Модификация поверхности многослойных кремниевых систем излучением KrF лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Ь'8 ОД-

•! Ун! ^. На правах рукописи

ТЮНИНА Марина Анатольевна

модификация поверхности жогослоянах кремниевых систем излучением кгг лазера

01,04.07. - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физнко - математических наук

Автор:

Москва - 1993

Диссертационная работа выполнена в Латвийском Университете.

Научный руководитель: доктор технических наук ■

КАНЦЫРЕВ В.Л. ; . ' '

Официальные оппонента: доктор физико-математических наук -

ч / ЕРКО А.Н. V"Л"-;.

. , кандидат йизико-математических наук ■ ' ' . ЕРАГЯН И.Е. \ V

Ведущая организация: .МГУ им. 'Д.Б. Ломоносова (Москва)

Запита состоится " 1993г. в часов на

заседании специализированного совета К053.03.01. в Московском инженерно-физическом яяституте по адресу: Москва, Каширское . шоссе,, д.31, тел.324-84-98. •"

С диссертацией можно ознакомиться 'В библиотеке ЖЖ.

Автореферат разослан »30« 1993г.

.. Просим принять участие е работе совета или "прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации. :

Ученый- секретарь

специализированного совета ^од^ Воскресенский Д.П..

э •

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, В последнее время в полупроводниковой

микротехнологии интенсивно внедряются.процессы, стимулированные. воздействием коротковолнового излучения эксимерных лазеров СЭЛ5

• с нопосекундноГС длительностью импульса. Однако, механизмы этих процессов, в тон числе - механизмы процессов отжига,остаются недостаточно изученными. *

В настоящее время известны результаты экспериментов по отжигу с помощью ЭЛ поверхности полупроводников различных типов и- образцов со слоями различных материалов, предварительно нанесенными на поверхность полупроводника. Яо, в отличие от исследований взаимодействия лазерного излучения 'видимого и инфракрасного диапазона с такими многослойными системами,■работ с использованием ЭЛ выполнено крайне мало. Некорректность экстраполяции полученных результатов на ультрафиолетовый диапазон, сложность моделирования, связанная с наличием границ раздела слоев и сильной зависимостью параметров тонких слс^в материала от способа их формирования, и отсутствие достаточных экспериментальных данных определили . необходимость

экспериментальных- исследований процессов , стимулированных воздействием, коротковолнового излучения ЭЛ на нногослойные . системы.

Наиболее распространенными в технологии системами являются системы пленка-51 подложка, в которых"свойства материала пленки близки к свойствам или сильно отличаются от них, и в которых пленки имеют различные . функции: защитных покрытий СЭЮдЭ, источника примеси СА«?. металлизирующего покрытия СМоЭ. Процессы взаимодействия излучения ЭЛ с такими системами не • исследованы. Экспериментальное изучение лазерной модификации поверхности указанных систем актуально как с практической точки зрения, поскольку позволяет установить технологические режимы их обработки, так и с фундаментальной - способствуя пониманию механизмов процессов, стимулированных воздействием излучения ЭЛ.

Цель работы - экспериментальное изучение изменений свойств и структуры многослойных кремниевых систем под действием

импульсного ультрафиолетового излучения экс»норных лазеров. •

Научная новизна . Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование изменений свойств и структуры поверхности многослойных кремниевых систем СБЮ,,-на-Б1, Аа-на-Б1, Мо-на-БО. а также 21 различных модификаций под. действием импульсного СГ»00нсЭ ультрафиолетового излучения СЛ-248нн> эксимерного КгР лазера в широхом диапазоне значений плотности" энергии импульса лазерного излучения на подложке СЕ-О.1...б.ОДж^сн2). '

Впервые экспериментально обнаружены эффекты лазерной имплантации Аз в Б! из пленки Аа на ЕУ. под действием излучения КгР лазера и формирования при этом приповерхностного пика концентрации Аэ , а также формирования заглубленного пика концентрации Аз при многоимпульсном воздействии. •

Впервые экспериментально обнаружено образование силицидов Мо в результате воздействия излучения КгР лазера на систему Ио-на Еа..

Впервые экспериментально обнаружено формирование в систенах БЮ^-на-З» поверхностных структур с характерным размере« с!= 2...гОмкн под действием 'излучения зкеннерного КгР лазера и предложен м.еханизн формирования таких структур.

Практическая ценность. Установлены технологические режимы отжига под воздействием излучения жеинерного КгР лазера кремния разных типов и многослойных кремниевых систем ' : режим зпитаксиалыюй кристаллизации нонокрИсталлического крелния , режимы оТжига слоев поликристалличоского кремния.на кремниевых и диэлектрических подложках, режимы бездефектной обработки

ч

поверхности 510г-на-£Ц, режимы легирования поверхности атомами Ая из пленки Ая. режимы легирования поверхности 31 атомами В из пленки Вг0э» режимы формирования силицидов Но.

Установленные режимы используются в НИИ технического стекла в кремниевой пленарной технологии микроэлектроники и' интегральной оптики для проведения операций отжига и легирования субмикронных слоев 51, формирования металлизации и контактов к мелг.ии переходам.

Создана экспериментально - технологическая установка для последовательного проведения в вакууме основных

технологических операций изготовления микросхем,

симулированных воздействием импульсного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона. Установка внедрена в НИИ технического стекла.

.,..■' На защиту автор вымоси« ?

