловое излучение пластины, время t1, необходимое для достижения образцом температуры Tmax, определяется из соотношения:

t1 = с Сpд {ln[(Tmax +T)( Tmax - Т0)] - ln[(Tmax -T)( Tmax + Т0)] + 2[arctg(T/ Tmax) arctg(T0/ Tmax)]}/8еу (Tmax)3, (1)

где Т0 и Tmax=[(W+2еуТ04)/2еу]1/4 начальная и установившаяся температуры, соответственно; Сp и с - удельная теплоемкость и плотность кремния; д и е - толщина и излучательная способность нагреваемой пластины; у - постоянная Стефана - Больцмана; W - плотность мощности излучения.

Рис.3. Зависимости температуры пластины от времени нагрева для различных значений мощности падающего излучения

На рис.3 представлены типичные кривые нагрева полупроводниковой пластины, рассчитанные по формуле (1). Видно, что значение Tmax определяется только величиной плотности мощности падающего излучения. В результате величина t1 и скорость нагрева до максимальной температуры изменяются при вариации величины Tmax, что не всегда удобно с технологической точки зрения. Второй режим нагрева более сложен при его аппаратной реализации, однако даёт большие технологические возможности, что обусловило его широкое применение. Метод характеризуется тем, что независимо задаётся как скорость нагрева до максимальной температуры, так и сама максимальная температура. В этом случае управление величиной W в каждый момент времени осуществляется компьютером по сигналу обратной связи с системы термопар или пирометра. Охлаждение пластин происходит самопроизвольно при выключении источника нагрева за счёт излучения и передачи

Последний механизм охлаждения позволяет в некоторых пределах регулировать её скорость за счёт правильного выбора типа охлаждающего газа (теплопроводности газа), а также изменения скорости продувки газа через реактор.

Типичный процесс отжига протекает полностью в автоматическом режиме и выглядит следующим образом. Пластина из загрузочной кассеты с помощью робота-загрузчика перемещается в шлюзовую камеру, из которой откачивается или вытесняется инертным газом воздух. Затем пластина передаётся в реактор, где располагается на специальном держателе. Реактор продувается газом, после чего выставляется рабочий расход процессного газа и производится нагрев пластины по предварительно выбранной программе. После этого пластина в течение некоторого времени охлаждается в реакторе, а затем через шлюзовую камеру передаётся в приёмную кассету, а процесс полностью повторяется со следующей пластиной.

Быстрый отжиг ионно-легированных слоёв

Термообработка ионно-легированных слоёв производится с целью отжига имплантационных дефектов и активации имплантированной примеси. Полное устранение дефектов структуры в имплантированном слое - это одно из наиболее важных требований к процессу отжига. С другой стороны, необходима реализация такого режима термообработки, который бы обеспечил наибольшую активацию примеси при минимальном ее перераспределении. С помощью БТО можно добиться одновременного выполнения всех этих требований, что выгодно отличает БТО от традиционного печного отжига. Наиболее важными параметрами ИЛС, характеризующими качество выполнения отжига, являются:

* слоевое сопротивление (с,Ом / ?)) и

* однородность распределения с по поверхности пластины;

* степень активации примеси, то есть отношение слоевой концентрации активной примеси (nакт, см-2) к её полной слоевой концентрации (n, см-2); * подвижность носителей заряда (µ, см2 В-1 с-1);

* толщина легированного слоя (x, нм)

* глубина диффузионного перераспределения примеси (?x, нм);

