CC BY
13
2008
Доклады БГУИР
январь- март
№ 1 (31)
УДК 621.315
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ОПЛАВЛЕНИЯ ЛЕГКОПЛАВКИХ СТЕКОЛ НА ИХ ЗАРЯДОВЫЕ СВОЙСТВА И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ В ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ СЛОЯХ
Д.В. ВЕЧЕР, В А. ПИЛИПЕНКО, В А. ГОРУШКО, В С. СЯКЕРСКИЙ, Т В. ПЕТЛИЦКАЯ
НТЦ "Белмикросистемы" УП "Завод полупроводниковых приборов" НПО "Интеграл" Корженевского, 12, Минск, 220108, Беларусь
Поступила в редакцию 4 декабря 2007
Представлены результаты по влиянию процесса оплавления легкоплавких стекол методом быстрой термической обработки (БТО) на их зарядовые свойства и перераспределение примеси в ранее сформированных ионно-легированных слоях. Приведены данные по распределению объемной плотности заряда по толщине пленок фосфоросиликатного (ФСС) и боро-фосфоросиликатного (БФСС) стекол, а также зависимости поверхностного сопротивления и глубины залегания /»-«-перехода от режима оплавления.
Рассмотрены проблемы построения измерительной аппаратуры для проверки тепловизион-ных приборов. Описаны конструкция, характеристики, а также используемые тест-объекты и методы проверки тепловизионных приборов с помощью разработанного стенда.
Ключевые слова: быстрая термообработка, планаризация рельефа, фосфоро- и борофосфо-росиликатное стекло, интегральная схема.
Введение
В настоящее время при производстве интегральных микросхем (ИМС) повышенное внимание уделяется многослойным металлизированным структурам как одному из путей разработки приборов с более высокими уровнями интеграции. В связи с этим ФСС и БФСС находят широкое применение в микроэлектронной технологии для формирования межуровневых диэлектрических слоев при изготовлении интегральных микросхем. Для качественного нанесения металлизации проводится планаризация поверхности ФСС или БФСС путем их термообработки в различных режимах. Так как данный процесс при длительной и быстрой термообработках осуществляется при высоких температурах, то необходимо изучение их влияния на зарядовые свойства легкоплавких стекол и распределение примеси в ранее сформированных ионно-легированных слоях, которые определяют качество формируемых ИМС.
Экспериментальная часть
Для проведения исследований влияния длительной и быстрой термических обработок на зарядовые свойства пленок ФСС и БФСС изготавливались образцы на подложках КЭФ-4,5 диаметром 100 мм. После предварительной химической очистки поверхности кремния проводилось ее термическое окисление до толщины диоксида кремния 300 А, а затем из паровой фазы при низком давлении осаждались пленки ФСС и БФСС толщиной 0,8-0,9 мкм. Формирование ФСС осуществлялось при температуре 480±10оС со скоростью осаждения 600 А/мин и со-
держанием фосфора 10-12 мас.%. Пленки БФСС — при температуре 360±10оС со скоростью осаждения 500 А/мин и содержанием фосфрора 5,9±0,2 мас.% и бора 2,9±0,1 мас.%.
Термообработка пленок ФСС и БФСС проводилась на установке быстрой термической обработки в режиме теплового баланса путем их облучения некогерентным светом с нерабочей стороны в диапазоне температур 800-1100оС при скоростях ее набора 75, 100, 125оС/с. Длительная термическая обработка осуществлялась в диффузионной печи при температуре 1000оС в течение 20 мин для ФСС и при 850оС в течение 45 мин для БФСС.
Далее на пластины напылялся алюминий толщиной 0,55 мкм и фотолитографией формировались квадраты размером 2x2 мм.
Измерение плотности эффективного заряда в пленках ФСС и БФСС осуществлялось на конденсаторах размером 2x2 мм с использованием системы 4061.
Величина поверхностного сопротивления пленок измерялась четырехзондовым методом.
Для исследования влияния процесса оплавления пленок ФСС и БФСС на активацию и перераспределение примесей в ионно-легированных слоях на подложках КЭФ-4,5 и КДБ-4,5 формировался подзатворный окисел толщиной 300 А, затем образцы легировались в режимах формирования сток-истоковых областей: КЭФ-4,5 бором с дозой 300 мкКл/см2 и энергией 30 кэВ, КДБ-4,5 фосфором с дозой 1000 мкКл/см2 и энергией 40 кэВ. Часть пластин подвергалась БТО в диапазоне температур 850-1050оС при скорости нагрева 100оС/с, другая часть — длительной термической обработке в указанных выше режимах.