1 Экспериментально домазанную еоэмо:кность лазерной имплантации Аз в из поверхностной пленки А« под воздействием импульсного

излучения КгГ ''лазера при плотности энергий излучения на

♦ - 1 2 '

подложке , ОДяСсн и формирования при одноиипульсном

Облучении приловерхностнйго пика концентрации Аз Сдо

20 -3 *

5*10 см Э. а при нногопмпуЛьсном облучеини - аномального

заглубленного лика концентрации Аз на спаде приповерхностного

пика.

2. Экспериментально доказанный факт формирования силицидов Мо в

результате воздействия импульсного излучения КгР лазера на

систему Мо-на-51 с толвщной пленки Мо 0,1..,0,2нкм при

2

плотности энергии излучения на подложке ЕйЗ.ОДж/'см .

3. Экспериментально обнаруженный эффект образовали* поверхностных структур с характерным размером <Л«2... 20икм в результате воздействия импульсного излучения КгР лазера на

систему ЗЮэ-на-51 при плотности энергии излучения на подложке

2 •

Е>1 .ОДж^см а также механизм . образования таких' структур,

• основанный на подели локального плавления поверхности 31 в условиях инпульсиого воздействия.

4. Экспериментально установленные режимы отжига слоев а различных модификаций, режимы легирования поверхности режимы силицидообразования под воздействием' излучения КгР

-лазера, и конструкции установки для последовательного проведения в' одном вакуумном объеме, в диапазоне температур -80*С... +30 С,. основных технологических операций изготовления микросхем, стимулированных воздействием импульсного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона. Установка и экспериментально определенные режимы лазерной обработки многослойных кремниевых сийтем внедрены в НИИ технического стекла.

в

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены ка Всесоюзном' семинаре "Газовые и плазменные лазеры в микроэлектронике" ССуздаль, 19895, Меясдународмом симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их применение" ССамарканд» .19905, VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом СЛенинград,. 19905, , VIII Региональном семинаре "Оптические и оптоэлектронныв методы и устройства обработки информации" , . СКраснодар. 19905, Международном симпозиуме "Плазменные и лазерно-стинулированные процессы в микроэлектронике" СРостов-Великий, 19915, IV Всесоюзной конференции- "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" СКйев, 19915, II Научно-технической конференции "Оптические сети связи" СВладимир, 19915. -

Публикации. Основные результаты опубликованы в 11 печатных работах. '

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав.,-

заключения и списка литературы, изложенных на 164 страницах, включая 123 страниц машинописного текста, 41 рисунок и список литературы из 170 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ.ГАБОТИ

Во- введении кратко охарактеризована актуальность работы, обоснована ■ и сформулирована «ель работы, описаны основные направления и результаты работы, показ'ана их научная новизна и практическая ценность.

В главе 1 проведен краткий анализ литературных данных-по лазерной никротехнологии за последнее десятилетие. Отмечены особенности излучения ЭЛ и связанные с ними преимущества технологического применения ЭЛ". Рассмотрены закономерности н механизму процессов, стииулнроелиуых воздействием излучения ЭЛ: лазерного травления полупроводников; • лазерного осаждения, лазерного отжига полупроводников.

Проанализированы основные направления и результаты экспериментальных исследований процессов отжига полупроводников

под воздействием излучения ЭЛ. Отмечены особенности этих процессов и проблемы интерпретации результатов экспериментов в ранках подели плавления и «одели генерации плотной электронно-дырочной плазмы. Наряду -с хорошим совпадением . результатов экспериментов и .расчитанных по модели плавления данных для лазерного отжига ЭХ, отмечена сложность моделирования процессов лазерного от:кига для реальных систем, в том числе - многослойных. Кратко рассмотрена также проблема формирования поверхностных и пространственных периодических структур в процессах взаимодействия импульсного лазерного излучения с твердыми телами.

Обоснована необходимость экспериментальных исследований стимулированных воздействием излучения ЭЛ процессов модификации норфологин поверхности, кристаллической структуры и состава приповерхностных слоев кремниевых" нногослойных систем, а также практическая целесообразность изучения этих процессов в системах с иленкани БЮ^, Аэ. Мо. '

Глава 3 посвящена методике эксперинентоз, которые включали в себя несколько этапов:■формирование нногослойных систем, их обработку в вакууме излучением ЭЛ, комплексные исследования полученных образцов.

Для формирования и лазерной обработки нногослойных сивгея была создана экспериментальная установка, при разработке которой учитывались требования вакуумной чистоты, обусловленные свойствами пленок нышьяка требования криостатировання подложек, а также требования возможности оптического сопряжения с источником лазерного, излучения.Экспериментальная установка представляла собой рабочук» вакуумную камеру с системой откачки, снабженную охлаждаемым держателей подложек и боковыми фланцами для сопряжения испарителей рабочих веществ, устройства фокусировки и сканирования лазерного излучения,' а также вводами перемещений и электрическими вводами.

Криостатированке подложек осуществлялось путем комбинации термоэлектрического и конпрессиолного способов охлаждения; на охлаждаемой компрессионным способом держателе-теплообменнике размещались термоэлектрические холодильники, на рабочей поверхности которых размещались обрабатываемые подложки. В главе 2 приведено детальное описание конструкции и рабочих характеристик системы криостатирования.

- ■ .,. ... - ; д ^

& конструкции установки; была предусмотрена, возможность напыления пленок сублинируюпсго материала с температурой сублимации до 400 *С. а тати» материалов с температурой . плавления до 1400 *С. Описания конструкции и схемы расчета параметров соответствующих реэтспгивнмх испарителей вместе - а-результатами их испытаний также приведены в главе 2.

В главе 2 oniicatio разработанное устройство сканирования лазерного излучения. ; * • ' .

