Технология кремниевой наноэлектроники

возможно вследствие большой длительности и инерционности процесса. Сокращение времени окисления с помощью быстрого нагрева позволяет получать, а главное более точно контролировать и воспроизводить толщину сверхтонких плѐнок. Процесс формирования плѐнки диоксида кремния проводится аналогично процессу отжига ИЛС, но в реакторе, наполненном кислородом. Проводя дополнительную нитридитацию сформированной плѐнки SiO2 в атмосфере азота или аммиака, можно получить плѐнку SiON, применение которой позволяет существенно уменьшить токи утечки и повысить безотказность работы транзистора. В процессе термообработки атомы азота проникают в плѐнку SiO2, образуя оксинитрид. Характерная температура нитридитации лежит в диапазоне 900–1100 С.

Задача по формированию NiSi омических контактов к стоковым и истоковым областям возникла также в связи с быстрым уменьшением размеров транзисторов. Силицид никеля, по сравнению с силицидом кобальта, позволяет получить пониженное слоевое и контактное сопротивление, уменьшить глубину проникновения контакта вглубь кремния, а также снизить температуру силицидообразования вплоть 400–450 С. Формирование NiSi производится в течение термообработки плѐнки Ni толщиной 10 нм, осаждѐнной на чистую поверхность кремния. При нагреве происходит диффузия и химическое взаимодействие исходных элементов (Si и Ni) с образованием NiSi, при этом расходуется часть кремния, а контакт проникает вглубь кристалла. На рис. 7.6 приведены зависимости слоевого сопротивления плѐнки NiSi в зависимости от температуры отжига при его различной длительности. Видно, что с уменьшением длительности отжига для достижения минимального сопротивления требуется всѐ большая температура.

7.5.Новые методы импульсного отжига

Взависимости от вида профиля распределения температуры по глубине нагреваемой пластины различают три характерных режима отжига: адиабатический, режим теплового потока и изотермический режим. Профиль распределения температуры по глубине пластины устанавливается из теплового баланса между энергией, вложенной в пластину из внешнего источника, и потерями энергии на излучение, теплопроводность и конвекцию. Толщина слоя, в котором происходит поглощение мощности, вкладываемой в пластину, зависит от длины волны электромагнитного излучения, материала полупроводниковой пластины и материала плѐнок, нанесѐнных на поверхность структуры. Излучение ультрафиолетового диапазона длин волн поглощается в очень тонких слоях (единицы – десятки нанометров). Поглощение инфракрасного излучения происходит в более толстых слоях кремния.

Адиабатический режим характеризуется чрезвычайно малой длительностью импульса излучения (наносекунды – микросекунды). Нагрев приповерхностного слоя, в котором происходит поглощение энергии излучения, происходит быстрее, чем распространение тепла вглубь пластины. В результате нагревается только тонкий приповерхностный слой, весь остальной объѐм пластины остаѐтся холодным

(рис. 7.7, а).

Режим теплового потока характеризуется более длинным импульсом излучения (миллисекунды). Скорость нагрева приповерхностного слоя и скорость распространения тепла имеют сравнимые значения. В результате нагреваются более глубокие слои материала, однако распределение температуры по глубине пластины остаѐтся неоднородным с максимумом на поверхности (рис. 7.7, б).

Длительность излучения при изотермическом режиме превышает одну секунду. Нагрев приповерхностного слоя, в котором поглощается энергия, происходит медленнее, чем распространение тепла вглубь пластины. Как результат, вся толщина пластины прогревается однородно (рис. 7.7, в). БТО всегда производится в изотермическом режиме и характеризуется минимальными механическими напряжениями, вызванными температурными градиентами.

Основное направление развития импульсных методов отжига – это уменьшение «теплового бюджета» (thermal budget), т.е. интегральной величины, одновременно учитывающей температуру и длительность отжига. При этом отсчѐт температуры начинается с величины, при которой скорость стимулированных теплом процессов становится отличной от нуля (рис. 7.8). Минимизация «теплового бюджета» позволяет уменьшить перераспределение примеси при отжиге

142

ИЛС, а также минимизировать развитие других нежелательных процессов в Si структуре, стимулируемых нагревом.

а

б

в

Рис. 7.7. Режимы импульсной термообработки полупроводниковых структур и распределения температуры в пластине по двум осям при неоднородном вдоль оси Y источнике тепла

Рис. 7.8. Зависимость температуры Si пластины от времени отжига, демонстрирующая понятие «теплового бюджета»

143

С точки зрения минимизации «теплового бюджета» необходимо снижать максимальную температуру отжига и время выдержки при максимальной температуре, а также увеличивать скорость нагрева и скорость охлаждения. Новые разрабатываемые сегодня методы отжига как раз и направлены на удовлетворение этих требований. Рассмотрим некоторые из них.

1. Отжиг в пичковом режиме (spike annealing) близок к классическому БТО, однако время выдержки при максимальной температуре равно нулю. Кривая нагрева пластины в случае пичкового приведена на рис. 7.9, а, отжиг обычно протекает в изотермическом режиме.

1)

2)

Рис. 7.9. Температурно-временные зависимости (1) и распределение температуры по глубине пластины Si (2) для различных методов импульсного отжига; а – пичковый отжиг; б – отжиг вспышкой; в – лазерный отжиг

2. Отжиг вспышкой (flash annealing) выполняется посредством предварительного нагрева пластины до некоторой фоновой температуры (максимум до 600 С), например, с помощью галогеновых или дуговых ламп, и затем производится быстрый нагрев до нужной температуры с помощью импульсной дуговой лампы, при этом длительность вспышки лампы составляет миллисекунды. Кривая нагрева пластины в случае отжига вспышкой приведена на рис. 7.9, б. Отжиг на стадии предварительного нагрева протекает в изотермическом режиме, а на стадии вспышки – в режиме теплового потока. Предварительный нагрев позволяет уменьшить температурные градиенты и минимизировать мощность лампы-вспышки.

