автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Разработка и исследование электроннолучевого оборудования для отжига и рекристаллизации структур интегральной электроники

г —

П О

На правах рукописи

Белоусов Вячеслав Михайлович

"РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОТЖИГА И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТРУКТУР ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ"

Специальность 05.27.07.-Оборудование производства

электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском Государственном институте электроники и математики(технический университет).

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор АРМЕНСКИЙ Е.В.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор БАДЬЯНОВ Б.Н.,

доктор технических наук, профессор КОРОЛЕВ М.А.

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр новых материалов и технологий "Атом".

Защита диссертации состоится 18 июня 1996 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.68.02 Московского Государственного института электроники и математики по адресу: 109028,Москва,В.Трехсвятительский пер.,д.3/12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан ж ¿г Л 1996г.

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

В.И.ЖУКОВ

Общая характеристика работы Актуальность проблемы.

Одним из перспективных направлений в технологии создания изделий электронной техники с высокой степенью интеграции является внедрение новых и перспективных технологий, в частности, электроннолучевой термообработки полупроводниковых структур, что доказано в ряде отечественных и зарубежных исследований. Однако до последнего времени использование электроннолучевой термообработки в промышленности сдерживалось из-за отсутствия необходимого оборудования, обеспечивающего высокую производительность и воспроизводимость прецизионных технологических процессов. Создание нового поколения автоматизированного электроннолучевого оборудования для термообработки полупроводниковых структур позволит не только оптимизировать технологические процессы производства СБИС, уменьшить их стоимость и увеличить процент выхода годных изделий, но и подняться на качественно новый уровень разработки технологий, в частности трехмерных СБИС.

При разработке такого оборудования необходимо решить в комплексе ряд теоретических, методологических и технических проблем, связанных с созданием математической модели технологического процесса, доказательством ее адекватности реальному процессу термообработки, разработки на основе моделирования аргументированных требований ко всем узлам и оборудованию в целом.

Необходимость своевременного решения перечисленных проблем определяет актуальность задачи исследования и разработки новых технических решений, необходимых для создания нового поколения автоматизированного электроннолучевого технологического оборудования, обладающего высокой прецизионностью и воспроизводимостью результатов технологического процесса.

Цель работа.

1. Разработка автоматизированной электроннолучевой установки (ЗЛУ) для отжига и рекристаллизации структур интегральной электроники с высокой воспроизводимостью параметров

технологического процесса.

2. Расчет и конструирование элементов специализированной электроннооптической системы • (ЭОС), предназначенной для формирования и сканирования по поверхности обрабатываемой полупроводниковой структуры электронного пучка с оптимальными для термообработки параметрами.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование температурных полей, возникающих при сканировании электронными пучками различных энергий с целью обоснования требований к электроннолучевому оборудованию и системам управления.

4. Разработка и макетирование системы управления технологической установкой от ЭВМ с помощью специализированного контроллера, обеспечивающего многофункциональные возможности контроля и управления процессом в режиме реального времени.

5. Экспериментальное исследование технологического процесса электроннолучевой термообработки полупроводниковых структур, в частности процесса получения структур типа КНД и КНД-И на макете электроннолучевой установки.

Методы исследования.

Исследование и оптимизация электроннооптических характеристик ЭОС проведены на основе методов расчета магнитного поля линзы и отклоняющей системы, реализующих метод конечных элементов с учетом кривой намагничивания материала сердечников для расчета параксиальных траекторий и аберраций фокусировки и отклонения в комбинированных отклоняюще-фокукусирующих полях.

Для описания плотности объемного электронного теплового источника сложной формы впервые применены методы аппроксимации на основе разложения Чебышева-Эджворта, использовавшиеся ранее только при доказательстве предельных теорем теории вероятностей.

В процессе макетирования системы управления с обратной связью по параметрам обработки применялись в комплексе методы измерения характеристик электронного пучка, анализа интенсивности вторичных излучений, в том числе термоэлектронов и инфракрасного излучения.

При анализ' результатов экспериментов по получению КНИ и КНД-И структур использовался ряд электрофизических методов измерения параметров полупроводниковых структур, включая

прецизионные способы фотоэлектронной, ионной спектроскопии и растровой электронной микроскопии.

Научная новизна.

1. Разработан метод анализа тепловых полей при обработке сканирующим электронным пучком с учетом адекватной реальности объемной плотности вводимой мощности, форма которой определяется распределением рассеиваемой мощности по глубине и поверхностной квазинормальной плотностью пучка. Известные математические трудности на пути получения подобных решений преодолены благодаря использованию для описания источника тепла бесконечного разложения Чебышева-Эджворта, композиция которого с функцией Грина допускает простое решение тройного объемного интеграла в рамках интегрального решения Пуассона. Доказана теорема об устойчивости композиции приближения Чебышева-Эджворта с нормальным распределением, существенно обобщающая известные аналогичные результаты о свертке гауссовских распределений.

2. На основании разработанной модели получены коэффициенты влияния параметров пучка на характеристики обработки и сформулированы аргументированные требования к разрядности систем управления, необходимой стабилизации и динамической коррекции параметров управления.

