CC BY
41
4. Проводники должны быть, чем короче, тем лучше. При необходимости проведения длинного проводника необходимо уменьшать его ширину;
5. Для реализации ВЧ схем необходимо использовать компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа;
6. Не желательно выполнять на плате лишние переходные отверстия, т.к. их собственная индуктивность может привести к возникновению дополнительных нестабильностей;
7. Не рекомендуется трассировать печатные проводники под прямыми углами. Необходимо сглаживать вершины углов для избегания возникновения отраженных сигналов;
8. Аналоговую часть схемы рекомендуется располагать вблизи соединителя питания, а развязывающие конденсаторы аналогового питания должны подключать только к “аналоговой земле”, а не к цифровой;
9. Для подавления НЧ помех и шумов необходимо использовать танталовые конденсаторы, располагая
их у входного соединителя питания, а для подавления ВЧ помех и шумов - керамические конденсаторы. При необходимости для развязки используются несколько конденсаторов для различных частотных диапазонов.
Литература
1. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материа-
лы. - М.: Техносфера, 2005. - 304 с.
2. ОУ и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-
XXI», 2002. - 560 с.
3. Белинский Б.Т., Гондюл В.П. и др. Практическое пособие
по учебному конструированию РЭА. - К: Вища школа,
1992. - 494 с.
4. Свитенко В.Н., Сапожников А.М. Конструирование и ми-
кроминиатюризация РЭА с применением АРМ. - Харьков: ХПИ, 1986.- 96 с.
------------------□ □---------------------
Розглянуто фізичні процеси при лазер-но-стимульованій твердофазній дифузії домішок в напівпровідникові матеріали та метали. Наведено приклади застосування таких процесів для вирішення конкретних технологічних задач напівпровідникової електроніки
Ключові слова: лазерно-стимульова-на дифузія, твердофазні процеси, кремній, галію арсенід, ВІС
□----------------------------------□
Рассмотрены физические процессы при лазерно-стимулированной твердофазной диффузии примесей в полупроводниковые материалы и металлы. Приведены примеры применения таких процессов для решения конкретных технологических задач полупроводниковой электроники
Ключевые слова: лазерно-стимулированная диффузия, твердофазные процессы, кремний, арсенид галлия, БИС
□----------------------------------□
The physical processes during the laser-stimulated solid phase diffusion of impurity into the semiconductor materials and metals were examined. It was substantiated the application possibility of these processes for solving the specific tasks of semiconductor electronics Key words: laser-stimulated diffusion, solid phase processes, silicon, gallium arsenide, GIC ------------------□ □---------------------
УДК 539.219.3:621.378.004.14
СУЧАСНІ ЛАЗЕРНІ ТВЕРДОФАЗНІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ В СУБМІКРОННІЙ ТЕХНОЛОГІЇ ВІС
С.П. Новосядлий
Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри*
А.І. Терлецький
Кандидат фізико-математичних наук, асистент*
О. Б. Ф р и к
Інженер*
*Кафедра радіофізики і електроніки Прикарпатський національний університет ім.
В.Стефаника
вул. Шевченка, 57, м. Івано-Франківськ Контактний тел.: (0342) 71-48-48
1. Вступ
На даний час в технології мікроелектроніки освоєно розміри 0,6-1,2 мкм, а степінь інтеграції досягає
107 активних елементів на кристал. Однак для задоволення потреб промисловості, обчислювальної техніки та автоматики необхідно освоїти розміри 0,25-0,6 мкм, що дає можливість підвищити степінь інтеграції до
З
108-1010. При цьому товщина функціональних шарів зменшується до 10-100 нм та наближається до фізичної межі функціонування елементів мікроелектроніки. При зменшенні розмірів елементів в структурах інтегральних схем найбільш практичними з точки зору відтворюваності параметрів стають операції формування досконалої межі розділу функціональних шарів та локальних областей р-п-переходів, затворів транзисторів, контактів, провідних доріжок (трас). Оскільки степінь відтворюваності параметрів функціональних елементів підвищується із зменшенням температури технологічних процесів, то стає актуальним перехід до низькотемпературної технології. Крім того, в субмікронній технології необхідно здійснити перехід до індивідуальної обробки пластин з автоматичним контролем параметрів технологічних операцій кластерного обладнання.
На сьогоднішній день в технології мікро- і нано-електроніки широко досліджуються можливості застосування лазерного випромінювання, включаючи такі процеси, як імпульсний відпал дефектів, легування, осадження шарів на основі тонких плівок, сухе травлення, скрайбування, гетерування, герметизація, ретушування. В більшості перерахованих випадків використовуються лазери видимого та УФ діапазонів, випромінювання яких сильно поглинається в напівпровідниках, металах та діелектриках, наслідком якого є рідкофазний характер процесів на поверхні, що приводить до ряду небажаних наслідків, зокрема до генерації додаткових структурних дефектів в об’ємі напівпровідника.
Разом з тим, використання неперервних лазерів на С02 для опромінення напівпровідників, які слабо поглинають випромінення 10,6 мкм, дозволяють реалізувати твердофазний режим обробки, який в багатьох випадках є доцільнішим рідкофазного. Це було успішно продемонстровано в роботах [1 - 3] для отримання субмікронних легованих шарів в кремнії. В даній статті подано широкий спектр досліджених процесів, які вказують на можливість використання твердофазних процесів для рішення прикладних задач мікроелектроніки, що вимагають формування субмікронних легованих шарів в кремнії та в сполуках АШВУ, очищення поверхні діелектричних шарів на напівпровідникових пластинах, виготовлених омічних контактів, р-п- та гетеропереходів.
