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

На правах рукописи

ВАРЗАРЁВ Юрий Николаевич

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

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог - 1998 г.

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники и технолога больших интегральных схем Таганрогского государственного радо технического университета.

Научный руководитель

Научный консультант

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Сеченов Д. А.

кандидат технических наук, доцент Светличный А.М.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Захаров А.Г.

кандидат технических наук Гусев Б. А.

Ведущая организация

НИИ электронной техники, г. Воронеж

Защита состоится

«Ш »

одша

1999 г. в

мин.

на заседании диссертационного совета Д063.13.04 при Таганрогско государственном радиотехническом университете (347928, г. Таганро ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «/У» 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.13.04 к.т.н., доцент

Старченко И.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

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

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

Высокое качество и малая глубина залегания переходов являются цними из главных условий, которые ставятся при получении ыстродействующих интегральных схем, солнечных элементов и датчиков оптирующих излучений. Для этого необходим тщательный контроль всех :хнологических операций, который может быть достигнут при интеграции ¡хнологического оборудования в единый замкнутый модуль. Наметившийся в эследнее время переход от групповой к поппучной обработке подложек, зедъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию. В ом отношении, экономичность, высокая точность контроля режимов зработки делают БТО незаменимым процессом субмикронной технологии.

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

Цель и задачи работы.

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

Для достижения указанной цели необходимо решение следующи

задач:

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

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

- оценить влияние дефектов, генерируемых при БТО, на характеристик полупроводниковых приборов и исследовать температурно-временные цикл нагрева с целью гетгерирования остаточных дефектов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- модель диффузии примесей в кремнии в условиях БТО;

- ускорение диффузии определяется комплексами примесный атом собственный межузельный атом кремния',

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

- при формировании легированного слоя диффузией фосфора из егированной силикатной пленки в условиях БТО происходит гетгерирование (¡контролируемых металлических примесей в подложке.

Научная новизна:

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

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

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

- на основе термодинамического анализа реакций окисления кремния в 0%-м растворе ортофосфорной кислоты в этиленгликоле объясняется еравномерное распределение примеси в АОП; установлено, что фосфор в ЮП может находиться как в виде оксида (Р2О5), так и в элементарном иде (Р).

Практическая ценность работы;

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

- разработан пакет программ в системе МАТЬАВ. позволяющи рассчитывать пространственно-временные распределения примеси и точечнь: дефектов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались представлялись на Всероссийских научно-технических конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектронию (Дивноморское, 1995. 1996. 1997 гг.). на ежегодных научно-техническ! конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов сотрудников ТРТУ (г. Таганрог (1994-1997 гг.).

Практические результаты диссертационной работы апробированы внедрены в НИИ МВС (г. Таганрог) в технологическом процессе изготовлен! датчиков ионизирующего излучения на основе обратнос.мещенных р-) переходов, на опытном заводе космического приборостроения (г. Бак Азербайджан) в технологическом процессе изготовления солнечны элементов, а также в учебном процессе на кафедре МЭТ БИС ТРТУ.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликоваь 9 печатных работ.

Спнктура и объем диссертации. Диссертация состоит из введен» четьфех глав, заключения, списка цитируемой литературы из (•■ наименований. Общий объем диссертации 117 страниц, включая 37 рнсунко 3 таблицы и 8 страниц приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен обзор методов формирования елкозалегающих слоев, которые можно выделить в три группы: 1) ионная «плантация, 2) диффузия из твердофазных источников. 3) диффузия из повой фазы. Кратко рассмотрены их достоинства и недостатки.

Диффузия в условиях быстрой термической обработки является грспективным методом формирования мелкозалегающих р-п-переходов.

процессах быстрой термической обработки нагрев осуществляется ¡¡когерентным излучением галогенных ламп. По сравнению с традиционной иффузией данный метод позволяет более точно управлять температурно-эеменными режимами обработки, что способствует увеличению выхода иных приборов и интегральных схем. Кроме того, оборудование для ыстрой термической обработки потребляет значительно меньше 1сктроэнергии чем традиционные диффузионные печи, что дает шчительный экономический эффект.

