автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Влияние импульсного светового воздействия на физические свойства приповерхностных слоев полупроводников



ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЖЕЛЕЗНЫЙ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Специальность 05.27.06 - технология полупроводников и материалов

электронной техники.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ Заслуженный деятель науки РФ доктор физико - математических наук, профессор С.И. Рембеза

Воронеж -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. Воздействие импульсного излучения на 10

свойства полупроводниковых материалов.

1.1. Электронно-деформационно-тепловая модель Влияния 10 импульсного светового воздействия на физические

свойства полупроводников.

1.1.1. Генерация дефектов в полупроводниках при 15 допороговых значениях энергии импульса.

1.1.2. Генерация дефектов при надпороговых режимах 23 импульсного лазерного отжига.

1.2. Воздействие лазерным импульсом, приводящее к 28 плавлению поверхности полупроводника.

1.3. Плавление поверхности полупроводника при 33 воздействии импульса некогерентного излучения.

1.3.1. Анизотропное локальное плавление. 33

1.3.2. Механизмы локального зарождения жидкой фазы на 41 поверхности полупроводников.

1.3.3. Процессы кристаллизации аморфного кремния, 45 стимулированные импульсным воздействием.

1.4. Выводы и постановка задачи на исследование. 46 ГЛАВА 2. Методика проведения эксперимента. 48

2.1. Образцы для исследования. 48

2.2. Обработка импульсным лазерным излучением. 49

2.3. Импульсная обработка некогерентным излучением. 52

2.4. Методики исследования физических свойств образцов. 54

ГЛАВА 3. Образование дефектов в полупроводниковых 62

материалах при различных режимах импульсной лазерной

обработки.

3.1. Дефектообразование в полупроводниках при 62 режимах облучения, не приводящих к плавлению поверхности.

3.2. Формирование дефектов в полупроводниках при 70 режимах лазерного облучения, приводящих к плавлению

материала.

ГЛАВА 4. Процессы плавления и кристаллизации 79

полупроводников при импульсном световом облучении.

4.1. Морфология локальных областей плавления ионно- 79 имплантированного кремния при импульсном облучении.

4.2. Методика контроля плотности энергии некогерентного 88 излучения.

4.3. Кинетика локального плавления кремния при 93 импульсном некогерентном облучении.

4.3.1. Кинетика доплавильного нагрева кристалла. 93

4.3.2. Кинетика роста локальной области плавления при 95 импульсном нагреве кристалла.

4.4. Кристаллизация аморфного кремния, стимулированная 107 импульсным некогерентным излучением.

4.5. Кристаллизация аморфного кремния, стимулированная 113 импульсным лазерным излучением.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ. 120

ЛИТЕРАТУРА. 122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время при создании полупроводниковых приборов на основе элементарных и бинарных полупроводниковых материалов одним из наиболее перспективных методов, позволяющих модифицировать свойства приповерхностных слоев, является обработка полупроводников концентрированными потоками энергии. Поверхностная обработка может осуществляться как в стационарном, так и в импульсном режимах. Импульсная обработка характеризуется рядом преимуществ по сравнению со стационарной [1], такими, как локальность воздействия (при помощи лазерного излучения), возможность, более точного управления процессом, уменьшением диффузионных и химических взаимодействий и т.д. Импульсное воздействие осуществляется при помощи ленточных нагревателей, электронных пучков, а также светового когерентного и некогерентного излучения. Импульсная обработка производится в довольно широком временном интервале: от фемто- и пикосекундных длительностей импульса до десятков секунд. Так как спектральный диапазон источника излучения обычно соответствует области фундаментального поглощения света полупроводниками (а~10М04 см"1), то световая энергия в основном поглощается в слоях толщиной ~10"3-10"5 см. Поэтому технология импульсного светового облучения особенно перспективна для обработки поверхности, тонких приповерхностных слоев, что особенно важно при производстве больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) [2]. Световое импульсное воздействие нашло применение в технологии полупроводникового производства при проведении отжига ионно-имплантированных слоев, геттерирования дефектов, кристаллизации аморфных слоев, отжига и генерации дефектных центров в приповерхностных областях кристаллов. Основное преимущество импульсного светового воздействия по сравнению с другими методами отжига - возможность высокоэнергетичной обработки материала при малых значениях длительности воздействия. При этом

значительно упрощается и чисто техническая сторона метода обработки. При проведении импульсной световой обработки открывается ряд перспектив в модификации свойств полупроводников, недоступных для традиционных методов. Например импульсную лазерную обработку (ИЛО) можно осуществить в замкнутых объемах через прозрачные для излучения окна или слой жидкости (Н2О), выполнить термическую обработку в тонких слоях, не прогревая весь объем полупроводника, за счет уменьшения длительности воздействия снижать роль диффузионных процессов и размытия фронтов распространения примеси при термической обработке.