2. Зниження дефектності в кремнієвих пластинах за допомогою лазерного гетерування
Існуючі способи гетерування домішок і дефектів в кремнії можна класифікувати як внутрішнє (кисневе), поверхневе і планарне гетерування. При двох перших способах іншорідні домішки, точкові і лінійні дефекти переміщуються із активних зон або від міжфазних границь в неактивні через товщу матеріалу і закріплюються в них або видаляються з поверхні Si-пластини в навколишнє середовище. При планарному гетеруванні дефекти і домішки переміщуються паралельно робочій поверхні пластини в область з мікроструктурою, яка є відмінною від структури активних зон.
Після формування гетера процес гетерування проходить в три етапи: збудження (активація) частинок
домішок і дефектів; переміщення їх в неактивні зони або до поверхні; закріплення або видалення. Активація домішок і дефектів, що збільшує їх рухливість, може бути термічною, хімічною або радіаційною. Рушійною силою переміщення тут слугують поля пружних напруг в гратці кристала, які створені гетером. Це повинні бути напруження розтягу, що збільшують міжатомні відстані і прискорюють потік власних міжвузлових атомів, а також атомів домішки з більшим, ніж у Si, радіусом до зон напружень.
Закріплення дефектів і домішок в області гетера зв’язано з релаксацією пружних напружень і виникнення пластичної деформації. загальний рівень пружних напружень в зоні гетера залежать від його характеристик, а степінь релаксації їх при закріпленні домішок і дефектів, вже будуть визначати потужність гетера. Релаксація пружних напружень в зоні гетера буде проходити також в результаті температурної дії при проведенні оксидувально-дифузійних операцій і епітаксії.
Приведені вище принципи необхідно враховувати при розробці процесу лазерного гетерування, який відносять до поверхневого способу поряд з механічним гетеруванням шліфуванням і ударною обробкою зворотньої сторони пластини, нанесенням на неї плівок інших матеріалів ^^N4, SixOyNz, рог^і, полісі), а також введенням домішок в поверхню пластини іонним легуванням або дифузією. В порівнянні з перерахованими способами, лазерне гетерування має ряд переваг: технологічність і легка вмонтованість в любий маршрут процесу формування біполярних і МОН ВІС, краща відтворюваність і керованість в порівнянні з іншими поверхневими способами, незалежність структурного і домішкового стану кремнію від його типу, можливість його підсилення і суміщення з внутрішнім та планарним гетеруванням (табл.1). При реалізації цих правил лазерне гетерування може бути одним із найбільш ефективних способів підвищення виходу придатних структур ВІС за рахунок зниження рівня дефектності в пластинах, що знаходились в зливках Si та генерованої в процесі термічних операцій формування структур.
Одна із важливих задач при розробці технології лазерного гетерування - вибір довжини хвилі і густини енергії випромінення та забезпечення стабільності останньої при обробці партії пластин. Здебільшого для цього використовують АІГ:№ - лазер (Х=1,06 мкм) з неперервним накачуванням і акустооптичною модуляцією, які забезпечують вихідну потужність 8-12 Вт при частоті повторення імпульсів випромінювання 5-30 кГц. При цьому густина енергії від 10 до 25 Дж/см2 забезпечує глибину канавки в поверхні Si від 1,5 до 20 мкм.
Відстань між канавками повинна забезпечувати перетинання дислокацій, які поширюються від стінок канавок після термообробки. В даній роботі використовувалось лазерне випромінення з довжиною хвилі Х=1,06 мкм, за допомогою якого формувались на тильній стороні Si - пластин канавки шириною 10-15 мкм і глибиною 5-38 мкм при швидкості сканування 90160 мм/с з кроком 50-100 мкм.
Досліджувався вплив глибини канавки з кроком 100 мкм на ефективність лазерного гетерування, яка оцінювалась по зміні густини дефектів на робочій
уз
стороні Si - пластин. Для підвищення достовірності порівнювалась дефектність двох половин Si - пластини, одна із яких мала гетер, а друга - без гетера. Ефективність X визначалась як відношення густин дефектів на обох частинах Si - пластин. (рис. 1). Як видно з графіків, існує оптимальна глибина канавок, яка і зумовлює максимальну ефективність лазерного гетера (Ь=15-25 мкм).
Таблиця 1
Порівняльні характеристики методів гетерування домішок
№ пп Клас гетера Вид гетера Спосіб формування Можливості та обмеження
Кисневий Створення кисневих преципітатів в циклі термічної обробки Суміщення з проце-сом формування структур. Ефективність визначається концентраією О2.
1 Внут- ріш- ній Механіч- ний (створений абразив- ною обробкою) Створення дислокаційних сіток в неробочій стороні за рахунок релаксації залишкових напружень в поруйнованому шарі Суміщення з проце-сом виготовлення підкладок. Ефективність тільки на початкових стадіях ВІС
Лазерний --»»-- Технологічність, легка вмонтованість в процес виготовлення ВТС
Зов- ніш- ній Плівковий (SixOyN2, Si3N4, полі-Si, por-Si --»»-- Технологіч- ність, необхідність маскування робочої сторони
2 Дифузій- ний --»»-- Високі температури
Іонно- легований --»»-- Технологічність і локальність
HCl, Cl-ний --»»-- Технологічність, суміщення з проце-сом оксидування
3 Пла- нар- ний Іонно- легований Аморфи-зація поверхневого шару ТЛ Технологіч-чість, активація домішок
Дана технологія лазерного гетерування була відпрацьована у ВАТ «Родон» з використанням автоматичної установки ЕМ-227. В склад установки входить потужний твердотільний лазер неперервної дії ЛТН-103 з оптичною системою формування і фокусування променя, оптико-механічний пристрій для регулювання і стабілізації потужності випромінювання в
зоні обробки, система координатних переміщень напівпровідникової пластини, пристрій фокусування і контролю деформації пластини, мікропроцесорний пристрій керування.
