Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Микротруктурирование поверхностности системы диосид кремния – кремний (обзор литературы) 12
1.1. Методы нано- и микротруктурирования поверхности системы SiO2/Si 12
1.1.1. Литографические методы микро- и наноструктурирования поверхности. 13
1.1.2. Электрохимический метод микроструктурирования системы SiO2/Si 15
1.1.3. Микроструктурирование системы SiO2/Si при воздействии мощного ионного пучка 17
1.1.4. Лазерный метод микроструктурирования поверхности кремния и системы SiO2/Si. 19
1.2. Формирования периодических структур на поверхности системы SiO2/Si при воздействии ультракоротких лазерных импульсов 22
1.3. Электрофизические свойства наноструктурированного кремния 28
1.4. Изменение электрофизических свойств системы SiO2/Si при лазерном облучении 32
1.5. Применение лазерного излучения для контроля и диагностики скрытых
дефектов в изделях микроэлектроники 34
Выводы к главе 1 37
ГЛАВА 2. Методы исследований, использованные в работе 39
2.1. Объекты исследований 39
2.2. Схема и принцип работы лазерной установки для микроструктурирования экспериментальных образцов 40
2.3. Выбор источников излучения 42
2.4. Методы исследования экспериментальных образцов 44
2.4.1 Метод сканирующей зондовой микроскопии 44
2.4.2. Метод измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) 49
2.4.3. Метод измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ) 50
2.4.4. Метод бесконтактного измерения температуры нагрева образцов 57
Выводы к главе 2 60
ГЛАВА 3. Микроструктурирование системы sio2/si импульсным иттербиевым волоконным лазером 61
3.1. Математическая модель механических напряжений, инициированных лазерным импульсом.. 61
3.2. Выбор режимов микроструктурирования системы SiO2/Si при точечном облучении 66
3.3. Локальная пластическая деформация кремния в системе SiO2/Si при точечном облучении 70
3.4. Электрофизические характеристики системы SiO2/Si при возникновении локальной пластической деформации 76
3.5. Вольт-амперные характеристики системы SiO2/Si при возникновении локальной пластической деформации 81
3.6. Выбор режимов микроструктурирования системы SiO2/Si при сканировании лазерного пучка 84
3.7. Механизм микроплавления кремния в системе SiO2/Si при сканировании лучом волоконного лазера 86
Выводы к главе 3 95
ГЛАВА 4. Микро- и наноструктурирование системы sio2/si эксимерным лазером 97
4.1. Микроструктурирование системы SiO2/Si пучком ArF лазера 97
4.2. Вольт-амперные и воль-фарадные характеристики системы SiO2/Si, облученной ArF-лазером 104
Выводы к главе 4 107
ГЛАВА 5. Исследование влияния лазерного микроструктурирования на электрофизические параметры моп структур и элементы моп ис 108
5.1. Влияние лазерного микроструктурирования на электрофизические параметры МОП-структур 108
5.1.1. Технология изготовления тестовых МОП-конденсаторов 108
5.1.2. Исследование высокочастотных вольт-фарадных характеристик тестовых МОП конденсаторов при точечном облучении 110
5.1.3. Исследование высокочастотных вольт-фарадных характеристик тестовых МОП конденсаторов после сканирования пучком ИИВЛ 113
5.1.4. Влияние эффекта дальнодействия на ВФХ МОП-структур при точечном облучении 115
5.2. Влияние воздействия лазерного облучения на параметры элементов тестовой КМОП микросхемы типа К590КН6 117
5.2.1. Технологический процесс 590 серии 117
5.2.2. Особенности конструкции КМОП-пары транзистора 119
5.2.3. Влияние лазерного облучения на характеристики тестовых КМОП транзисторов, встроенных в кристаллы КМОП ИС 590 серии 121
Выводы к главе 5 129
Общие выводы 130
Заключение 133
Список литературы
- Лазерный метод микроструктурирования поверхности кремния и системы SiO2/Si.