По величине воздействия на полупроводниковый материал импульсным некогерентным и когерентным (лазерным) излучением можно выделить два диапазона энергий:

1. со значениями плотности энергии светового импульса, при которых не наблюдается нарушения морфологии поверхности (допороговые режимы).

2. со значениями плотности энергии светового импульса, при которых наблюдается плавление поверхности материала (так называемые надпороговые режимы обработки).

Допороговые режимы импульсного воздействия, приводящие к процессам, протекающим в твердой фазе, открывают возможность более тонкой модификации свойств полупроводника (введение в приповерхностную область различных точечных дефектов и их отжиг) без разрушения облучаемой поверхности, что является особо ценным в технологии полупроводникового производства [2]. Во втором случае, когда модификация свойств полупроводника происходит при помощи жидкофазной реакции, появляется возможность расширения представления о механизмах плавления и кристаллизации кристаллических полупроводников, а также - о процессах кристаллизации аморфных слоев на кристаллических подложках, которые положены в основу ряда технологических процессов [3].

Также представляет несомненный интерес исследование обработки мате-

риалов двумя видами импульсного излучения: некогерентным (при помощи импульсных ламп, преимущественно - ксеноновых) и когерентным (при помощи лазера). Воздействие некогерентным излучением позволяет обрабатывать поверхности значительной площади, в то время, как обработка лазерным импульсом открывает возможности локальной модификации физических свойств полупроводников.

Наибольшее распространение в настоящее время имеют микроэлектронные приборы на основе кремния, в то же время для изготовления различных оптоэлек-тронных приборов, используются материалы типа А3В5: арсенид галлия, арсенид индия и др. Именно это и обусловило выбор материалов для исследования. *

Цель работы:

Установить характер воздействия импульсного светового излучения на поверхность и приповерхностные слои полупроводников, в частности:

1. исследовать влияние допорогового воздействия импульсного когерентного излучения на фотоэлектрические свойства поверхности материалов типа АзВ5, установить характер возникающих при этом дефектов;

2. определить характер изменений, вносимых в кремний и материалы А3В5 при надпороговых значениях энергии импульса;

3. установить закономерности кристаллизации аморфного кремния при воздействии на него концентрированными потоками импульсного излучения;

4. исследовать особенности образования локальных областей плавления (ЛОП) на поверхности ионно-имплантированного кремния, математически описать кинетику роста ЛОП,

5. разработать методику контроля величины плотности энергии некогерентного излучения.

Научная новизна.

Показано, что при допороговых режимах импульсного лазерного воздействия (^=1,06 мкм и ти=4мс) на поверхность арсенида галлия, в зависимости от плотности энергии излучения \¥изл, образуются центры безизлучательной рекомбинации, приводящие к изменениям спектров ФЛ и ФП, либо осуществляется отжиг дефектов, что приводит к снижению скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда;

- впервые исследовано влияние лазерной обработки на характер внутреннего трения ОаАэ, ЬпАб и На температурной зависимости СГ1 выявлены пики внутреннего трения, обусловленные лазерно-индуцированными дефектами и определены их энергетические характеристики;

- на основе исследования процесса кристаллизации пленок аморфного кремния на кремнии под действием лазерного и некогерентного излучения, установлены закономерности процесса кристаллизации в зависимости от типа и плотности энергии воздействия;

- обнаружено влияние ионной имплантации на морфологию ЛОП, образующихся на поверхности кремния при воздействии импульсного некогерентного излучения;

- разработана математическая модель, описывающая кинетику роста локальных областей плавления на кремнии,

- на основе эффекта анизотропного локального плавления поверхности полупроводников разработана методика определения плотности энергии импульса некогерентного излучения.

Практическая значимость. Данные, полученные при исследовании влияния импульсного светового воздействия на полупроводниковые материалы могут быть использованы для разработки технологических процессов производства полупроводниковых приборов, в частности - для оптимизации процессов импульсного от-

жига дефектов и примесей. Метод ВТ может быть использован для исследования процессов дефектообразования в результате лазерного отжига полупроводников.

Предложенный метод контроля плотности энергии импульса некогерентного излучения, в силу своей простоты и экспрессности, может быть успешно использован в полупроводниковом производстве.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Обнаруженная зависимость характера дефектообразования в GaAs от плотности энергии лазерного излучения миллисекундной длительности при допо-роговых режимах. .

2. Экспериментальные исследования методом ВТ дефектообразования в полупроводниках, подвергнутых лазерной обработке с надпороговой плотностью энергии излучения.

3. Кинетика роста локальных областей плавления, образующихся при импульсном некогерентном воздействии.

4. Обнаруженные различия процессов кристаллизации пленок аморфного кремния на кремнии при обработке лазерным и некогерентным излучениями.