10 15 20 25 ЗО 35 Ь, мкм
Рис. 1. Вплив глибини канавки на ефективність гетерування при Т=1100 °С ^ = 1; 1,5; 2 год. - криві 1-3)
Високошвидкісний привід координатних переміщень зі зворотнім зв’язком за швидкістю дозволяє розвивати швидкість обробки до 1 м/с при прискоренні 15 м/с2, що забезпечує обробку Si - пластин діаметром 150 мм з продуктивністю до 100 пл/год. Застосування мікропроцесорного пристрою керування дозволило повністю автоматизувати цикл обробки 25-ти пластин в секторній операційній касеті.
Рис. 2. Установка лазерного генерування і скрайбування ЕМ-227
Дана установка (рис. 2) та спосіб створення гетер-ного шару пройшла виробниче випробування у ВАТ «Родон» як при створенні кремнієвих епітаксіальних структур із захисним шаром при формуванні біполярних ІС, так і кремнієвих пластин типу КДБ-80 (100), КЕФ-4,5 (100) при формуванні структур ВІС на МОН-транзисторах. Алгоритм роботи установки ЕМ-227 передбачає вимірювання прогину кожної пластини в результаті утворення поруйнованого шару, що дозволяє контролювати відтворюваність лазерної обробки. Після такої обробки густина дефектів упаковки і дислокацій зменшилась до рівня 1-5 см-2, а час життя неосновних носіїв збільшився як мінімум на порядок.
Необхідно відмітити, що даний процес також з успіхом був використаний і для скрайбування вже готових пластин зі сформованими структурами на кристали.
3
3. Лазерне твердофазне легування напівпровідникових структур і осадження шарів
В даному розділі викладено основні положення
і результати стосовно легування напівпровідників та лазерного осадження плівок для шаруватих наноструктур.
Сутність методу формування субмікронних легованих шарів полягає в тому, що при дії лазерного випромінювання з довжиною хвилі, для якої напівпровідник є прозорим, поглинання світлової енергії проходить, в основному, в плівці матеріалу лігатури, яка нанесена на поверхню напівпровідникової пластини. В процесі опромінення плівка домішкових елементів розігрівається і відбувається твердофазна дифузія лігатури в напівпровідник. Такий процес можна характеризувати як холодну дифузію або дифузію при градієнті температур (градієнтну дифузію).
Р,відн.од
20 40 60 80
Рис. 3. Профілі розподілу бору в Si при дії лазерного опромінення густиною потужності 400 Вт/см2 та тривалості 1-0,6; 2-1; 3-2,5 с
1 Р,см'3
р-\А Г 1 1 1 1 І . і п- ^— (І,мкм
0,25 0,5 0,75 1,0
Рис. 4. Лазерна градієнтна дифузія Zn в n-GaAs
Як показали наші дослідження [1], профілі розподілу домішок за глибиною легованих шарів мають ряд своїх особливостей, які визначаються режимами опромінення, а також специфікою протікання процесів дифузії і випаровування домішки при дії випромінення лазера на структуру типу напівпровідник-лігатура. Типові профілі розподілу бора за глибиною кремнієвих пластин за умов рівномірного опромінення всієї поверхні структури типу кремній-бор при формуванні супер-бета транзисторів операційного підсилювача К140УД6 подано на рис.3. Однією з характерних ознак концентраційного профілю є наявність концентраційного максимуму не на поверхні, а на деякій глибині напівпровідника, як при багатозарядній імплантації.
Збільшення тривалості опромінення приводить: 1) до збільшення часу дифузії домішки в глибину напівпровідника і експоненційному зростанню дифузії
за рахунок більш інтенсивного розігріву; 2) процес випаровування домішок, продифундованих з поверхні в напівпровідник, проявляється більш сильно із збільшенням часу опромінення. Сумісна дія вказаних процесів і визначає характер зміни концентраційних профілів (рис. 4) для легованих шарів. Оригінальність такого легування полягає в тому, що дифузійний процес можна вести локально.
За умови неоднорідного опромінення структур, наприклад використовуючи скануючий лазерний промінь, на формування концентраційних профілів розподілу домішки визначальну роль, крім процесів дифузії та випаровування, відіграють наведені механічні напруження. Результати рентгеноструктур-них досліджень методами рентгенівської топографії показали, що локальне легування напівпровідників призводить до наведення високого рівня механічних напружень на межі між опроміненою і неопроміненою зонами напівпровідникової пластини [2,3]. За наявності механічного градієнта напружень об’ємна деформація стимулює процес висхідної дифузії домішок, який полягає в направленому переміщенні домішок в напрямку, протилежному первинному градієнту концентрації легуючих атомів, аналогічно як відбувається процес гетерування. При цьому можливе формування концентраційного профілю з піком за глибиною, що відповідає фінальному положенню області високого градієнта механічних напружень.
Концентраційні профілі розподілу носіїв заряду в легованих шарах наглядно відображають специфіку протікання процесів дифузії та випаровування домішки при лазерному твердофазному легуванні напівпровідника ^і), що показано на рис. 4. По-перше, в силу сумісної дії вказаних процесів максимальна концентрація носіїв заряду в легованих шарах GaAs: Zn (р=21018см-3) виникає не на поверхні, а на глибині >0,1 мкм. По-друге, додатковий максимум концентраційного профілю (р<1018см-3) спостерігається вже на межі дифузійної зони і матриці кристалу. Його формування, очевидно, обумовлене процесом вихідної дифузії і деформаційного втягування домішки в область максимальної деформації, як при гетеруванні (рис. 4).