- Схема и принцип работы лазерной установки для микроструктурирования экспериментальных образцов
- Выбор режимов микроструктурирования системы SiO2/Si при точечном облучении
- Вольт-амперные и воль-фарадные характеристики системы SiO2/Si, облученной ArF-лазером
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее десятилетие лазеры находят широкое применение и в качестве инструмента структурной модификации различных полупроводниковых материалов, в том числе и кремния, как основного материала микроэлектроники. При этом с помощью лазера получают кремниевые структуры с характерными размерами микро- и нанометрового диапазона. Полученные микро- и наноструктуры обладают новыми электрофизическими и оптическими свойствами, которые отличаются от свойств объемного кремния, что позволяет использовать их в качестве материала для элементов кремниевой фотоники.
Исследование взаимодействия лазерного излучения с кремнием и
структурами на его основе представляет особый научный и практический
интерес с точки зрения изыскания новых материалов для технологии
изготовлении МОП интегральных схем (МОП ИС). Так как основой
конструкции МОП ИС является система кремний-двуокись кремния (SiO2/Si),
то именно эта структура и является центром внимания. Для решения
практической задачи, связанной с использованием лазерного
микроструктурирования системы SiO2/Si на эксплуатационные характеристики
МОП ИС необходимо детальное теоретическое изучение и экспериментальное
исследование механизмов генерации, взаимодействия и накопления
структурных дефектов при лазерном облучении системы SiO2/Si. Сложность исследований связана с разницей структурных и оптических свойств Si и SiO2, а также с тем, что уже изначально, до облучения лазером, в системе SiO2/Si имеются упругие механические напряжения, влияющие на процесс микроструктурирования. В этом случае воздействие на кремниевые пластины (подложки полупроводниковых ИМС) мощных лазерных импульсов, необходимых для микроструктурирования системы, может сопровождаться рядом нежелательных последствий, связанных с генерацией дефектов, имеющих дислокационную природу, которые приводят к появлению микротрещин и разрушению кристаллической решётки или разрушению плёнки SiO2.
Дополнительным обстоятельством, определяющим интерес к исследованиям взаимодействия лазерного излучения с системой SiO2/Si, является возможность использования лазерного излучения для разработки методов модификации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов с МОП-структурой за счет фотостимулированных реакций. Так, например, в работе [см. Journal of Non-Crystalline Solids,V. 353, N. 5–7, P. 703– 707, 2007 г] А. Medvid и соавторами отмечается, что при лазерном облучении системы SiO2/Si происходит изменение цвета и диэлектрической проницаемости пленки окисла. В других работах [см. например, В. П. Вейко и др. Proc. SPIE 7996, 79960S-1(2010)] сообщалось о том, что при облучении системы SiO2/Si в окисле индуцируются новые заряды. Исследование этой возможности актуально в связи с перспективой разработки принципиально нового метода модификации системы SiO2/Si для их применения в
полупроводниковом приборостроении с целью улучшения характеристик приборов.
В настоящее время в периодической печати имеются лишь единичные научные публикации по микроструктурированию системы SiO2/Si путём лазерного облучения. В них, в основном, исследуются параметры МОП-структур с кластерами кремния в окисле кремния, однако, полного понимания процессов, происходящих в этих системе пока нет. Нет также данных по влиянию на систему SiO2/Si вариации таких параметров лазерного облучения, как частоты следования импульсов и частоты сканирования луча лазера. Отсутствуют данные по влиянию лазерного микроструктурирования на параметры элементов МОП ИС. Таким образом, детальное изучение влияния лазерного микроструктурирования на МОП-структуры и элементы МОП ИС является актуальным.
Целью диссертационной работы являлось исследование возможности лазерной модификации структурных и электрофизических характеристик системы SiO2/Si и МОП-структур применительно к полупроводниковому приборостроению.
Основные задачи работы заключались в следующем:
-
Проведение анализа методов и механизмов микроструктурирования кремния и системы SiO2/Si.
-
Определение энергетических диапазонов лазерного воздействия, обеспечивающих структурную целостность плёнки SiO2 при микроструктурировании системы.
-
Исследование морфологии кремниевых структур, образующейся на поверхности системы SiO2/Si в результате лазерного облучения.
-
Исследование электрофизических эффектов, возникающих при лазерном микроструктурировании системы SiO2/Si и МОП структур.
-
Исследование возможности создания технологии лазерного микроструктурирования на тестовых МОП-структурах и элементах серийных микросхем.