Здесь же описаны методики .формирования и контроля * толщины-. пленок As и Pgö3« отработанные на созданном оборудовании. ; . Основные характеристики установки приведены ниже! вакуумная камера вбООхЗООмм

подложки 060нМС4Вх60нн5 •

количество подложек в цикле * 8 .

рабочее давление • : ÍIO Яа

температура подложек -ао*С...*304С

неоднородность температуры по подложке ■ 51*С

стабильность поддержания температуры при напылеинн - 'э4 *С ■ скорость охлаждения ' 5град/иин

скорость нагрева а ЗгралЛши

неравнотолщннность пленки As но подложке ОьОнн неравнотолщинность пленки П^О^ по. подложке 050мм . adOSí- , шаг. сканирования лазерного излучении Cinlni sSOhkm . -

В качестве источника излучения в работе использовался эксинерный lírF лазер ЭЛ-1, создрннмй н ФИ РАН. Сг. Троицк?, с электронно-пучковой накачкой. длнноЬ волны .генерации 248нм, длительностью импульса 80нс, энергией в импульсе до ЮДж. В. главе Z описаны использованные в ^г.спериментах оптическая схема _' и систена контроля параметров лазерного излучения.■

В качестве подложек использовались пластины промышленного монокристаллического кремния различных марок, поверхность которых' 'подготавливалась по стандартной технологии микроэлектроники. На рабочей, поверхности подложек различными способами , перечень и режимы" »вторых приведены в главе 2, формировались пленки As, BgO^, SiOg, Al, Mo, аиорфиэованного и поликристаллического Si. Облучение образцов с помощь» ЭЛ проводилось в вакууне при ксннатной температуре, в ■ ноноинпульсном и нногоимпу.льсном режимах. Плотность энергии излучения на подложке Е варьировалась от 0,1Дж/см2до в.ОДжхсм2

при площади воздействия 1...2ен, неоднородность EJ по сечению лазерного пучка не превышала 105-; .

Комплексный • анализ образцов. включал три группы исследований: изучение морфологии поверхности. изучение кристаллической структуры и изучение состава приповерхностных слоев образцов. Морфология поверхности образцов изучалась с помощью оптической и растровой электронной микроскопии и по спектрам оптического отраженыi.Для изучения кристаллической структуры применяли метод дифракции отраженных электронов в ре}ЕИне скольжения, метод рентгеновской лифрактометрии. Распределение по глубине принеси в образцах исследовалось методами^ масс-спектроскопии вторичных ионов СВИМСЭ. спектроскопии Оже-электронов.нейтронно-активационного анализа с послойный' травлениен Si. Использовались также измерения пропускания специально подготовленных образцов во время их обработки .излечением KrF лазера и измерения электрофизических параметров образцов зондовымн методами.

В главе 3 приведены результаты исследований лазерной модификации поверхности монокристаллического Si СМКЗ и слоев поликристаллического Si на монокристаллических Si подложках СПКК-Ю и диэлектрических SiO^ подложках СПКК-ОЭ.

Изучение поверхности ИК после воздействия излучения KrF лазера показало, что поверхность МК оставалась без изменений

9 2

вплоть до Е%0.7. ..0,9 Дж^сн . При Еа0,7. . .2.5Д*^см наблюдался

2

рост коэффициента отражения в УФ области, при Е>3,БДж/сн наблюдалось 'образование трещин длиной 10. .. ЮОпкм, при

• Е%3,0.. . 3.5Д*^си - кратеров диаиетрон 10. ..ЮОнкм. при

2 2 Е>4,ОДжусп - групп перекрывающихся кратеров, при Е>3.0Дх^сн

наблюдалось полное разрушение поверхности МК. Облучение с

Е*3,5...¿.ОДЛССК приводило также к . формированию

крупнопериодических поверхностных структур СКПС5 с характерный

размером dsS...ЗОикп, ориентация л d которых не зависели от

направления поляризации и угла падения излучения. КПС

ориентировались радиально к области максимума Е. d КПС

увеличивался с ростом Е. •

Одновременно, по данный электронографии, интервалу

Е«1,0.. . 2.ОДж^сн2 • соответствовало формирование совершенной

монокристаллической структуры Si, E'2t3,S...З.ЗДх^см - блочной

структуры. ........

Обнаруженные изменения поверхности ИХ интерпретировались о - 1

.", ранках модели плавления. ' Расчетные значения Е для порога г !

плавления, порога испарения и 'порога разрушения составили, ; соответственно: Е . . 1 ,1Дж/см2. Е аЗ,5...Э.бДжИек2.

~ - п - и

Ер:*3,0Д!к/'сн . Начало изменений .поверхности . МК было связано, очевидно, с началом плавления и последующей эпитаксиальной | кристаллизацией расплава, в результате чего формировался ' бездефектный кристалл с гладкой поверхностью. Началу испарения ; соответствовало формирование кратеров и КПС.- Численные оценки | периода КПС. сделанные для капиллярной волны в слое расплава показали совпадение расчетных и экспериментальных значений с1. что позволило приписать генерацию КПС капиллярной : волне. ■ застывшей при затвердевании 51.

Для формирования трещин. блочной структуры и допорогового . формирования кратеров, был предложен механизм, связанный с локальностью .воздействия импульсного лазерного , излучения. Микронеоднородности свойств поверхности в условиях коротких времен воздействия обусловили локальное "ускоренное" развитие , процессов нагрева и плавления 3, и. соответственно, неоднородность фронтов плавления и кристаллизации. Образование трещин и блочной структуры являлось следствием неоднородности кристаллизации, а образование кратеров до порога испарения -неоднородности плавлениям испарения, о чем свидетельствовало и допороговое кратерообрдзование вдоль заполированных царапин на поверхности МК. ' • >.