Оскільки в областях найбільшої деформації існують і найбільші температурні градієнти, то висока швидкість охолодження призводить до загартування власних термічних дефектів у вихідному матеріалі
і підвищує концентрацію електронів в шарах, які безпосередньо прилягають до межі дифузійної зони, п<1017см-3 до п>1018см-3 (рис. 4). Необхідно також зауважити, що максимальна концентрація носіїв заряду (р=21018см-3) в легованих шарах більше ніж на порядок перевищує граничну рівноважну концентрацію носіїв заряду в шарі GaAs, легованих Zn традиційним методом дифузії. Такий процес пояснюється нерівно-важністю процесу лазерного легування напівпровідників, оскільки відомо, що різке охолодження GaAs: Zn в процесі легування призводить додатково до активації домішок і підвищує концентрацію носіїв заряду до значень (2-4)1018см-3, тобто відпадає необхідність в активації домішки при лазерному легуванні.
Наші дослідження електрофізичних параметрів шарів Si:B 4-и зондовим методом показали, що шаровий опір легованих шарів складає 7-10 Ом/Ц який відповідає концентрації носіїв заряду 1020-1021см-3 і
визначається граничною рівноважною розчинністю бора в кремнії. З іншого боку, в процесі лазерного твердофазного легування кремнію домішка бору при граничній розчинності проявляє електричну активність, тому відпадає необхідність у її додатковій активації, як це має місце при багатозарядній імплантації. Крім цього, наші дослідження легованих шарів методом фотопровідності показали, що час життя нерівноважних носіїв заряду у вихідних Si-пластинах КДБ-4 (111) до і після лазерного легування бором не змінився і складав т=12-15 мкс. Цей результат говорить про те, що процес твердофазного легування не призводить до підвищення структурних дефектів і не збільшує об’ємну рекомбінацію неосновних носіїв заряду та не впливає на кінетику процесів поверхневої рекомбінації згене-рованих носіїв заряду. Це дозволило сформувати високоякісні супер-бета транзистори, в яких коефіцієнт підсилення складав 12-14 тис. Такий процес є більш керованим, ніж іонна імплантація.
Якщо в термоіонному джерелі напилення електронну гармату замінити на неперервний лазер, то отримаємо процес осадження діелектричних плівок ^Ю2 чи А1203) лазерним розпиленням відповідних стержнів.
4. Швидкий лазерний відпал і реакції, що проходять на поверхні розділу та його модель
За методом здійснення розрізняють наступні основ-
ні різновидності імпульсного відпалу: лазерний, електронний і фотонний, тобто відпал з використанням імпульсних джерел некогерентного світла або інфрачервоного випромінювання [4]. Зазвичай їх використовують для активації домішок після іонної імплантації.
При цьому лазерний і електронний відпали можуть здійснюватись як імпульсним опроміненням зразу всієї поверхні пластин кремнію чи арсеніду галію, так і скануванням їх зфокусованим променем. З точки зору фізики процесу імпульсного відпалу різні методи його проведення мають одну природу. Вони відрізняються лише вторинними ознаками: способами підводу енергії до відпалюваної структури. Основними факторами, які впливають на електрофізичні і структурні властивості шарів, є температура та тривалість дії. Конкретні способи проведення післяімплантаційного відпалу визначають такі технологічні параметри процесу, як його рівномірність по пластині, відтворюваність і продуктивність обладнання для відпалу. Арсенід галлію є більш чутливим до імпульсної дії, ніж кремній, тому його ефективний відпал є більш складним і вимагає оптимізації технологічних факторів.
Лазерний відпал GaAs проводиться за допомогою систем, що гарантують випромінення з довжиною хвилі від 0,25 до 1,0 мкм при тривалості дії від 10-10 до
10-2 с. Реальний час складає 10-7 до 10-6 с, що відпові-
дає глибині прогрітого шару близько 1 мкм і товщині
відпаленого шару порядку 0,1 мкм. Процес лазерного
відпалу GaAs носить яскраво виражений пороговий
характер. Порогова потужність відпалу імплантова-
них шарів складає для наносекундних імпульсів ру-
бінового лазера близько 3106 Вт/см2. Вже при густині
енергії лазерних імпульсів > 0,3 Дж/см2 починається
випаровування приповерхневого шару GaAs, при чому
товщина шару, що випаровується, залежить від потужності імпульсу, зростаючи від 100 нм при енергії
0,5 Дж/см2 до 480 нм при 1,4 Дж/см2.
Тим не менше лазерний відпал дозволяє при відпалі сильнолегованих шарів добитися концентрації електрично активних домішок >1019см-3, в той же час у випадку термічного відпалу така концентрація не перевищує <31018см-3. Після лазерного відпалу імплантованого Zn арсеніду галлію поява нових глибоких рівнів (з концентрацією >31013см-3) не виявляється. При лазерному відпалі шарів GaAs, легованими такими малими дозами іонів, які не приводять до аморфи-зації поверхневого шару, спостерігається мала степінь електронної активності домішок і низька рухливість носіїв заряду. Причини невисокої ефективності лазерного відпалу слаболегованих структур для GaAs поки що не вияснені. Однак залишається фактом те, що слаболеговані іонною імплантацією шари GaAs добре відпалюються швидким фотонним відпалом, а при лазерному відпалі відіграє значну роль саме амор-физований шар.
Також були проведені експериментальні дослідження дії лазерного відпалу на поверхню розділу метал-кремній на прикладах сполук кремнію, що використовуються в ролі матеріалів контактних елементів для виготовлення субмікронних структур ВТС, а саме: Al, Ті, Pd, №, які утворюють сполуки кремнію з цими матеріалами з метою формування низькоомних контактних систем. При використанні лазера на алюмінієво-ітрієвому гранаті, легованому неодимом ^Т^Щ), утворюються контактні системи з низьким питомим опором: для Al-Si - 2,7 мкОм-см, для Ті^і - 9,7 мкОмсм; для Pd-Si - 12 мкОмсм.