Проведенный анализ экспериментальных данных по диффузии в :ловиях быстрого термического нагрева показал, что в этом случае имеет ссто ускоренная диффузия примесных атомов из поверхностного источника, цененные по профилям распределения примеси эффективные коэффициенты к]>фузии на 0.5-1.5 порядка превышают значения, известных при штельных изотермических отжигах. Если в случае термообработки ионно-лплантированных слоев ускоренная диффузия объясняется отжигом «иационных дефектов, то в случае диффузии из поверхностного источника жа нет объяснений механизмов процесса ускорения. В общем случае

считается, что ускоренная диффузия при БТО определяется влияни неравновесных точечных дефектов, возникающих в кристалле.

Во второй главе рассмотрены современные представления диффузии примесей замещения в кремнии. Отмечено, что диффузия примес III и V групп осуществляется посредством комплексов примесный атом вакансия (.4 V) и/или примесный атом - собственный межузельный атом (/ (так называемая парная диффузия). Преимущественный механизм диффуз определяется величинами концентраций точечных дефектов.

Проанализированы известные модели диффузии.

Предложена модель нестационарной диффузии примес учитывающая кинетику взаимодействия примесных атомов с точечны; дефектами на этапе нагрева. Основные положения предлагаемой моде заключаются в следующем:

1. Диффузия проходит по двойному механизму посредсга примесно-межузельных и примесно-вакансионных комплексов (AI и АI-).

2. Образование пар AI происходит в приповерхностном сл полупроводника при внедрении примесного атома. По мере продвижен вглубь кристалла эти комплексы распадаются согласно реакции

А +I-AI, (

достигая равновесной концентрации в соответствии с законом действующ масс.

3. Образование и распад комплексов А V происходит в объе: полупроводника согласно реакции

A+V^AV. (

Кроме взаимодействия точечных дефектов с примесными атома! учитываются процессы их генерации и рекомбинации посредством реакции

I+V-<0>. (

Все рассмотренные выше процессы описываются системой кинетических уравнений: 5 С, я 2

Ъ-=о1^-кпсА -с1+кгХсА1 -кгес{сус, -с;с;)

д{ дх1 х '

(4)

^ — Д/ 2 к(1Сл ■ Су + кг2СЛУ кгес[СуС1 СУС,} (5)

Чг= Па' +'с'" (6)

д СЛУ г> 8 2 САУ ; С .г с (7)

д1 дх

^ ^ ~ ~Ь/\Са 'С} +кг1СА] ~к^гСА - Су +кг2САУ

Здесь Сх и Дл- - концентрация и коэффициент диффузии соответствующего компонента Л'; С,*,С* - равновесные концентрации

вакансий и межузельных атомов; к/ и кг - константы скоростей прямой и обратной реакций (1,2); к„с - константа скорости рекомбинации вакансий и межузельных атомов (3).

Граничные условия выбираются следующими:

- для вакансий и межузельных атомов на поверхности предполагается рекомбинация

~ <9)

О, -С,)- <•«)

где сгу и о> - скорости поверхностной рекомбинации вакансий и межузельных атомов соответственно;

- для комплексов А1 в соответствии с пунктом 2 предполагаете) условие генерации

где ос - скорость образования пар А/ на поверхности кремния. (78,игГ

концентрация примесных атомов на границе раздела;

- для комплексов .!Г на поверхности предполагается условт отражения

Данная модель рассмотрена на примере диффузии фосфора с учето:* зарядовых состояний точечных дефектов. Решение полученной системь уравнений осуществлялось численно по неявной разностной схеме I нахождением на каждом временном шаге стационарного совместного решени. итерационным методом.

Особенностью данной модели является учет скорости нагрева, дл: чего на каждом временном шаге заново вычислялись все, зависящие о температуры параметры (закон изменения температуры предполагало линейным).

Как показал проведенный анализ, при высоких скоростях нагрева д< момента достижения рабочей температуры равновесие в реакции (1) н успевает установиться (рис.1), и в силу избыточной концентрации комплексе: Л1 будет преобладать межузельный механизм диффузии. А посколыс коэффициент диффузии комплексов Л1 почти на порядок болыш коэффициента диффузии комплексов А V (при 1000 "С - 3.8- К)"10 1 1.15-К) " см2/с соответственно), то в начальный момент времени диффузи: примеси будет проходить ускоренно. При медленном нагреве (менее 50 "С/с равновесие успевает установиться, и концентрация пар А1 снижается до свосп

= <сА1-ст<у

(11

с х

(12

авновесного значения не успев продиффундировать на большую глубину, "аким образом, ускорение диффузии имеет место при высоких скоростях агрева (более 50 °С/с). которые характерны для БТО.