5. Методика контроля плотности энергии некогерентного излучения, основанная на эффекте локального плавления.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Международной научно-технической конференции "Физические аспекты надежности, методы и средства диагностирования интегральных схем" (Воронеж 1993 г.);

X International Conference "Ion implantation technology", (Catania, Italy, 1994);

III Международной конференции "Действие электромагнитных полей на

пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1994 г.);

Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород 1994 г.);

4th European Conférence Exhibition SET'94 (Warszawa, Poland, 1994);

Научно-практических конференциях ВВШ МВД России (Воронеж, 1995 -1999 г.);

Международного семинара "Релаксационные явления в твердых телах", (Воронеж, 1995);

Всероссийской научно-практической конференции "Охрана-97" (Воронеж, 1997 г.);

Конференции "Реализация региональных научно-технических программ Центрально-черноземного региона" (Воронеж, 1997 г.).

Конференциях "Современные методы в теории краевых задач" "Понтрягинские чтения-IX-X" (Воронеж, 1998-1999 г.)

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 19 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит /5:? страниц текста, включая 31 рисунков и библиографию из Ю6 наименований.

ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ГОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. ЭЛЕКТРОННО-ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

В настоящее время наиболее изученными являются вопросы поглощения полупроводниками лазерных импульсов наносекундной длительности [4-7]. В качестве модели образования лазерно-индуцированных дефектов в полупроводниках, ряд авторов используют электронно-деформационно-тепловую (ЭДТ) модель [8]. Во всех приведенных работах энергия квантов лазерного излучения превышала ширину запрещенной зоны кристалла, следовательно поглощение лазерного излучения было обусловлено, главным образом, межзонными фундаментальными переходами. Концентрация неравновесных носителей при наносекундной дли-

лл ^

тельности импульса достигает 10 см" . Предлагаются следующие механизмы релаксации неравновесного состояния: рассеивание носителей заряда, генерация плазмонов (квазичастиц, описывающих колебания электронов вокруг тяжелых ионов в плазме твердых тел), оже-рекомбинация, излучательная и безизлучательная рекомбинация, эмиссия фононов. Первые два процесса обусловливают только перераспределение энергии между носителями заряда, в то время, как последний обеспечивает перенос энергии от электронной подсистемы к кристаллической решетке с характерным временем 10~12 с. Таким образом при воздействии импульса длительностью 20-30 не нагрев решетки происходит очень быстро. Температура нагрева поверхности полупроводника определяется плотностью энергии лазерного импульса, его длительностью, коэффициентами поглощения и отражения, тепловыми параметрами полупроводника.

Одним из факторов лазерного воздействия на полупроводники является им-

пульсный нагрев его поверхности. Повышение температуры поверхностного слоя приводит к росту вероятности термофлуктуационного образования точечного дефекта [9]. Кроме того, наличие большого количества неравновесных носителей заряда в кристалле может повышать эту вероятность и в определенных условиях вызывать появление дефекта и атермическим путем, т.е. без тепловой флуктуации [10].

В основе атермического процесса образования дефектов лежит сильное электрон- фононное взаимодействие, при котором изменение состояния электронной подсистемы влияет на взаимное расположение атомов.

Все механизмы образования дефектов могут быть разделены по типу предшествующей неустойчивости локальной атомной конфигурации на два класса [11]: 1) механизмы с электростатическими взаимодействиями, 2) механизмы с электронно-колебательной неустойчивостью, определяемой сильным колебательным возбуждением атомной конфигурации. В первом случае наиболее вероятным является, так называемый низкосимметричный ионизационно-примесный механизм [11], суть которого состоит в следующем: ионизация внутренней оболочки атома порождает, благодаря оже-процессу, положительный заряд > 2 | е | с конечным временем жизни. Если этот заряд возникает около положительно заряженного центра, то образуется низкосимметричное возбуждение локальной атомной конфигурации и возможно смещение одного из ионов в междоузлие.

По-видимому при лазерном облучении видимым светом маловероятна ионизация глубоких атомных оболочек (имеется в виду видимый и ближний УФ диапазоны излучения) и электростатический механизм представляется малоэффективным. Однако, высокая степень электронного возбуждения полупроводника (Ьу > Её) повышает вероятность многократной ионизации атомов решетки. И в этом случае возможен низкосимметричный электростатический механизм с участием положительно заряженных атомов примеси.

Электронно-колебательные механизмы всегда включают в себя рассмотрение актов безизлучательного захвата и рекомбинации носителей на центрах с глубокими уровнями, для которых характерно сильное электронно-колебательное взаимодействие, собственно и являющееся движущей силой обсуждаемого механизма [11]. В результате рекомбинации на таком центре электрона и дырки, атомная конфигурация оказывается колебательно-возбужденной, что и приводит к ее перестройке.

Электронное возбуждение и нагрев поверхностной области кристалла могут вызвать нарушение равновесных поверхностных состояний, что в свою очередь может привести к изменению параметров уже существующих поверхностных дефектов и к генерации новых [12ДЗ].

Причи