Розглянемо тепер теоретичні основи лазерного відпалу. Для розрахунку розподілу температури всередині взірця (пластини чи шару) при дії на його поверхню лазерного випромінювання в ролі першого наближення можна використати таке співвідношення. Допускаючи, що глибина шару, в якому досліджується розподіл температури, достатньо мала < 0,5 мкм в порівнянні з діаметром лазерного променя (< 5 мкм), а шар кремнію займає півпростір і є необмеженим, то температура Т визначається таким одномірним рівнянням [2]:
К 92Т(2,1) -р. с9Т(2,1) = ^(ї)е-аг (1)
dz2 91
де z - координата в напрямі глибини; ї - час; F - густина потужності лазерного випромінювання, що поглинуте кремнієм; К - коефіцієнт теплопровідності Si; р - густина; с - питома теплоємність; а - коефіцієнт поглинання оптичного випромінення. Всі ці параметри вважаємо такими, що не залежать від температури. Якщо положення поверхні кремнію визначається як z = 0, а температура навколишнього середовища Т = 0, крайові і початкові умови приймають вигляд:
ї = 0, Т>,0) = 0;
z = 0, К|ЗТ/а^0 = 0; z , Т(~,ї) = 0; (2)
Такі співвідношення отримані в допущенні, що випроміненням з поверхні Si в простір, а також розсіюванням теплоти за рахунок конвекційних потоків можна знехтувати. Нехай ширина імпульсу лазерного випромінення рівна ї0, а висота - F(t) (рис. 5а), тоді
З
розв’язок рівняння (1) при ї < ї0 (тобто під час дії лазерного випромінення) приймає вигляд:
2її ГяТ — F z z F е_“
Т ^ ї) = ^ —е - £^егїс( z ) _ £01______________+
^кТЄ К (2>/кТ аК +
+-ijLe“2Rt [eazerfc(aVRt + —^)+ 2aK v R/Rt
+e-azerfc(a VRt - ^^=)]
а при t > to (після закінчення дії): Tr(z,t) = T4(z,t) -
(3)
2K
F ‘ t
a 0“-
J e“2Rt'[eazerfc(aVRt + ^щ) +
(4)
+e “zerfc(^VRt -^==)]dt'
Тут R = K / (p-c) - коефіцієнт термічної дифузії, а erfc(x) = -^Je-çdÇ функція помилок.
> -*- x
Рис. 5. Розподіл температури при лазерному відпалі: а) розподіл поглинутої потужності; б) розподіл температури на поверхні Si; в) розподіл температури по глибині в момент включення лазера АІГ^ (X = 1,06 мкм).
Якщо розглянути тільки поверхню Si ^ = 0) і рахувати, що поглинання лазерного променя є достатнім, щоб виконувалась умова а>/яї >> 1, то наші співвідношення (3) і (4) можна подати у вигляді:
T(o,t)=Tm(,/t7t" -v t/t0 -1 )
де T = (2/л/п)(Foto/p-^Vkt0).
ня температур всередині кремнію в допущенні, що довжина робочої хвилі лазерного випромінювання є рівною 0,53 мкм, а t = to. Штрихова лінія відноситься для Si02, товщиною 0,1 мкм. Як видно із рис. 5в наявність плівки Si02 не впливає на розподіл температури, хоча коефіцієнт поглинання випромінення лазера для Si змінюється. Звичайно, тут потрібно привести дво-або тримірний розрахунок теплового поля, щоб бачити розподіл температури в тримірному просторі взірця.
Типовим прикладом використання лазерного відпалу є технологія формування, так званих SOI -структур (КНІ), що позволяє виготовляти радіаційно стійкі структури ВІС на основі діелектричної ізоляції елементів. Така технологія прийшла на зміну КНС -технології (кремній-на-сапфірі). Недоліком останньої є дуже висока вартість сапфірової (Al2O3) підкладки. В технології SOI цей недолік усунений, оскільки використовується метод формування на поверхні діелектричної підкладки плівки моно-Si перекристалізацією полікристалічного чи аморфного кремнію за допомогою лазерного відпалу (рис. 6). Як видно із цього рисунку, в ролі підкладки використовується моно-Si, на поверхні якого формується якісна ізолююча плівка Si02. Поверх плівки Si02 методом хімічного осадження (піролізом моносилану SiH4) в реакторі пониженого тиску осаджується плівка полі-Si товщиною 0,5-0,6 мкм. За допомогою лазерного відпалу формується плівка моно-Si, в якій уже формуються високоякісні МОН-структури ВІС з високою швидкодією і радіаційною стійкістю.
В ролі затравки при перекристалізації полі-Si чи аморфного кремнію в моно-Si виступає сама підкладка КДБ-80 (100), а сам процес рекристалізації проходить при скануванні лазерного променя.
лазерне опромінення "
МІННІ т 1
Полі - Si Моно - Si ¡>*1 1 n* n-Si n* |p
Si02 SiO, SiO,
p-Si КДБ-80(100) p-Si КДБ-80(100) p-Si КДБ-80(100)
(5)
Графік цієї функції поданий на рис 5б, із якого видно, що Тт відповідає максимальній температурі поверхні. На рис.5в приведені результати моделюван-
а) б) в)
Рис. 6. Метод формування SOI - структур з використанням лазерного відпалу
5. Герметизація корпусів ВІС та зміцнення технологічного інструмента лазерним випроміненням
При герметизації корпусів деталей виробів електронної техніки високі вимоги пред’являються до способу зварювання (герметизації), оскільки перегрівання корпусів негативно впливає на стабільність електрофізичних параметрів інтегральних схем чи приладів.
