автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Исследование и разработка лазерной технологии модификации электрофизических характеристик системы кремний-диоксид кремния

На правах рукописи

0055^'

Хуинь Конг Ту

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ КРЕМНИЙ - ДИОКСИД КРЕМНИЯ

Специальность 05.27.03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 У МАЙ 2014

Санкт-Петербург - 2014

005549113

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: Скворцов Альберт Матвеевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Новиков Владимир Васильевич,

доктор технических наук, профессор, академик Российской академии инженерных наук, ЗАО «Авангард-Элионика»

Филаретов Гелий Алексеевич,

кандидат физико-математических наук, заместитель начальника НТК (научно-технического комплекса), ОАО «ВНИИРА»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский госу-

дарственный политехнический университет»

Защита состоится 26 июня 2014 г. в 17:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14, ауд. 314.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14 и на сайте fppo.ifrno.ru.

Автореферат разослан 20 мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.01 к.т.н., доцент

Красавцев В.М.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие лазеры находят широкое применение и в качестве инструмента структурной модификации различных полупроводниковых материалов, в том числе и кремния, как основного материала микроэлектроники. При этом с помощью лазера получают кремниевые структуры с характерными размерами микро- и нанометрового диапазона. Полученные микро- и наноструктуры обладают новыми электрофизическими и оптическими свойствами, которые отличаются от свойств объемного кремния, что позволяет использовать их в качестве материала для элементов кремниевой фотоники.

Исследование взаимодействия лазерного излучения с кремнием и структурами на его основе представляет особый научный и практический интерес с точки зрения изыскания новых материалов для технологии изготовления МОП интегральных схем (МОП ИС). Так как основой конструкции МОП ИС является система кремний — диоксид кремния (Si02/Si), то именно эта структура и является центром внимания. Для решения практической задачи, связанной с использованием лазерного микроструктурирования системы Si02/Si на эксплуатационные характеристики МОП ИС необходимо детальное теоретическое изучение и экспериментальное исследование механизмов генерации, взаимодействия и накопления структурных дефектов при лазерном облучении системы Si02/Si. Сложность исследований связана с разницей структурных и оптических свойств Si и SÍO2, а также с тем, что уже изначально, до облучения лазером, в системе Si02/Si имеются упругие механические напряжения, влияющие на процесс микроструктурирования. В этом случае воздействие на кремниевые пластины (подложки полупроводниковых ИМС) мощных лазерных импульсов, необходимых для микроструктурирования системы, может сопровождаться рядом нежелательных последствий, связанных с генерацией дефектов, имеющих дислокационную природу, которые приводят к появлению микротрещин и разрушению кристаллической решётки или разрушению плёнки Si02.

Дополнительным обстоятельством, определяющим интерес к исследованиям взаимодействия лазерного излучения с системой Si02/Si, является возможность использования лазерного излучения для разработки методов модификации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов с МОП-структурой за счет фотостимулированных реакций. Так, например, в работе [см. Journal of Non-Crystalline Solids, V. 353, N. 5-7, P. 703-707, 2007 г] A: Medvid и соавторами отмечается, что при лазерном облучении системы Si02/Si происходит изменение цвета и диэлектрической проницаемости пленки окисла. В других работах [см. например, В. П. Вейко и др. Proc. SPIE 7996, 79960S-1 (2010)] сообщалось о том, что при облучении системы Si02/Si в окисле индуцируются новые заряды. Исследование этой возможности актуально в связи с перспективой разработки принципиально нового метода мо-

дификации системы Si02/Si для их применения в полупроводниковом приборостроении с целью улучшения характеристик приборов.

В настоящее время в периодической печати имеются лишь единичные научные публикации по микроструктурированию системы Si02/Si путём лазерного облучения. В них, в основном, исследуются параметры МОП-структур с кластерами кремния в окисле кремния, однако, полного понимания процессов, происходящих в этих системе пока нет. Нет также данных по влиянию на систему Si02/Si вариации таких параметров лазерного облучения, как частоты следования импульсов и частоты сканирования луча лазера. Отсутствуют данные по влиянию лазерного микроструктурирования на параметры элементов МОП ИС. Таким образом, детальное изучение влияния лазерного микроструктурирования на МОП-структуры и элементы МОП ИС является актуальным.

Целью диссертационной работы являлось исследование возможности лазерной модификации структурных и электрофизических характеристик системы кремний - диоксид кремния и МОП-структур.

Основные задачи работы заключались в следующем:

1. Проведение анализа методов и механизмов микроструктурирования кремния и системы Si02/Si.

2. Определение энергетических диапазонов лазерного воздействия, обеспечивающих структурную целостность плёнки Si02 при микроструктурировании системы.

3. Исследование морфологии кремниевых структур, образующейся на поверхности системы Si02/Si в результате лазерного облучения.

4. Исследование электрофизических эффектов, возникающих при лазерном микроструктурировании системы Si02/Si и МОП структур.

5. Исследование возможности создания технологии лазерного микроструктурирования на тестовых МОП-структурах и элементах серийных микросхем.

Методы исследований.

Дня решения поставленных задач применялись следующие аналитические методы: анализ литературных источников по тематике диссертации; оптическая микроскопия для контроля микроструктурных структур; сканирующая зондовая микроскопия для контроля наноразмерных поверхностных структур; статическая обработка экспериментальных результатов; методы вольт-амперных характеристик (ВАХ) и высокочастотных вольт-фарадных (ВФХ) для исследовании электрофизических параметров экспериментальных структур. По изменению вида ВФХ рассчитывались: изменение встроенного заряда в окисле и изменение плотности поверхностных состояний. Дня оценки температуры перегрева облученной поверхности системы Si02/Si использовался тепловизор ближнего ИК диапазона FLIR TITANIUM.

Кроме того, для изготовления экспериментальных образцов использовались следующие технологические методы: термическое окисление кремние-

вых подложек; лазерные технология обработки кремниевых подложек и системы технологические методы и режимы, использующиеся при формировании КМОП ИС на предприятии «Светлана-полупроводники».

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены энергетические диапазоны лазерного воздействия на систему БЮг/Б^ обеспечивающие микроструктурирование поверхности кремния при сохранении целостности плёнки диоксида кремния.

2. Впервые экспериментально обнаружен эффект локальной пластической деформации поверхности кремния, проявляющийся в виде сетки линий скольжения при облучении импульсным итгербиевым волоконным лазером системы 5Ю2/8г

3. Впервые экспериментально обнаружен эффект анизотропного локального микроплавления монокристаллического кремния, и определены его механизмы при лазерном воздействии.

4. Экспериментально обнаружен эффект улучшения электрофизических характеристик МОП структур при сканировании пучком маломощного лазерного излучения.

5. Показана возможность управления электрическими характеристиками МОП транзисторов в КМОП ИС путем лазерной обработки.

Практическая ценность.

Результаты могут быть использованы в технологии производства МОП и КМОП ИС, запоминающих устройств и других электронных устройств на основе системы кремний - диоксид кремния. На основе эффекта локальной пластической деформации поверхности кремния возможна разработка нового способа контроля ориентации поверхности кремниевых пластин по главным кристаллографическим плоскостям с помощью лазерного воздействия.