Изучение' модификации слоев ПКК-К. толщиной 0.2...0,4Нкм

показало, что. начиная с Е%0,7Дж/сиг, воздействие излучения КгР

лазера приводило . к исчезновению хорошо выраженной текстуры

. необработанных рлоев и формированию мелкокристаллической

структуры, которая с увеличением Е трансформировалась в

крупнокристаллическую. При ЕяЛ.5ДжХсн2 для слоев ПКК-К О.гмкн и 2 1

Е^.ОДя/сн 4 для ПКК-К 0,4мкм было обнаружено формирование монокристалла, ориентация которого совпадала с ориентацией подложки. Но при Е£1 .ЭДжагН3 С2,0Дх^смг 5 на поверхности образцов наблюдались нарушения -в виде крупноячеистой сети третии, которая с ростом Е трансформировалась в мелкоячеистую и выглаживалась при Е*2.0. .. г.ЗД^'-см2, На электронограммах при этой наблюдались линии поликристалла и рефлексы

кристаллического воздействие с Е>2,5Дж/'сиг приводило к

формированию блочной структуры и кратерообразовангцо, аналогично модификации МК.

Обнаруженные изменения также интерпретировались в . рамках модели плавления. Плавление ПКК-К с последующим затвердеванием обусловили формирование поликристалла 31. если фронт плавления не достигал подложки, и эпитаксиальн'ую кристаллизацию при совпадении глубины плавления и толщины слоя ПКК. Снижение порога плавления ПКК-К по сравнению с МК объяснялось . меньшей тенпературой плавления ПКК. Локальное плавление слоя ПКК на вею толщину вблизи . порога зянтаксиальной кристаллизации обеспечивало неоднородную кристаллизацию с формированием

.х-

нонокри^талличсскнх включение и нарушений поверхности.

Изучение структурных изменений слоев ПКК-0 толщиной 0.2мкм свидетельствовало о формировании поликристаллической структуры

после воздействия излучения КгР лазера : мелкозернистой '- при

2 ' 2 " Е20,ЗДж/см , я крупнозернистой - при .ОДж^сн . Одновременно,

2 , воздействие с Елй ,5.. .1.ОДж/сн приводило к формированию на

поверхности, на фоне микрорельефа, областей с гладкой поверхностью <"кратеров"}. которые отличались по цвету от поля

2

обработки и сливались в сплошную область при Н>1,0Дж^см .

Увеличение Е до 2,0Дж/см приводило к полной деградации слоя

ПКК-О. ' *

Результаты экспериментов согласовывались с моделью

плавления. Наличие диэлектрика ограничивало теплоотвод от слоя

ПКК и снижало порог плавления ПКК-0 по сравнению с ПКК-К. Рост

Е определял увеличение глубины плавления и времени

кристаллизации, что обусловило и рост крупного зерна при

2 •

повышении Е до 1 .ОДж/'сн . Формирование "кратеров" было связано с локальным достижением фронтон плавления поверхности диэлектрика.

В результате исследований были эксперииентально установлены оптимальные режимы отжига различных слоев Si под воздействием излучения КгР лазера, а также показана применимость модели плавления для указанных процессов.

Результаты изучения модификации поя воздействием излучения КгР лазера поверхности систем ЗЮ^-нз-Й! изложены в главе 4. Исследования норфологии поверхности со слоями ЗЮ3 толщиной 0,1..Л.Омкн посла воздействия ' импульса излучения с Е-0,5. . .Б.ОДжАгм3 показали, что в системах с толщиной

'V • - g

термического окисла 0.1...0.5нкм облучений с Efcü ,»0, . . З.вДж/ъм

приводило к формированию поверхностных структур, вид п размеры

которых менялись в зависимости от Е, но не зависели от угла

падения и направления поляризации излучения. О!1. '','•'.

После воздействия с Esd.ОЯжхси2,на поверхности систем были

обнаружены хаотически расположенные центры деформации дианетром -

с1%2мкм, плотность и размеры которых росли при увеличении Е.

• " . - - -Значению Е«1,5... г.ОДж^сн соотретствовало формирование в.

центрах деформации гексагональных ячеек диаметром. 2...5нкн. .

- г

которые росли до 10...15икм с увеличением Е и покрывали всю область воздействия, " 'одновременно. сливаясь и форнируя

-■•л

хаотически ориентированные "цилиндрические" ячейки с поперечным ' размерой d=sü0... 20нкн и длиной IssüOOhkm.

После воздействия с Е«2,5.,,3,5Дж^си форииррвались большие области периодичности, в которых несколько С5. . . 105 "цилиндрических" ячеек.было ориентировано одинаково. Рост гс ■ Е значений d и 1 наболюдалея вплоть до. абляции SiOg. Ячейки ориентировались радиально к области абляции и* к краю области воздействия излучения. *• '

Для образцов с пленками SiO^ толщиной более р.бмкм поверхностных сруктур обнаружено не быпо во всем диапазоне Е вплоть до абляции SiO_.' Формирование аналогичных ; структур . наблюдалось в системах • с пленками SIO^. пиролитически или химически осажденными на поверхности. Si. ' Химическое травление S10a свидетельствовало о формировании структур на' поверхности

'Si. .'•'.'■• V .:'. , . '.• --:•'. V-. •■"• . "'.' -V- .....