Методы исследований
Для решения поставленных задач применялись следующие аналитические методы: анализ литературных источников по тематике диссертации; оптическая микроскопия для контроля микроструктурных структур; сканирующая зондовая микроскопия для контроля наноразмерных поверхностных структур; статическая обработка экспериментальных результатов; методы вольт-амперных характеристик (ВАХ) и высокочастотных вольт-фарадных (ВФХ) для исследовании электрофизических параметров экспериментальных структур. По изменению вида ВФХ рассчитывались: изменение встроенного заряда в окисле и изменение плотности поверхностных состояний. Для оценки температуры перегрева облученной поверхности системы SiO2/Si использовался тепловизор ближнего ИК диапазона FLIR TITANIUM.
Кроме того, для изготовления экспериментальных образцов использовались следующие технологические методы: термическое окисление
кремниевых подложек; лазерные технология обработки кремниевых подложек и системы SiO2/Si; технологические методы и режимы, использующиеся при формировании КМОП ИС на предприятии «Светлана-полупроводники». Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Определены энергетические диапазоны лазерного воздействия на систему SiO2/Si, обеспечивающие микроструктурирование поверхности кремния при сохранении целостности плёнки диоксида кремния.
-
Впервые экспериментально обнаружен эффект локальной пластической деформации поверхности кремния, проявляющийся в виде сетки линий скольжения при облучении импульсным иттербиевым волоконным лазером системы SiO2/Si.
-
Впервые экспериментально обнаружен эффект анизотропного локального микроплавления монокристаллического кремния, и определены его механизмы при лазерном воздействии.
-
Экспериментально обнаружен эффект улучшения электрофизических характеристик МОП структур при сканировании пучком маломощного лазерного излучения.
-
Показана возможность управления электрическими характеристиками МОП транзисторов в КМОП ИС путем лазерной обработки.
Практическая ценность
Результаты могут быть использованы в технологии производства МОП и КМОП ИС, запоминающих устройств и других электронных устройств на основе системы кремний – диоксид кремния. На основе эффекта локальной пластической деформации поверхности кремния возможна разработка нового способа контроля ориентации поверхности кремниевых пластин по главным кристаллографическим плоскостям с помощью лазерного воздействия.
Эффект улучшения электрофизических характеристик МОП структур при сканировании пучком маломощного лазерного излучения может быть использован для корректировки порогового напряжения МОП транзисторов в КМОП ИС.
Реализация и внедрение результатов работы
В настоящее время результаты исследований используются при проведении научно-исследовательских работ студентов и магистрантов кафедры ПБКС, в лекциях по дисциплине «Микро- и нанотехнологии», а также в работах студентов над магистерскими диссертациями.
Частично работа выполнялась в рамках гранта РФФИ № 13-02-00033 «Исследование возможностей создания нанокомпозитных областей в системе SiO2/Si под действием ультракоротких импульсов лазерного излучения» в 2013 г.
Результаты, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие результаты: 1. Методы и режимы лазерного воздействия на систему SiO2/Si, обеспечивающие микроструктурирование поверхности кремния при сохранении целостности пленки SiO2.
-
Механизм локального анизотропного плавления монокристаллического кремния при сканирующем импульсном лазерном облучении системы SiO2/Si.
-
Разработка режимов микроструктурирования системы SiO2/Si импульсным иттербиевым волоконным лазером, обеспечивающие улучшение электрофизических характеристик МОП-структур.
-
Результаты исследований и разработка способов лазерной модификации электрических параметров тестовых МОП транзисторов в составе КМОП ИС серии 590. Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на следующих научных
конференциях и семинарах:
«International Conference “Fundamentals of Laser Assisted Micro – and Nanotechnologies” (FLAMN-13)», St. Petersburg, 2013; II Всероссийский конгресс молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; III Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей», Красноярск, 2013; IX Международной научно-практической конференции «Наука и образование – 2012/2013», Чехия, Прага; 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2012» Москва, 2012; I Всероссийский конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2012; XLI и XLII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (2012 г., 2013 г.); VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2011.
Диссертант был награжден дипломом за лучший доклад II Всероссийского конгресса молодых ученых. Санкт-Петербург, 2013; дипломом первой степени за лучший плакат стендового доклада международного симпозиума “Fundamentals of Laser Assisted Micro – and Nanotechnologies” (FLAMN-13)», St. Petersburg, 2013.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 21 печатных работах, 8 из них – в рецензируемых журналах из перечня ВАК. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 147 страницах машинописного текста и содержит 56 рисунков и 3 таблицы.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в работе, были получены лично автором или при его непосредственном участии.