3. Проведен расчет конструктивных параметров электроннооптической системы с целью уменьшения изменения диаметра электронного пучка по площади сканирования на основе программ расчета параксиальных траекторий и аберраций отклонения в комбинированных отклоняюще-фокусирующих полях.

4. Разработаны принципы, структура и схемотехнические решения системы контроля и управления ЗЛУ на основе использования в качестве аппаратурного и программного интерфейса блока специализированных контроллеров, что позволило реализовать управление и коррекцию при общем управлении от ЭВМ в реальном масштабе времени.

Практическая ценность.

Проведены испытания экспериментального макета

электроннолучевой установки включающей злектроннооптическую систему, рабочую камеру, систему автоматизированного контроля и управления на базе специализированного контроллера, связанного с

современным компьютером.

Показаны возможности реализации широкого спектра технологических режимов на примере получения КНИ и КНД-И структур.

Разработана опытно-конструкторская документация на автоматизированный электроннолучевой комплекс для электроннолучевой обработки изделий электронной техники.

На защиту выносятся:

1. Основные технические решения, положенные в основу разработанной электроннолучевой установки для термообработки полупроводниковых структур с воспроизводимыми параметрами технологического процесса.

2. Результаты расчета специализированной электроннооптической системы и конкретные данные для колонны установки с большой площадью обработки (10x10 см).

3. Математическая модель температурного поля сканирующего электронного пучка с учетом объемного распределения мощности в источнике тепла.

4. Структурная схема и макет быстродействующего многофункционального контроллера, через который ЭВМ управляет процессом обработки.

5. Результаты экспериментальных исследований процесса получения КНД и КНД-И структур на разработанном макете электроннолучевой установки.

Публикации.

Основные практические и научные результаты диссертации опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 3 авторских свидетельствах.

Структура и обьем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, литературы из 182 наименований, приложения.Диссертация содержит 146 страниц машинописного текста, 60 страниц иллюстраций и 21 страницу приложения.

В первой главе проведен анализ современного состояния технологии и оборудования для электроннолучевой термообработки полупроводниковых структур, проведено обоснование актуальности проблемы и определены цели исследования.

Во второй главе изложена разработанная математическая модель температурного поля, создаваемого сканирующим электронным пучком, и определены требования к параметрам обрабатывающего и управляющего оборудования.

В третьей главе описаны разработаны методы оптимизации электроннооптической системы, проведено исследование, расчет и разработка основных узлов ЭОС. Рассмотрены системы контроля параметров технологического процесса и автоматического управления установкой на базе разработанного специализированного контроллера.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса электроннолучевого отжига и рекристаллизации КНД и КНД-И структур.

Содержате работ

Во введении показана актуальность поставленной задачи и дальнейшая перспективность развития исследований в этой области. Отмечено, что несмотря на значительные продвижения в развитии отечественного технологического электроннолучевого оборудования для термической обработки, достигнутые под руковрдством признанных специалистов в этой области: Кабанова А. Н., Васичева Б.Н., Армейского Е.В., Бдуленко А.П., Ольшанского H.A., Башенко В.В. и др.,в настоящее время нет базовой модели, отвечающей требованиям полупроводникового отжига по равномерности обработки пластин и воспроизводимости результатов от цикла к циклу.

Сформулирована цель и вытекающие из нее задачи исследований, моделирования и разработок. Изложены положения, выносимые на защиту, новизна и практическая полезность работы. Показано структурное содержание работы и приведено смысловое распределение материала по главам.

Глава I

Проведен анализ наиболее перспективных методов интегральной электроники, требующих для своего воплощения новой аппаратурной базы, и состояния технологического электроннолучевого оборудования, как одного из самых перспективных инструментов прогресса технологии.

Среди научных и патентных публикаций последних лет по физико-технологическим разработкам в микроэлектронике

значительное место посвящено КНД методам, в которых интегральные схемы формируются в тонких слоях кремния ( 0,2-0,5 мкм ) на диэлектрических пленках ( двуокись кремния, нитрид кремния, оксинитрид кремния ) сформированных на пластине исходного кремния. Подобные структуры с полной диэлектрической изоляцией имеют высокое быстродействие, - свободны от эффекта "защелкивания", обладают повышенной помехоустойчивостью, минимальными паразитными связями, повышенной радиационной и термической стойкостью. Перспективность подобных структур подчеркивается возможностями реализации трехмерных интегральных схем, открывающих пути к созданию микроэлектронных изделий с уникальными параметрами.

Важнейшими этапами в техмаршрутах производства подобных структур являются процессы отжига и рекристаллизации полупроводников, причем наиболее обнадеживающие результаты получены за рубежом при использовании лазерного и особенно электронного пучков, обеспечивающих импульсный

высокотемпературный нагрев при локальности обработки. При этом существенна высокая скорость обработки (десятки метров в сек.), что обусловлено не только требованиями производительности, но и физико-технологической природой процессов, исключающих диффузионное размытие концентрационных профилей.