Эффект улучшения электрофизических характеристик МОП структур при сканировании пучком маломощного лазерного излучения может быть использован для корректировки порогового напряжения МОП транзисторов в КМОП ИС.

Реализация и внедрение результатов работы

В настоящее время результаты исследований используются при проведении научно-исследовательских работ студентов и магистрантов кафедры ПБКС, в лекциях по дисциплине «Микро- и нанотехнологии», а также в работах студентов над магистерскими диссертациями.

Частично работа выполнялась в рамках гранта РФФИ № 13-02-00033 «Исследование возможностей создания нанокомпозитных областей в системе ЗЮг/в! под действием ультракоротких импульсов лазерного излучения» в 2013 г.

Результаты, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Методы и режимы лазерного воздействия на систему SiCVSi, обеспечивающие микроструктурирование поверхности кремния при сохранении целостности пленки SÍO2.

2. Механизм локального анизотропного плавления монокристаллического кремния при сканирующем импульсном лазерном облучении системы Si02/Si.

3. Режимы микроструктурирования системы Si02/Si импульсным итгер-биевым волоконным лазером, обеспечивающие улучшение электрофизических характеристик МОП-структур.

4. Результаты исследований и разработанные способы лазерной модификации электрических параметров тестовых МОП транзисторов в составе КМОП ИС серии 590.

Апробация работы.

Основные результаты работы представлялись на следующих научных конференциях и семинарах:

«International Conference «Fundamentals of Laser Assisted Micro - and Na-notechnologies" (FLAMN-13)», St.'Petersburg, 2013; II Всероссийский конгресс молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; III Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей», Красноярск, 2013; IX Международной научно-практической конференции «Наука и образование -2012/2013», Чехия, Прага; 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012» Москва, 2012; I Всероссийский конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2012; XLI и XLII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (2012 г., 2013 г.); VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2011.

Диссертант был награжден дипломом за лучший доклад II Всероссийского конгресса молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; дипломом первой степени за лучший плакат стендового доклада международного симпозиума "Fundamentals of Laser Assisted Micro - and Nanotechnologies" (FLAMN-13)», St. Petersburg, 2013.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 21 печатных работах, 8 из них — в рецензируемых журналах из перечня ВАК. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 147 страницах машинописного текста и содержит 56 рисунков и 3 таблицы.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, были получены лично автором или при его непосредственном участии. 2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, изложена цель и задачи диссертации, научная новизна, практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на защиту, апробация работы, отражён личный вклад автора, определена структура диссертации.

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертационной работы. Глава состоит из пяти разделов и выводов. Проведен анализ литературы по основным методам микро- и нанотруктурирования поверхности кремния, обсуждаются результаты экспериментальных исследований по формированию периодических структур в монокристаллах кремния под действием ультракоротких лазерных импульсов. Описаны основные свойства наност-руктурированных систем SiC^/Si.

Анализ литературных данных привел к следующему заключению. Микроструктурирование поверхности кремния и системы SKIb/Si под действием импульсов лазера наносекундной длительности исследовано недостаточно. По исследованию электрофизических свойств систем Si02/Si после облучения имелись лишь единичные работы, в частности, не исследовалось влияние вариации дозы облучения, например, частотой следования импульсов, а также влияние лазерного дальнодействия и отжига. Отсутствовали работы по влиянию лазерного излучения на эксплуатационные характеристики элементов МОП ИС. Таким образом, материал главы служит обоснованием цели и задач работы.

Вторая глава посвящена описанию методов получения и экспериментального исследования образцов.

В качестве объектов, на которых проводились исследования влияния воздействия лазерного облучения, использовали следующие:

1. Кремниевые пластины n-типа КЭФ-4.5 с удельным сопротивлением р =4,5 Ом.см, ориентацией (100), диаметром 75 мм, одной стороны полированной, с термически выращенным окислом толщиной 150 нм;

2. Кремниевые пластины р-типа КДБ-10 ( р = 10 Ом.см) с двухсторонней полировкой, ориентацией (111), диаметром 75 мм, с термически выращенным окислом толщиной 150 нм;

3. Системы со структурой Al-Si*-Si02-Si: Тестовые МОП конденсаторы с площадью алюминиевого электрода 2,5.10~3 см2, изготовленные на кремнии n-типа (КЭФ-7.5) проводимости с удельным сопротивлением 7,5 Ом. см, толщиной термического окисла 120 нм;

4. Тестовые МОП транзисторы, встроенные в кристаллах КМОП ИС типа К590КН6.

Для структурирования поверхности системы 8102/81 лазерным излучением была использована экспериментальная установка, обобщенная функциональная схема которой представлена на рис.1.

Рис.1. Обобщенная функциональная схема технологической лазерной установки. 1 - лазерный излучатель, 2 -блок питания лазера, 3 - пучок лазерного излучения, 4 - фокусирующая оптическая система, 5 - обрабатываемая деталь, 6 — координатный стол, 7 — система визуального контроля зоны лазерной обработки, 8 - система контроля параметров лазера, 9 - система контроля технологического процесса, 10 - микропроцессор.

Вышеуказанные объекты исследования подвергались воздействию лазерного облучения (ЛО). В качестве лазерного излучателя в данной работе использованы лазеры, представленные в таблице 1.

Таблица. 1- Основные параметры лазеров

Характеристики Итгербиевый волоконный лазер (ИЛИ-1-20) Иттербиевый волоконный лазер (ИЛИ-1-50) Эксимерный АгР-лазер

Мощность излучения, Вт 20 50 5

Частота следования импульсов, кГц 20-100 20-100 0,02

Длина волны излучения, нм 1064 1062 193

Диаметр пучка в фокусе, мкм 25 50

Максимальная энергия в импульсе, мДж 1,0 1,0 250

Точность позиционирования пучка, мкм 1,25 1,25

Максимальная скорость перемещения пучка, м/с 8,7 8,7

Длительность импульса, не 4-200 90-120 17

Размер пучка, мм 6x20

В качестве контрольных использовались аналогичные образцы из тех же пластин кремния, не подвергавшихся воздействию ЛО. Воздействию JIO подвергалось такое количество структур, которое достаточно для статистически обоснованного определения эффектов его влияния.

Для анализа структурных свойств облученных поверхностей проводились исследования на сканирующем зондовом микроскопе NT-MDT NanoEducator. Для исследования электрофизических параметров экспериментальных структур использовались методы высокочастотных вольт-фарадных характеристик и вольт-амперных характеристик.

Для определения подходящих для модификации параметров лазерного пучка была проведена оценка температуры перегрева облученной поверхности системы Si02/Si при облучении с помощью тепловизора ближнего ИК диапазона FLIR TITANIUM.

Третья глава посвящена результатам микростругаурирования экспериментальных образцов при облучении итгербиевым импульсным волоконным лазером (ИИВЛ).

Для решения поставленной в диссертации задачи потребовалось проведение всесторонних исследований влияния ИИВЛ на систему Si02/Si. Это, в первую очередь, связано с тем, что в результате микроструктурирования в облучённой области системы не должно происходить механического разрушения монокристаллической структуры кремниевой подложки или плавления участков поверхности кремния. Другое, не менее важное требование, заключается в том, что облучение не должно приводить к разрушению плёнки Si02.