* концентрация и местоположение точечных и структурных дефектов. Рассмотрим подробнее явления, происходящие при отжиге ИЛС кремния. Отжиг имплантационных дефектов. Главной движущей силой перестройки структуры в имплантированных слоях при термообработке является стремление системы к термодинамическому равновесию путем последовательного перехода в состояния с более низкой свободной энергией. С точки зрения имплантации и последующего отжига различают ИЛС, которые после имплантации имеют разупорядоченный приповерхностный слой (слой с высокой концентрацией точечных дефектов) и ИЛС с аморфным приповерхностным слоем. Разупорядоченный слой характерен для случая имплантации лёгких ионов или малых доз легирования. Аморфный слой возникает в случае имплантации тяжёлых ионов (As+, Sb+) в больших дозах. Отжиг этих двух типов ИЛС протекает по различным механизмам и характеризуется различными типами дефектов, остающимися в слое после отжига. В случае разупорядоченных слоев устранение дефектов структуры в процессе отжига представляет большие трудности, чем устранение сплошных аморфных слоев. Существуют два типичных спектра дефектов, остающихся в ИЛС после отжига. Первый соответствует дефектам только дислокационной природы. Второй включает в себя более сильные неоднородности (микродвойники, преципитаты, включения), так называемые "большие нерегулярности структуры". Зарождение дислокаций происходит в кристаллическом материале, а образование больших нерегулярностей структуры происходит при кристаллизации аморфизованных слоев на границе раздела кристалл-аморфный слой или в аморфной фазе. Аннигиляция первичных дефектов при отжиге разупорядоченных слоев кремния протекает посредством объёмной рекомбинации радиационных дефектов и их аннигиляции на поверхности. В результате отжига формируется широкий спектр вторичных структурно-морфологических дефектов. При этом состав дислокационного ансамбля зависит от многих факторов, включающих энергию, дозу имплантации и условия отжига. Обычно выделяют три различающихся своей морфологией типа дефектов. Это дислокационные петли, стержнеобразные дефекты, упорядоченные и неупорядоченные дислокационные сетки. Схема развития дислокационной структуры в разупорядоченных кристаллических слоях Si представлена на рис.4. Образования сеток не происходит в ситуации, когда концентрация дислокационных петель и стержнеобразных дефектов является низкой или процессы сокращения дефектов при высокотемпературном отжиге доминируют над процессами их роста. Пик концентрации зародившихся вторичных дефектов наблюдается в области максимума распределения радиационных повреждений или на глубинах, соответствующих среднему проецированному пробегу внедряемой примеси.

Рис.4. Общая схема развития дислокационной структуры в имплантированном Si; I - точечные дефекты, II - скопления точечных дефектов, III - дислокационные петли, IV - стержнеобразные дефекты, V - дислокационные сетки

Качественно оба эффекта объясняются просто. В области пика повреждений генерируется максимальное количество точечных дефектов и их комплексов, что означает наличие наиболее благоприятных условий для образования стабильных зародышей дислокаций и их последующего роста. Если на процессы зарождения и развития скоплений активно влияет внедренная примесь, то локализация вторичных дефектов отражает ее распределение. Аморфизованные ионной имплантацией слои кремния претерпевают заметную кристаллизацию в твердой фазе при температуре более 450 єС. Наличие монокристаллической подложки означает возможность реализации двух механизмов кристаллизации: 1) эпитаксиального роста на границе раздела слоя с подложкой; 2) зарождения и развития беспорядочно ориентированных кристаллов внутри аморфного слоя. Реализация того или иного механизма определяется в конечном итоге режимом отжига, типом и концентрацией внедренной примеси и др. Практическое значение имеет отжиг в режиме эпитаксиального роста. Кристаллизация на (100) ориентированных Si подложках осуществляется путем движения межфазной границы аморфный слой - кристалл к поверхности с постоянной скоростью Vкр. На межфазной границе происходит аннигиляция большинства имплантационных дефектов, а зависимость Vкр от температуры подчиняется простому экспоненциальному закону

Vкр = V0 exp(-Eкр/kTs), (2)