Несмотря на значительный объём публикаций, посвященных перспективности электроннолучевого отжига и рекристаллизации, нет убедительных доказательств стабильности получаемых результатов на отечественном оборудовании. Наличие разночтений и неясностей в теории электроннолучевого отжига, также во многом определяется невозможностью постановки корректного прецизионного эксперимента из-за несовершенства и нестабильности используемого оборудования. Без достаточно производительной и быстродействующей системы управления не удается реализовать принципиальные преимущества электронного луча, заключающиеся в произвольности импульсной и пространственной модуляции, что позволило бы влиять, например, на направление температурного градиента при рекристаллизации.

Анализ публикаций показывает, что требования технологов к параметрам управляющего и обрабатывающего оборудования

определялись на интуитивном уровне.

Чаще всего физико-технологические разработки проводились на доступных установках для размерной микрообработки, обладающих избыточной мощностью и невысокой стабильностью, достаточной для микросварки, но неприемлимой для полупроводниковой технологии. Другой класс электроннолучевого оборудования, используемый в электронолитографии, по злектроннооптическим показателям ближе к растровой микроскопии, чем к установкам размерной микрообработке, и, несмотря на повышенную воспроизводимость, неприемлем для термообработки из-за малой мощности и недостаточного поля отклонения луча для охвата всей площади пластины.

Из аналитического обзора следует, что среди известных отечественных установок нет модели, которая могла бы стать базовой отвечающей требованиям технологий электроннолучевого отжига, требующего высокой стабильности характеристик электронного пучка от цикла к циклу обработки пластин.

На основании проведенного анализа показана актуальность разработки специализированной прецизионной электроннолучевой установки с воспроизводимыми параметрами обработки с системой автоматического управления, допускающей многопараметрический контроль процесса в реальном масштабе времени, и совместимой с современным парком компьютеров.

Сама постановка подобной комплексной задачи требует системного моделирования процесса с целью выработки аргументированных требований к точности и стабилизации отдельных элементов оборудования и систем управления. По существу общая модель процесса представляет собой передаточную функцию от параметров управления к множеству свойств обработанного материала и соответственно определяет частные коэффициенты влияния каждого из воздействующих параметров. В итоге, структура такой сложной системы по сути есть последовательность ряда моделей, разрешаемых в терминах совершенно разных областей техники и связанных между собой только согласованными множествами входных и выходных параметров.

На первом уровне детализации можно выделить следующие модели: - отображение параметров управления в необходимые

характеристики пучка, которое может быть однозначным только при реализации обратной связи через управляющий контроллер на основе прецизионного анализа плотности распределения тока пучка;

- моделирование температурного поля движущегося электронного пучка, как поля от объемного источника, плотность которого определяется физической моделью выделения мощности по глубине и поверхностной плотностью распределения пучка, полученной в процессе анализа функционирования оборудования на каждом цикле, обработки в рамках предыдущей модели;

- представление рассчитанных объёмных тепловых потоков, как основы анализа кинетики физико-технологических превращений, определяющих в свою очередь функциональные свойства полупроводниковых структур после обработки.

Хотя исследования в области последней из перечисленных групп моделей являются задачей физики твёрдого тела, и не входили в проблематику представляемой работы, в рамках которой поставлена цель обеспечить необходимый и достаточный инструмент для физиков и технологов-исследователей, при испытаниях макета оборудования и концепций управления удалось провести серию положительных опытов по отжигу реальных полупроводниковых структур, результаты которых обсуждаются в 4 главе.

Анализ распределения плотности тока луча, динамический контроль стабильности питания узлов ЭОС и другие задачи, связанные с кругом проблем первой из перечисленных моделей, приведены в 3 главе совместно с описанием специализированного быстродействующего контроллера, являющегося интерфейсом для персональной ЭВМ.

Вторая глава посвящена построению модели теплового поля движущегося электронного луча, рассматриваемого как объёмный источник мощности произвольной выпуклой формы в полубесконечном теле с адиабатической границей.

Глава 2.

Анализ принятых допущений в постановке задачи распространения тепла от движущегося источника показал, что основными препятствиями на пути получения количественно точных результатов являются : трудность адекватного описания источника, тепла реальной формы и сложность учета температурной зависимости

теплофизических констант от температуры.

В первом приближении объёмный электроннолучевой источник мощности подобен урезанному трехмерному гауссовскому распределению с различными дисперсиями в каждом измерении. При таком допущении было получено решение для объемного гауссовского источника электроннолучевой обработки, где плотность вводимой мощности по глубине описывалась нормальным срезанным распределением, соответствующим теоретической модели Каная и Окаяма. Это решение является существенным продвижением по сравнению с широко используемыми результатами для источника в виде равномерного колодца или поверхностного гауссовского распределения, но не может претендовать на количественную точность, ибо приближение нормальным распределением является чрезмерной идеализацией из-за того, что распределение плотности пучка по поверхности на практике отличается от гауссовского, а плотность выделяемой мощности по глубине, правильно отражая общий характер, описывается урезанным нормальным распределением лишь приблизительно.