Для обеспечения выше указанных требований микроструктурирования экспериментальных образцов облучение сфокусированным пучком не всегда дает положительные результаты. Поэтому в качестве альтернативного метода был выбран и исследовался метод обработки образцов сходящимися лучами лазера (дефокусировка лучей). При этом обеспечивались и более равномерное распределение и более плавная регулировка плотности энергии в зоне облучения.

Микроструктурирование поверхности монокристалла кремния в системе Si02/Si путем ИИВЛ типа ИЛИ-1-50 было исследовано. Облучение проводилось в режиме сходящих лучей. Показано, что в результате воздействия ИИВЛ вблизи порога плавления кремния (q = 0,4.104 Вт/см2, 100000 импульсов, 50 кГц), на его поверхности в области облучения возникает пластическая деформация. Она проявляется в виде полос, каждая из которых состоит из большого числа параллельных друг другу линий скольжения, расположенных на соответствующих плоскостях скольжения (рис.2). Пересечение полос приводит к появлению в кристаллической решётке кремния сложно структурированной поверхности в виде сетки линий скольжения. Так, например, дня кристаллографической ориентации кремниевой пластины (111) эти полосы линий скольжения пересекаются под углом 60 градусов. Следует особо отметить, что при таком микроструктурировании поверхности кремния не нарушается

целостность плёнки 8Юг, и её устойчивость к величине пробивных напряжений не только сохраняется, но и растет.

а)

610. Хг«» о™

б)

Рис.2. СЗМ-изображение (линий скольжения в полосе) в средней части облучённых областей структур 8102/81 при режиме облучения q = 0,4.104 Вт/см2, 100000 импульсов, 50 кГц: а - 20 и б - 313 СЗМ изображения.

Локальная пластическая деформация кремния в системе БЮг^ существенно влияет на её ВФХ. На рис. 3. показаны типичные ВФХ, измеренные на облученных участках поверхности образца, где наблюдается четко выраженная сетка линий скольжения, полученных после лазерного облучения различной длительности. Образцы подвергались воздействию ИИВЛ с длиной волны излучения 1,06 мкм, частотой следования импульсов 50 кГц, длительностью импульсов 120 не и энергией 1 мДж.

С/С__. Применена схема облучения

пластины в сходящихся лучах. При этом образец располагается выше плоскости фокуса на расстояние с1 = 44 мм. Диаметр облученной области составлял около 700 мкм, гоютность мощности излучения составляла

1,3.104 Вт/см2.

В результате структурных изменений, связанных с образованием на облученной поверхности кремния сетки линий скольжения,

1.0

0,8

0.6

0,4-

0,2-

-6

-4

- .2

0

Рис.3. Типичная кинетика изменения ВФХ структур 8102/81 при лазерном облучении различной длительности

происходит образование дефектных центров в приграничном к кремнию слое окисла, ответственных за встроенный заряд в пленке БЮг. На рис. 3 видно, что в процессе облучения происходит модификация ВФХ, которая свидетельствует об изменении электрофизических свойств оксида кремния и границы раздела кремний-окисел.

а)

80

60

40

20

АР,

нФ/см~

10

20 30 40 Длительность облучения,

50

60

б)

да . 10 'см 'эВ '

после облучения в течение:

о 10 о ■• 30 с л 50 с

е-е . эв

0.56 Е;

0.83

Ер

Запрещенная зона кремния

Рис.4. Изменения электрофизических свойств системы ЯЮз^ после лазерного облучения: а) - Изменение плотности встроенного заряда в окисле в зависимости от длительности лазерного облучения, б) -Энергетическое распределение плотности поверхностных состояний в зависимости от длительности лазерного облучения.

На рис. 4а показано как изменяется встроенный заряд, обусловленный нелинейным ростом

плотности дефектных центров в приграничном к кремнию слое окисла. Причем было обнаружено, что существует момент времени облучения, после которого происходит резкое увеличение скорости генерации этих лазерно-индуцированных дефектов. При этом для дефектов, расположенных непосредственно на границе раздела кремний-двуокись кремния, эта скорость генерации также нелинейно зависит от энергетического положения в запрещенной зоне кремния с максимумом вблизи уровня Ферми легированного полупроводника (рис.46).

Исследование вольт-амперных характеристик на экспериментальных образцах (система 8Ю2/81, облучённая в режиме пластической деформации кремния) также указывают на существенную перестройку в структуре областей, прилежащих к

границе раздела 8Ю2-8г На рис.5 показаны зависимости пробивных напряжений образцов до и после облучения ИИВ Л в разных режимах.

Как следует из рис.5 с увеличением дозы облучения (ростом числа импульсов) наблюдается рост пробивных напряжений плёнки 8Ю2. Этот рост происходит до облучения в течение 30 секунд. По мере дальнейшего роста дозы облучения происходит постепенное снижение пробивного напряжения. Так, после время облучения 50с пробивные напряжения становятся много ниже исходных. Возможно, что главной причиной здесь может быть уменьшение толщины слоя БЮг на вершинах больших ступенек линий скольжения. Увеличение числа импульсов приводит к увеличению температуры системы при микроструктурировании, росту ступенек линий скольжения. Одновременно с ростом температуры и увеличением высоты рельефа поверхности кремния растёт пластичность 8Ю2, что может привести к уменьшению толщины плёнки 8Ю2 на больших выступах рельефа.

В главе также приведены исследования динамики микроструктурирования системы 8Ю2/81 при облучении ИИВЛ типа ИЛИ-1-50 с применением режима сканирования лазерного пучка. Показано что, основным механизмом, приводящим к возникновению локальных микрообластей расплавленного кремния под воздействием лазерного облучения с большой частотой следования импульсов, является дислокационный механизм. Именно подпитка кристаллической решётки кремния энергией фотонов с частотой 50 кГц приводит к интенсивной генерации собственных точечных дефектов (вакансий и междо-узельных атомов кремния). В результате происходит зарождение и рост дислокаций в кремнии вблизи границы 8Ю2/8г В областях выхода дислокаций на поверхность и начинается локальное плавление кремния (рис.6).

Увеличение дозы облучения приводит к вовлечению в процесс дефекто-образования всё большего количества атомов кристаллической решётки, росту числа дислокаций и числа центров плавления, увеличению площадей расплавленных областей. При плотности мощности 3,98 Дж/см2 линейные размеры локальных областей плавление достигают 4-5 мкм, а формы расплавленных областей рекристаллизации - треугольников (рис.6,г). Учитывая, что

0,5-

I ( 4

-г-н.......1...........

1......Ч

О 10 20 30 40 50 60 Длительность облучения, с

Рис.5. Зависимость пробивного напряжения структур 8Ю2/Б1 от длительности облучения ИИВЛ.

этот эксперимент проводился на системе Si02/Si, полученной на кремниевой пластине с ориентацией в кристаллографической плоскости (111), подобно

При селективном травлении поверхности кремниевой подложки, ориентированной в кристаллографической плоскости (111), в месте выхода на поверхность дислокации начинается анизотропное травление, обусловленное более низкой энергией связи между атомами в ядре дислокации. При дальнейшем травлении область травления приобретает форму ямки, которая имеет геометрию трёхгранной пирамиды с равносторонним треугольником на поверхности подложки и вершиной внутри подложки. Здесь же происходит локальное плавление кремния в месте выхода дислокаций, генерируемых действием фотонов, и в результате выделения тепла, происходящего также в результате поглощения энергии фотонов.