3. Лазерный отжиг (laser thermal processing) производится им-

пульсом лазерного излучения с длительностью в диапазоне от нано-

144

секунд до микросекунд (см. рис. 7.9, в). Термообработка протекает в адиабатическом режиме через плавление тонкого приповерхностного слоя кремния с последующей жидкофазной кристаллизацией расплава. Кристаллизация начинается на границе раздела расплав – твердое тело, а фронт кристаллизации движется по направлению к поверхности. Для того чтобы реализовать данный режим нагрева, необходимо обеспечить выполнение несколько условий, к которым следует отнести малую длительность импульса (наносекунды – микросекунды), достаточную плотность энергии в импульсе (0,5–2 Дж/см–2), небольшую глубину поглощения излучения в нагреваемом материале (1–10 нм). Выполнение последнего требования возможно только при использовании коротковолнового ультрафиолетового излучения. Размер луча в плоскости пластины обычно равен размеру кристалла ИС и за один импульс производится отжиг одного чипа. На рис. 7.10 представлены изображения поперечных сечений образцов Si после имплантации, приведшей к аморфизации приповерхностного слоя, и после лазерного отжига. Видно, что отжиг позволяет получить полностью бездефектный слой кремния.

К достоинствам лазерного отжига можно отнести:

возможность получения ультрамелких переходов, так как в случае жидкофазной кристаллизации толщина легированного слоя определяется толщиной расплава и, следовательно, длиной волны и энергией излучения;

возможность получения концентрации активной примеси выше предела равновесной электрической растворимости и, как следствие, получения ИЛС с низким слоевым сопротивлением;

возможность получения слоѐв с низким содержанием остаточных имплантационных дефектов, так как в процессе плавления они все исчезают.

Среди недостатков метода отметим следующие:

высокие механические напряжения между нагретыми и более холодными участками пластины, что характерно как для латеральных направлений, так и для вертикального направления;

возможность захвата дефектов на границе между расплавом и твердым телом и появления остаточных дефектов в ИЛС.

В настоящее время лазерный отжиг рассматривается как весьма перспективный с точки зрения получения сверхмелких ИЛС с низким удельным сопротивлением.

4. Лазерный отжиг в условиях, когда не происходит плавления приповерхностного слоя и отжиг протекает в твердой фазе (laser thermal annealing), также производится лучом лазера, но луч при этом непрерывно сканируется по поверхности пластины.

145

Эпоксидный компаунд

Эпоксидный компаунд

Аморфный Si

стехнологическими требованиями для различных топологических норм

иразличных методов импульсного отжига: 1 – БТО; 2 – пичковый отжиг;

3 – отжиг вспышкой; 4 – лазерный отжиг; 5 – требования ITRS для различных

топологических норм

Сравнительный анализ результатов отжига ИЛС различными методами, представленный на рис. 7.11, свидетельствует о том, что с уменьшением длительности отжига становится возможным получение всѐ более мелких ИЛС, а также ИЛС с меньшим слоевым сопротивлением.

146

8. Травление микро- и наноструктур

8.1. Классификация методов травления

Травление используется для переноса рисунка фоторезистивной маски в нижележащий слой материала посредством его селективного удаления.

Травление является наиболее ответственным этапом литографического процесса, поскольку перенос изображения в подложку имеет необратимый характер. В микроэлектронике травлению подвергают полупроводниковые материалы Si, GaAs, InP, металлы Cu, Al, Cr, Ni, Ti, Au, W и др., диэлектрики SiO2, Si3N4. В кремниевой технологии травление применяется в основном для формирования диффузионных масок в слое оксида кремния и для удаления материала через окна в диэлектрике при изготовлении металлических контактов, удаления собственного оксида.

Жидкостное травление – это процесс удаления вещества, реализуемый с помощью гетерогенных химических реакций на границе раздела двух фаз – жидкости и твердого тела. Жидкостное травление может происходить как в водных, так и неводных растворах. В области, подвергаемой травлению, вещество химически преобразуется в растворимое состояние. Основное условие, которое при этом должно соблюдаться, – достаточная легкость образования и удаления с поверхности продуктов взаимодействия.

Вакуумно-плазменные (сухие) методы травления подразделяются на три основных вида в зависимости от физико-химического механизма взаимодействия с поверхностью обрабатываемого материала.

–Ионное травление обусловлено удалением поверхностных слоев материалов в результате физического распыления высокоэнергетическими ионами инертных газов. Если обрабатываемый материал помещен на электродах или держателях, соприкасающихся с плазмой разряда, то травление в таких условиях называют ионно-плазменным. Если материал помещен в вакуумную зону обработки, отделенную от области плазмы, то травление в этих условиях называют ионнолучевым.

–Плазмохимическое травление обусловлено удалением поверхностных слоев материала в результате химических реакций между химически активными частицами (ХАЧ), к которым относятся свободные атомы и радикалы, и поверхностными атомами материалов. Если обрабатываемый материал находится в области плазмы разряда, то травление называют плазменным. В этом случае химические реакции травления на поверхности материала будут активироваться низ-

147