Результаты и их обсуждение
Среди параметров диэлектрических пленок особое место занимает параметр, характеризующий наличие в них объемных зарядов, их перераспределение и распад. Это обусловлено тем, что объемные заряды пленок ФСС и БФСС, воздействуя на активную структуру приводят к неконтролируемым изменениям порогового напряжения МОП-транзисторов, пробивного напряжения и тока утечки р-«-перехода. Известно, что основной причиной возникновения положительных зарядов в оксиде является отсутствие ионов кислорода, являющихся мостиковыми между тетраэдрами [8Ю4]-4. Введение в 8102 трехвалетного иона В приводит к замещению им в решетке четырехвалентного иона 81, а следовательно, возникновению положительного заряда. В случае введения пятивалентного Р образуется его ненасыщенная связь, заполняемая ионом О, вызывая тем самым формирование отрицательного заряда. Степень уравновешенности этих процессов определяет различие зарядовых свойств ФСС и БФСС.
Исследование профилей распределения объемных зарядов проводилось методом, изложенным в работе [1, 2]. Их анализ, как показано на рис. 1, свидетельствует о том, что пленки ФСС и БФСС после нанесения обладают положительным объемным зарядом плотностью (2-5)-1017 см-3. Исследование профилей их распределения после БТО в различных режимах показывает, что такая обработка ФСС при 7>1000°С и БФСС при Т>900°С приводит к отжигу зарядов в пленках. При этом для обоих типов пленок более эффективно данный процесс происходит при скорости набора температуры 100оС/с и ниже, а объемный заряд уменьшается до уровня 1016 см-3, что является пределом чувствительности метода контроля. Полученные результаты подтверждают исследования напряжения плоских зон МДМ-структур, которые характеризуют уровень равновесного поверхностного потенциала в кремнии, вызванного нескомпен-сированным зарядом на границе раздела. На рис. 2 приведены зависимости напряжения плоских зон от толщины пленок ФСС и БФСС при последовательном их травлении в 3 %-ном растворе плавиковой кислоты. Анализ показывает, что после БТО как величина, так и наклон зависимостей напряжения плоских зон для обоих видов пленок уменьшаются по абсолютной величине, что свидетельствует об отжиге объемных зарядов в пленках ФСС и БФСС.
Рис. 1. Распределение объемной плотности заряда Рис. 2. Зависимость напряжения плоских зон от толщины по толщине пленок ФСС (1, 1') и БФСС (2, 2') по- пленок ФСС (1, 1') и БФСС (2, 2') после их нанесения сле их нанесения (1, 2) и оплавления (1', 2') (1, 2) и оплавления (1', 2')
На основании проведенных исследований зависимостей плотности эффективного заряда в пленках ФСС и БФСС, представленных на рис. 3, можно отметить следующие закономерности.
а б
Рис. 3. Зависимость плотности эффективного заряда пленок ФСС (а) и БФСС (б) от температуры БТО при различных скоростях нагрева: 1 — 125оС/с; 2 — 100оС/с; 3 — 75о С/с;
4 — Nss после нанесения; 5 — Nss после обработки при Т=1000оС в течение 20 мин
Длительная термическая обработка пленок ФСС при температуре 1000оС в течение 20 мин в среде азота вызывает увеличение плотности эффективного заряда в 1,3 раза. Такая же тенденция наблюдается и при проведении быстрой термической обработки. При этом чем выше температура обработки и скорость ее набора, тем больше величина плотности эффективного заряда, однако она значительно ниже, чем при длительной термической обработке.
Аналогичные закономерности, как показано на рис. 3,б, имеют место и при термической обработке пленок БФСС. Однако в данном случае при всех режимах БТО плотность эффективного заряда увеличивается в 3 раза, что гораздо больше, чем в случае ФСС (1,1-1,3 раза) и термической обработки при 850оС в течение 45 мин в среде кислорода.
Проведенные исследования по влиянию процесса оплавления пленок ФСС и БФСС на активацию и перераспределение легирующих примесей в ранее сформированных активных областях СБИС позволили установить, что величина поверхностного сопротивления, как показано на рис. 4, уменьшается с повышением температуры обработки и снижением скорости нагрева как для слоев, легированных бором, так и для слоев, легированных фосфором. Это означает,
что при всех режимах оплавления БФСС методом БТО в ранее сформированных ионно-легированных слоях происходит интенсивная электрическая доактивация бора и фосфора и она гораздо больше, чем при длительной термообработке. Доактивации примесей при оплавлении ФСС методом БТО и в режиме длительной термообработки сопоставимы. С уменьшением скорости набора температуры происходит некоторое уменьшение поверхностного сопротивления, что связано с увеличением времени обработки, а следовательно и активации примесей.