где V0 - предэкспоненциальный множитель, Eкр - энергия активации кристаллизации, k - постоянная Больцмана, Ts - температура кристаллизации. Аналогичная зависимость наблюдается и для ориентации (011) и в начальный период кристаллизации на (111) подложках. Величина энергии активации процесса не зависит от ориентации и составляет величину Eкр ? 2,7 эВ. В то же время скорость эпитаксиальной кристаллизации демонстрирует сильную зависимость от ориентации подложки. В частности Vкр для (100) приблизительно в 25 раз превышает Vкр для (111) ориентированных слоев. Скорость твердофазной кристаллизации сильно зависит от концентрации и типа имплантированной примеси. Общим свойством элементов Ш и V групп является способность увеличивать Vкр, если их концентрация не превышает 1 ат. %. Малорастворимые элементы других групп обладают свойством значительно замедлять эпитаксиальную кристаллизацию. Фронт кристаллизации обычно является планарным и имеет небольшие выпуклости высотой примерно 0,5 - 1 нм. Эти осцилляции отражают геометрическую форму поверхности раздела кристалл - аморфный слой после имплантации. Интересным представляется вопрос локализации дислокаций после отжига аморфных ИЛС. В этом случае зарождение вторичных дефектов происходит в узких по сравнению с размером поврежденной области зонах: на границе раздела кристалл - аморфный слой, а также в слоях, где концентрация атомов легирующей примеси превышает предел ее равновесной растворимости в кремнии. При значительных примесных пересыщениях наряду с дислокационными петлями в этих слоях наблюдаются примесные преципитаты. Активация и деактивация имплантированной примеси. Во время БТО аморфных слоев кремния твердофазная кристаллизация происходит очень быстро и заканчивается еще на стадии нагрева до максимальной температуры. При этом считается, что после прохождения фронта кристаллизации вся примесь электрически активна и находится в замещающем положении (то есть в узлах кристаллической решётки кремния). При достаточно больших дозах имплантации концентрация электрически активных атомов примеси может значительно превысить равновесный предел её электрической активации для данной температуры. Однако при продолжающемся нагреве или увеличении времени отжига происходит деактивация примеси. Снижение концентрации электрически активных атомов происходит вплоть до достижения ею значения соответствующего равновесному пределу электрической активации. При этом конечное значение концентрации электрически активных атомов определяется только температурой отжига. В связи с этим правильный выбор температуры и длительности отжига во многом определяет конечные электрические параметры ИЛС. При отжиге разупорядоченных слоёв активация примеси происходит посредством её диффузионных скачков по кристаллу до момента попадания в свободный узел решётки. Активация примеси тесно связана с кинетикой отжига точеных дефектов, которые во многом контролируют скорость диффузионного перемещения примеси. Реализация активации примеси по данному механизму приводит к тому, что процесс отжига разупорядоченных ИЛС обычно требует большего времени, чем отжиг аморфных ИЛС. Деактивация примеси происходит при повышенной температуре посредством образования электрически неактивных комплексов примесь-дефект, преципитацией примеси или смещением её из точного замещающего положения в узле кристаллической решётки кремния. Существует достаточно много моделей неактивного комплекса примесь-дефект. Трехатомный комплекс As, превращающийся в нейтральный дефект при комнатной температуре, может образовываться в соответствии со следующей реакцией:

3 As + e- - As3++ > As3. (3)

Реакция образования двухатомного комплекса As с нейтральной вакансией V0 выглядит следующим образом:

2As + V0 + 2e- - As2V0. (4)