время, с

'не. 1. Установление равновесия и реакции А * 1- А! при различных скоростях нагрева (1 - 50 °С/с, 2 - 100 "С/с, 3 - 200 Т/с).

В третьей главе приведены экспериментальные результаты по сгированию кремния фосфором из силикатных и анодных оксидных пленок ри быстрой термической обработке.

В экспериментах использованы пластины кремния марки КДБ-10 III). Для получения легированной силикатной пленки использовался состав, рсдставляющий многокомпонентную гомогенную систему, образующуюся в езультатс гидролиза тстраэтоксисилана Si(OC;H0-i и последующей оликонденсации продуктов гидролиза в присутствии органического астворитсля и ортофосфорной кислоты Н3РО.1, которая служит источником сгирующей примеси. Легированные фосфором анодные оксидные пленки ормировались в 10%-м растворе ортофосфорной кислоты в этиленгликоле.

Диффузия проводилась на установке ИТО-18М.

Профили распределения электрически активного фосфора были олучены по измерениям поверхностного сопротивления легированных слоев

четырехзондовым методом в сочетании с послойным удалением кремн анодным окислением и травлением в плавиковой кислоте.

Характерной особенностью диффузии при БТО является то, ч примесь проникает на достаточную глубину (~0.1 мкм) уже на этапе натре! На рис.2 представлены профили распределения фосфора, полученн диффузией при различных скоростях нагрева. Чтобы более точно оцеш влияние скорости нагрева на диффузию примеси, выдержка не производил; (то есть по достижении заданной температуры нагрев прекращало Сопоставление данных профилей с расчетными качественно подтвержу теоретические выводы о том, что фактором, определяющим ускореь диффузии примеси при БТО является скорость нагрева.

10*

8 10» к

10'

10

10ОО °С теоретич. зкспер.

\ з

0.02 0 04 0.06 0 08 глубина, мкм

о □

д

0.1 012

Рис. 2. Профили распределения электрически активного фосфора после диффузии из легированной силикатной, пленки при различных скоростях нагрев, 1 - 50 °С/с, 2 - 100°С/с, 3 - 200 °С/с.

О

Отличительной особенностью анодной оксидной пленки как ¡ффузионного источника является неравномерное распределение примеси по >лщине пленки (примесь сосредоточена вблизи границы раздела пленка-здложка), обусловленное характером процесса анодного окисления. Это не сазывает влияния на распределение примеси при длительной диффузии, хнако проявляется при БТО в секундном диапазоне в изменении эверхностной концентрации в процессе диффузии.

На основании термодинамического анализа химических реакций ормирования АОП установлено, что фосфор в пленке может находиться как виде оксида (Р2О5), так и в элементарном виде (Р), что приводит к наличию 5ух составляющих в потоке примеси на начальной стадии процесса 1ффузии.

В четвертой главе рассмотрено влияние быстрой термической ¡работки на генерацию дефектов в кремнии, показана возможность ттерирования металлических примесей в процессе диффузии фосфора из тированной силикатной пленки в условиях БТО. Механизм геттерирования этом случае можно объяснить наличием избыточной концентрации |бственных межузельных атомов кремния, образующихся при распаде жмесно-межузельных комплексов в процессе диффузии фосфора, которые ■ггесняют атомы металла из узлов кристаллической решетки в межузельные )ложения. заставляя их тем самым перемещаться к поверхности, где юисходит их поглощение легированной силикатной пленкой. Показано, что ттерирование будет наиболее эффективным при скоростях нагрева >-200°С/с. Сравнение электрических параметров (вольтамперных и шумовых фактеристик) диодов, изготовленных диффузией фосфора из легированной шикатной пленки при различных скоростях нагрева подтверждает 13можность геттерирования при соответствующих режимах БТО (снижение ков утечки и увеличение напряжения пробоя перехода со 120 В при скорости 1грева 20 °С/с до 160 В при 100°С/с).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена модель диффузии примеси из поверхностного источник: учитывающая кинетику взаимодействия точечных дефектов с атомам примеси и позволяющая рассчитывать профили распределения примеси учетом скорости нагрева. На основе предложенной модели установлено, чт ускорение диффузии примеси определяется комплексами примесный атом собственный межузельный атом кремния.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, чт ускорение диффузии фосфора в кремний при БТО проявляется при скоростя нагрева свыше 50 °С/с. Показано, что при формировании мелкозалегающи р-п-переходов диффузией из поверхностного источника в условиях БТ( необходимо учитывать скорость нагрева.