Електронно-променеве і лазерне зварювання корпусів із алюмінієвих сплавів задовільняють вимоги до перегрівання корпусів приладів. Проте електронно-променева герметизація характеризується високою працеємністю процесу і вартістю технологічного обладнання, оскільки процес проводиться в вакуумі. Лазерне імпульсне зварювання твердофазними (твер-дотільними) лазерами з довжиною хвилі X = 1,06 мкм
Е
дозволяє легко регулювати температуру процесу герметизації.
На базі двопроменевої установки «Квант-40» нами розроблена високопродуктивна технологія імпульсного лазерного зварювання алюмінієвого сплаву АМЦ вакуум-щільним швом на повітрі з використанням оксидної плівки як поглинаючого покриття. Сама установка має два випромінювача з активними елементами із АІГ:Щ діаметром 1-5 мм та з індивідуальними джерелами живлення, що дозволяє змінювати енергію імпульсу в межах 0,5-8 Дж, частоту імпульсів 0,2-20 Гц з тривалістю 0,2-10 мс.
Можливість регулювання затримки імпульсів один відносно одного в межах 0,1-5 мс дозволяє забезпечувати коефіцієнт перекриття при зварюванні на рівні
0,4-0,7. Діаметр зварювального променя спостерігається на телевізійному екрані і регулюється в межах 0,5-
2 мм. При зварюванні кожний промінь виконує свою функцію - перший фіксує положення деталей, а другий забезпечує процес зварювання. При відповідному оснащенні можна герметизувати алюмінієві корпуси любої конструкції.
Крім зварювання алюмінієвих деталей велику проблему при герметизації складають металеві і керамічні деталі. В цьому випадку теж використовується лазерна герметизація, але вже на установці «Квант-15». В цьому випадку керамічне кільце знаходиться між металевими циліндрами і фіксується контактним зварюванням. Лазерна установка також працює в імпульсному режимі, а локальні поверхні корпуса нагріваються з певною періодичністю. В місці дії лазерного променя (потужністю
2 Дж) відбувається плавлення металу і його усадка, що спричиняє щільне охоплення керамічного кільця металевим припоєм. Надійність такого зварного з’єднання забезпечується до температури 400°С.
На цій же установці розроблений нами процес лазерної герметизації металоскляних корпусів (основа -ковар, кришка - нікель) МС155-15-1 інтегральних схем серії 298, де лазерне зварювання проводиться згідно запрограмованого спеціального профілю.
Одним із перспективних електрофізичних методів підвищення зносостійкості технологічного інструменту (пуансонів, матриць, електродів) є лазерна термічна обробка.
На механічну зносостійкість інструменту впливає не тільки поверхнева мікротвердість, отримана лазерним опроміненням, але і твердість вихідного матеріалу.
Всі інструменти для технологічної обробки можна розділити на дві групи. До першої відносяться пристрої, які працюють при невеликих динамічних навантаженнях в часі. Збільшення механічної зносостійкості досягається створенням шару з великою (до 0,5 мм) глибиною зміцнення. Для цієї цілі доцільно використати лазери неперервної дії з вихідною потужністю до 1 кВт. Аналіз стадії нагріву металів лазерним випромінюванням показав, що в зоні термічної дії утворюється багатошарова структура (2-3 шари), кількість шарів залежить від вмісту вуглецю і легуючих елементів. Встановлено, що для цієї групи твердість вихідного матеріалу не впливає на зносостійкість інструменту.
До другої групи відносяться інструменти, які працюють з навантаженнями ударного типу, силового тертя (вирубні штампи, пуансони, матриці, термоком-
пресійний та зварювальний інструмент). При вивченні впливу лазерної обробки на технологічний інструмент цієї групи була виявлена сильна залежність його зносостійкості і надійності від твердості вихідного матеріалу. Для зміцнення нами використовувались установки «Квант-16» і «Квант-18М».
Максимальна зносостійкість спостерігалась при глибині зміцненого шару в межах 0,035-0,08 мм і твердості 52-57 НРС. При цьому було встановлено, що така зміцнювана зона має багатошарову дрібнозернисту структуру, і чим більша твердість матеріалу (але не більше 57 НРС), тим менша глибина зміцнюваного шару, однак при збільшенні глибини збільшується крихкість та, відповідно, зменшується ударна стійкість.
Розроблений спосіб лазерного імпульсного зміцнення в рідинному середовищі (деіонізована вода та рідкий азот) інструменту другої групи збільшує механічну стійкість до зносу в 1,5-2,1 рази. При цьому використовувалась довжина хвилі 1,06 мкм, густина потужності 104 - 105 Вт/см2, тривалість імпульсу -5 мс, діаметр плями 1,9 - 2,0 мм. Потужність та енергію імпульсу визначали вимірюванням середньої енергії і потужності лазерного випромінення ИМО-2Н.
Дана лазерна технологія нами також використана для підгонки тонкоплівочних резисторів на основі тантала, нітриду тантала, кермету РС-3710 та тонко-плівочних конденсаторів на основі оксиду тантала в технологічному процесі виготовлення інтегральних схем с.298 (фільтрові прецизійні схеми). Саме лазерний інструмент забезпечує не тільки високу точність підгонки в номінал, але дозволяє також змінювати в заданих межах температурні коефіцієнти опору і ємності (ТКО, ТКЕ), що є дуже важливим для забезпечення температурної стабільності електричних параметрів мікросхем в діапазоні температур 60 - 125°С.
6. Синтез нових напівпровідникових сполук при формуванні субмікронних структур ВІС
Синтез достатньо однорідних за товщиною фазовому складу плівок силіцидів є можливим при опроміненні структур типу метал-кремній імпульсами випромінення CO2 - лазера секундної тривалості. В цьому часовому режимі швидкості нагріву і охолодження є досить низькими, що зумовлює однорідність синтезованого матеріалу, про що говорить низький опір силіцидів. Це дозволило нам синтезувати силіциди TiSi2, CrSi2, MoSi2, WSi2 NiSi2, які можуть бути використані як матеріали затворів або трасувань в багаторівневих структурах ВІС.