Лазерный метод микроструктурирования поверхности кремния и системы SiO2/Si.
В настоящее время лазерные технологии обработки материалов широко используются в мире для производства и создания сложных топологических двух- и трехмерных микро- и наноструктур в различных материалах. Взаимодействие лазерного излучения с веществом, приводящее к образованию различных видов поверхностных структур, таких как рябь [9], волнистой рельеф [10,11] и микро- наноструктур [12,13] было широко представлено для полупроводников, металлов, и изоляторов [14]. Эти поверхностные структуры, как правило, образуются внутри области лазерного пятна и имеют шаг периодичности от сотен нанометров до нескольких микрометров.
Все большую значимость лазерная технология стала приобретать в микроэлектронике. Она нашла применение в таких операциях как напыление, отжиг, осаждение и травление пленок, легирование примесей, геттерирование, скрайбирование, эпитаксия [15]. Лазерный луч не просто несет с собой энергию, но и может обладать сложной пространственной, временной, спектральной структурой. В нем может быть закодирован большой объем информации так, чтобы воздействие на различные процессы в твердом теле осуществовалось эффективным и избирательным образом. В этом смысле действие лазерного луча обладает информационно-энергетическим характером и дает возможность управления процессами. разработка методов получения новых структурно модифицированных материалов и исследование свойств таких структур представляет большой научный и практический интерес. В данном разделе обзора описываются основные методы микро- и наноструктурирования поверхности кремния и системы SiO2/Si.
В течение десятилетий, микро- и нанолитография внесла свой вклад в производство интегральных схем (ИС) и микрочипов. Это достижение в полупроводнике и IC промышленности привело к новой парадигме информационной революции через компьютеры и интернет. Микро- и нанолитография является технологией, которая используется для создания рисунок с размером от нескольких нанометров до десятки миллиметров. Путем сочетания литографии с другими процессами изготовления, такими как осаждение и травление, рельефы с высоким разрешением могут быть получены, в то время как этот цикл может быть повторен несколько раз, чтобы образовывать комплексные микро- наноразмерные структуры. Методы литографии делятся на два типа по использованию масок или шаблонов: литография с использованием масок и безмасочная. При литографии с использованием масок используется маска или пресс-форма для передачи рисунки из шаблона на большой площади одновременно, таким образом, что позволяет увеличить производительность до нескольких десятков пластин на час. Виды литографии с использованием масок включают фотолитографии[16], мягкие литографии [17] и наноимпринт-литографии [18,19]. С другой стороны, безмасочные литографии, например, электроннолучевая литография [20,21,22,23], фокусированная ионная лучевая литография [24] и сканирующая зондовая литография [25], изготавливают произвольные фигуры путем последовательного написания без использования масок. Эти методы создают рисунки в последовательном медленным последовательным характером, что делает его неподходящим для массового производства.
Кроме в полупроводниковой промышленности, микро-и нанолитография также играет все более важную роль в производстве коммерческих микроэлектромеханических систем (MEMS) [26], а также изготовления прототипа в развивающихся наноразмерных науках и конструированиях [27,28]. В таблице 1 приведены технические характеристики и применения основных методов литографии.
Зондовая литография является новым методом микроструктурирования. Основным ее преимуществом относительно других методов литографии стала возможность манипулировать отдельными атомами. Достигаемое литографическое разрешение может находиться на уровне межатомного расстояния и составлять величину около 0.5 нм, при среднем уровне практического" литографического разрешения - около 15 нм [29]. С помощью метода электрической зондовой литографии (ЭЗЛ) могут быть изменены не только геометрические характеристики поверхности, но и ее электрофизические свойства.
Наиболее доступным и дешевым способом получения наноструктурированных материалов является создание нанокристаллов посредством вытравливания в монокристаллах кремния мельчайших пустот, в результате чего оставшиеся области кремния могут иметь размеры в несколько нанометров. Мо но кристаллический кремнии, пронизанный сетью пор, получил название пористого кремния (ПК). Такой материал, как будет показано ниже, не только обладает ев его излучающими, но н другими уникальными свойствами.