Начиная с дозы облучения 7,02 Дж/см2 происходит соединение отдельных расплавленных областей в протяженные (образование «каналов»), и далее с увеличением дозы облучения формируется сплошная расплавленная полоса. Морфология микроструктурированной поверхности системы Si02/Si связана с особенностью взаимодействия расплава кремния, пластичной плёнки Si02, границей твёрдой и жидкой фазы кремниевой подложки и упругим воздействием пучка фотонов на систему Si02/Si.

Четвертая глава посвящена результатам микро- и наноструктурирований экспериментальных образцов, полученных при облучении эксимерным ArF-лазером. Было проведено исследование микроструктурирования поверхности монокристалла кремния в системе Si02/Si эксимерным ArF-лазером с длиной волны 193 нм и длительностью импульса 17 не. Облучение проводилось при плотностях энергии от 0,7 до 2 Дж/см2. Частота следования импульсов составляла 3 Гц. Излучение лазера было направлено перпендикулярно поверхности, площадь облучаемой области оценивалась по следу после одно-

10 мкм

Рис. 6. Микрофотографии участков линии сканирования, полученных при различных дозах облучения: а) 2,3 Дж/см2 ; б) О = 2,68 Дж/см2; в) Б=3,14 Дж/см2; г) Б = 3,98 Дж/см2.

го лазерного импульса и составляла 1x5 мм2. Число импульсов, падающих на поверхность, изменялось в диапазоне от 1 до 10. Модификация поверхности образцов осуществлялась на воздухе при комнатной температуре.

В результате экспериментальных исследований были получены зависимости топологии микро- и наноструктур от плотности энергии и числа импульсов лазерного облучения. Показано, что меняя число импульсов и варьируя плотность энергии облучения эксимерного лазера можно в широких пределах управлять морфологией системы 8Ю2/В1 Характерная картина поверхности образца, полученная в сканирующем зондовом микроскопе, представлена на рис.7. При плотности энергии 0,7 Дж/см2, 1 импульс на поверхности кремния образуется нанорельеф волнообразной формы с шагом около 40 нм.

а) б)

Рис. 7. ЗО АСМ-изображение в средней части облучённых областей структур 5Ю2/51 при разных дозах облучения. а) - 0,7 Дж/см2 , 1 импульс; б) -1,32 Дж/см2 , 5 импульсов; в) - 1,32 Дж/см2, 10 импульсов.

Структуру нанорельефа составляют ряды вертикальных, зауженных вверху колонн высотой 120 нм и диаметром от 30 нм у основания и до 25 нм к вершине (рис.7, а).

При плотностях энергии 1,32 Дж/см2, 5 импульсов начинают формироваться регулярные периодические структуры с шагом около 2 мкм (рис.7, б). При дальнейшем увеличении плотности энергии наблюдается увеличение шага периодичности около 3 мкм и высоты рельефа 280-300 нм (рис.7, в).

ю

в -

2 -

а)

1 - 1,32 Дж/см2, 5 импульсов

2 - ОД Дж/см2, 1 импульс

3 - исходная ВАХ

Нч

и';

0,2

10

с/с^

20

60

_ и. и

70

б)

1 - -- 0.7 ДЖ/С.Ч2, 1 ИМПУЛЬС .

2-----1,32 Дж/см5 тщульсов

3 вне области.

4 --: Исходная ВФХ

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

2 3 4 5 6 7

Рис.8. ВАХ и ВФХ структур 8Ю2/81 до и после облучения эксимерным АгР-лазером: а) - ВАХ структур 8Ю2/81; б) - ВФХ структур 8Ю2/81, вдмеренные в различных областях лазерного пятна после облучения пучком с разной плотностью энергии.

ятно, в этом случае наноцепочки были сформированы из нанокластеров кремния в пленке БЮ2. Изолированные наноцепочки в непроводящих клетках внутри проводящих сетей, созданных самыми наноцепочками, могут сохра-

Исследование ВАХ

структур 8Ю2Л31 с наличием наноструктур после облучении эксимерным АгР-лазером приведено на рис. 8,а. Пикообразное увеличение образных токов в предпробойной области ВАХ вероятно связано с локальными пробоями окисла между кластерами кремния. О появлении кластеров кремния в 8Ю2 после облучения свидетельствуют и ВФХ, измеренные на разных облученных участках поверхности образца (рис.8,6). Видно, что на ВФХ наблюдаются пики емкости, которые являются результатом процесса перезарядка электронных состояний в окисле кремния. Эти электронные состояния связаны с наличием избыточного кремния в окисле. Они могут быть связанны и с кремниевыми кластерами, присутствующими в окисле после лазерных обработок. Весьма веро-

нить заряды, перезаряд которых через "узкие места", расположенные между изолированными наноцепочками и соседними цепочками. Захват носителей заряда на таких изолированных наноцепочках, вероятно, и приводит к изменению емкости в ВФХ облученных образцов (рис.86).

Пятая глава посвящена результатам исследований влияния ИИВЛ на электрофизические параметры тестовых структур, изготовленных по технологии, которая используется в производстве КМОП ИС 590 серии при формировании затворной композиции комплементарной пары МОП-транзисторов этой серии. Влияние лазерного излучения непосредственно на МОП-транзисторы исследовалось на тестовых транзисторах, встроенных в кристаллы КМОП ИС типа К590КН6.

При исследовании ВФХ тестовых МОП-структур, облучённых ИИВЛ, было обнаружено, что изменения ВФХ часто наблюдаются и на необлучён-ных участках. Поэтому этот «эффект дальнодействия» был исследован более подробно. Образцы подвергались воздействию ИИВЛ с длиной волны излучения 1,06 мкм с частотой следования импульсов 20 кГц, длительностью импульсов 100 не, энергией 1 мДж и плотностью мощности излучения 0,13.106 Вт/см2. Облучение проводилось на разных расстояниях от края затворного электрода (от 300 до 3000 мкм). Доза облучения регулировалась изменением времени облучения. Диаметр лазерного пятна в этом случае составлял 50 мкм.

На рис. 9, а приведены экспериментальные графики, демонстрирующие изменение ВФХ, снятые после облучения 800 импульсами на разных расстояниях от затворного электрода. На рис. 9, б показаны изменения ВФХ тестовых МОП-структур после сканирования импульсным волоконным лазером с режимом (скорость сканирования 1000 мм/с, частота 99 кГц, плотность 1000 лин/мм, плотность мощности а = 0,1.105 Вт/см2), при котором на поверхности вокруг площади контакта А1 возникают регулярные волновые рельефы с шагом 5-7 мкм. На рис.9,а,б видно, что после лазерного облучения наблюдается сдвиг ВФХ вправо, что соответствует уменьшению исходного положительного заряда в окисле.

