автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Формирование мелкозалегающих легированных слоев в кремнии диффузией из поверхностного источника в условиях быстрой термической обработки

61

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВАРЗАРЁВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ ЛЕГИРОВАННЫХ СЛОЕВ В КРЕМНИИ ДИФФУЗИЕЙ ИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО ИСТОЧНИКА В УСЛОВИЯХ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Д.А. Сеченов

Научный консультант кандидат технических наук,

доцент A.M. Светличный

Таганрог, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................^

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ МЕТОДОВ ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ..............:..................................................................$

1.1. Методы формирования мелкозалегающих слоев в кремниевых структурах...............................................................................................................3

1.2. Анализ известных экспериментальных данных по диффузии примесей в кремний в условиях БТО.....................................................................&

Выводы..........................................................................................................

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ ЗАМЕЩЕНИЯ В КРЕМНИИ ПРИ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ..............................Д?

2.1. Современные представления о диффузии примесей замещения в кремнии....................................................................................................................32

2.2. Моделирование диффузии примеси замещения в кремний при ЪТО.47 Выводы...........................................................................................................

3. ДИФФУЗИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ КРЕМНИЯ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ В УСЛОВИЯХ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.....££

3.1. Диффузия фосфора из легированной силикатной пленки....................

3.2. Диффузия фосфора из легированной анодной оксидной пленки... .....

Выводы......................................... ..................................................................Я6

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР, ПОЛУЧЕННЫХ ДИФФУЗИЕЙ ИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО ИСТОЧНИКА ПРИ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ.........................V

3

4.1. Влияние БТО на электрические параметры полупроводниковых

структур..................................................................................................................

4.2. Геттерирование металлических примесей в процессе диффузии фосфора из легированной силикатной пленки в условиях БТО..........................92

Выводы..........................................................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................./Со

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................'&г

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................'Ж

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

При переходе к субмикронным размерам происходит вытеснение активных областей элементов интегральных схем в приповерхностный слой. В связи с этим обостряется проблема стабилизации геометрических параметров этих областей при термических обработках. Последнее требует совершенствования технологии микроэлектроники, которое ведется по пути снижения температуры (с использованием нетермически активируемых процессов) или сокращения длительности высоко- температурной обработки.

Среди новых методов, интенсивно внедряемых в процесс изготовления интегральных схем, важное место занимает быстрая термическая обработка (БТО), которая является перспективным методом для формирования мелкозалегающих слоев диффузией из различных источников, что обусловлено, прежде всего, низкой дефектностью диффузионных слоев по сравнению с ионно-легированными.

Высокое качество и малая глубина залегания переходов являются одними из главных условий, которые ставятся при получении быстродействующих интегральных схем, солнечных элементов и датчиков ионизирующих излучений. Для этого необходим тщательный контроль всех технологических операций, который может быть достигнут при интеграции технологического оборудования в единый замкнутый модуль. Наметившийся в последнее время переход от групповой к поштучной обработке подложек, предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию. В этом отношении, экономичность, высокая точность контроля режимов обработки делают БТО незаменимым процессом субмикронной технологии.

Однако присутствие некоторых особенностей применения БТО в технологических процессах по сравнению с традиционными длительными термическими операциями, а также невозможность объяснения их в рамках известных моделей сдерживает интенсивное внедрение БТО в серийное производство. Так, до сих пор не выяснен механизм ускоренной диффузии примеси при БТО, который во многом определяется взаимодействием примеси с точечными дефектами.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является разработка модели диффузии примеси в кремний при быстрой термической обработке и исследование температурно-временных режимов формирования мелкозалегающих легированных слоев в кремнии диффузией из поверхностных источников в условиях быстрой термической обработки некогерентным излучением.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих

задач:

- разработать модель поведения дефектно-примесной системы в кремнии при быстрой термической обработке;

- проанализировать влияние режимов нагрева на распределение примеси в легированном слое;

- оценить влияние дефектов, генерируемых при БТО, на характеристики полупроводниковых приборов и исследовать температурно-временные циклы нагрева с целью геттерирования остаточных дефектов.

Научная новизна

- предложена модель диффузии примеси из поверхностного источника, учитывающая кинетику взаимодействия точечных дефектов с атомами примеси; показано, что на начальной стадии процесса преобладающим является межузельный механизм диффузии;

- установлено, что ускорение диффузии фосфора в кремний при БТО определяется комплексами примесный атом - собственный межузельный атом кремния и проявляется при скоростях нагрева свыше 50 °С/с;

- установлена корреляция между распределением примеси в легированной анодной оксидной пленке (АОП) и кремниевой подложке, проявляющаяся при БТО в секундном диапазоне;

- на основе термодинамического анализа реакций окисления кремния в 10%-ом растворе ортофосфорной кислоты в этиленгликоле объясняется неравномерное распределение примеси в АОП; установлено, что фосфор в АОП может находиться как в виде оксида - Р2О5, так и в элементарном виде - Р.