В' работе предложен неханизм формирования структур, связанный с вознохностыо локального плавления и испарения Si. под пленкой SiOg. При этой учитывалось, что пленка SiOg прозрачна для излучения А-248ни , а температура; плавления SiOg превышает температуру плавления Si„. Было показано. что формирование поверхностных структур ограничивалось процессами плавления и испарения Si. Лрннииая во внимание вакансиониую ' модель плавления и вакансионно-дефорпационную модель образования пор в твердом теле под , действием •' лазерного излучения, предположили, что лока'льное формирование диска зародыша жидкой фазы Si, сопровождаемое образованием микропор,. приводило к началу испарения Si в порах под пленкой SiOg, что деформировало поверхность Si и саму пленку.

Размер диска при воздействии импульса ,излучения с 2

ЕЬ1,0Дж/'сн составлял несколько микрон и рос вплоть до полного плавления всей'. поверхности Испарение в поре с

вЬтукло-вогкутьти поверхностями пленка-пар и пар-жидкость ограничивало рост вдоль поверхности центра деформации, численные оценки размера которого дали величины от 500мкм при температуре плавления 31 до 1мкк при температуре кипения Э1. Обе тенденции - рост диска хидг.ой фазы и уменьшен»*? размера поры - дали величину диаметра ячеек. от несгольких микрон до нескольких . десятков миг.рон, что совпадало с

экспериментом. Формирование и ориентация "цилиндрических" ячеек объяснялись наличием градиента температуры на поверхности 21. абляция 5Юг - превышением давления паров 21 предела прочности пленки,, а сохранение структур при затяердеванни 31 -преимущественным отводом тепла в подложку.

; В главе .4 показано, что предложенный механизм, в отличие от разработанного ранее й сводившегося к сжатию нера'сп.чавнвшеися пленки БЮр со стороны расплава 31 вследствие уменьшения объема при плавлении, не учитывал особенностей изменения удельных объемов материала пленки или подложки при.нагреве и плавлении. Предложенный механиэн был распространен на другие системы, где обеспечивалась возможность плавления материала подложки под твердой эластичной пленкой ; £Ю2-на-А1, Но-на-31. Эксперименты по воздействию нзлучення КгК лазера на эти системы показали, что в них-Сформировались I поверхностные структуры, аналогичные обнаруженный для .ЭЮ^-нд-З!. Это подтвердило применимость предложенного неханнэма.. "

Таким образом, экспериментально был обнаружен эффект формирования поверхностных структур с характерным размерен 2. . .20нкм в результате воздействия нэлучення КгР лазера на систены' ЭК^-на-З! , предложен и экспериментально проверен механизм формирования таких структур.

В главе 5 приведены результаты исследований модификации поверхности систем Аз-на-31 излучением КгР лазера. Отмечено, что эти исследования определялись практической необходимостью выяснения возможности лазерного легирования поверхности 31 из пленки л».

Одна }1з проблем была связана с полнморфнзнон Аз. Из ранее выполненных работ было известно, что сформированные по

использованной в данной работе " методике пленки ' А5^ сублимировали при Т=>270*С с образованием паров Аз^. поглощение ультрафиолетового излучения которыми стимулировало переход ■ Эксперименты по измерению пропускания образцов Аг^-на-йО^ с толщиной пленки Л-.^ 0,01 . .. 0,1 нкн во время их обработки импульсом излучения КгГ лазера с Е-1,0...2,5 Дхлзп'" показали, что пропускание образцов слабо увеличивалось, а область обработки на поверхности подложки при этом очищалась. Это свидетельствовало об испарении в результате поглощения

излучения и образовании поглощающих паров Аз^. Численные оценки усредненной концентрации Аз вблизи подложки дали величины от 1. . 1^сн в начале - действия импульса до 1-0* . . 1 О^сн ^ в момент скончания воздействия.

Наличие паров Ая вблизи поверхности подложки обеспечивало

возможность внедрения Аз в под воздействие« излучения КгЯ

лазера. Исследования состава образцов Ав-иа-31 после лазерной

обработки показали, что порог имплантации Аз в Эх из пленки Аз

2

толщиной 0,01...0,1икм составил ЕаА.ОДхУса . Распределение внедренного Аз по глубине С Рис.1 } имело приповерхностный пик, концентрация примеси в которой не зависела о.т толщины пленки и увеличивалась при увеличении Е. Глубина внедрения также увеличивалась с ростом Е.

Полученные результаты иптериретирооались в рамках модели плавления : воздействие излучения иа Аз-на-Б1 приводило к быстрому испарению пленки и плавлению подложки. что обеспечивало возможность хидкофазной диффузии Аг из паров вблизи подложки в расплав Установленные порог и глубина

внедрения Аз хорошо согласовмва чись- с расчетными данными для порога и глубины плавления 51. ..

Концентрация внедренной примет определялась длительностью

существования жидкой фазы Численные оценки концентрации Аэ

в приповерхностном пике М,„,. дачи, однако, значения, меньшие

А."*}

установленных экспериментально на 1...2 порядка величины. Анализ роста в зависмкксти от Е также показал отклонение

экспериментальных значений от о;п*дземых : при увеличении Е

от 1,ОДх/см до г.ЗДк'сн" значение увеличивалось более,-

чем на порядок величины, в отличие от 1.5 раза , что ожидалось по изменению .

Отличие экспериментально установленных и расчетных значений

Распределение АЭ в 51 после воздействия излучения Кг Г лазера на поверхность Аз-на-Б!

ю

го

Ю

19

ю

1?

1

о 0.1 0,2 0.3 0,4 -Х,мт

Рис.1. Концентрация АЭ в <N3 , измеренная

методой нейтронно-активацконмого анализа, в зависимости от глубины СХЭ : ■толщина пленки Аз 0,1нкн. 13 Е>1 ,ОДх/-си2, 23 Е-2,5Дж/-см2.