Следует отметить, что после воздействия лазерного излучения на нижнем плато ВФХ (область инверсии) наблюдалось увеличение емкости относительно исходной величины. Изменение емкости на нижнем плато ВФХ может быть обусловлено влиянием электрического поля, выходящего за пределы затворного электрода ,как в окисле, так и в полупроводнике, благодаря чему вокруг контакта под воздействием лазерного облучения образуется слой с повышенным эффективным отрицательным зарядом в окисле и повышенной степенью инверсии в полупроводнике. В этом случае в равновесных условиях измерения высокочастотной ВФХ скорость поступления неосновных носителей (дырок) под контакт будет определяться в основном не процессами генерации в области пространственного заряда под контактом, а латеральным

а)

1 —- Исходная ВФХ

2 — 3000 мкм

3 ...... 1000 мкм

4 300 мкм

б)

1,2 - до сканирования 3,4 - после сканирования

обменом дырками, накопленными в краевой области. При этом емкость на нижнем плато ВФХ возрастает. Нами было определено, что облучение на расстоянии больше 1 мм от края затвора образцов не оказывает влияния краевого эффекта на ВФХ. На расстоянии больше 5 мм изменения ВФХ не наблюдается.

Облучение кристаллов с КМОП интегральными схемам, в которых встроены тестовые Ы- и Р- канальные МОП транзисторы происходило в режиме сходящихся лучей, который обеспечивал диаметр пучка на поверхности кристалла 60 мкм. Координаты лазерного пятна на поверхности кристалла регулировались компьютерной программой с точностью 2 мкм. Другие характеристики лазерного пучка: длина волны 1,06 мкм, длительность импульса 100 не, энергия в импульсе 1 мДж, частота следования импульсов 99 кГц, плотность мощности q = 2,4.105 Вт/см2, шаг сканирования 1000 лин/мм, скорость сканирования луча лазера 100 мм/с. Сканирование тестовых МОП транзисторов проводилось в двух режимах: № 1 и № 2. Цифры, которые характеризуют № режима, расположены в прямоугольниках на поверхности тестовых: МОП транзисторов (рис. 10).

-9 -8 -7 -6 -5 -4-3-2-10 1 2 3

Рис. 9. Нормированные ВФХ тестовых МОП-структур до и после облучения и сканирования ИИВЛ: а) - ВФХ в результате облучения 800 импульсами на разных расстояниях от затворного электрода; б) - ВФХ после сканирования ИИВЛ (1,2 - до сканирования: 1- вне области электрода; 2 - на алюминиевом электроде; 3,4 - после микроструктурирования сканирующим пучком ИИВЛ: 3 -на алюминиевом электроде; 4 - вне области электрода).

50 мкм

Рис.10. Микрофотография тестовых КМОП транзисторов: а) стор Р- типа; 6) - тестовый МОП транзистор 1Ч-типа.

50 .мкм

- тестовый МОП транзи-

Стрелки на микрофотографиях тестовых МОП транзисторов указывают направление перемещения лазерного луча. Как следует из обозначений, в режиме №1 направление сканирования пучка происходит вдоль длины канала, и по ширине область сканирования перекрывает ширину канала МОП транзисторов. Длина области сканирования полностью перекрывает область тестовых МОП транзисторов. При облучении в режиме №2 площадь облучения полностью перекрывает всю площадь тестового транзистора, и направление сканирования лазерного пучка перпендикулярно длины канала.

Из сопоставления топологических размеров тестовых МОП транзисторов, площадей облучения и параметров сканирования видно, что при облучении происходит многократное перекрытие линий сканирования. Это обеспечивает более равномерное распределение плотности мощности по площади облучения тестовых МОП транзисторов.

На рис. 11 приведены передаточные статические характеристики 1с=£(изи) 14- и Р- канальных КМОП транзисторов до и после лазерного микроструктурирования. Видно, что после воздействия лазера статические ВАХ транзисторов изменяются по-разному в зависимости от режима облучения.

На кривых рис.11 видно, при облучении тестовых транзисторов в режиме № 1 приводит к небольшому увеличению крутизны тестовых МОП транзисторов. При облучении в режиме № 2 сдвиг передаточной характеристик у МОП транзистора с каналом проводимости Ы-типа в два раза меньше, чем у транзистора с каналом Р-типа проводимости. Подобным же образом меняются после облучения в режимах № 1 и № 2 крутизны для К- и Р-типов МОП транзисторов.

а)

800 700 600 500 400 300 200 100

1С (мкА)

2 - Облучение в режиме 2 1 - Обучение в режиме 1 0 - До облучения

у/

Л./ш

//

. -«

Ца (В)

б)

800 700 600 500 400 300 200 100 0

'с (чкЛ)

2 - Ойоучение в режиме 2 1 - Облучение в режиме 1 О - До облучения

N ■ МОП

Ш ' .1

(в)

Рис.11. Передаточные статические характеристики 1с=й(изи) И- и Р-канальных МОП транзисторов до и после облучения ИИВЛ в разных режимах: а) - Р-канальный МОП транзистор; б) - ^канальный МОП транзистор.

На рис. 11 также видно, пороговое напряжение Р-канального МОП транзистора после облучения в режиме № 2 возрастает более, чем в два раза (с 1,7 до 2,7 В), а у М-каналыгого - с 1,5 до 1,9 В. Следовательно, в принципе, возможна подгонка этого и других параметров комплементарных пар транзисторов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В конце работы приведены следующие основные выводы диссертационной работы:

1. Осуществлен анализ методов микроструктурирования кремния и структур на его основе. В результате была выбрана лазерная технология микроструктурирования, которая характеризуется высокой эффективностью, эко-логичностью, низкой стоимостью.

2. Определены энергетические диапазоны лазерного воздействия, обеспечивающих структурную целостность плёнки 8Ю2 при микроструктурировании системы 8Ю2/81 и структур на её основе.

3. Впервые при лазерном микроструктурировании системы 8Ю2/81 получена локальная пластическая деформация поверхности кремния в виде сетки линий скольжения. Морфология поверхности системы в виде сетки линий скольжения формируется в результате пересечения полос линий скольжения, возникающих на соответствующих плоскостях скольжения кристаллической решётки кремния. В полосах формируется высокая плотность линий скольжения, которые появляются в результате зарождения, роста и движения дислокаций под действием энергии фотонов лазерного излучения. Следует особо отметить, что при таком микроструктурировании поверхности кремния не

нарушается целостность плёнки 8Ю2, и сохраняется её устойчивость к величине пробивных напряжений.

4. Показано, что при облучении системы 8Ю2/81 импульсным иттербие-вым волоконным лазером в режиме, обуславливающим локальную пластическую деформацию кремния, происходит изменение электрофизических свойств диоксида кремния и границы раздела 8Ю2-81. Максимальные изменения происходят в зоне облучения, где наблюдается сетка линий скольжения. Следует отметить, что изменение электрофизических свойств системы появляются также и на участках подложки, удаленных от зоны облучения.

5. Впервые экспериментально продемонстрирован механизм возникновения и развития локального анизотропного процесса микроплавления монокристаллического кремния при сканировании луча импульсного иттербиевого волоконного лазера. Этот механизм микроплавления проявился при использовании плавного изменения плотности мощности облучения путём изменения скорости сканирования на протяжении одного прохода лазерного луча. Показано что, основным механизмом, приводящим к возникновению локальных микрообластей расплавленного кремния под воздействием лазерного облучения с большой частотой следования импульсов, является дислокационный механизм.