Практическая ценность работы

- выработаны рекомендации по выбору температурно-временных режимов формирования мелкозалегающих р-п-переходов диффузией из легированных силикатных и анодных оксидных пленок в условиях БТО;

- разработан пакет программ в системе МАТЬАВ, позволяющий рассчитывать пространственно-временные распределения примеси и точечных дефектов.

Основные положения, выносимые на защиту

- модель диффузии примеси замещения в кремнии в условиях БТО;

- ускорение диффузии определяется комплексами примесный атом -собственный межузелъный атом кремния;

- ускорение диффузии фосфора в кремний проявляется при скоростях нагрева свыше 50 °С/с;

- при формировании легированного слоя диффузией фосфора из легированной силикатной пленки в условиях БТО происходит геттерирование неконтролируемых металлических примесей в подложке.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен обзор известных методов формирования мелкозалегающих слоев, которые можно выделить в три группы: 1) ионная имплантация, 2) диффузия из твердофазных источников, 3) диффузия из газовой фазы. Кратко рассмотрены их достоинства и недостатки. Проведен анализ известных экспериментальных данных по диффузии примесей в условиях быстрой термической обработки.

Во второй главе рассмотрены современные представления о диффузии примесей в кремнии. Проанализированы известные модели диффузии. Рассмотрена модель диффузии примеси в кремнии при БТО. Приведены расчетные данные распределения примеси, точечных дефектов и дефектно-примесных комплексов в процессе диффузии. Установлена зависимость между скоростью нагрева и временем распада комплексов.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты по легированию кремния фосфором при быстрой термической обработке из легированных силикатных и анодных оксидных пленок. Проведено исследование влияния скорости нагрева на диффузию. Исследована взаимосвязь между распределением примеси в легированной АОП и в кремниевой подложке при БТО. Рассмотрены причины неравномерности распределения примеси в анодной пленке.

В четвертой главе проведено исследование влияния режимов обработки на электрические характеристики полупроводниковых структур. Продемонстрирована возможность геттерирования остаточных примесей из подложки при формировании легированного слоя диффузией фосфора из силикатной пленки при БТО.

В заключении изложены выводы и основные результаты работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ МЕТОДОВ

ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ

1.1. Методы формирования мелкозалегающих слоев в кремниевых структурах

Диффузия является одной из важнейших технологических операций в процессе изготовления полупроводниковых приборов и монолитных БИС и СБИС. Она используется для формирования базовых, эмиттерных и разделительных областей биполярных транзисторов, "карманов" в КМОП-структурах, проводящих слоев диффузионных резисторов, боковых поверхностей щелевидных конденсаторов и др. /1-3/.

При переходе к субмикронным размерам элементов СБИС важной задачей является формирование мелких (-0.1 мкм) переходов. Традиционный метод диффузии для этих целей малопригоден. Этот процесс требует длительного времени и с его помощью нельзя получить мелкие высоколегированные слои.

Применяемая для формирования мелких переходов ионная имплантация обладает рядом недостатков. Это, прежде всего эффект каналирования, который наиболее сильно проявляется при легировании легкими атомами (В). Отжиг постимплантационных кристаллографических дефектов - высокотемпературный процесс, но ограничен во времени для предотвращения перераспределения имплантированной примеси. Это температурно-временное ограничение делает трудным отжиг дефектов, которые приводят к увеличению токов утечки изготавливаемых приборов.

Кроме того, в качестве недостатка следует отметить сложность и высокую стоимость оборудования ионной имплантации.

Одним из наиболее перспективных методов формирования мелких переходов является диффузия в условиях быстрой термической обработки или так называемая быстрая термическая диффузия (БТД). В последнее время ведется интенсивное изучение этого процесса с целью широкого применения в производстве СБИС. В процессах быстрой термической обработки для нагрева используется некогерентное излучение галогенных ламп. По сравнению с традиционной диффузией БТД отличается высокой скоростью нагрева, выдержкой при высокой температуре короткое время (от нескольких секунд до десятков секунд) и быстрым охлаждением. Кроме того, оборудование для быстрой термической обработки потребляет значительно меньше электроэнергии, чем традиционные диффузионные печи, что дает немалый экономический эффект.

Главное преимущество БТД перед ионной имплантацией - это то, что она позволяет избежать структурных повреждений кристаллической решетки, то есть БТД является практически бездефектной технологией.

