5. Лазерная технология полупроводников

5.1. Очистка и улучшение рельефа поверхности

Во многих случаях стандартные способы очистки поверхности не обеспечивают требуемой степени чистоты, а в ряде случаев (ионное распыление, облучение электронным пучком и др.) приводят к зна­чительному нарушению кристаллической структуры материала поверх­ностного слоя.

При лазерной очистке загрязнения удаляются с поверхности, не вызывая ее повреждения. Преимущества этого метода заключаются в том, что на обрабатываемую поверхность не вносятся чужеродные атомы и не нарушаются вакуумные условия. Лазер находится вне ва­куумной камеры и луч вводится через прозрачное окно. В результа­те этого в одном процессе совмещаются несколько операций, напри­мер, очистка, вакуумное нанесение металлов или эпитаксиальных пленок, нарезание токоведущих дорожек и т.д.

Лазерный метод выравнивания поверхности металлических пленок толщиной ~ 1 мкм основан на способности чистых расплавленных ме­таллов быстро образовывать слои с идеально плоской поверхностью. Это объясняется их высоким коэффициентом поверхностного натяже­ния и малой вязкостью. Для выравнивания поверхности таких пленок достаточно воздействия нагревающего излучения продолжительностью менее 1 мкс.

5.2. Легирование и перераспределение примеси

Диффузия из поверхностного слоя. Этот метод аналогичен тра­диционному методу диффузии из поверхностного источника с той лишь разницей, что разогрев легирующей примеси проводят лазерным излучением. Поверхностный слой расплавляется и примесь диффунди­рует в глубь расплавленного материала.

Лазерная ионная имплантация. Процесс заключается в испарении мишени, содержащей примесь, ионы которой внедряются в полупро­водниковую подложку. Для этого используют поток ионизированного мощным СО₂-лазером бора.

Перераспределение примеси и подгонка параметров полупровод­никовых приборов. Изменение профиля распределения примеси, вве­денной в полупроводник, может быть выполнено лазерным отжигом поверхности пластин. Коэффициент неидеальности вольт-амперных характеристик p-n-переходов после такого отжига уменьшается от 1,5 до 1,2 в результате уменьшения рекомбинационных эффектов в области пространственного заряда.

Фотолитическое лазерное легирование. Этот метод позволяет совместить операции нанесения примеси на поверхность полупровод­никового материала с загонкой примеси в пластину. На первом эта­пе газ, поглощая лазерное излучение, диссоциирует, освобождая примесь (фотолиз), которая, осаждаясь на поверхность под дейс­твием того же излучения, внедряется в объем пластины. Метод реа­лизуют на соединениях B(CH₃)₃, BCl₃ и PCl₃ с помощью ультрафио­летового лазера.

5.3. Отжиг дефектов

Отжиг излучением лазера, работающего в непрерывном режиме, проходит при температуре ниже точки плавления и почти не отлича­ется от термического отжига.

Отжиг проводят непрерывным лазером, мощность и скорость ска­нирования которого подбирают такими, чтобы нагрев поверхности происходил без ее оплавления. При этом рекристаллизация протека­ет в твердой фазе, как при отжиге в печи, разница состоит в том, что лазер разогревает тонкий поверхностный слой на короткое вре­мя. В этом заключается существенное отличие лазерного отжига, который сохраняет неизменным распределение имплантированных ио­нов по толщине пластины, в то время как при длительном отжиге в печи (30-60 мин) происходит перераспределение примеси в объеме.

При обработке импульсным лазером физические процессы, проис­ходящие в нагретом слое, еще недостаточно изучены.