6. Показано, что меняя число импульсов и варьируя плотностью энергии в пучке АгР-лазера можно в широких пределах менять морфологию системы 8Ю2/81. Изменение морфологии сопровождается существенными изменениями электрофизических параметров системы БЮг/Бь

7. Показано, что при микроструктурировании поверхности с применением режима сканирования лазерного пучка вокруг области, в которой располагается металлический контакт МОП конденсатора, формируются волновые структуры с периодом порядка несколько микрометров. Возникновение таких структур вызывает улучшение электрофизических характеристик МОП-структур.

8. Показано, что при микроструктурировании МОП структур, выполненных на основе системы 8Ю2/81, происходит увеличение пробивных напряжений МОП структур. В зависимости от режимов облучения эти увеличения напряжения могут достигать 10% от пробивных напряжения структур до облучения. По-видимому, это обусловлено струюурной перестройкой слоя 8Ю2, вызванной упругими механическими напряжениям и на границе 8Ю2-81 при микроструктурировании поверхности кремния.

9. Показано, что облучение пучком ИИВЛ областей, в которых расположены тестовые элементы КМОП ИС, приводит к изменению электрических характеристик тестовых КМОП транзисторов. Подбором режимов облучения может быть обеспечено необходимое изменение характеристик, особенно в тех случаях, когда требуется обеспечить полную симметричность параметров 14- и Р-канальных МОП транзисторов в КМОП ИС.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях из перечня ВАК:

1. Хуинь Конг Ту, А. М. Скворцов, А. А. Петров. Формирование морфологии системы Si02/Si под действием излучения эксимерного лазера // Изв. Вузов. Приборостроение. - 2014. - Т. 57, № 1. - С. 65-69. - 0,5/0,2 п.л.

2. Хуинь К. Т., Скворцов А. М., Халецкий Р. А. Механизм микроструктурирования системы Si02/Si при облучении сканирующим пучком импульсного волоконного лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 3 (85). -С. 137-143.-0,5/0,2 п.л.

3. Хуинь К. Т., Скворцов А. М., Халецкий Р. А. Влияние процесса лазерного микроструктурирования на электрофизические параметры системы Si02/Si // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2013. - N° 1 (83). — С. 119-124. — 0,5/0,2 п.л.

4. С. Т. Huynh, V. P. Veiko, А. М. Skvortsov and A. A. Petrov. Destruction of monocrystalline silicon with nanosecond pulsed fiber laser accompanied by the oxidation of ablation microparticles // Proc. SPIE. — 2013. - V. 9065. - P. 90650U-1 - 90650U-5. - 0,5/0,17 п.л.

5. С. Т. Huynh, A. M. Skvortsov, V. P. Veiko and R. A. Khaletskiy. Micro-structuring system Si02/Si with nanosecond pulsed fiber laser // Proc. SPIE. - 2013. - V. 9065. - P. 90650S-1 - 9065S-5. - 0,5/0,17 п.л.

6. C.T.Huynh, A.M. Skvortsov, A.A. Petrov. Nanostructured system Si02/Si by ArF Excimer Laser Irradiation // Proc. SPIE. - 2013. - V. 9065. - P. 90650T-1 - 9065T-5. - 0,5/0,2 п.л.

7. Хуинь К. Т., Скворцов А. М., Вейко В. П. Применение импульсного волоконного лазера для микроструктурирования системы Si02/Si // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. -2012. -№ 5 (81). - С. 128-134. - 0,5/0,2 пл.

8. Хуинь К. Т., Соколов В. И. Влияние пленки пористого кремния на спектральную характеристику кремниевого фотодиода // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2011. - № 4 (74). - С. 35-38. - 0,5/0,25 пл.

Публикации в других изданиях:

9. Хуинь Конг Ту, Скворцов А. М. Механизм возникновения и развития микроплавления поверхности кремния при лазерном облучении системы Si02/Si // Новый университет. - 2013. - № 4 (14). - С. 60-65. -0,5/0,25 п.л.

10. Хуинь Конг Ту, Скворцов А.М., Вейко В.П. Формирование сетки линий скольжения при облучении системы Si02/Si импульсным волоконным лазером // Современный научный вестник. - 2012. - № 14 (126). - С. 34-38. - 0,5/0,2 пл.

11. C.T.Huynh, A.M. Skvortsov, V.P.Veiko, R. A. Khaletskiy. Microstructur-ing system Si02/Si with nanosecond pulsed fiber laser // Abstracts of «International Conference «Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Na-notechnologies (FLAMN-13)» St. Petersburg - 2013. - P.78-79. -0,1/0,07 пл.

12. C.T.Huynh, A.M. Skvortsov, A.A. Petrov. Nanostructured system Si02/Si by ArF excimer laser irradiation // Abstracts of «International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-13)» St. Petersburg-2013. -P.79-80.-0,1/0,07 пл.

13. C.T. Huynh, V.P. Veiko, A.M. Skvortsov, A.A. Petrov. Destruction of monocrystalline silicon with nanosecond pulsed fiber laser, accompanied by the oxidation of ablation microparticles // Abstracts of «International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies" (FLAMN-13)» St. Petersburg - 2013. - P.81. - 0,1/0,07 п.л.

14. Хуинь Конг Ту, Скворцов A.M., Петров A.A. ACM исследования иа-ностуктур, формирующихся при модифицировании поверхности системы Si02/Si ArF лазерными импульсами // Материалы П1 Международной научно - практической конференции молодых ученых и специалистов - Красноярск: Изд. Научно-инновационный центр, 2013. — С. 236-242.-0,5/0,2 п.л.

15. Huynh Cong Tu, Skvortsov A.M., Khaletskiy R.A. Effect of laser mierostructuring on electrophysical properties of system Si02/Si // Материалы IX Международной научно-практической конференции «Наука и образование - 2012/2013» / Publishing House "Education and Science" s.r.o. (Чехия, Прага). - 2013. - P. 9-10. - 0,1/0,07 п.л.

16. Хуинь Конг Ту. Упругие механические напряжения, возникающие в системе Si02/Si, при лазерном облучении // Сборник тезисов I Всероссийского конгресса молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО. — 2012.-С. 157.-0,1/0,1 пл.

17. Хуинь Конг Ту. Методы формирования нанокластеров кремния в системе диоксид кремния - кремний // Сборник тезисов VIH всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. СПб: СПбГУ ИТМО. - 2011. - Вып. 2. - С. 9. - 0,1/0,1 пл.

18. Хуинь Конг Ту. Изменение морфологии поверхности окисленных кремниевых пластин под действием лазерной обработки // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПиБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем». Часть 2 - СПб: НИУ ИТМО. - 2011. - С. 10-12.-0,3/0,3 пл.

19. Хуинь Конг Ту, Е.И. Ефимов. Формирование с помощью волоконного лазера линий скольжения в системе Si-Si02 // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической

школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем». Часть 2 - СПб: НИУ ИТМО. - 2011. - С.7-10. - 0,3/0,2 п.л.

20. Хуинь Конг Ту. Влияние пленки пористого кремния в диодных структурах кремниевых солнечных элементов на их спектральную характеристику // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем». - СПб: НИУ ИТМО. - 2011. - С. 9-11. -0,3/0,3 п.л.