Аналогичные процессы кластерообразования существуют и для других легирующих примесей: P, Sb и B. Процесс деактивации легирующей примеси обратим. Так если вслед за низкотемпературной обработкой, приводящей к деактивации примеси, провести отжиг с более высокой температурой, то наблюдается реактивация примеси. Диффузия имплантированной примеси. Традиционно диффузия примеси в полупроводниках описывается посредством взаимодействия её с точечными дефектами (вакансиями V и собственными междоузельными атомами I, находящимися в различных зарядовых состояниях), в виде пар дефект-примесь. Рассматривая диффузию атомов примеси в ИЛС, необходимо учитывать влияние на нее большого количества факторов. Остановимся на некоторых из них. Известно, что примеси III и V групп образуют в кремнии растворы замещения и диффундируют быстрее атомов кремния. Так как все эти примеси обладают высокой электрической активностью, то при достаточно высоких концентрациях они сдвигают положение уровня Ферми в кремнии и, следовательно, изменяют равновесную концентрацию точечных дефектов каждого из заряженных состояний. Поэтому наличие примесных атомов в кремнии при концентрациях, превышающих собственную концентрацию носителей, ni, при температуре диффузии, приводит к увеличению коэффициента диффузии. Кроме того, если концентрация примеси превышает несколько единиц на 1020 см-3, то модель пар дефект-примесь становится несправедливой, поскольку в этом случае, например, Е-центр в процессе его диффузии, уже нельзя рассматривать как изолированный объект. При таких концентрациях образуется "бесконечный" перколяционный кластер примесных атомов, находящихся в положении пятого ближайшего соседа по всей решетке кремния, поэтому в процессе диффузии Е-центра вакансия может взаимодействовать с чужой примесью. Вследствие этого возрастает эффективная концентрация вакансий и их подвижность, вызывая, в свою очередь, увеличение коэффициента диффузии. Данное явление принято называть концентрационно-ускоренной диффузией. Как уже отмечалось выше, при высоких концентрациях примеси возможна ее преципитация и кластерообразование. Существование в ИЛС электрически неактивных и неподвижных кластеров оказывает сильное влияние на диффузию примеси. Так замедление диффузии в области больших концентраций приводит к образованию характерных перегибов на профилях распределения концентрации примеси по глубине. Поэтому в моделях диффузии учитывается кинетика образования и распада примесных кластеров. Кроме того, при рассмотрении диффузии приходится учитывать и некоторые другие факторы, как-то: наличие или отсутствие аморфизации, температуру имплантации, условия отжига и др. Многие из этих факторов действуют одновременно и выделить долю воздействия каждого из них бывает достаточно трудно. Известно, что сурьма диффундирует в кремнии преимущес- твенно по вакансиям. В диффузии фосфора и бора, наоборот, преобладает влияние междоузлий. Мышьяк занимает промежуточное положение. Корректный подход требует включения в рассмотрение диффузию примеси посредством ее взаимодействия со всеми типами точечных дефектов. Тогда в общем виде коэффициент диффузии DS(n) будет зависеть от членов, учитывающих наличие в кремнии нейтральных, одно- и двух-заряженных собственных междоузлий и вакансий

(I +, I 0, I - , I =, V +, V 0, V -, V =): DS(n) = (DSI0 + DSV0) + + {DSI+ [eqCI+ (n) / eqCI+ (ni)] + DSV+ [eqCV+ (n) / eqCV+ (ni)]} + + {DSI - [eqCI- (n) / eqCI - (ni)] + DSV- [eqC V- (n) / eqCV- (ni)]} + + {DSI = [eqCI= (n) / eqCI= (ni)] + DSV= [eqC V= (n) / eqCV= (ni)]}, (7.5)

где DSI0, DSV0, DSI+, DSV+, DSI-, DSV-, DSI=, DSV= - коэффициенты диффузии примеси, соответствующие определенным типам дефектов, eqCI+, eqCV+, eqCI-, eqCV-, eqCI=, eqCV= - термически равновесные концентрации точечных дефектов в различных зарядовых состояниях r в условиях примесной n и собственной ni проводимости. Учитывая, что

eqCIr (n) / eqCIr (ni) = (n / ni)- r eqCVr (n) / eqCVr (ni) = (n / ni)- r (6)

уравнение (5) упрощается до следующего вида:

DS(n) = (DSI0 + DSV0) + (DSI+ + DSV+) (n / ni) + + (DSI- + DSV-) (n / ni) + (DSI= + DSV=) (n / ni)2. (7)