3. Экспериментально установлена корреляция между распределение? примеси в легированной анодной оксидной пленке и в кремниевой подложк при быстрой термической обработке в секундном диапазоне. Показано, чт для исключения влияния неравномерности распределения примеси в пленк на распределение ее в кремнии анодные оксидные пленки следуе использовать для формирования слоев с глубиной залегания более 0.25 мкм.

4. На основе термодинамического анализа реакций окисления кремния 10%-м растворе ортофосфорной кислоты в этиленгликоле предложен объяснение причины неравномерного распределения примеси в анодно оксидной пленке; установлено, что фосфор в анодной оксидной пленке можс находиться как в виде оксида (Р2О5), так и в элементарном виде (Р).

5. Установлена возможность геттерирования неконтролируемы: металлических примесей в процессе диффузии фосфора из легированно] силикатной пленки в условиях БТО.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Светличный A.M. Соловьев С.И., Поляков В.В., Варзарев Ю.Н. [оделирование низкотемпературного фотостимулированного осаждения генок диоксида кремния из тетраэтоксисилана при низком давлении. // руды НТК с участием зарубежн. специалистов "Вакуумная наука и техника"-фзуф -1994,- с.72.

2. Варзарев Ю.Н., Поляков В.В. Модель низкотемпературного этостимулиро ванного осаждения диоксида кремния из тетраэтоксисилана. // борник научных трудов молодых ученых ТРТУ посвящ. 300-летию зганрога,- Таганрог, ТРТУ-1995. - с. 44-48.

3. Светличный A.M., Соловьев С.И, Варзарев Ю.Н. Влияние режимов астрой термической обработки на параметры диодов Шоттки. // Труды II :ероссийской НТК с междунар. участием "'Актуальные проблемы ердотельной электроники, микроэлектроники" (Дивноморское. 1995). -1ганрог. -1995 - с. 57.

4. Сеченов Д А., Светличный A.M., Соловьев С.И, Варзарев Ю.Н. оделирование эффекта ускорения атомов бора при быстрой термической 1ффузии из поверхностного источника. // Труды III Всероссийской НТК с гждунар. участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и икроэлектроники" ( Дивноморское, сентябрь 1996). - Таганрог. - 1996. - с.31.

5. Варзарев Ю.Н., Милешко Л.П., Соловьев С.И. Быстрая термическая [ффузия фосфора из анодного окисла. // Труды III Всероссийской НТК с ¡жцунар. участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и ясроэлектроники" (Дивноморское, сентябрь 1996). - Таганрог. - 1996. - с. 44.

6. Варзарев Ю.Н. Быстрая термическая диффузия фосфора из 1верхностного источника. // 3-я Всероссийская НТК студентов и аспирантов ехническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" аганрог, октябрь 1996)- Таганрог 1996 - с. 181.

7. Сеченов Д.А., Варзарев Ю.Н., Милешко Л.П. Особенности диффузии фосфора из анодной оксидной пленки в условиях быстрой термической обработки. // Известия вузов. Электроника. -1997, №5, - с. 48-50.

8. Сеченов Д.А., Светличный А.М., Соловьев С.И, Варзарев Ю.Н. Легирование кремния фосфором в процессе быстрой термической обработки. //Известия ТРТУ, 1997,№1, - с. 165-167.

9. Сеченов Д.А., Светличный A.M., Соловьев С.И., Варзарев Ю.Н. Моделирование процесса быстрой термической диффузии с учетом кинетики взаимодействия атомов примеси с точечными дефектами. // Труды IV Всероссийской НТК с междунар. участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, сентябрь 1997). - Таганрог. - 1997. - с. 15.

В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад соискателя состоит в следующем: /1/ - предложена модель, проведены расчеты скорости осаждения: /2/ - предложен механизм разложения тетраэтоксисилана в газово? фазе. проведен термодинамический анализ химических реакций /3/ - проведены исследования электрофизических параметров приборов /4/ - проведены расчеты профилей распределения примеси и точечны> дефектов: /5/ - проведены экспериментальные исследования: 111 - проведень эксперименты, построены основные зависимости; /8/ - установлен; зависимость между распределением примеси в пленке и кремниевой подложк< при быстрой термической обработке; 19/ - предложена модель, проведень расчеты.

Ошечатано в типографии ТРТУ. Зак .31 T.7Q