Схема и принцип работы лазерной установки для микроструктурирования экспериментальных образцов
Лазерное облучение (ЛО) представляет собой многообещающий способ обработки поверхности твердого тела, что обусловлено особенностями диссипации энергии, протекающей преимущественно после окончания действия лазерного импульса. В частности, в этом режиме реализуется случай чистой абляции, при которой минимальны как термическое повреждение поверхности, так и количество брызг и осколков из расплава. Прецизионное лазерное сверление [36] и получение щелевых микроструктур [37] являются яркими примерами использования ЛО мощными ультракороткими импульсами. Также широко используется метод формирования поверхностных периодических микро- и наноструктур [38,39] при интерференции падающей и поверхностной электромагнитных волн. При этом особый интерес представляет возможность образования структур с размерами, существенно меньше длины световой волны [40,41,42]. По всей видимости, возникновение подобных структур вызвано явлением самоорганизации в результате неравновесных процессов на облучаемой поверхности. Исследование таких процессов важно как с фундаментальной точки зрения взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с веществом, так и в плане возможных применений.
В рядах работ [43,44,45,46] описано формирование кремниевых нановключений в тонкой пленке аморфного кремния при воздействии импульсного лазерного излучения.
Например, в работах [45,46] использован эксимерный KrF-лазер для облучения кремния. Тонкие пленки аморфного кремния с разными толщинами были получены методом плазмо-химического осаждения при температуре 250С на стеклянной подложке с использованием смеси SiH4 + Н2. После осаждения пленки система нагревалась при температуре 550С в течении 5 минут в среде инертного газа №. для того чтобы удалить лишних атомов Нт. Система облучалась при комнатной температуре импульсным эксимерным лазером KrF с длиной волны 248 нм и плотностю энергии 180 мДж/см2. В процессе лазерного облучения аморфный кремний в области облучения полностью расплавлялся за счет локального нагревания. После охлаждения на облученных областях образовались нанокластеры мо но кристаллического кремния шарикового вида с размером 3-4 нм.
В работах [47,48] для кристаллизации аморфных кластеров кремния в пленках SiNx использовались наносекундные импульсные обработки с применением эксимерных лазеров. В результате исследования спектров полученных образцов с помощью комбинированного рассеяния было подтверждено что: с изменением плотности энергии лазерных обработок меняется положение максимума пика, которое, как известно, пределяется средним размером нанокристаллов. Согласно расчетам, размер нано кристалл о в разных образцов составлял от 1,8 нм до 3.0 нм. Общая закономерность следующая: увеличение плотности энергии в импульсе приводит к увеличению среднего размера формирующихся зародышей кристаллической фазы (нанокристаллов). Этот результат был подтвержден данными высокоразрешающей электронной микроскопии. Данные электронной микроскопии свидетельствуют также о том, что зародышеобразование при импульсных обработках ультрафиолетовым излучением происходит гомогенно. Так как нанокристаллы окружены аморфной матрицей, значит, они возникали не при гетерогенном зародышеобразованни от поверхности йти гетеро границы, а формировались в толще самой пленки.
В работе [49] исследовано формирование нанокластеров Si в пленке SiNx с избыточным содержанием кремния под воздействием фемтосекундных лазерных импульсов. Пленка была выращена при температуре 100С с применением плазмо-химического осаждения на подложке из лавсана. Дія импульсной кристаллизации использовался титан-сапфировый лазер с длиной волны излучения 800 нм н длительностью импульса 50 фс. По данным комбинационного рассеяния света получено, что импульсные отжиги стимул провал и собирание избыточного кремния в нанокластеры и их кристаллизацию. Развитый подход может быть использован для формирования полупроводниковых на но кристалл о в в диэлектрических пленках на подложках из пластика. Лазерное излучение используется также для образования кремниевых нановключений в самом слое диэлектрика. Например, для системы SiO2/Si часто использовали YAG:Nd лазер [50,51,52,53].
В работе [52] использовали вторую гармонику YAG:Nd лазера с длиной волны 532 нм для облучения. Пластина кремния с толщиной окисла 0,75 мкм была облучена лазерными импульсами со средней плотностью мощности от 3,5 МВт/см: до 20 МВт/см: при атмосферных условиях. Окисленная пластина была красный цвет до облучения. Облучение лазером с интенсивностью более 3,5 МВт/см: приводило к изменению из красного цвета на желтый. Исследование вольт-фарадных характеристик полученных образцов после облучения показало уменшение емкости структур.
