CC BY
42
УДК 621.315.592:536.37
А.М. Светличный
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В СТРУКТУРАХ Mo-Si ПРИ БЫСТРОМ ТЕРМИЧЕСКОМ ОТЖИГЕ
Таганрогский государственный радиотехнический университет,
пер. Некрасовский, 44, ГСП-17 А, Таганрог, Ростовская обл., Россия, тел.: (86344) 61611, e-mail: svetlich@tsure.ru
Введение
В настоящее время в производстве при изготовлении интегральных схем традиционные изотермические методы обработки заменяются импульсной обработкой световыми потоками. С помощью импульсных инфракрасных (ИК) и ультрафиолетовых (УФ) потоков излучения осуществляется очистка пластин перед выполнением технологических операций, фотостимулированное осаждение при низкой температуре пленок Si02, ShN4, W, Mo, Ti, Та, ультратонкое окисление кремния, эпитаксия из газовой фазы, рекристаллизация слоев, уплотнение диэлектрика, оплавление краев окон перед формированием металлизации, формирование мелких р-п-переходов путем быстрого отжига легированных пленок, активация примеси и отжиг ионолегированных слоев, фотостэмулированное травление, отжиг контактов и разводки, создание инверсных слоев путем генерации в локальных областях высокой концентрации точечных и линейных дефектов, геттериро-вание неконтролируемых примесей в подложке и др. [1-3].
Важным преимуществом фотонно-стимулированных процессов является возможность точного контроля и управления температурно-временными режимами обработки каждой пластины.
Однако, несмотря на все преимущества фотонной технологии, имеются определенные трудности получения однородного распределения температуры в пластине на протяжении всего цикла нагрева* Связано это с боковой подсветкой при нагреве и более быстрым охлаждением края пластин. Устраняется этот недостаток совершенствованием конструкции нагревательной камеры за счет выбора оптимального расстояния между излучателями и стенками камеры, использования демпфирующих охранных кварцевых колец и др. [4-5].
Как показал Бентнни, при фотонной обработке даже при однородном световом потоке и устранении краевого эффекта в пластине могут быть значительные температурные градиенты из-за различия оптических и теплофизических свойств локальных областей, которые присутствуют в реальных структурах [6]. Наличие градиента температуры может привести к появлению напряжений, которые в свою очередь могут быть причиной появления в приповерхностных областях полупроводника линейных и точечных дефектов.
Целью настоящей работы является рассмотрение на примере структуры Mo-Si влияния режимов нагрева полупроводниковых пластин на однородность распределения температуры при облучении лицевой и обратной сторон пластины, имеющей различный коэффициент заполнения поверхности металлом. Выбор пленки обусловлен тем, что молибден наиболее часто используется в качестве материала затвора КМОП БИС.
Численная модель
В реальных структурах каждая интегральная схема представляет собой совокупность областей с различными оптическими и теплофизическими характери-
стиками. При однородном облучении световыми потоками в режиме теплового баланса градиентом температуры по толщине пластины, в силу его малости, можно пренебречь [2]. Поскольку размеры областей с различными теплофизическими характеристиками значительно меньше длины тепловой диффузии, то это позволяет выделить области с усредненными оптическими параметрами. Тогда топология реальной полупроводниковой структуры может быть сведена к топологии структуры, состоящей из двух областей с различными отражающими, поглощающими и эмиссионными характеристиками [7]. Численная модель распределения температурных полей в структуре ИМС, таким образом, сводится к модели квадрата. На рис. 1 показан фрагмент топологии, выделенный для расчетов. Область Б. - покрыта молибденом, 82 - чистый кремний.
Распределение температуры может быть найдено из уравнения теплопроводности [7]:
р.С(Т)^=4г
о1 ох
К(Т)^
дх
д
+------
ду
Х(Т)
ду
+ Г(х,у,Т) - П(х.у.Т) ’
(1)
где р, С(Т) и К(Т) - плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности кремния соответственно; температура Т является функцией координат х, у н {; зависимости Г(х, у, Т) и П(х, у, Т) описывают тепловой источник и тепловые потери с поверхности структуры. Распределение температуры по поверхности пластины симметрично. Поэтому можно положить, что тепловой поток на гранях квадрата АВСО отсутствует.
У
Рис. 1. Фрагмент топологии
Тепловой источник для области Б, - покрытой пленкой молибдена, и области Й] - чистой кремниевой подложки, имеет вид
„ Р (1-г,)
I 1 —----:-----*
Гг =
РА,(Т)
(2)
где Р - плотность мощности источника излучения; г, - коэффициент отражения молибдена; Ь - толщина пластины; А,(Т) - интегральный коэффициент поглощения. С учетом спектра источника излучения, коэффициента отражения и температуры пластины выражение для А,(Т) имеет вид [8]
4(7>-
03
|(0 - г2 X1 - ехр(-а(А, Т)к))1(А)с1А
(3)
гле коэффициент отражения г2 и коэффициент поглощения а являются функцией температуры и длины волны, 1(Х) - спектр источника излучения.
Решение уравнения (3) показывает, что для кремниевых пластин толщиной 380 мкм и удельным сопротивлением 20 Ом'см, с учетом спектра излучения галогенных ламп типа КГТ-1500-220, наблюдается резкое возрастание А1 при температуре около 700 К. Это объясняется началом интенсивного поглощения света свободными носителями заряда.
Уравнение теплоотдачи в областях Б] и 82с учетом радиационных потерь и конвективного теплообмена с окружающей средой имеет вид
„ ((е 1 + е2) ■ а(Т А - Г04) + 2а к ■ (Т -Г,)) ___в.