При этом включение в систему диффузионных уравнений членов, описывающих кинетику поведения точечных дефектов (их генерацию и аннигиляцию), кинетику формирования и распада кластеров атомов примеси позволяет описывать диффузию примеси в различных условиях: при наличии неравновесной концентрации точечных дефектов, ответственных за "аномальную" диффузию примеси в случае аморфного приповерхностного слоя; в случае разупорядоченного приповерхностного слоя, а также при отсутствии неравновесной концентрации дефектов в слое. Явление кратковременно ускоренной диффузии примеси. Явление кратковременно ускоренной диффузии было обнаружено в начале 80х годов. Оно заключается в том, что в первые моменты БТО ИЛС скорость диффузии легирующей примеси намного больше, чем это должно быть при данной температуре и концентрации примеси. С течением времени коэффициент диффузии уменьшается вплоть до стандартных значений. Понимание механизма этого явления, а также поиск путей минимизации его влияния очень важны с точки зрения формирования сверхмелких ИЛС. Протекание явления кратковременно ускоренной диффузии зависит от многих факторов, определяющих параметры процесса имплантации (температура имплантации, наличие или отсутствие аморфизации приповерхностного слоя, локализация аморфного слоя, сорт, доза, энергия внедряемых ионов), а также температуры и времени отжига, скорости нагрева до максимальной температуры и многого другого. В общем случае описание явления кратковременно ускоренной диффузии примеси выглядит следующим образом. В результате процесса имплантации в приповерхностном слое образуется большое количество точечных дефектов (разупорядоченный слой). Наличие неравновесной концентрации точечных дефектов, в частности собственных междоузельных атомов и их кластеров, является ответственным за реализацию механизма кратковременно ускоренной диффузии примеси в ИЛС. Кратковременное увеличение коэффициента диффузии атомов P, As, Sb и B связано с высвобождением собственных междоузельных атомов при нагреве, образованием пар дефект-примесь и ускоренной их диффузией. Ускоренная диффузия продолжается до тех пор, пока концентрация собственных междоузельных атомов не достигнет равновесного значения за счет аннигиляции дефектов на стоках. Такими стоками служат поверхность кристалла, дислокации и объемная рекомбинация. После окончания ускоренного этапа, диффузия продолжается с коэффициентом, определяемым только температурой отжига и концентрацией примеси. Для аморфных слоёв кремния, имплантированных ионами P+, As+, Sb+, также наблюдается явление ускоренной диффузии. В этом случае при прохождении фронта твердофазной кристаллизации происходит захват собственных междоузельных атомов, которые остаются в кристаллизованном слое и при дальнейшем нагреве высвобождаются, что и приводит к ускорению диффузии. Конечный эффект кратковременно ускоренной диффузии заключается либо в ускоренной преципитации примеси, либо быстром перераспределении примеси в ИЛС. Это перераспределение примеси может происходить как по направлению к поверхности кремния, так и вглубь него. На рис.5 представлены зависимости коэффициента диффузии и времени существования ускоренной диффузии от температуры отжига. Видно, что с ростом температуры увеличивается коэффициент диффузии и уменьшается ее длительность.

Рис.5. Зависимость длительности (а) и коэффициента (б) кратковременно ускоренной диффузии от температуры отжига и концентрации легирующей примеси

Быстрые термические обработки при формировании плёнок силицидов металлов, а также плёнок термического оксида кремния или оксинитрида кремния БТО активно используются не только для отжига ИЛС, но для выполнения ряда других операций. Хорошая воспроизводимость результата термообработки, высокая управляемость процесса, а также возможность его выполнения в активной газовой среде (кислород, азот, аммиак) послужили дополнительными аргументами « за» БТО. Рассмотрим два характерных современных применений быстрого отжига. Задача по формированию сверхтонких (1,2-5 нм) плёнок подзатворного диэлектрика (SO2 или SiON) возникла в связи с быстрым масштабированием размеров транзистора. Получение таких тонких плёнок при термическом окислении кремния в печи практически невозможно, вследствие большой длительности и инерционности процесса. Сокращение времени окисления с помощью быстрого нагрева позволяет получать, а главное более точно контролировать и воспроизводить толщину сверхтонких плёнок. Процесс формирования плёнки диоксида кремния проводится аналогично процессу отжига ИЛС, но в реакторе, наполненном кислородом. Проводя дополнительную нитридитацию сформированной плёнки SiO2 в атмосфере азота или аммиака, можно получить плёнку SiON, применение которой позволяет существенно уменьшить токи утечки и повысить безотказность работы транзистора. В процессе термообработки атомы азота проникают в плёнку SiO2, образуя оксинитрид. Характерная температура нитридитации лежит в диапазоне 900-1100 °С. Задача по формированию NiSi омических контактов к стоковым и истоковым областям возникла также в связи с быстрым уменьшением размеров транзисторов. Силицид никеля, по сравнению с силицидом кобальта, позволяет получить пониженное слоевое и контактное сопротивление, уменьшить глубину проникновения контакта в глубь кремния, а также снизить температуру силицидообразования вплоть 400-450 °С. Формирование NiSi производится в течение термообработки плёнки Ni толщиной ?10 нм, осаждённой на чистую поверхность кремния. При нагреве происходит диффузия и химическое взаимодействие исходных элементов (Si и Ni) с образованием NiSi, при этом расходуется часть кремния, а контакт проникает в глубь кристалла. На рис.6 приведены зависимости слоевого сопротивления плёнки NiSi в зависимости от температуры отжига при его различной длительности. Видно, что с уменьшением длительности отжига для достижения минимального сопротивления требуется всё большая температура.