стремите чьный рост при увеличении Е,- а так*®' сам

характер распределения Ая в 51 позволили предположить, что на процесс жидкофазной диффузии е чнялн дополнительные факторы, в (.лч^си'С нич бп.пее суш'-ог^'-нлог).» из которых в работе рлсонатривалось изменение температуры плавления и кристаллизации легированного н зпьисииости от концентрации внедренной примеси.

, В глдяе 5 показлно. что пончж^ни«" температуры плавления . слабо легированного атомами А«; и процессе плавления под воздействием лазерного излучения, могло принести к, нодуляции скорости лриж»ния фронта кристаллизации'', в расплаве £1 с неолнорплным распределением Аз и обеспечить приращение времени сушествования жидком фазы у поверхности, .следствием чего было формирование- приповерхностного пика концентрации Лз.

Возможность такого механизма была экспериментально проверена при изучении перераспределения приноси в образцах р предварительно созданный неоднородный распределением,легирующих

атомов. В образцах 51 с предварительной ионной имплантацией . Ая

+ 13-2

С энергия ионов Аг ЕООг.эВ, ' дога имплантации 6*10' см 3 после

2

воздействия импульса излучения (Сг17 лазера с Е»£,ОДж^см было обнаружено перераспределение Аз с образованием

приповерхностного пика концентрации, не связанного, однако, с эффектом сегрегации Аз в 21 ввиду высокой скорости кристалчнэании ' В обрлзиах с предварительной

пазернои чиппянтацией Аз из пленки Ач повторное воздействие ннпульса излучения с неизменной Е приводило к формированию дополнительного пика концентрации Ач н* спаде приповерхностного пика при неизменной глубине ниплантацни СГ'ис. 2 3.

Обнаруженные особенности перераспределения Аэ в . 251 подтверждали возможность изменения температуры плавления слабо легироранного и связанного с этим механизма распределения примеси. В главе 5 показано, что Формирование дополнительного пика Аз в образцах, с лазерной имяяантацией Аз из пленки Аг могло быть следствием понижения температуры плавления 51 в области приповерхностного пика и связанного'с зтим ускоренного плавления Б! в этой области, в отличие от области вн.е- пика. Это приводило к замедлению движения фронта плавления на спаде приповерхностного пика и накоплению тан примеси. Положение дополнительного пика определялось величиной концентрации Аэ в

Рис.г. Концентрация Лэ СЮ, измеренная методом нейтронно-активаиионного анализа,

в зависимости от глубины СХЭ-.

2

толщина пленки Аэ 0.1нкм, Е=2,0Дк/см ,

один импульс, 23 два импульса излучения.

-17 -3 - ' ■ • '

саЛО си 3, при которой. примесь .не оказывала заметного

влияния на температуру плавления

Формирование приповерхностного Пика после отжига образцов с

ионной имплантацией Аэ объяснялось ограничением при

кристаллизации 31 диффузии принеси на приповерхностном спаде

пика ионной имплантации : начинавшаяся на .поверхности

кристаллизация За с более высокой. чем в области исходного

лика, температурой кристаллизации, препятствовала диффузии Аз х

поверхности, способствовала накоплению Аз и формированию

дополнительного пика". /

Предположение об изменении температуры плавления слабо

легированного 31 .• 'сделанное при исследовании, процессов лазерной

имплантации А^ о 31 и подтвержденное результатами экспериментов

по лазермо-стимулирооанному перераспределению Аз В Б1, \ было

дополнительно изучено для Э1 с примесью', - наличие которой не

поммхало. в отличие от Аз. температуру плавления 31 , а именно - .

с в. • . . . Л' ' • '

Изучение распределения С £> 31 после воздействия излучения

Кг К лазера с £-2,0.. . 2,ЗЯг.'"чиЛ на. образцы В^0?-на-$1 с талвшой

пленки 0,5...1,5икм и образцы 31 с ионной имплантацией В

показало, что характер распределения В в в1 отличался от

хэрэгтрра распределения А* р 31.' . Свойственное для Аз

формирование пиков концентрации гак в процессах легирования из

пленки, так и в процессах отхига слоев с ионной имплантацией,

СБлзываемое с эффектом понижения температуры плавления

легированного 31 , не было с<<5наруж«?но в процессах лазерной

имплантации В. что подтверждало применимость предложенного в

главе 5 механизма*распределения Аз в 31 .

Б результате иссле-доп^ний, таким образом, была

экспериментально показана ничнохностг- легирования поьерхности

31 под воздействием излучения Кг-Р лазера- атонами примеси из

пленок на поверхности 31 и обнаружен эффект форяирования при

этом приповерхностных и заглубленных пиков концентрации

Аэ.Предложен и экспериментально проверен механизм формирования

пиков. - •' ■ '

Глава 6 посвящена изучению модификации поверхности систем -

Ко-на-£1 излучением КгР. лазера с цель»' определения возможности

и механизма силицидообразов<шия ь этих условиях.

В результате изучения морфологии поверхности образцов были

2 2

установлены пороги лбляцми п ченгн Но: К<1, н Е-» 3, ОДж-А-м

для Мо-на-Я с толщиной пленки Но 0.1 нкм и ЕГ;>3. ЗДх^см для Но 0,2...0.5ики.

Изучение методом охе—спектроскопии с посиойным трнр.пениом изменения состава материала в обплети обработки образков, облученных в режимах до порога аблЛции Ио, показало, что для образцов Мо-на-31 с толщиной Ио 0,3. ,.0,5мгн взаимодействия По и не происходило. Модификация состава была констатиромлиа I?