11 , = —----—------ -----—-------—-------——“ ДЛЯ Ьь
и
(2 ■ е2 ■ а ■(Т — )+2-ак(Т — Т^)
к
гле е1 и е2 - эффективные коэффициенты эмиссии областей 8| и а - постоянная Стефана - Больцмана, Т5 - температура отружагощей среды, Тп - температу ра стенок камеры. ак - коэффициент конвективного теплообмена.
При расчетах использовались нелинейные зависимости С(Т) и К(Т) [6]: С(Т>0.863+8.345 10'5Т- 1.624 10Т: [Дж/гК]; р=2.32 [г/см3];
КП> р-722'ехр(-2-33310 ; ^ т = [Вт/смК]
10.648. ехр{-7.275 ■! О'4 - Г), Т > 900А"
При расчетах распределения температуры в структуре .\Io-Si предполагалось, что область Б, покрыта Мо. Степень заполнения структуры молибденом определялась соотношением плошадей 5: и
Результаты расчетов и обсуждение
На рис. 2 представлены расчетные зависимости температуры в точке А от времени нагрева лицевой стороны пластины при плотности мощности излучения 30-60 Вт'см^ Нагрев осуществлялся в режиме управления до температуры 1200 К. Разность температур между точками С и А от времени при тех же режимах облучения и коэффициенте заполнения 30% показана ни рис.З. Форма полученных зависимостей говорит о сложности процесса нагрева, связанного с нелинейными теплофизическими характеристиками системы Мо-Бк Резкое возрастание разности температур между точками С и А при температуре 700 К связано с началом интенсивного поглощения света свободными носителями заряда. Величина ДТ максимальна, когда интегральный коэффициент поглощения А, максимален.
Анализ пред став ленных на рис. 2 и 3 результатов расчета говорит о наличии двух разновидностей разности температур АТ: динамической АТ^;П и стационарной ДТ51. Максимум АТзависит от скорости нагрева, которая, в свою очередь, является функцией плотности мощности излучения. Максимум ДТ5, зависит от максимальной температуры, при которой более сильно проявляется излучательная способность нагретого материала.
На рис. 4 показана зависимость ДТ5, от температуры нагрева структуры при облучении лицевой стороны, имеющей коэффициент заполнения 30-95 %. Зависимость ДТй|п от скорости нагрева этих же структур представлена на рис. 5.
При облучении с обратной стороны пластины ДТЛп имеет меньшее значение (на рисунке не показано), что объясняется большим отражением светового потока на границе Мо-Б! по сравнению с чистым кремнием в области 82. Изменение коэффициента заполнения металлом приводит к незначительному изменению ДТ,
Рис. 2. Зависимость температуры в точке А от времени при облучении лицевой стороны структуры Мо-Яі с заполнением 30% в режиме управления (,нагрев до І200К) для различной плотности мощности излучения. Р Вт см': 1-30. 2-50. 3-60.
О 2 4 4 8 !•> 1Ї и )4
Рис. 3. Зависимость разности температур между точками С и А от времени при облучении лицевой стороны структуры Мо-Бі с заполнением 70%, режиме управления (нагрев до 1200 К) для различной тотности мощности излучения, Р Вт/см2: 1-30; 2-50; 3-60.
Т,К
Рис. 4. Зависимость ЛТ5, от температуры структуры Л/о-5/ при облучении с лицевой стороны и степени заполнения структуры металлом 30% (1), 70% (2) и 95%(3).
Ур. гр/сек
Рис. 5. Зависимость АТл„ от скорости нагрева структуры Мо-Б/ при облучении с лицевой стороны и различной степени заполнения металлом: 1-30%; 2-70%; 3-50%.
но закономерности процесса нагрева сохраняются.
Выводы
1. Наличие оптических неоднородностей структуры Mo-Si в пределах интегральной схемы приводит к существенному разбросу температуры, которая зависит от скорости и температуры нагрева.
2. Облучение нерабочей стороны пластин приводит к значительному снижению абсолютной величины ДТ при нагреве пластин до заданно!! температуры. Поэтому этот способ обработки более предпочтителен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Двуреченский Л.В., Качурин Г.А., Нидаев Е.В., Смирнов J1.E. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. М: Наука, 1982, 280 с., ил.
2. Борисенко В.Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве. Минск: Навука. 1992. 248 с., ил.
3. Гукепыев Ю.Х., Васенков А.А., Гарицын А.Г., Федоренко В.В. Лазерная технология интегральных схем. М.: Радио и связь, 1991. 320 с., ил.
4. Светличный А.М., Сеченов Д.А. и. др. Установка импульсной термообработки ИТО-18М // Электронная промышленность. 1990. №3. С. 62.
5. Светличный А.М., Сеченов Д.А., Бурштейн В.М., Воронцов В В., Соловьев С.И., Агеев О.А. Вакуумная установка импульсной термической обработки ИТО-18МВ // Электронная промышленность. 1991. №3. С. 48.
6. Bentini G.G., Corera L. Analysis of thermal stresses induced in silicon during xenon arc lamp flash annealing // J.Appl.Phys. Vol. 54. 1983. P. 2057-2062.
7. Сеченов Д.А., Светличный A.M., Соловьев С.И.. Агеев О.А.. Клово А.Г. Моделирование температурных полей в полу проводниковых структурах при быстром термическом отжиге // ФХОМ. 1994. №2. С. 33-37.
8. Сеченов Д.А., Светличный А.М., Соловьев С И., Зиновенко С.И. Оптимизация конструкции реакционной камеры по распределению температуры в полупроводниковой пластине при нагреве некогерентным излучением // ИФЖ. 1991. Т.60. С. 130-135.