Одна из теорий предполагает, что нагретая лазером поверх­ность проплавляется до монокристаллического слоя, который не аморфизировался при имплантации. По окончании лазерного импульса материал остывает, и расплавленная область начинает затверде­вать, образуя монокристаллическую структуру. Граница раздела жидкой и твердой фаз перемещается из глубины материала к поверх­ности. Поскольку процесс кристаллизации зарождается на монокрис­таллической поверхности, он носит эпитаксиальный характер, бла­годаря чему правильная кристаллическая структура восстанавлива­ется во всем затвердевшем материале. В результате этого возник­ший при ионной имплантации аморфный слой превращается в кристал­лический.

С другой точки зрения результат отжига связан с наличием плотной плазмы свободных носителей. Лазерная энергия полностью расходуется на поддержание плазмы. Рекристаллизация происходит вследствие перестройки атомов, при которой восстанавливается упорядоченная кристаллическая структура. Этот процесс облегчает­ся присутствием плазмы, ослабляющий межатомные связи и способс­твующей их перестройке в твердом состоянии ( нетепловая модель лазерного отжига).

5.4. Геттерирование примесей

Геттерированием называют процесс удаления из активных облас­тей приборов быстро диффундирующих металлических примесей (золо­та, серебра, меди и др.), резко снижающих многие параметры при­боров и уменьшающих выход годных изделий. Как правило, области геттерирования создают на непланарной стороне пластины методами диффузии фосфора, механической обработки и ионной имплантации. При этом термическая устойчивость получаемых дефектов недоста­точна и возможно внесение загрязнений.

Дефекты, образуемые при обработке лазером, легко контролиру­ются, не вносят загрязнений и устойчивы. Они удерживают примеси даже после восьми тепловых циклов серийного технологического процесса, в то время как лучшие из нелазерных дефектов неэффек­тивны после трех таких циклов.

5.5. Изменение сопротивления поликристаллических кремниевых проводников

В полупроводниковых приборах и ИМС часто взамен металличес­ких проводников используют пленки легированного поликристалли­ческого кремния (ПК). К недостаткам ПК относятся: низкая прово­димость из-за огромного количества границ между мелкими зернами, образующими пленки; высокая температура при легировании с по­мощью диффузии или отжига (после ионного легирования). Чем боль­ше размер зерна пленки ПК, тем меньше границ на единицу площади и ниже сопротивление проводника.

При отжиге импульсным лазером образуются зерна ПК средних размеров, благодаря чему улучшается качество их химического травления с высоким разрешением при формировании рисунков межсо­единений для БИС. Профиль легирования пленок ПК при оптимальной плотности мощности практически не изменяется (за исключением тонкого поверхностного слоя). Наибольшее изменение происходит при легировании ПК мышьяком, вызывающим наибольшие повреждения крис­таллической структуры зерен в процессе ионной имплантации.

Луч лазера, движущийся по поверхности пластины в импульсном режиме, производит перекристаллизацию слоя поликристаллического кремния, при которой не только увеличиваются размеры зерен, но и происходит их ориентация в направлении движения лазера. Это при­водит к еще большему снижению сопротивления. Межсоединения, сос­тоящие из одного зерна, будут иметь минимальное сопротивление.

5.6. Травление

Лазеры, излучение которых находится в ультрафиолетовой об­ласти спектра, используют для прямого (без химических реагентов) травления полимерных и металлических пленок. Этот процесс наибо­лее успешно применяют в литографии, поскольку он сокращает этапы формирования маски и увеличивает точность и скорость удаления материала благодаря малой длине волны света в этой области и вы­сокой энергии фотона.

Большинство органических материалов поглощает ультрафиолето­вое излучение в тонком поверхностном слое толщиной в несколько долей микрометра. Выделение большой энергии вызывает прямой раз­рыв химических связей между атомами этих материалов, в результа­те чего образуется молекулы небольших размеров, которые, испаря­ясь при низких температурах, препятствуют нагреву оставшегося материала. Это относится к лазерам, генерирующим излучение с длиной волны менее 200 нм. С увеличением длины волны излучения основная часть поглощенной энергии переходит в теплоту, разогре­вая поверхность материала и вызывая термическое разрушение моле­кул с последующим их испарением.