образцах с Но 0,1...0.2мки после воздействия излучения с

2 * ЕйЗ.ОДж^см . С соответствующих ■.■•ке-спсктрах, помимо линий По и

21, наблюдалась линия 82эВ, приписываемая атомам Si , связанным

с Мо. Изменение состава по глубин«?, оцененное . по амппитудчи

линий ЮбзВ СМоЭ, 92зВ СЭО н 82зВ СМо-БО, свидетельствовало о

формировании в подложке слоя, материя па толщиной О,1ики,

содержавшего силициды и избыточный Ко до глубины О.ОПнкм и

силициды и на глубине 0,05. . .0,1 нгм СРис. 3 :>.

Изменение' состава подтверждалось данными рецтгенсвской дифрактоиетрии. На дифрактограммах, вместо широкого инка поликрнсталлнческого' Ио исходных образков, после воздействия излучения наблюдался пик ипнокристаппа Но С 1 10 ] и максимумы 20=39,6°. ; .40.2° и 20-41, 2. . . '12,0 °. отвечавшие -набору поликристаллических фаз силицидов Ио..

Анализ результатов экспериментов' проводился на оснопе

модели плавления. В главе ь показано, что распределение по

глубине тёмпературы;' в образцах Ио-на-51 «оню представить

суперпозицией распределений температуры в Мо и в 51. С пометь»

расчиташгаго распределения температуры в образцах Мо--на-2х в

момент окончания действия импульса излучения Кгр лазера с

различной Е в главе 6 объясняются механизм деформации и

разрушения пленки Ио и механизм си.чицидообразовамия. Отмечено,

что плавление £1 под пленкой Ио и яидг.офпзнай диффузия Ио в 31

улучшзли адгезию пленки к подчожке, ко одновременно плавление

31 под твердой пленкой Мо приводило к формнро»аник>-

микрорельефа , аналогичного ' описанному для 14 Г; .—и ! -.'/1 . л

испарение Зх и действие п-эров 21 на пленку Ио мри 2

Е>3,0. . . 3,5Д:к-лгм разрушало пленку Мо. Абляция Мо наступала до плавления пленки на всю ее толщину, что исключало возможность взаимодействия двух жидких фаз Мо и 31.

Процесс плавления обеспечивал возможность жидкофл-зной

го

Амплитуды линий Оже-спектров образцов Мо-на-Э. после воздействия излучения КгК лазера

с(Н/с(Е

\

\

\

\

ч

/Ч

N

Ч

\

/

7

/

/

^ч /

/

•х/

/

J_I*

Л_.1

30 60

до 120 1мии

Рис.3. Анплитуды линий Оже-спектров образцов.Мо-на-ЭХ

после воздействия излучения КгР лазера

2

толщина пленки Мо 0,1ккн, Е=3,0Дж/см 15 линия 186эВ, 25 82эВ, ЗЭ 92эВ.

дифузии Mo в SI яа глубнну. соотпетотрооавшую глубине плавления Si. Но возможность формирования силицидов Но ограничивалась условиями прогрева материала до температуры образования силицидов : 2030*С. .. 2190*С для известных фаз. Толщина слоя силицидов под пленкой Но в соответствии с расчетными данными для распределения температуры га ofi-pa'-nax Мо-на—Si с Mo O.Ihkm при Е-3.ОДхАгм составляла 0.10. . . 0 Л 5икм. что совпало с данными оже-спектроскопии. В ело» ииепдеь смесь нескольких фаэ с различными температурани кристаллизации. причем формирование низкотемпературных фаз происходило на большей глубине. а высокотемпературных - ближе к границе Mo-Si. Образование высокотемпературных фаз при этом ограничивалось началом интенсивного испарения Si и разрушение?! плсики Мо парами Si.

Таким образом, экспериментально 1>мла показана еозпохиость формирования силицидов Но о результате воздействия излучения KrF лазера на систему Ио-из-Si. Слопан вынод о жиnt иф13ном механизме сн ишилообразования.

Основные результаты работы таковы:

1. Создана эксиерилентально-технологическая установка, предназначенная для проведения 01?и<~ч:ч«ых oriepatiufi иэготое.пенил микросхем с помощью импульсного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона, о одмон вакуумном обгеме Свакуум не хуже 10 . в интервапо температур —Р0°С. . . +ЭО*С. С ее помощью отработана методика формирования и лазерного отжига многослойных кремниевых систем.

2. Экспериментально установ п'-нн режимы эпнтяксиальной

кристаллизации под воздействием из пучения KrF лазера

монокристаллического Si tf.-l.O. . . Z. 5Д.ч; -см 3, слоев

поликрнсталиичегжого Si топщми"И 0, ?. ... 0 ,4мк н на Si подложке

СЕ~1.5. . . 2.ОДжхсм "i . режимы отжига слоев поликрнстал.чического

Si толщиной 0,2мки па диэлектрической подложке

2

СЕ=0,3. . . 1 .ОДж-'См 3. Экспериментально устапор.пены пороги образования и характер нарушений поверхности кремния при воздействии излучения ICrF ■ лазер-V. Полученные результаты согласовывались с модель» илонления.