На основании данных результатов и анализа плотности выделяемой электронным лучом мощности была поставлена задача поиска аппроксимирующего представления источника тепла сочетающего хорошие свойства нормального распределения в смысле сверки с функцией Грина и точность описания источника достаточно сложной формы. Такая аппроксимация была найдена в виде приближения Чебышева-Эджворта, причем ключевым шагом явилось строгое математическое доказательство утверждения о том, что это приближение устойчиво относительно свертки с нормальным распределением, т.е. тройной интеграл по объему в общем решении Пуассона, представляющий собой свертку приближения Чебышева-Эджворта и нормального распределения, не только берется, но и снова является тем же распределением, отличающимся от исходного легко вычисляемыми линейными множителями.

Для практических целей, как показывает анализ аппроксимации распределения Каная-Окаяма плотностью Чебышева-Эджворта, оказывается достаточным учет кроме двух первых, определяющих математическое ожидание и дисперсию нормального распределения, еще третьего и четвертого моментов, описывающих соответственно

асимметрию и эксцесс. Таким образом, используя доказанные в работе математические результаты о свойствах свертки распределения Чебышева-Зджворта с нормальным распределением, оказалось возможным получить решение уравнения теплопроводности с адекватным описанием источников тепла достаточно сложной формы, включая даже такую экзотику, как тороидальный пучок с впадиной в центре.

Используемые при расчетах теплофизические константы определялись как интегральное среднее в интервале рассматриваемых температур. Предложен двухстадийный метод учета зависимости теплофизических констант от температуры, заключающийся в том, что на основании численного решения для простейшего случая непрерывного точечного источника с помощью аппроксимированных зависимостей теплофизических констант от температуры подбирается коэффициент температуропроводности, при котором численное решение совпадало бы с аналитическим и далее полученный условный коэффициент используется для расчетов источников произвольной формы в заданном интервале температур.

Для температурного распределения движущегося электронного луча получены автомодельные решения в форме однократных интегралов для квазистационарного и нестационарного режимов, выраженные через безразмерные характеристические времена процесса или через числа подобия Пекле и Фурье. Оценки общих критериев процесса показывают, что, при практически используемых скоростях для отжига и обработки, квазистационарное состояние распределения наступает столь быстро, что краевыми эффектами, связанными с нестационарностью, можно пренебречь.

Численный анализ квазистационарных распределений

температурного поля выявил наличие асимптотического регулярного режима, при котором скорость прохода луча столь велика, что растеканием тепла за время перемещения можно пренебречь. При регулярном режиме параметры распределения линейно зависят от скорости,, а плотность является суперпозицией одинаковых распределений соседних точек, что крайне упрощает расчеты и позволяет подойти к моделированию в реальном масштабе времени. С практической точки зрения существенно, что при аналоговой развертке электронного луча практически всегда реализуется

регулярный режим; при дискретной - цифровой режим нерегулярен, аналого-цифровая развертка приближается к регулярности.

Существенным выводом проведенного анализа является наглядное доказательство того факта, что распределение температуры, особенно максимальная температура в точке (крайне важный показатель с технологической точки зрения), сильно зависит от эксцесса распределения плотности электронного пучка, значительно меняющегося при каждой настройке электроннооптической системы. Этот результат выдвигает новые требования к прецизионности систем измерения и стабилизации плотности пучка и возможно во многом может объяснить наблюдавшуюся раз от раза невоспроизводимость результатов отжига.

Определение на основе дифференцирования полученных решений частных коэффициентов влияния параметров управления на результаты обработки позволяет аргументировано сформулировать требования к элементам и параметрам электроннооптической системы, а также к разрядности систем управления и стабилизации. Рассчитанные коэффициенты чувствительности общих параметров управления использованы при разработках элементов электроннооптической системы и блоков системы управления, описанных в следующей главе.

Глава 3.

Спецификой электроннолучевой установки для отжига и рекристаллизации является требование стабильности вводимой мощности при значительном отклонении пучка, требующемся для обработки пластины кремния за один цикл обработки пластины.

С целью компенсации искажений диаметра и формы движущегося луча за счет аберраций отклонения, возрастающих с увеличением угла отклонения, управление ЗЛУ предусматривает системы динамической фокусировки и стигмирования, точность которых, естественно, тем выше, чем меньше искажения допускаемые автоматизируемой колоны. Поэтому первоначальной задачей создания специализированной установки с большим отклонением явилось оптимизация электроннооптических характеристик ЭОС согласно поставленным целям.

Расчет элементов ЭОС осуществлялось на основе прикладного пакета, включающего программы расчета магнитного поля линзы и

отклоняющей системы на основе метода конечных элементов с учетом кривой намагничивания материала сердечников, программу расчета параксиальных траекторий и аберраций фокусирующей линзы и программу расчета параксиальных траекторий и аберраций отклонения в комбинированных отклоняюще-фокусирующих полях. На основании комплекса программ расчета характеристик луча от отдельных параметров элементов колонны разработана методика оптимизации ЭОС для специализированных приложений, основанная на методе вариантного счета комбинаций следующих конструктивных переменных ЭОС:

- геометрические размеры магнитного зазора фокусирующей линзы и отклоняющей системы;

- расстояние от кроссовера электронной пушки до центра линзы и расстояние от центра линзы до плоскости обработки;

- расстояние между центром линзы и центром отклоняющей системы.