В качестве источника примеси при БТД обычно используется поверхностный источник, например, легированная пленка эмульсионной композиции, легированный окисел, полученный химическим осаждением из газовой фазы. В качестве источника может быть использован легированный поликремний. Возможна также БТД из газовой фазы.

Рассмотрим подробнее методы формирования мелкозалегающих переходов.

Твердофазные методы легирования.

1. Планарный твердофазный источник. Диффузия из планарного твердофазного источника успешно используется в традиционном процессе, и ожидалось, что это будет простой дешевый и эффективный источник для БТД, несмотря на то, что для его приготовления требуется длительное время. Однако, как показали эксперименты, в случае диффузии Р и Ав при малой длительность процесса не успевает проходить термическое разложение материала источника с образованием оксидов (Р2О5 и АзгОз) и последующим их переносом к поверхности кремния (границе раздела) и диффузией /4/.

В случае диффузии В оксид В20з образуется на поверхности В>1-источника в процессе окисления перед диффузией, но его реализация в процессе БТД неэффективна вследствие малого времени процесса. Инжекция водорода в камеру, которая приводит к образованию борной кислоты вследствие гидрогенной реакции с В2О3, ускоряет процесс, но дает слишком большую толщину боросиликатного стекла /5/.

2. Легированный поликремний. Другой источник примеси, используемый в процессе БТД - легированный слой поликремния, осажденный на кремниевую подложку /6,7/. Эта технология решает проблему постимплантационных повреждений в кремнии, так как имплантация выполняется в нелегированный поликремний или в аморфный кремниевый слой. Энергия имплантации выбирается так, чтобы примесь вводилась только в осажденный слой и не проникала в подложку. Высокая скорость диффузии в поликремнии вследствие диффузии по границам зерен и доменная структура поликремниевого слоя делает этот источник более эффективным по сравнению с легированным аморфным слоем.

В традиционной технологии диффузии поликремниевый слой может рассматриваться как источник с постоянной концентрацией вследствие высокой скорости диффузии примеси в поликремнии. Однако при БТД вследствие малой длительности процесса многие эффекты, такие как объемная диффузия, диффузия по границам зерен, эпитаксиальная рекристаллизация, образование оксида и сегрегация примеси на границе раздела негативно сказываются на эффективности диффузии /8/. Все эти эффекты должны быть учтены и хорошо изучены для определения оптимальных режимов процесса.

Никакого влияния зернистой структуры поликремния на однородность перехода вследствие диффузии по границам зерен не наблюдалось для переходов толще 0.1 мкм. Однако это влияние может проявляться для ультрамелких переходов (тоньше 0.1 мкм), требуемых для УСБИС. Зернистая структура источника может быть также причиной шероховатости границы раздела кремний-поликремний, что может привести к деградации вольт-амперных характеристик формируемых приборов.

3. Силицид как диффузионный источник. Данный метод является логическим продолжением традиционной силицидной технологии и технологии ионно-лучевого перемешивания. Различные варианты этого метода исследованы в 191, Примесный источник создается ионной имплантацией через пленку металла или силицида; последующая диффузия в кремний приводит к образованию мелких переходов. Для этих целей используются различные силициды, такие как ^¡2, \VSi2, СоБ12, Та81г, №812, Мой и 1481.

Имплантация в кремний через слой силицида не решает всех проблем традиционной имплантации, таких как повреждения кристаллической

решетки и эффект каналирования. В действительности же добавляются новые проблемы - очень высокая чувствительность профиля распределения примеси к толщине силицида, термическая деградация силицида, токи утечки вследствие обратной диффузии примеси из кремния в силицид.

Более перспективным методом легирования является метод, использующий силицид как диффузионный источник 191. В этом случае примесь имплантируется в силицидный слой. Однако этот метод также имеет ограничения. Так, например, формирование мелких высоколегированных слоев затруднено вследствие сегрегации примеси на границе раздела и образования комплексов металл-примесь. Даже несмотря на то, что имплантационные повреждения ограничены слоем силицида, шероховатость границы раздела силицид-кремний может привести к увеличению токов утечки свыше 1-10 нА/см . Шероховатость границы раздела силицид-кремний может быть снижена и, следовательно, уменьшены токи утечки, если для формирования силицида применяется технология ионно-лучевого перемешивания. Малые токи утечки в переходах, полученных данным методом показывают также, что отжиг при температурах порядка 1000 °С не приводит к образованию глубоких рекомбинационных центров, содержащих атомы металла.

Газофазные методы легирования.

1. Сверхтонкие высоколегированные переходы можно получить методом газоиммерсионного лазерного легирования (GILD). Суть метода заключается в следующем. Поверхность кремния обрабатывается лазерным лучом в атмосфере, содержащей газофазную примесь: диборан, трифторид бора, арсин. Лазерное излучение вызывает локальн