CC BY
40
УДК 681.5+548.55
Д.І. ЛЕВІНЗОН, С.Е. ПРИТЧИН, А.Ю. НІКОНОВ
УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ПРИЛАДОВИХ n+(p+) КРЕМНІЄВИХ СТРУКТУР МЕТОДОМ ІОННОЇ ІМПЛАНТАЦІЇ
В наш час постійно зростає потреба в електронних приладах на основі кремнієвих приладових структур підвищеної якості. Одним з шляхів підвищення якості структур є метод іонної імплантації. Розробляється технологічна схема виготовлення приладових структур з застосуванням двохступеневого відпалу та автоматизована система управління мініпіччю для відпалу напівпровідникових структур. Технологія дозволяє отримати максимальні
19 - 3
концентрації домішок на рівні 6 - 9 х 10 см , що в 2,5 рази перевищує межу рівноважної розчинності.
1. Вступ
Дослідження високолегованих шарів приладових структур на основі кремнію останнім часом стимулюється розвитком мікро - і нанотехнологій, загальною тенденцією до мікромініатюризації приладів і пристроїв електроніки, зменшенням товщини робочих структур, синтезом багатошарових і наноструктурованих композицій [1]. Використання високоенергетичного випромінювання і термічних обробок в технології отримання кремнієвих приладових структур підвищеної якості вимагає все більшої уваги у зв’язку з потребами мікроелек-троніки. Проблема легування напівпровідникових матеріалів відповідними добавками є ефективним засобом контролю зміни їх властивостей.
Іонна імплантація - це кероване введення домішкових атомів у поверхневий шар підкладки шляхом бомбардування її іонами з енергією від кількох кілоелектрон - вольт до декількох мегаелектрон - вольт (зазвичай від 20 до 100 кеВ). Процес іонного легування здійснюють для модифікації властивостей (у першу чергу електрофізичних ) поверхневого шару. Основною перевагою методу іонної імплантації є те, що він дозволяє досить легко управляти формуванням електричних властивостей одержуваних напівпровідникових структур, не призводить до великих змін механічних властивостей підкладки і має хорошу повторюваність.
До недоліків можна віднести те, що в процесі іонної імплантації легуючих домішок в структурі формуються точкові дефекти кристалічної решітки , які в процесі відпалу перетворюються на дефекти упаковки. Це призводить до погіршення параметрів електронних виробів [2].
Недостатнє дослідження технологічних процесів обумовлює вибір розробниками інших методів отримання приладових структур типу n + ( p +) - Si і n + + ( p + +) - Si з використанням високоенергетичної імплантації та відновлюваного відпалу , що є актуальною проблемою і має практичне значення.
Метою даної роботи є удосконалення виготовлення приладових кремнієвих структур методом іонної імплантації з застосуванням двоступеневого відпалу для поліпшення якості структур.
Для досягнення мети необхідно вирішити такі задачі: 1. Розробити технологічну схему виготовлення приладових структур типу n+(p+)-Si. 2. Розробити автоматизовану систему управління відпалом напівпровідникових структур.
2. Постановка задачі
У технології виготовлення напівпровідникових приладів та інтегральних схем широко використовуються процеси, пов’язані з високоенергетичним опроміненням [3]. Перетворення, що відбуваються при цьому, впливають на внутрішню структуру напівпровідника, змінюючи тип провідності і концентрацію носіїв заряду в локальних його областях, а також на ефективність термообробки структурних порушень при імплантації [4].
18
Для виготовлення високоякісних кремнієвих приладових структур в практику впроваджено методи термічної обробки. Особлива увага [5] приділяється термообробці електронним пучком, перевагами якого є:
- легкість отримання та досягнення високих рівнів потужності електронних пучків;
- можливість фокусування пучка до малих розмірів;
- зручне управління пучками, простота включення і виключення, а також можливість сканування з високою точністю;
- високий ступінь активації імплантованих атомів;
- висока ефективність передачі енергії пучка кремнієвій структурі при малих втратах.
Рис. 1. Технологічна схема виготовлення приладових структур
Для реалізації запропонованої схеми необхідно розробити автоматизовану систему управління мініпіччю для відпалу напівпровідникових структур. Система повинна дозволяти підтримувати температуру з похибкою не більш ніж 10 Су діапазоні температур від 400 до 13000 С , дозволяти формувати профіль зміни температури у часі та зміну температурних градієнтів. Крім того, система повинна забезпечувати можливість керування декількома мініпічками для зменшення накладних витрат.
Структурна схема розробленої автоматизованої системи наведена на рис. 2.
3. Практичні результати
Враховуючи те, що запропонована удосконалена технологія є двохстепеневою, необхідно визначити послідовність відпалу структур. Проведені експерименти показали, що при відпалюванні (Т = 600 оС, час t =5 хв) спочатку у мініпечі , а потім електронним пучком не було досягнуто ні покращення кристалічної структури, ні електричних властивостей імплантованих шарів. У зворотній послідовності - процес створення кристалічних островків було подавлено твердофазною епітаксійною рекристалізацією, яка при низькій температурі має меншу енергію активації.