Крім цього нами були отримані достатньо однорідні за складом евтектичні сплави In-Si та Al-Si, які можна використовувати як омічні контакти та для металізації структур ВІС відповідно.
Розглянутий метод лазерної обробки може бути також ефективно використаний для синтезу нових сполук і формування гетеропереходів. Відомо, що при легуванні сульфіду кадмію міддю вказана домішка не заміщує Cd, а вступає в хімічний зв’язок із S, утворюючи сульфід міді. Нами було встановлено, що при опроміненні монокристалів сульфіду кадмію (CdS), на поверхню якого наносилась плівка міді товщиною
З
30 нм, в дифузійній зоні синтезується сполука Си^, в результаті чого формується гетероперехід Cu2S-CdS, який можна використати для формування сонячних елементів (рис. 7).
Р,відн.од
0,05 ОДО ОД 5 0,20
Рис. 7. Концентраційні профілі хімічних елементів в гетеропере-ході Cu2S-CdS, сформовані непе-рервним лазерним випромінюван-ням АІГ^, зняті ЕОС
Цікавим є метод атомної силової епітаксії (АСЕ) арсеніду галію з використанням ексімерного лазера КгЕ Цей новий метод вирощування (синтезування) плівок, при якому осаджується тільки один моношар протягом одного циклу росту, забезпечує високу однорідність епі-таксіальних плівок з рекордно низькою дефектністю.
Моношари напівпровідникових сполук можна вирощувати методом газофазних реакцій в реакторах пониженого тиску із парів металоорганічних сполук. Проте цей метод, який використаний в установках типу «Ізо-трон» вимагає строгого контролю параметрів процесу осадження. Метод АСЕ, який стимульований випромі-ненням ексімерного К^ лазера, є звільнений від такого недоліку. Вважається, що існує два механізми дії на АСЕ при опроміненні: перший - це підсилення розкладу галію на поверхні та другий - підсилення розкладу внаслідок поглинання фотонів адсорбатом. Дія фотоопромі-нення підсилюється при зменшенні довжини хвилі. Для ексімерного лазера довжина хвилі складає 248 нм.
В ролі газоподібних джерел використані: триметил-галій ^а(СНз)з) та арсин (AsHз-10% у водні). Водень застосовують як газ-носій. Реактор представляє собою вертикальну трубу із нержавіючої сталі. Він спроектований так, щоб подавити конвекцію. Вуглецевий рези-стивний нагрівач забезпечує нагрів підкладок GaAs до заданої температури. Підкладки GaAs (100), леговані Сг, частково маскувалися SiO2, осаджених методом піролізу в установці «Ізотрон». Попередньо підкладки проходили хімічну обробку в розчині Н^04:Н202; Н20 = 3:1:1 протягом 1-2 хв. при Т=60°С. Перед початком росту GaAs-підкладки прогрівались до 670°С в потоці арсину.
ТМГ і AsH3 почергово імпульсно подавались до поверхні росту GaAs. Ці газоподібні потоки перекривалися воднем, щоб запобігти перемішуванню газів. Один цикл складається із послідовності 4-х газових імпульсів, тобто AsH3, Н2, ТМГ і Н2. Тривалість кожного імпульсу складала 2 с, а швидкість основного потоку AsH3 складає 25 см3/хв.
GaAs - підкладка опромінювалась за допомогою ексімерного К^ - лазера. Випромінювання лазера синхронізувалось з введенням обох газових потоків. Густина потужності випромінювання складала 1510-3 Дж/см2 на поверхні підкладки, при швидкості потоку AsH3 25 см3/хв та частоті повторення імпуль-
сів 80 в сек. Тривалість імпульса ті = 1410-9 с. Процес проводився при тиску 1,3 -103 Па.
иі? моношар/цикл
З Xі
450 500 550
Рис. 8. Швидкість епітаксійного росту GaAs від температури при швидкості потоку ТМГ - 1,83 см3/хв, AsHз - 25 см3/хв (1-моношар, 2-ріст при опроміненні, 3-ріст без опромінення)
Після зтравлювання SiO2 - маски на підкладці вимірювалась висота сходинки за допомогою інтерферометра (профілометра) МИИ-11. В такому режимі епітаксійна плівка GaAs не осаджувалась на SiO2. В експерименті проводилось 620 ростових циклів. Швидкість росту за цикл визначалась при діленні висоти сходинки на число циклів.
В результаті наших досліджень було встановлено, що багатошаровий ріст досягається в досить вузькому температурному діапазоні 490-510°С. Цей факт говорить про те, що при цій температурі утворюються стабільні Ga-As-зв’язки, бо ТМГ адсорбуючись, розпадається селективно на атомах As. На рис. 8 подано зміну швидкості росту за цикл як функції температури осадження при опроміненні ексімерним лазером.
При опроміненні моношаровий ріст досягається в діапазоні температур 470-530°С, що є ширшим, ніж при термічному рості, який складає 490-510°С (крива 3). Така дія лазерного опромінення на розширення температурного діапазону обумовлене такими процесами: зростанням температури підкладки; співударами реакційних частинок атомів галію при фотолізі ТМГ в газовій фазі; розкладом Ga, що підсилений фотохімічною реакцією при дії ексімерного лазера.
Таким чином, ексімерний лазер забезпечує низькотемпературний ріст плівок GaAs із швидкістю 120 нм/хв при дефектності 0,1-1 см-2. В процесі епі-росту не відбувається випаровування миш’яка із підкладки.