Для целей интегральный электроники рассчитан и оптимизирован вариант конструкции малогабаритной ЭОС со следующими параметрами:

- ускоряющее напряжение до 30 кВ;

- ток пучка до 0,1 А;

- диаметр пучка в центре поля сканирования 0.9 мм;

- внешний диаметр ЭОС 170 мм;

- высота ЭОС 500 мм.

Работа ЭОС в импульсном режиме обеспечивается системой модуляции и бланкирования электронного пучка, осуществляемой управляющим электродом пушки и восьмиполюсной электростатической системой бланкирования. С целью улучшения частотных характеристик ЭОС был разработаны блок модуляции электронного луча, расположенный непосредственно в корпусе пушки. Применение электростатической отклоняющей системы бланкирования пучка позволяет уменьшить время переходных процессов и обеспечивает получение коротких импульсов тока длительностью меньше 1 мкс.

Основной концепцией разработки является реализация высокоточного и стабильного управления на основе максимального охвата обратной связью по физическим и технологическим параметрам на основе информации по нескольким каналам

(поглощенные и термоэлектроны, ИК-излучение)1 Измерение плотности распределения тока луча и ВАХ электроннооптической системы позволяет, на основании модельных расчетов, провести межцикловую корректировку режима обработки с целью достижения воспроизводимых результатов.

•Подобная задача требует высокочастотной элементной базы для реализации высокоскоростных каналов управления ( растровое сканирование и модуляция пучка с частотой 2-10 Мгц), и обеспечения многоканальной системы контроля, корректировки и измерения. Основным звеном реализации управления и контроля является специализированный контроллер, осуществляющий аппаратурный и программный интерфейс с управляющей ЭВМ с необходимыми для технологических целей быстродействием и разрядностью при обеспечении заданной функциональности.

Система управления ЭЛУ функционально состоит из трех независимых контроллеров: . ;

- контроллера управления электронным пучком,предназначенного для автоматического управления разверткой электронного пучка и его параметрами в ходе технологического процесса,

- контроллера диагностики, служащего для постоянной проверки работоспособности всех блоков управления ЗЛУ и прекращающего технологический процесс обработки в случае возникновения аварийной ситуации,

- контроллера регистрации, предназначенного для накопления и ввода в ЭВМ информации о вторичных излучениях, возникающих в ходе взаимодействия электронного пучка с образцом, полном токе электронного пучка, токе поглощенных электронов и температуре на образце в пятне нагрева.

Связь контроллеров с управляющей ЭВМ осуществляется через интерфейс обмена данными, а обмен информацией контроллера с ЭЛУ обеспечивается блоком ЦАП и АЦП. В настоящее время появилась серия одночиповых сигнальных микрокомпьютеров ADSP-2101C и выше) фирмы ANALOG DEVICES, структура которых полностью совпадает с описанным и опробованным контроллером.

Система управления технологическим процессом

электроннолучевого отжига содержит также две группы датчиков: блок датчиков измерения и контроля параметров пучка и блок

датчиков контроля технологического процесса.

Блок датчиков измерения и контроля параметров пучка содержит:

- датчик эмиссионных электронов, для осуществления процессов фокусировки, юстировки, стигмирования ЭОС;

- датчик поглощенных электронов, для выставления тока накала, снятия ВАХ пушки, измерения диаметра электронного пучка и распределения плотности тока по диаметру пучка в двух координатах.

Блок датчиков контроля технологического процесса состоит из:

- пирометрического ИК-датчика на основе фотодиода ФД-9Э111 для измерения и контроля температуры в пятне нагрева;

- датчика эмиссионных электронов с анализатором спектра по энергии;

Измерение температуры по поверхности пластины производится синхронно с разверткой электронного пучка ИК-датчиком и датчиком эмиссионных электронов. Учитывая практически безинерционность датчика эмиссионных электронов, а также экспериментальное подтверждение идентичности распределений температурных полей снятых с помощью ИК-датчика и датчика эмиссионных электронов, он использовался для контроля и регулировки равномерности температурного поля при растровом электроннолучевом отжиге в реальном масштабе времени, а ИК-датчик, измерения локальной температуры по площади сканирования и периодической калибровки по температуре датчика эмиссионных электронов.

В отличии от других систем регистрации температурных распределений данный комплекс позволяет вести контроль и анализ температурных распределений одновременно по нескольким каналам синхронно с движением электронного луча, что значительно повышает достоверность и полноту получаемой информации. Различные варианты суммирования и обработки сигналов могут соответствовать различным исследовательским и технологическим задачам.

Алгоритмическое обеспечение системы контроля и управления электроннолучевой установкой реализовано в виде моделирующего и управляющего программных пакетов:

- практические расчеты температурных полей, теплофизических

констант, распределений вводимой мощности и их графическая интерпретация проводились с помощью специально разработанного прикладного программного пакета "Scan Beam", реализующего необходимое математическое обеспечение и выполненного в виде диалоговой графической многооконной оболочки с высоким разрешением;

- пакет TYOtjig предназначен для непосредственного управления электроннолучевой установкой состоит из четырех программных модулей: DIAGNOST, ВАХ, FOKUS, TV0TJIG. Модуль DIAGNOST производит диагностику работоспособности всего контроллера управления ЭЛУ посредством опроса контроллера диагностики, а также производит центрирование и юстировку электронного пучка. Модуль FOKUS производит фокусировку и стигмирование электронного пучка по центральной строке. Модуль ВАХ производит снятие вольт-амперной характеристики и анализ полученной зависимости. Основной модуль TV0TJIG производит установку параметров отжига и видеопараметров вывода результатов на экран, запуск всех приведенных выше модулей, самого бтжига, сохранение результатов отжига и результатов работы модулей ВАХ, FOKUS и TV0TJIG в файле, а также просмотр сохраненных файлов и их распечатку.