Для визначення параметрів електронним променем було розраховано декілька циклів нагріву та встановлено, що велика густина потужності приводить до високих швидкостей росту температури і, при продовженні нагріву, до високих рівноважних температур, при яких потужність випромінювання рівна вхідній потужності. Збільшення терміну дії електронного пучка дозволяє керувати з високою точністю дифузією легуючої домішки, що важливо для контролю ширини бази при виготовленні біполярних транзисторів. На рис. 3 наведені значення ширини переходу залежно від терміну дії для пучків з густиною потужності _ 2
40Вт х см , які використовувались для відпалу структур після імплантації As з енергією 40
кеВ, доза 1 х 1016 см 2.
Встановлено, що для визначення товщини епітаксійного переходу у біполярних структурах з точністю до ±5% при густині потужності електронного пучка 20 х Вт х см необхід-
19
ний контроль часу експозиції з точністю ±9 с. Теплова обробка протягом 1 хвилини в області густини потужностей 15 _ 25 х Вт х см , контрольованих з точністю ±2%, дозволяє керувати товщиною переходу з точністю ±5% . Вказані умови легко досягаються нагрівом
Фокусування електронного пучка дає можливість отримати розігрів до температури плавлення кремнію в межах п’ятна діаметром 2 мкм. У результаті локальної рекристалізації кремнію з імплантованими іонами можна виготовити структури з дозволом до 1 мкм. Невідпалений матеріал видаляється методом селективного травлення.
Час обробки, сек.
Рис. 3. Залежність ширини переходу транзистора від часу дії електроного променя при відпалі Si
_ 2 _ 2 _ 2 підкладок: 1- потужність випромінювання 40Вт х см ; 2 - 35Вт х см ; 3 - 30Вт х см ;
4 - 20Вт х см
_2
20
4. Висновки
1. Удосконалено технології виготовлення приладових n+(p+) кремнієвих структур методом іонної імплантації з застосуванням двоступеневого відпалу. Це дозволило отримати
19 — 3
максимальні концентрації домішок на рівні 6 - 9 х 10 см , що в 2,5 рази перевищує межу рівноважної розчинності.
2. Встановлено, що полікристалічна область не утворюються при двоступеневому відпалі, ступінь якості кристалічної решітки підвищується дуже мало (двійники зникають, але густина дислокацій значна). В той же час електричні властивості змінюються значною мірою: ступінь активації зростає до 80%, в той час як при одноступеневому відпалі будь-якого типу вона не перевищує 60% незалежно від режиму. Це пояснюється тим, що відпал електронним пучком знижує густину дислокацій та вдвічі збільшує концентрацію носіїв заряду.
3. Експериментально встановлено, що швидкий ізотермічний відпал електронним пучком дозволяє значно зменшити час термообробки у порівнянні зі стандартним відпалом у печі. При цьому окрім рекристалізації шару вдається мінімізувати міграцію домішок із підкладки в кремнієвий шар, а також добитися обмеження залишкових дефектів.
Список літератури: 1. Odinokov V. V. New processing equipment for innovative technologies micro, nano - and radio electronics. / V.V. Odinokov, G.Ya. Pavlov // Technology and de-signing in the electronic equipment. 2011. V. 3 . P. 41-43. 2. Sawanoa K. On the origin of the uniaxial strain induced in Si/Ge heterostructures with selective ion implantation technique/ Sawanoa K., Hoshia Y., Nagakuraa S., Arimotob K., Nakagawab, Usamic N., Shirakia Y.// J. of Crystal Growth. 2013. Vol. 378. Р. 251-253. 3.MazzoldiP. Some aspects of ion implantation technique in nanostructured materials/ Mazzoldi P., Mattei G. // J. phys. stat. sol. (a). 2007. Vol. 204, no 3. P. 621-630. 4. Баталов Р.И. Формирование и свойства тонкопленочных полупроводниковых соединений на основе кремния с использованием ионной имплантации и импульсных воздействий / Баталов Р.И., Баязитов Р.М., Нурутдинов Р.М. // Материалы электронной техники. 2006. №33. С. 21 - 43. 5. ВикулинИ.М. Микронеоднородности поверхности ионнолегированого слоя кремния / Викулин И. М., Храмов Е. Ф., Прохоров Г. В., Г нап А. К. // Т ехнология и конструирование в электронной аппаратере. 2003. №1 . С. 55 - 59.
Поступила в редколлегию 22.11.2013
Левінзон Давід Іделевич, д-р техн. наук, професор кафедри інформаційно-управляючих систем КрНУ ім. М. Остроградського. Наукові інтереси: автоматизація процесів управління. Адреса: Україна, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. Email: levinzon@ukr. net
Притчин Сергій Емильович, канд. техн. наук, доцент кафедри інформаційно-управляючих систем КрНУ ім. М. Остроградського. Наукові інтереси: автоматизація процесів управління. Адреса: Україна, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. Email: pritchinse@ukr.net
Ніконов Андрій Юрійович, викладач кафедри фізичної та біомедичної електроніки Запорізькій державній інженерній академії. Наукові інтереси: тонкі плівки напівпровідників. Адреса: Україна, 69006, Запоріжжя, пр. Леніна, 226 тел.: (061) 223-82-21. Email:_nza@zgia.zp.ua
21