Выбор режимов микроструктурирования системы SiO2/Si при точечном облучении
Для решения поставленной в диссертации задачи потребовалось проведение всесторонних исследований влияния лазерного излучения на систему SiO2/Si. Это, в первую очередь, связано с тем, что в результате микроструктурирования в облучённой области системы не должно происходить механического разрушения монокристаллической структуры кремниевой подложки или плавления участков поверхности кремния. Другое, не менее важное требование, заключается в том, что в процессе микроструктурирования системы должна сохраняться целостность плёнки
Для проведения процесса микроструктурирования окисленных кремниевых пластин необходимо осуществлять у правление потоком энергии В случае лазерного излучения одним из методов управления плотностью потока энергии в зоне обработки на поверхности кремниевой пластины является его фокусировка или дефокусировка в зоне облучения. Это позволяет легко перейти от режима обработки обеспечивающего испарение кремния, при плотностях потока 106 Вт/см-, к режиму плавления при плотностях 106 Вт/см:. Если для режима испарения не существует жестких рамок по плотности мощности потока и такой режим очень просто получить, задав плотность мощности в зоне обработки значительно выше пороговой, то для реализации режима плавления без испарения существует узкий диапазон плотностей мощности. Этот диапазон еще более сужается с учетом требования по сохранению целостности пленки SiO2 [96]. Анализ научных публикаций, проведенных в первой главе, не дает точных ответов о граничных режимах лазерного пучка при воздействии лазеров на систему SiO2/Si. Это, в первую очередь, связано с тем, что в разных исследованиях использовались разные лазеры. Имеется только несколько работ, в которых использовались лазеры с такими же длинами волн и тем же требованием целостности пленки SiO2, что и в нашем исследовании [97,98,99]. Однако в этих работах практически отсутствовали данные по плотности мощности, которая могла бы быть использована для микроструктурирования системы SiO2/Si с учетом вышеперечисленных требований.
В одной из первых работ, выполненных по микроструктурированию монокристаллического кремния с термической выращенной плёнкой SiO2 на поверхности пластины использовался неодимовый лазер (длина волны 532 нм, длительность импульса 1 нс) с плотностью энергии 0,56 Дж/см2 [98]. Энергия лазерного пучка обеспечивала активное плавление подложки при сохранении целостности пленки SiO2.
В нашем случае в результате облучения системы SiO2/Si с такой плотностью мощности произошло разрушение пленки SiO2, плавление и испарение кремния. Попытки варьирования в широких пределах плотности мощности в импульсе и числа импульсов при использовании сфокусированного пучка не давали положительных результатов.
Поэтому в процессе разработки режимов облучения системы SiO2/Si был выбран метод облучения в сходящихся лучах (дефокусировка). При этом обеспечивались и более равномерное распределение и более плавная регулировка плотности энергии в зоне облучения. Схема облучения расходящимся пучком лазера приведена на рис.3.4. а) б)
Рис. 3.4. Схема облучения системы SiO2/Si: а) - в сфокусированных лучах; б) - в сходящихся лучах лазера; (1 - лазер; 2 - поворотное зеркало; 3 - объектив; 4 - образец; 5 -металлическая подложка; 6 - фокальная плоскость объектива; d - расстояние между фокальной плоскостью объектива и образцом).
В процессе многочисленных экспериментов мы нашли пороговую 2 плотность мощности q 0,13. 10 Вт/см , выше которой при облучении происходило разрушение пленки SiO2. Ниже этого порога плотности мощности после облучения на поверхности системы SiO2/Si никаких следов не наблюдалось. Поэтому для поиска оптимальной плотности энергии необходимо было изменить дозу облучения. Доза облучения рассчитывалась по формуле:
Для этой цели можно либо изменить число импульсов или частоту следования импульсов, либо изменить уровень расфокусировки (глубину фокуса объектива) или комбинации двух методов. На рис.3.5 представлены результаты исследования влияния плотности энергии в пучке лазера на микроструктурирование системы SiO2/Si. Как видно из рис.3.5 при облучении системы SiO2/Si сфокусированным пучком лазера, даже при малых дозах облучения (рис.3.5, а) наблюдается разрушение пленки SiO2/Si и испарение кремния. Дальнейшее увеличение дозы приводит к увеличению площади испарения кремния (рис.3.5, б,в).