21. Хуинь Конг Ту. Спектральная характеристика кремниевого фотодиода с пленкой пористого кремния на аноде // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем». - СПб: НИУ ИТМО. - 2011. - С. 7-9. - 0,2/0,2 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101 Санкт-Петербург, Саблинская ул. 14 Тел. (812) 233 46 69 Объем 1.0 у.п.л. Тираж 100 экз.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО).

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ

КРЕМНИЙ - ДИОКСИД КРЕМНИЯ

Специальность 05.27.03 - Квантовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Скворцов Альберт Матвеевич

На правах рукописи

04201458744

Хуинь Конг Ту

Санкт-Петербург - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. МИКРОТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОСТИ СИСТЕМЫ ДИОСИД КРЕМНИЯ - КРЕМНИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).....9

1.1. Методы нано- и микротруктурирования поверхности системы БЮ^/З!.. 10

1.1.1. Литографические методы микро- и наноструктурирования поверхности........................................................................................................11

1.1.2. Электрохимический метод микроструктурирования системы БЮг^......................................................................................13

1.1.3. Микроструктурирование системы 8102/81 при воздействии мощного ионного пучка...................................................................................................15

1.1.4. Лазерный метод микроструктурирования поверхности кремния и системы 8102/81.................................................................................................17

1.2. Формирования периодических структур на поверхности системы 8Ю:/81 при воздействии ультракоротких лазерных импульсов....................................20

1.3. Электрофизические свойства наноструктурированного кремния............26

1.4. Изменение электрофизических свойств системы 8Юг/81 при лазерном облучении...............................................................................................................30

1.5. Применение лазерного излучения для контроля и диагностики скрытых

дефектов в изделях микроэлектроники...............................................................32

Выводы к главе 1...................................................................................................35

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ ..................................................................................................................................37

2.1. Объекты исследований..................................................................................37

2.2. Схема и принцип работы лазерной установки для

микроструктурирования экспериментальных образцов....................................38

2.3. Выбор источников излучения.......................................................................40

2.4. Методы исследования экспериментальных образцов................................42

2.4.1 Метод сканирующей зондовой микроскопии........................................42

2.4.2. Метод измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ)..................47

2.4.3. Метод измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ)..................48

2.4.4. Метод бесконтактного измерения температуры нагрева образцов ...55

Выводы к главе 2...................................................................................................58

ГЛАВА 3. МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ 8Ю2/81 ИМПУЛЬСНЫМ ИТТЕРБИЕВЫМ ВОЛОКОННЫМ ЛАЗЕРОМ..................59

3.1. Математическая модель механических напряжений, инициированных лазерным импульсом.............................................................................................59

3.2. Выбор режимов микроструктурирования системы 8102/81 при точечном облучении...............................................................................................................64

3.3. Локальная пластическая деформация кремния в системе 8Ю2/81 при точечном облучении..............................................................................................68

3.4. Электрофизические характеристики системы 8Юг/81 при возникновении локальной пластической деформации.................................................................74

3.5. Вольт-амперные характеристики системы 8Юг/81 при возникновении локальной пластической деформации.................................................................79

3.6. Выбор режимов микроструктурирования системы 8Ю2/81 при сканировании лазерного пучка.............................................................................82

3.7. Механизм микроплавления кремния в системе 8Юг/81 при сканировании

лучом волоконного лазера....................................................................................84

Выводы к главе 3...................................................................................................93

ГЛАВА 4. МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ 8Ю2/81 ЭКСИМЕРНЫМ ЛАЗЕРОМ................................................................................95

4.1. Микроструктурирование системы 8Юг/81 пучком АгЕ лазера..................95

4.2. Вольт-амперные и воль-фарадные характеристики системы 8102/81,

облученной АгР-лазером................................... ...................................................102

Выводы к главе 4.................................................................................................105

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЯ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МОП СТРУКТУР И ЭЛЕМЕНТЫ МОП ИС..........................106

5.1. Влияние лазерного микроструктурирования на электрофизические параметры МОП-структур..................................................................................106

5 Л Л. Технология изготовления тестовых МОП-конденсаторов...............106

5 Л .2. Исследование высокочастотных вольт-фарадных характеристик

тестовых МОП конденсаторов при точечном облучении...........................108

5 Л .3. Исследование высокочастотных вольт-фарадных характеристик

тестовых МОП конденсаторов после сканирования пучком ИИВЛ..........111

5Л.4. Влияние эффекта дальнодействия на ВФХ МОП-структур при точечном облучении........................................................................................113

5.2. Влияние воздействия лазерного облучения на параметры элементов тестовой КМОП микросхемы типа К590КН6...................................................115

5.2.1. Технологический процесс 590 серии...................................................115

5.2.2. Особенности конструкции КМОП-пары транзистора.......................117

5.2.3. Влияние лазерного облучения на характеристики тестовых КМОП транзисторов, встроенных в кристаллы КМОП ИС 590 серии..................119

Выводы к главе 5.................................................................................................127

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время лазерные технологии находят широкое применение в различных технологических процессах микроэлектроники. Так лазеры используются при литографии, осаждении и травлении тонких пленок, легировании и эпитаксии, геттерировании структурных дефектов и скрайбировании подложек, а также при анализе причин отказов ишегральных микросхем[ 1,2,3,4].

В последнее десятилетие лазеры также находят широкое применение и в качестве инструмента структурной модификации различных полупроводниковых материалов, в том числе и кремния, как основного материала микроэлектроники [5,6]. При этом с помощью лазера получают кремниевые струк1уры с характерными размерами микро- и напометрового диапазона. Полученные микро-и наноструктуры обладают новыми электрофизическими и оптическими свойствами, которые отличаются от свойств объемного кремния, что позволяет использовать их в качестве материала для элементов кремниевой фотоники.

Исследование взаимодействия лазерного излучения с кремнием и структурами на его основе представляет особый научный и практический интерес с точки зрения изыскания новых материалов для технологии изготовлении МОП интегральных схем (МОП ИС) [7,8]. Так как основой конструкции МОП ИС является система кремний-двуокись кремния, то именно эта структура и является центром внимания. Для решения практической задачи, связанной с использованием лазерного микроструктурирования системы 8Ю2/81 на эксплуатационные характеристики МОП ИС необходимо детальное теоретическое изучение и экспериментальное исследование механизмов генерации, взаимодействия и накопления структурных дефектов при лазерном облучении системы 8102/81. Сложность исследований связана с разницей структурных и оптических свойств 81 и 8Ю2, а также с тем, что уже изначально, до облучения лазером, в системе 8Ю2/81 имеются упругие механические напряжения, влияющие на процесс микроструктурирования. В этом случае воздействие на кремниевые пластины (подложки полупроводниковых ИМС) мощных лазерных импульсов, необходимых для микроструктурировапия системы, может сопровождаться рядом нежелательных последствий, связанных с генерацией дефектов, имеющих дислокационную природу, которые приводят к

появлению микротрещин и разрушению кристаллической решётки пли разрушению плёнки 8Ю2.