В результате проведенных исследований была разработана автоматизированная растровая электроннолучевая установка нового поколения для отжига и рекристаллизации полупроводниковых структур.

Электроннолучевая установка содержит малогабаритную, охлаждаемую водой вакуумную рабочую камеру, внутри которой установлен столик для обрабатываемой полупроводниковой пластины и резистивная печь с равномерным распределением теплового поля, предназначенная для предварительного подогрева пластины. Загрузка и выгрузка пластин осуществляется автоматизированным шлюзовым устройством, установленным на рабочей камере. Сверху на рабочей камере установлена электроннооптическая система, содержащая электронную пушку, фокусирующую систему, отклоняющую систему, систему бланкирования и систему динамических коррекций электронного пучка. Контроль температуры полупроводниковой пластины в режиме предварительного подогрева осуществляется

термопарой, а в режиме электроннолучевого отжига быстродействующим пирометром, установленным на герметичном окне рабочей камеры, и датчиком эмиссионных электронов. Настройка и динамическая коррекция параметров ЭОС осуществляется с помощью датчиков эмиссионных и поглощенных электронов. Управление установкой осуществляется от IBM PC через специализированный контроллер. Откачка рабочей камеры и ЭОС осуществляется турбомолекулярным вакуумным насосом, загрузочного устройства -магниторазрядным насосом НМД0-01.

Автоматизированная установка имеет следующие технические характеристики:

- ускоряющее напряжение 10-30 кВ

- ток пучка до 100 мА

- диаметр пучка 0.9 мм

• - диаметр обрабатываемой пластины до 100 мм

- скорость сканирования до 10 кадр/сек

- число элементов в растре от 256x256 до 2048x2048

^ частота бланкирования до 1 МГц

- предварительный подогрев подложки до 800°С

- рабочее давление в камере отжига 0.01 Па

Данная установка может быть использована для проведения и

разработки технологических процессов твердофазного и жидкофазного отжига полупроводниковых структур и полуфабрикатов в широком диапазоне температур, а также других изделий промышленности, где требуется поверхностная, локальная модификация материалов.

Глава 4.

Экспериментальное опробование разработанной установки проводилось на примере создания КВД структуры Скремний-на-диэлектрике).являющейся одной из самых перспективных в современной микроэлектронике. Методы основаны на рекристаллизации узкой расплавленной зоны поликремния, формируемой с помощью локального нагрева от разных источников: лазера, ламп, графитовых нагревателей и т.п.Электроннолучевая технология имеет преимущества в производительности, управляемости и

контролируемости. Одной из задач настоящей работы являлось доказательство возможности получения совершенных КНД структур с заданными свойствами.

Для исследований электроннолучевой рекристаллизации использовались пленки поликристаллического кремния толщиной 0.5 мкм выращенные путем пиролиза на окисленном Б1 легированном фосфором. С целью уменьшения заряда диэлектрика электронным лучом, приводящей к нестабильности позиционирования луча, обрабатываемая структура покрывалась пленкой Ио толщиной 0.3 мкм, обеспечивающей сток заряда и, кроме того, улучшающей условия теплоотвода.

Растровая обработка данной структуры электронным лучом приводила к существенному увеличению размеров зерен, растущих под углом к направлению построчного сканирования, т.е. возникновению т.н."шевронной" структуры. Подобные структуры объясняются наличием множества зародышей на краях зоны кристаллизации, и преимущественым направлением роста кристаллитов в направлении температурного градиента. Шевронная структура подавлялась путем искусственной реализации заданного температурного профиля и единого источника зародышеобразования. С этой целью на поверхность поликристаллической пленки формировался с помощью фотолитографии островок области поликремния вытянутой конфигурации с заострением на начальном участке обработки и без него.

Рекристаллизация проводилась при ускоряющем напряжении 15 кВ, стандарте распределения луча 1,2 мм, токе 15 ма при подогреве подложки до 800 С.

Возможность формирования квазилинейного электронного источника 1x100 мм позволяет вести рекристаллизацию по всей площади обрабатываемой пластины и создавать большие по размеру монокристаллиты,но при наличии определенных затравочных областей.

Проведенные эксперименты показали принципиальную

возможность получения электроннолучевыми методами совершенных монокристаллических областей рекристаллизованного кремния, о чем свидетельствуют оптические и злектронографические исследования.