Рис.6. Зависимость слоевого сопротивления плёнки NiSi от температуры отжига; 1 - длительность выдержки при максимальной температуре 0 с, 2 - 30 с, 3 - 60 с; толщина исходной плёнки Ni 10 нм, капсулирующая плёнка TiN

Новые методы импульсного отжига В зависимости от вида профиля распределения температуры по глубине нагреваемой пластины различают три характерных режима отжига: адиабатический, режим теплового потока и изотермический режим. Профиль распределения температуры по глубине пластины устанавливается из теплового баланса между энергией, вложенной в пластину из внешнего источника, и потерями энергии на излучение, теплопроводность и конвекцию. Толщина слоя, в котором происходит поглощение мощности, вкладываемой в пластину, зависит от длины волны электромагнитного излучения, материала полупроводниковой пластины и материала плёнок, нанесённых на поверхность структуры. Излучение ультрафиолетового диапазона длин волн поглощается в очень тонких слоях (единицы - десятки нанометров). Поглощение инфракрасного излучения происходит в более толстых слоях кремния. Адиабатический режим характеризуется чрезвычайно малой длительностью импульса излучения (наносекунды - микросекунды). Нагрев приповерхностного слоя, в котором происходит поглощение энергии излучения, происходит быстрее, чем распространение тепла вглубь пластины. В результате нагревается только тонкий приповерхностный слой, весь остальной объём пластины остаётся холодным (рис.7, а). Режим теплового потока характеризуется более длинным импульсом излучения (миллисекунды). Скорость нагрева приповерхностного слоя и скорость распространения тепла имеют сравнимые значения. В результате нагреваются более глубокие слои материала, однако распределение температуры по глубине пластины остаётся неоднородным с максимумом на поверхности (рис.7, б). Длительность излучения при изотермическом режиме превышает одну секунду. Нагрев приповерхностного слоя, в котором поглощается энергия, происходит медленнее, чем распространение тепла вглубь пластины. Как результат, вся толщина пластины прогревается однородно (рис.7, в). БТО всегда производится в изотермическом режиме и характеризуется минимальными механическими напряжениями, вызванными температурными градиентами.

Основное направление развития импульсных методов отжига - это уменьшение «теплового бюджета» (thermal budget), т.е. интегральной величины, одновременно учитывающей температуру и длительность отжига. При этом отсчёт температуры начинается с величины, при которой скорость стимулированных теплом процессов становится отличной от нуля (рис. 7.8). Минимизация «теплового бюджета» позволяет уменьшить перераспределение примеси при отжиге ИЛС, а также минимизировать развитие других нежелательных процессов в Si структуре, стимулируемых нагревом.

Рис.7. Режимы импульсной термообработки полупроводниковых структур и распределения температуры в пластине по двум осям при неоднородном вдоль оси Y источнике тепла

Рис.8. Зависимость температуры Si пластины от времени отжига, демонстрирующая понятие «теплового бюджета»