Я, Ом/1
Я, Ом/П
160 -60 |-
40
20
С-2
60
40
20
850
950
Н-1—Т,° С
1050
6
850
950
1050
т, °с
б
Рис. 4. Зависимость поверхностного сопротивления слоев легированных В+ (300 мкКл/см2, 30 кэВ) (а) и Р+(1000 мкКл/см2, 40кэВ) (б) от температуры БТО при различных скоростях нагрева: 1 — 125оС/с; 2 — 100оС/с; 3 — 75оС/с; 4 — значение поверхностного сопротивления слоя легированного бором после обработки при 850оС в течение 45 мин; 5 — 1000оС в течение 20 мин; 6 — значение поверхностного сопротивления слоя, легированного фосфором после термообработки при 850оС в течение 45 мин; 7 — 1000 оС в течение 20 мин
Исследование глубин залегания /»-«-переходов показало, что они увеличиваются с ростом температуры и уменьшением скорости нагрева. Как показано на рис. 5 исходная глубина залегания /-«-перехода до проведения процесса оплавления составляла для фосфора 0,23 мкм и для бора — 0,25 мкм. Рост температуры БТО от 850 до 1050оС приводит к увеличению глубины залегания/-«-перехода от 0,26 до 0,35 мкм для фосфора и от 0,27 до 0,38 мкм для бора. Аналогичное повышение температуры при длительной термической обработке вызывает изменение данных величин для фосфора от 0,44 до 0,61 мкм и для бора от 0,53 до 0,69 мкм. Интенсификация диффузионных процессов при БТО значительно меньше, чем при длительной термической обработке, и его величина зависит от плотности энергии фотонной обработки, дозы легирования и определяется удвоением коэффициента диффузии, за счет генерации электронно-дырочных пар под воздействием фотонного потока, что в конечном счете приводит к увеличению глубины залегания /-«-перехода.
а
Выводы
1. Экспериментально установлено, что быстрая термообработка фосфоросиликатного стекла при температуре >1000оС и борофосфоросиликатного при температуре >900оС при скорости их набора не более 100оС/с приводит к отжигу в них объемных зарядов и увеличению плотности эффективного заряда.
2. Применение быстрой термообработки для оплавления фосфоро- и борофосфоросили-катного стекол позволяет увеличить концентрацию электрически активной примеси за счет ее доактивации, в 1,3-1,8 раза уменьшить ее перераспределение в ранее сформированных ионно-легированных слоях. Диффузия активируется температурой обработки, скоростью ее набора и электрическим полем, возникающим за счет генерации электронно-дырочных пар под воздействием фотонного потока.
850 950 1050 850 950 1050
а б
Рис. 5. Зависимость глубины залегания ^-и-перехода, сформированного имплантацией В+ (300 мк^Кл^м2, 30 кэВ) (а) и Р+ (1000 мкКл/cм2, 40 кэВ) (б), от температуры БТО при различных скоростях нагрева: 1 — 125 оС/с; 2 — 100оС/с; 3 — 75оС/с; 4 — глубина залегания ^-и-перехода, сформированного легированием бора, после обработки при 1000оС в течение 20 мин; 5 — 850оС в течение 45 мин; 6 — до термообработки; 7 — глубина залегания ^-и-перехода, сформированного легированием фосфора, после обработки при 1000оС в течение 20 мин; 8 — 850оС в течение 45 мин; 9 — до термообработки
INFLUENCE OF MELTING PROCESS OF THE EASILY MOLTEN GLASSES ON THEIR CHARGE PROPERTIES AND IMPURITY REDISTRIBUTION IN THE ION-
DOPED LAYERS
D.V. VECHER, VA. PILIPENKO, VA. GORUSHKO, VS. SYAKERSKY, TV. PETLITSKAYA
Abstract
There were represented results on influence of the melting process of the easily-molten glasses by means of the fast thermal treatment method on their charge properties and the impurity redistribution in the earlier formed ion-doped layers. Referred to are the data on distribution of the bulk charge density as per the film thickness of the Phosphorus-silicate (PSG) and Boron Phosphorus-silicate (BPSG) glasses, as well as dependence of the surface resistance and depth location of the p-n-junction on the melting mode.
Литература
1. Чигирь Г.Г., Пилипенко В.А., Стержанов Н.И. // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Минск, 1984. Ч. 2. С 119.
2. Пономарь В.Н., Буйко Л.Д., Чигирь Г.Г., Простов И.В. // Технические ВУЗы республики. Минск, 1997. С 120.