• Другим перспективным направлением, нашедшим широкое

применение в производстве быстродействующих радиационностойких интегральных схем, свободных от эффекта "защелкивания" и работающих при повышенных температурах, является технология формирования скрытых изолирующих слоев методом ионной имплантации (КНД-Ю. КНД-И структура содержит следующие слои: кремниевую пластину, слой диэлектрика (двуокись кремния, нитрит кремния), сформированного методом ионной имплантации стехиометрическими дозами и последующим отжигом (толщиной 0,3 -0,4 мкм), и верхнего слоя монокристаллического кремния (толщиной 0,2 - 0,3 мкм), в котором формируются активные элементы ИС.

Важнейшим процессом в техмаршруте изготовления КНД-И структур является длительный высокотемпературный отжиг после внедрения ионов кислорода или азота, приводящий к стягиванию примесных атомов к центру ионнолегированного слоя, растворению кристаллитов и преципитатов, формированию высококачественного изолирующего слоя окиси или нитрида кремния и, вышележащего, совершенного слоя монокристаллического кремния. Обычно отжиг проводится в диффузионных печах при температуре 1270 - 1290 С в течение 3-4 часов в инертной атмосфере.

В работе исследовалась возможность создания КНД-И структур сканирующим электронным лучом. Использовались образцы Si легированных кислородом с энергией 200 кэв и дозой 1.8x10 см . Электроннолучевой отжиг проводился при энергии луча 15 кэв, токе 5 ма при подогреве подложки до 800 С. Температура поверхности образца поддерживалась в течении 30 мин на уровне 1300 С.

Анализ изменений в стехиометрии и состояния кислорода проводились методом фотоэлектронной спектроскопии на приборе Эскалаб МК II и методом ионной спектроскопии на приборе САМЕСА IMS4F. Исследования спектров и энергий связи кремния, кислорода, окиси кремния показали, что практически весь кислород находится в связанном состоянии и на глубине порядка 0,4мкм сформирован диэлектрический слой окиси кремния толщиной О.Змкм.

Результаты исследований показали принципиальную возможность реализации качественных КНД-И структур с помощью электронного луча и сокращения времени отжига за счет ускорения процесса активации примеси и образования химических связей оксида.

Заключение

1. Поставлена конкретная задача и определена методология разработки автоматизированной электроннолучевой установки с воспроизводимыми характеристиками обработки для отжига структур интегральной электроники.

2. Проведено моделирование распределения температурного поля движущегося объемного электроннолучевого источника, позволившее сформулировать требования к характеристикам луча и разрядности параметров управления, исходя из технологических требований. Получено решение для источника тепла произвольной выпуклой формы и показано существование регулярного режима в области практически используемых скоростей.

3. С целью обеспечения равномерности отжига при значительных отклонениях проведен расчет конструктивных параметров специализированной электроннооптической системы, позволяющей при наличии динамической коррекции осуществить воспроизводимый отжиг на площади обработки до 100x100 мм.

4. Разработана функциональная структура, схемотехнические решения для блока быстродействующих контроллеров управления, контроля и преобразования информации, работающих в качестве двустороннего интерфейса между электроннолучевой установкой и ЭВМ. Испытания макета системы показали эффективность структуры управления в целом и работоспособность каждого из узлов.

5. Разработана и опробована система измерения и контроля технологического процесса на основе комплекса датчиков, которая позволяет вести анализ вторичных излучений, контроль распределения температуры по площади обработки, калибровку элементов системы в реальном масштабе времени.

6. Разработана конструкторская документация и смакетирована автоматизированная ЭЛУ отжига и рекристаллизации полупроводниковых структур с воспроизводимости параметрами обработки в полном соответствии с поставленной задачей.

7. Проведенные технологические исследования по обработке реальных КНД и КВД-И структур и анализ качества полученных результатов доказали соответствие макета поставленным задачам.

Основные результаты работы отражены в следующих

публикациях:

1. Белоусов В.М., Тихонов А.Н., Шенов Ю.В., Якункин М.М. Отжиг ионно-имплантироваанных структур лазерным и электронным пучками. // "Электронная промышленность", 1/92, с. 63-64.

2. Белоусов В.М., Бутрим С.И., Змеев Ю.В., ШленовЮ.В., Якункин М.М. Автоматизированный комплекс для отжига ионноимплантированных структур. // "Электронная промышленность", 1/92, с. 16-18.

3. Белоусов В.М., Савкин A.C., Тихонов А.Н. Повышение метрологических характеристик контрольно-измерительных микрозондовых приборов. // Тез. докл. ВНТК "Метрологические проблемы микроэлектроники", Москва, 1981, с. 78.

4. Белоусов В.М., Змеев Ю.В., Кулаков В.К. Основные принципы разработки матобеспечения автоматизированных систем управления РЭМ. // Тез. докл. IV Всесоюзного симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел - "РЭМ-84", Звенигород, 1984, с. 24.

5. Белоусов В.М., Бутрим С.И., ШленовЮ.В. Моделироваание процессов кристаллизации в режиме автоколебаний после локального радиационного воздействия. // Тез. докл. I совещания стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела", Сочи, 1989, с. 82.

6. Белоусов В.М., Змеев Ю. В., Тихонов А. Н., ШленовЮ.В., Якункин М.М. Разработка автоматизированной электронно-лучевой установки с активным контролем процесса отжига. // Тез. докл. III Всесоюзного совещания "Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и управления", "Датчик-91", Москва, 1991, с.88.