Вольт-амперные и воль-фарадные характеристики системы SiO2/Si, облученной ArF-лазером
Из сопоставленных кривых, представляющих собой ВФХ можно сделать следующее заключение. В облученных областях системы SiO2/Si появляются более крупные образования, которые перезаряжались, вызвали появление пиков на ВФХ. Такие переходы емкости могут происходить лишь при условии определенной группировки нанокластеров, например в систему вязанных между собой кластеров кремния [111].
Видно также, что облучение системы SiO2/Si эксимерным лазером влияет на ВФХ и за пределом области облучения.
1. С помощью АСМ исследованы периодические и непериодические наноструктуры на поверхности системы SiO2/Si, полученные при воздействии ArF лазерного излучения (193 нм) в диапазоне числа импульсов (N = 1-10). В результате экспериментальных исследований были получены зависимости топологии микро- и наноструктур от плотности энергии и числа импульсов лазерного облучения. Показано, что меняя число импульсов и варьируя плотность энергии облучения эксимерного лазера можно в широких пределах управлять морфологией системы SiO2/Si.
2. Представлены результаты исследований ВФХ и ВАХ. Анализ ВАХ и ВФХ показал, что в исследованных режимах энергетическое воздействие импульсного лазерного излучения на систему SiO2/Si сопровождается, по-видимому, формированием кремниевых наноструктур в объеме оксида и на поверхности кремния.
3. Показана возможность применения эксимерного лазера для облучения системы SiO2/Si с целью формирования нанокомпозита Siнк – SiO2 (нанокластеры кремния в пленке диоксида кремния) с уникальными электрическими свойствами применительно к приборостроению.
В главах 3 и 4 приведены результаты исследований параметров фотонного излучения лазеров на микроструктурирование системы SiO2/Si. Были получены режимы мощности излучения, временные и частотные параметры работы лазеров, обеспечивающие микроструктурирование системы SiO2/Si без нарушения целостности пленки SiO2 и монокристалличности кремниевой подложки.
В этой главе представлены результаты исследований влияния лазерного микроструктурирования на характеристики тестовых МОП конденсаторов. Главной отличительной особенностью этих конденсаторов является то, что технологический процесс их изготовления в точности совпадает с технологическом процессом изготовления затворной композиции комплементарных МОП транзисторов интегральных микросхем 590 серии.
Здесь же, в главе 5, приведены результаты исследований, связанные с влиянием лазерного излучения на тестовые МОП транзисторы, сформированные в кристаллах с готовыми комплементарными МОП интегральными схемами 590 серии. "Светлана-полупроводники". Первый проводящий слой коммутации из поликристаллического кремния, легированного фосфором, одновременно с функцией проводника выполняет функцию затворов МОП-транзисторов.
Последовательность технологических этапов изготовления экспериментальных тестовых структур следующая: 1. Химическая обработка подложки в смесн Каро и перекисно аммначном растворе. Подложка представляет собой пластину мо но кристаллического кремния электронной проводимости марки КЭФ 7,5 (100). 2. Термическое окисление в сухом кислороде с добавлением 3% объема хлора при Т=1050С 90 минут. 3. Осаждение поликристаллического кремния путем разложения снлана (SiH4) при температуре 640С на установке "Изотрон-. Толщина сформированного слоя 0,5 мкм. 4. Легирование слоя поликремния фосфором методом термической диффузии при температуре 860С в течение 1 часа. Источником фосфора являлся РС1з. 5. Снятие образовавшегося в результате диффузии, фосфоростикатного стекча. 6. Формирование рисунка в слое поликристаллического кремния методом фотолитографии. 7. Отжиг сформированной структуры при 860С в течение 30 мин с целью стабилизации электрофизических свойств. 8. Напыление слоя алюминия толщиной 1 мкм. 9. Фотолитография в слое алюминия и травление окисла на обратной стороне пластины. 10. Напыление алюминия на обратную сторону пластины с целью формирования нижнего контакта.
В результате выше приведенного технологического цикла были получены тестовые образцы, которые представляли собой кристаллы размером 10х10 мм, вырезанные из одной пластины. На каждом кристалле было 18 МОП-конденсаторов с площадью металлического электрода 2,5.10-3 см2 (рис.5.1).