7. Лазерне суміщення пластин із структурами в проекційній літографії ВІС
Згідно прогнозу розвитку мікроелектроніки до 2015 року підвищення складності ВІС і перехід до виготовлення ультра НВІС потребує збільшення числа елементів в одній схемі до 108-109. Навіть при зменшенні елементів до 0,1-0,5 мкм це приведе до збільшення площі окремої схеми до 100-150 мм2. Сьогодні основний спосіб формування топології структур ВІС - суміщення та мультиплікація в проекційній літографії високої роздільної здатності. Просте удосконалення технічних характеристик установок суміщення та мультиплікації шляхом підвищення апертури проекційної системи, збільшення поля і використання випромінювання ртутного джерела з довжиною хвилі 365 нм не здатне
вирішити задачі підвищення складності НВІС. Наприклад, при довжині хвилі 365 нм для отримання елемента розміром 0,7 мкм апертуру об’єктива необхідно збільшити до 0,5, а глибина різкості при цьому складе лише 0,7 мкм. Через кривизну Si-підкладки (<<2 мкм), яка перевищує глибину різкості, отримати субмікронні елементи на великій площі з відтворюваністю 10% є вже неможливим. Вирішити цю задачу можна шляхом переходу до більш короткохвильового випромінювання з довжиною хвилі 190-266 нм.
Формувати зображення субмікронних елементів на полі з лінійними розмірами 10-50 мм можна методом фотомонтажу топології модуля проекційною системою по частинах або прямим генеруванням. Проекційне перенесення по частинах є більш продуктивним і дешевим, ніж генерування.
Застосування установки суміщення і мультиплікації, які можуть виконати фотомонтаж топології по частинах, дозволяє отримувати субмікронні елементи на полі діаметром 7 мм. При монтажі зображень проміжних фотооригіналів (ПФО) можна збільшити це поле в залежності від розмірів ПФО до розмірів 13x16 мм. При використанні одиничних прямокутників з декількома ПФО, похибка базування не буде перевищувати 0,01 мкм і тоді можна збільшити розмір поля.
Оптична система мультиплікатора ЭМ-5004 (ЭМ-5009) включає в себе твердотільний лазер ЛТИ-703 (Х=266 нм; потужність випромінювання 0,3-0,5 Вт), освітлювальну систему з динамічним растровим джерелом і проекційний об’єктив «Бінар» (А=0,4, діаметр поля 7,1 мм), розроблена з метою формування субмікронних елементів на полях, розмір яких значно перевищує розмір поля зображення об’єктива, тобто для реалізації методу фотомонтажу.
Довжина хвилі генерації лазера Х=266 нм є результатом перетворення в четверту гармоніку випромінювання кристала АІГ:Ш (Х=1,06 мкм), за допомогою двокаскадного перетворювача на нелінійних елементах.
Рис. 9. Установка фотонабору ЭМ5009 для лазерного експонування проекційних фото - оригіналів
Кварцевий об’єктив-монохроматор «Бінар» забезпечує в межах поля діаметром 7,1 мм межу роздільної здатності на рівні 0,25-0,35 мкм. Оптично-механічний пристрій для експлуатації вмонтовується в мікроклі-
матичну камеру КМК-6 (клас чистоти 1). Технічні характеристики лазерного мультиплікатора наступні:
- розмір мінімального елемента - 0,25 мкм;
- відтворюваність елемента розміром 1 мкм - ± 0,05 мкм;
- точність суміщення - ±0,15 мкм;
- розмір робочого поля - 5x5...6x4,8 мм;
- розмір робочого поля змонтованого модуля з одного ПФО - 13x15 мм
- масштаб зображення - 1:10.
Якщо замінити лазер АІГ:Щ на ексімерний К^ або ArF (Х=196 або 252 нм), то розмір мінімального топологічного елемента можна довести до 0,1 мкм при точності 0,075 мкм.
Висновки
1. Лазерні твердофазні процеси є основними складовими субмікронної технології ВІС.
2. Представлені дослідження з використанням лазерних процесів можуть бути використані при формуванні шаруватих резонансно-тунельних структур.
Література
1. Валиев К.А. Микроэлектронные достижения и пути развития. - М: Наука - 1986 - 205с.
2. Новосядлий С.П. Фізико-технологічні основи субмікронної технології ВІС - Івано-Франківськ: Сімик -2003 - 351с.
3. Волков В.А. Современные проблемы сборки и герметизации микроэлектронных устройств//Электронная промышленность - 1990 - №2, с 11-14.
4. Никифорова-Денисова С.Н., Пименов С.А., Хитро Е.П. Снижение дефектности в кремниевых пластинах с помощью лазерного гетерирования//Электронная техника, с.Микроэлектроника - 1989 - вып 4(133) - с 24-27.
5. Курило І.В., Новосядлий С.П. Фізико-хімічні особливості субмікронної оптичної літографії ВІС//Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Хімія, технологія речовин та їх застосування. - 2000 - №390 - с 51-54.
6. Новосядлий С.П. Активація домішок в субмікронній технології формування структур ВІС//Металофізика і новітні технології - 2002 - Т24, №6 - с 777-794.
7. Новосядлий С.П. Шляхи підвищення роздільної здатності проекційної літографії// Металофізика і новітні технології - 2002 - Т24, №8 - с 1073-1082.
8. Новосядлий С.П., Возняк Ю.В., Сорохтей Т.Р. Фізико-технологічні особливості формування комплементарних арсенід-галієвих субмікронних структур ВІС//Збірник наукових праць 2-ої міжнародної конференції “Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития” - Харків - 2009 - с 111-113.
9. Новосядлий С.П., Вівчарук В.М. Багатозарядна радіаційна імплантація при формуванні 80І-структур//Фі-зика і хімія твердого тіла/ - 2008. - Т9, №3 с 659-667.