7. Белоусов В.М., Тихонов А.Н., Шленов Ю.В., Якункин М.М. Термообработка кремниевых пластин сканирующим электронным лучом. //Тез.III Всесоюзного совещания "Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и управления", "Датчик-91" Москва,1991, с. 96.

8. Белоусов В.М., Змеев Ю.В., Тихонов А.Н., Шленов Ю.В., Якункин М.М. Исследование температурных полей, возникающих при электронно-лучевом отжиге. // Тез. докл. ВНТК "Метрологические проблемы микроэлектроники", Менделеево, Моск. обл., 1991, с. 22.

9. Белоусов В.M., Тихонов А.H., Холопкин А.И., Шленов Ю.В., Якункин М.М. Лазерный и электроннолучевой отжиг ионноимплантированных структур через тонкую пленку. // Тез. докл. V научно-технической конференции "Ионно-лучевая техника, оборудование и технология ионной имплантации",Гурзуф,1991,с.92.

10. Белоусов В.М., Змеев Ю.В., Панкратов В.В., Шленов Ю.В. Система контроля процесса электронного отжига полупроводниковых материалов. // Тез. докл. V научно-технической конференции "Ионно-лучевая техника, оборудование и технология ионной имплантации", Гурзуф, 1991, с. 93.

11. Белоусов В.М., Змеев Ю.В., Панкратов В.В., Шленов Ю.В. Система сканирования и управления режимами электронного отжига полупроводниковых материалов. // Тез. докл. V научно-технической конференции "Ионно-лучевая техника, оборудование и технология ионной имплантации", Гурзуф, 1991, с. 94.

12. Белоусов В.М., Лернер Л.М., Сидоркин A.B., Тихонов А.Н., Холопкин А.И., Шленов Ю.В., Якункин М.М. Электронно-лучевой отжиг КНДИ структур. // Тез. докл. V научно-технической конференции "Ионно-лучевая техника, оборудование и технология ионной имплантации", Гурзуф,1991,с.95.

13. Белоусов В.М., Красавина Л.В. Микропроцессорный модуль управления силовой частью устновки электронного отжига. // Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции "Микросистемы-91", Суздаль, 1991 г., с. 157.

14. Beloussoff V., Tikhonoff А., Shlenoff Jur., Jakunkln M. Thermal treatment of silicon plates by means of scanning electron beam accompanied by active control in the heating point. // Third international conference on electron beam technologies-EBT-91, Varna, Bulgaria, 1991, p.156 .

15. Beloussoff V., Zmeev Jur., Shlenoff Jur. Electron beam annealing automated equipment. // Third international conference on electron beam technologies-EBT-91, Varna,Bulgaria,1991, p.82.

16. Белоусов В.М. Система контроля и управления электронно-лучевой установкой для отжига полупроводниковых структур. //Тез.докл. Международной научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", "Датчик-93", Гурзуф, 1993, с.

135-136.

17. Белоусов В.М., Змеев Ю.В., Шленов Ю.В. Система контроля паяного тока ЗЛУ.//Тез., докл. Мевд. научно-технической конференции "Датчики и • преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", "Датчик-93", Гурзуф, 1993, с.131-132.

18. Белоусов В.М., Тихонов А.Н., Шленов Ю.В., Якункин М.М. Применение модулированных электронных и лазерных пучков в автоматизированных установках для отжига ионноимплантированных структур. // Тез. докл. Межд. научно-технической конференцию! "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", "Датчик-93", Гурзуф, 1993, с.133-134 .

19. Белоусов В.М., Змеев Ю.В., Панкратов В.В., Щленов Ю.В. Малогабаритная установка для импульсного электроннолучевого отжига полупроводниковых пластин. // Тез. докл. 8 симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел,"P3M-93",Черноголовка,Москва,1993,с.19.

20. Белоусов В.М. Растровый метод контроля распределения темпертурных полей в процессе электроннолучевого отжига. // Тез. докл.- VIII симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, "РЭМ-93", Черноголовка, Москва, 1993, с.18 .

21. Белоусов В.М..Шленов Ю.В.,Якункин М.М. Электронно-стимулированная ионная проводимость в твердых телах. // Тез. докл. VII Всеросийской научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения,контроля и управления" "Датчик-95", Гурзуф,1995, с.526.

22. Белоусов В.М., Рыбалко В.В., Тихонов А.Н. Устройство настройки электронно-оптической системы микрозондовых приборов. //Авт. свидетельство N 928466, Б.И. N 18, 1982.

23. Белоусов В.М. .Рыбалко В.В..Савкин А.С..Тихонов А.Н. Импульсный корпускулярный микроскоп.// Авт. свидетельство N 983822, Б.И. N 47, 1982.

24. Белоусов В.М., Тихонов А.Н. и др. Способ обработки полупроводниковых ионно-легированных пластин. // Авт.свидетельство N 1819056. Б.И. N 20,lf"°

Подписано к печати 12.05.96 Зак.56 Объём 1п.л. Тир. 60 МГИШ, Москва, М, Пионерская ул., 12