3. Экспериментально обнаружено формирование поверхностных структур в результате воздействия излучения KrF лазера СЕ-1 ,0. . . 3 ,5Дж^см "> на системы SiO -на-Si с толщиной Si 0? до О.бмкм. Установлено, что вид и размеры структур менялись в

зависимости от Е : от отдельных Центров деформаций " и гексагональных ячеек размером d=2...íOM»;H при Е-1 ,0. i . 1 ,5ЛхУсн

до периодических структур с периодон d=10...20мкн при

2

.5...3,5Дж/см. Формирование аналогичных структур под воздействием излучения KrF лазера обнаружено в системах Si О -на-Al. Ио-на-Si. Предложен механизм формирования таких структур, основанный на модели лекального плавления поверхности кремния в условиях импульсного лазерного воздействия.

4. Экспериментально показана возможность легирования

поверхности Si атомами As в результате воздействия излучения

KrF лазера С Е-1 .0. . . 2.5Дх^сн "3 нэ системы As-na-Si с толщиной

пленки As 0,01 . . . 0,5мкн. Установлено, что распределение As в Si

'20 —3

имело приповерхностный пик Концентрации N^q Сдо 5,0*10 сн 3,

не зависящий от толщины пленки As. Глубина внедрения As в Si и

величина Нд ^ росли с увеличением Е.

Экспериментально обнаружено формирование Дополнительного

пика концентрации As в Si на спаде приповерхностного пика в

результате воздействия нескольких импульсов излучения KrF

лазера с одинаковой Е на систему Аз-на-Si.

Экспериментально . показана возможность легирования

поверхности Si атомами В в результате воздействия излучения KrF 2

лазера СЕ-2.5Дж^си 3 на системы В_,0--на-С1 с толщиной пленки

с. о

B£03 0.5...1.5мкн.

5. Экспериментально показана возможность формирования силицидов Но в результате воздействия излучения KrF лазера СЕ=3,0Дж/см23 на систему Ио-на-Si с толщиной пленки Но 0,1. . . 0,2нкм. Установлено, что с<!-ормированные силициды Мо представляли собой снесь полнкриоталлических фаз. Полученные экспериментальные результаты согласовывались с моделью плавления.

6. В результате комл verснмх исследований ' модификации поверхности кремния и многослойных кремниевых систем излучением KrF лазера экспериментально установлены технологические режимы отжига кремния и многослойных кремниевых систен. Установленные режимы используются в НИИ технического стекла в Планерной крениевой технологии инкрозлех.троники и интегральной оптики.

S3

Основные результаты опубликованы в работах:

»

1. Kantsyrev V.L. . Morozov М. V. ,Sorgeov P.B. . Tyunlna M. А. Semiconductor, surface modi t io.>ti on by. KrF 1 ar,i>r radUtion

Reports'; Theces; InlernaUonal Symposium 'Short Wavel enght Lasers and The-i r 'Applications'. -»i-Mii-irk-md, i99o: -c.es.

2. Канцырев В. Л.. Порозов Н. В. . С%>рг<?ев П. В. . Тюнина H.A. Модификация поверхности полупроводников излучением 'KrF лазера. .»V Сб. -Тезисы" vi и Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. - Лчнингрдд, 1090. - т. 1. - с.6«5

3. Канцырев В. Л. , Мороэоп . Н.В. , Ое-ргеоп Г1.Б. .Тенима М. А. Модификация подложек. микросхем мощным лазерным ультрафиолетовым излучением ss Сб. Тезисы докладов VIII регионального семинара "Оптические и оптозлектронные методы и устройства обработки информации". - Краснодар. 1QÖ0., - с. 81-0.2

4. Канцырев В. Л., Сергеем П.Б. , Тюнина М. А. Легирование кремния излучением KrF лазера 'ss Сб. Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции "Применение лазррл» в технологии и системах передачи и .обработки информации", - Киев, lö'^l .-с. öl - >

5. Ануфриев В.В., Греков В. В. . Канцырев В. Л. . Тюнкна H.A.. Яковлев И.Я. Устройство для вакуумной локальной лазерном обработки . лолупровЬдииковых подножек и методика вакуумного лазерного изготовления фотоприемннков ss Сб. Труды конференции "Оптические сети связи". - Владимир, 1Q91.-C. 97-S9 ' '•

6. Канцырев В.Л., Порозов Н.В. . Сергеев П. Б. . 'Гюнина И. А. Модификация поверхности полупроводников излучением КгР лазера ^Краткие сообщения по физике.-1900. - М. 9. -с. 3-3

У. Канцырев В. Л. , Морозов Н. В. , 0л1-:-;.п"гер Б. А.,

Сергеев П. Б. , Тюцина Ц. А". Имплантация мышьяка в кремний излучением нотного KrF лазера •'/' Писька в ЖТФ. г 1991,- т. 17, вып. 2.- с. 56-61 '

В. Канцырев В. Л. , Сергеев П. Б., Тюннна H.A. Аномальная имплантация As в S1 под воздействие» излучения KrF лазера // Письма в ЖТФ. - 1991.- т. 17, mm. 17.-с. Й9-33

9. Канцырев В. Л.. Сергеев П. Б. , Тюнина ,М. Л. ^Периодические структуры, индуцированные излучением KrF лазера на поверхности кремния и многослойных систем ss Письма в ЖТФ.-1992. — T.1S. вып. 6.- с. 63-67

10. Канцырев В.Л. , Сергеев П. Б. . Тюнина М. А. Кристаллизация кремния под воздействиен излучения KrF лазера/V Письма в ЖТФ.-1992.-т. 19. вып. 20.-с. 36-40

11. Канцырев В.Л. , Сергеев II. Р. , Тюнина H.A. Формирование силицидов излучением KrF лазера-'--Письма в ЖТФ. -1992. -т. 18. вып. 20.- с. 32-35 . " '

Подписано в печать jö-OO • 03 Заказ i-5f>6 Тирах

Типография №И, Каширское шоссе, 31