С точки зрения минимизации «теплового бюджета» необходимо снижать максимальную температуру отжига и время выдержки при максимальной температуре, а также увеличивать скорость нагрева и скорость охлаждения. Новые, разрабатываемые сегодня методы отжига, как раз и направлены на удовлетворение этих требований. Рассмотрим некоторые из них. 1. Отжиг в пичковом режиме (spike annealing) близок к классическому БТО, однако время выдержки при максимальной температуре ф равно нулю. Кривая нагрева пластины в случае пичкового приведена на (рис.9, а), отжиг обычно протекает в изотермическом режиме. 2. Отжиг вспышкой (flash annealing) выполняется посредством предварительного нагрева пластины до некоторой фоновой температуры (максимум до 600 °С), например, с помощью галогеновых или дуговых ламп, и затем производится быстрый нагрев до нужной температуры с помощью импульсной дуговой лампы, при этом длительность вспышки лампы составляет миллисекунды. Кривая нагрева пластины в случае отжига вспышкой приведена на (рис.9, б). Отжиг на стадии предварительного нагрева протекает в изотермическом режиме, а на стадии вспышки - в режиме теплового потока. Предварительный нагрев позволяет уменьшить температурные градиенты и минимизировать мощность лампы-вспышки. 3. Лазерный отжиг (laser thermal processing) производится импульсом лазерного излучения с длительностью в диапазоне от наносекунд до микросекунд (см. рис.9, в). Термообработка протекает в адиабатическом режиме через плавление тонкого приповерхностного слоя кремния с последующей жидкофазной кристаллизацией расплава. Кристаллизация начинается на границе раздела расплав - твердое тело, а фронт кристаллизации движется по направлению к поверхности. Для того чтобы реализовать данный режим нагрева, необходимо обеспечить выполнение несколько условий, к которым следует отнести малую длительность импульса (наносекунды - микросекунды), достаточную плотность энергия в импульсе (0.5-2 Дж см-2), небольшую глубину поглощения излучения в нагреваемом материале (1-10 нм).

Рис.9. Температурно-временные зависимости (1) и распределение температуры по глубине пластины Si (2) для различных методов импульсного отжига; а - пичковый отжиг, б - отжиг вспышкой, в - лазерный отжиг

Выполнение последнего требования возможно только при использовании коротковолнового ультрафиолетового излучения. Размер луча в плоскости пластины обычно равен размеру кристалла ИС и за один импульс производится отжиг одного чипа. На (рис.10) представлены изображения поперечных сечений образцов Si после имплантации, приведшей к аморфизации приповерхностного слоя, и после лазерного отжига. Видно, что отжиг позволяет получить полностью бездефектный слой кремния. К достоинствам лазерного отжига можно отнести: * возможность получения ультрамелких переходов, так как в случае жидкофазной кристаллизации толщина легированного слоя определяется толщиной расплава и, следовательно, длиной волны и энергией излучения; * возможность получения концентрации активной примеси выше предела равновесной электрической растворимости и, как следствие, получения ИЛС с низким слоевым сопротивлением; * возможность получения слоёв с низким содержанием остаточных имплантационных дефектов, так как в процессе плавления они все исчезают. Среди недостатков метода отметим следующие: * высокие механические напряжения между нагретыми и более холодными участками пластины, что характерно как для латеральных направлений, так и вертикального направления; * возможность захвата дефектов на границе между расплавом и твердым телом и появления остаточных дефектов в ИЛС. В настоящее время лазерный отжиг рассматривается как весьма перспективный с точки зрения получения сверхмелких ИЛС с низким удельным сопротивлением. 4. Лазерный отжиг в условиях, когда не происходит плавление приповерхностного слоя и отжиг протекает в твердой фазе (laser thermal annealing), также производится лучом лазера, но луч при этом непрерывно сканируется по поверхности пластины. Сравнительный анализ результатов отжига ИЛС различными методами, представленный на (рис.11), свидетельствует о том, что с уменьшением длительности отжига становится возможным получение всё более мелких ИЛС, а также ИЛС с меньшим слоевым сопротивлением.

Рис.10. Микроскопические изображения поперечных сечений образцов Si после имплантации ионов Ge с энергией 5 КэВ (а), и после лазерного отжига (б)

Рис.11. Слоевое сопротивление и толщина ИЛС в соответствии с технологическими требованиями для различных топологических норм и различных методов импульсного отжига: 1 - БТО; 2 - пичковый отжиг; 3 - отжиг вспышкой; 4 - лазерный отжиг; 5 - требования ITRS для различных топологических норм

Размещено на Allbest.ru