Дополнительным обстоятельством, определяющим интерес к исследованиям взаимодействия лазерного излучения с системой 8Ю2/81, является возможность использования лазерного излучения для разработки методов модификации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов с МДП-структурой за счет фотостимулированпых реакций. Так, например, в работе [51] А. МесМс! и соавторами отмечается, что при лазерном облучении системы 8Ю2/81 происходит изменение цвета и диэлектрической проницаемости пленки окисла. В других работах [7,8] сообщалось о том, что при облучении системы 8Ю2/81 в окисле индуцируются новые заряды. Исследование этой возможности актуально в связи с перспективой разработки принципиально нового метода модификации системы 8102/81 для их применения в полупроводниковом приборостроении с целыо улучшения характеристик приборов.

В настоящее время в периодической печати имеются лишь единичные научные публикации по микроструктурированию системы 8Ю2/81 путем лазерного облучения. В них, в основном, исследуются параметры МОП-структур с кластерами кремния в окисле кремния, однако, полного понимания процессов, происходящих в этих системе пока нет. Нет также данных по влиянию на систему 8Ю2/81 вариации таких параметров лазерного облучения, как частоты следования импульсов и частоты сканирования луча лазера. Отсутствуют данные по влиянию лазерного микроструктурирования на параметры элементов МОП ИС. Таким образом, детальное изучение влияния лазерного микроструктурирования на МОП-структуры и элементы МОП ИС является актуальным.

Целыо диссертационной работы являлось исследование возможности лазерной модификации структурных и электрофизических характеристик системы 8Ю2/81 и МОП-структур применительно к полупроводниковому

приборостроению.

Основные задачи

1. Проведение анализа методов и механизмов микрострукчурирования кремния и системы 8Ю2/8к

2. Определение энергетических диапазонов лазерного воздействия, обеспечивающих структурную целостность плёнки 8Ю2 при микроструктурировании системы.

6

3. Исследование морфологии кремниевых структур, образующейся на поверхности системы Si02/Si в результате лазерного облучения.

4. Исследование электрофизических эффектов, возникающих при лазерном микроструктурировании системы Si02/Si и МОП структур.

5. Исследование возможности создания технологии лазерного микроструктурирования на тестовых МОП-структурах и элементах серийных микросхем.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач применялись следующие аналитические методы: анализ литературных источников по тематике диссертации; оптическая микроскопия для контроля микроструктурпых структур; сканирующая зопдовая микроскопия для контроля паноразмерных поверхностных структур; статическая обработка экспериментальных результатов; методы вольт-амперных характеристик (ВАХ) и высокочастотных вольт-фарадных (ВФХ) для исследовании электрофизических параметров экспериментальных структур. По изменению вида ВФХ рассчитывались: изменение встроенного заряда в окисле и изменение плотпости поверхностных состояний. Для оценки температуры перегрева облученной поверхности системы Si02/Si использовался тепловизор ближнего PIK диапазона FLIR TITANIUM.

Кроме того, для изготовления экспериментальных образцов использовались следующие технологические методы: термическое окисление кремниевых подложек; лазерные технология обработки кремниевых подложек и системы Si02/Si; технологические методы и режимы, использующиеся при формировании КМОП РТС па предприятии «Светлана-полупроводники».

Научная новизна работы.

1. Определены энергетические диапазоны лазерного воздействия на систему Si02/Si, обеспечивающие микроструктурироваиие поверхности кремния при сохранении целостности плёнки диоксида кремния.

2. Впервые экспериментально обнаружен эффект локальной пластической деформации поверхности кремния, проявляющийся в виде сетки линий скольжения при облучении импульсным иттербиевым волоконным лазером системы Si02/Si.

3. Впервые экспериментально обнаружен эффект анизотропного локального микроплавления монокристаллического кремния, и определены его механизмы при лазерном воздействии.

4. Экспериментально обнаружен эффект улучшения электрофизических характеристик МОП структур при сканировании пучком маломощного лазерного излучения.

5. Показана возможность управления электрическими характеристиками МОП транзисторов в КМОП ИС путем лазерной обработки.

Практическая ценность и реализация работы.

Результаты могут быть использованы в технологии производства МОП и КМОП ИС, запоминающих устройств и других электронных устройств на основе системы кремний - диоксид кремния. На основе эффекта локальной пластической деформации поверхности кремния возможна разработка нового способа контроля ориентации поверхности кремниевых пластин по главным кристаллографическим плоскостям с помощью лазерного воздействия.

Эффект улучшения электрофизических характеристик МОП структур при сканировании пучком маломощного лазерного излучения может быть использован для корректировки порогового напряжения МОП транзисторов в КМОП ИС.

Кроме того, в настоящее время результаты исследований используются при проведении научно-исследовательских работ студентов и магистрантов кафедры ПБКС, в лекциях по дисциплине «Микро- и нанотехнологии», а также в работах студентов над магистерскими диссертациями.

Частично работа выполнялась в рамках гранта РФФИ № 13-02-00033 «Исследование возможностей создания папокомпозитных областей в системе 8Ю2/81 под действием ультракоротких импульсов лазерного излучения» в 2013 г.

Результаты, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Метод получения локальной пластической деформации кремния в виде сетки линий скольжения на поверхности кремния при облучении системы 8102/81 наносекупдными лазерными импульсами.

2. Механизм локального анизотропного плавления мопокристаллического кремния при сканирующем импульсном лазерном облучении системы БЮз/Зк

3. Режимы микроструктурирования системы Si02/Si импульсным иттербиевым волоконным лазером, обеспечивающие улучшение электрофизических характеристик МОП-структур.

4. Изменение электрических параметров тестовых МОП транзисторов в составе КМОП ИС серии 590 путем облучения импульсным волоконным лазером.

Апробация работы.

Основные результаты работы представлялись на следующих научных конференциях и семинарах:

«International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro - and Nanotechnologies" (FLAMN-13)», St. Petersburg, 2013; II Всероссийский конгресс молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; III Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей», Красноярск, 2013; IX Международной научно-практической конференции «Наука и образование -2012/2013», Чехия, Прага; 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012» Москва, 2012; I Всероссийский конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2012; XLI и XLII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (2012 г., 2013 г.); VTII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2011.

Диссертант был награжден дипломом за лучший доклад II Всероссийского конгресса молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; дипломом первой степени за лучший плакат стендового доклада международного симпозиума "Fundamentals of Laser Assisted Micro - and Nanotechnologies" (FLAMN-13)», St. Petersburg, 2013.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 21 печатных работах, 8 из них - в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения. Объем диссертации составляет 147 страницы, включая 3 таблицы и 56 рисунков, список литературы, который содержит 116 наименований и размещен на 12 страницах.

ГЛАВА 1. МИКРОТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОСТИ СИСТЕМЫ ДИОСИД КРЕМНИЯ - КРЕМНИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В настоящее время лазерные технологии обработки материалов широко используются в мире для производства и создания сложных топологических двух- и трехмерных микро- и наноструктур в различных материалах. Взаимодействие лазерного излучения с веществом, приводящее к образованию различных видов поверхностных структур, таких как рябь [9], волнистой рельеф [10,11] и микро- наноструктур [12,13] было широко представлено для полупроводников, металлов, и изоляторов [14]. Эти поверхностные структуры, как правило, образуются внутри области лазерного пятна и имеют шаг периодичности от сотен нанометров до нескольких микрометров.

Все большую значимость лазерная технология