Содержание к диссертации
Стр.
Введение 5
Основы теории методов контроля твердофазной диффузии 12
1.1 .Основные математические модели и параметры контроля процессов диффузии 13
Принципы построения методов расчета и контроля диффузионных процессов 23
Анализ современных методов и средств контроля
параметров диффузии 31
Методы определения концентрационной зависимости коэффициента диффузии 46
Способы проведения диффузии в полупроводниках и
металлах 50
Выводы 54
Теоретическое обоснование неразрушающих методик контроля термодинамических параметров твердофазной диффузии 56
Общие принципы построения технологий неразрушающего контроля параметров твердофазной диффузии 80
Выводы 85
Принципы построения технологий неразрушающего контроля термодинамических параметров диффузии в ионно-азотированных металлах 120
Определение термодинамических параметров диффузии ионно-азотированного вольфрама 127
Определение объемного коэффициента диффузии азота
Определение термодинамических параметров диффузии ионно-азотированного молибдена 137
Выводы 142
Математическое моделирование диффузионных процессов в ионно- легированных материалах 144
Обоснование феноменологической модели двухпоточной диффузии 146
Численное моделирование процесса многопоточной
Пример расчета параметров диффузии бора и фосфора в приповерхностной области ионно-легированного кремния 159
Пример расчета параметров диффузии азота в приповерхностной области ионно-легированного вольфрама 165
Определение параметров радиационных дефектов по диффузионным данным 170
Выводы 174
разработаны теоретические основы неразрушающих методов контроля параметров твердофазной диффузии;
проведен анализ возможных источников погрешностей и обоснованы способы их минимизации;
разработан метод неразрушающего контроля поверхностных электрофизических параметров полупроводников;
разработаны и внедрены технологии неразрушающего контроля параметров диффузии примеси в металлах и полупроводниках;
обоснована новая феноменологическая модель диффузии примеси в ионно-легированных материалах;
установлены температурные зависимости параметров многопоточной диффузии для бора, имплантированного в кремний и азота, имплантированного в вольфрам.
Теоретические основы контроля неразрушающих методов контроля термодинамических параметров диффузии примеси в твердом теле.
Технологии неразрушающего контроля кинетических параметров твердофазной диффузии в приповерхностной области ионно-легированных металлов и полупроводников.
Принципы неразрушающего контроля поверхностных электрофизических параметров полупроводников методом КРП и средства их практической реализации.
Многопоточная диффузия примесей в приповерхностной области ионно - легированных металлов и полупроводников, определяющая характеристики диффузионных слоев имплантированных материалов.
Математические модели и аналитические решения систем дифференциальных уравнений двухпоточной диффузии, составляющие математическую основу методов расчета диффузионных слоев ионно-легированных материалов.
Температурные закономерности характеристик многопоточной диффузии бора в ионно-легированном кремнии и азота в ионно-легированном вольфраме, необходимые для оптимизации режимов диффузионных технологий. Публикации: Материалы диссертационной работы опубликованы в монографии и 29 научных статьях и докладах.
Определение параметров диффузии по динамике изменения поверхностной концентрации примеси 57
Неразрушающий метод определения концентрационной зависимости коэффициента диффузии 74
Диффузионный метод создания концентрационных профилей
с максимумом в глубине образца 76
Метод ионного легирования и начальное распределение примеси 88
Принципы построения технологий неразрушающего контроля параметров диффузии в полупроводниках 91
Определение термодинамических параметров диффузии бора и фосфора в ионно-легированном кремнии 100
Контроль поверхностных электрофизических параметров полупроводников методом измерения разности поверхностных потенциалов 108
Выводы 117
в монокристаллическом вольфраме 134
диффузии 156
Заключение 175
Основные результаты и выводы 178
Список цитируемой литературы 180
Приложение А. Программа моделирования динамики изменения
Приложение Б. Основные технические характеристики
установки ионной имплантации «Везувий»
Приложение В. Описание четырехзондовой установки и методики проведения измерений удельного поверхностного сопротивления легированных образцов кремния 204
Приложение Г. Обработка результатов прямых измерений
диффузионно-чувствительных параметров ионно-легированного кремния 207
Приложение Ж. Основные технические характеристики
сверхвысоковакуумного комплекса ЬА8-3000 214
Приложение 3. Интерполяция данных ОЭС временной зависимости
относительной поверхностной концентрации азота в вольфраме 216
Приложение Л. Прибор «Поверхность 2.0». Интерфейс пользователя при определении поверхностной концентрации примеси методом КРП 220
Приложение М. Решение задачи трехпоточной диффузии в
ограниченном образце 236
Введение к работе
Актуальность проблемы: Диффузионные процессы в твердом теле играют важную роль в создании материалов с заданными структурами и свойствами. При помощи диффузии в микроэлектронике формируются области с определенным типом проводимости и градиентом концентрации примеси, создаются диодные и транзисторные структуры, резисторы и другие элементы интегральных схем. Процессы массопереноса в тонкопленочных структурах во многом определяют надежность микроэлектронных устройств. Диффузия играет ведущую роль во многих процессах, определяющих свойства металлов и металлических сплавов. Применение диффузионных технологий позволяет создавать профили с заданным показателем преломления для интегральной оптики и волоконных световодов.
Процессы массопереноса характеризуются большим количеством взаимосвязанных физико-химических параметров, измерять и контролировать многие из которых в ходе технологического процесса практически невозможно. Современный подход к оптимизации диффузионных технологий основан на применении программ сквозного математического моделирования, позволяющих при сравнительно малых затратах с высокой степенью точности прогнозировать выходные характеристики изделий. Построение такой модели невозможно без понимания механизмов процесса массопереноса и сведений о численных значениях кинетических параметров, характеризующих скорость протекания диффузионных процессов и влияние границ раздела материалов. Эти требования стимулируют разработку современных методов и средств контроля, позволяющих с высокой степенью точности определять параметры диффузии и их зависимость от внешних и внутренних условий.
По условной классификации Б .Я. Любова [1], исследования, относящиеся к контролю параметров диффузии в кристаллах, делятся на три основные группы:
Разработка методов измерения параметров диффузии в различных системах.
Развитие теории диффузии как в феноменологическом аспекте, так и с учетом атомного строения вещества.
Изучение и анализ различных диффузионных процессов.
Все эти группы исследований в области твердофазной диффузии взаимосвязаны и взаимозависимы. Так разработка методов измерения параметров диффузии невозможна без построения соответствующей модели массоперено- са, а полученные параметры в температурной своей зависимости являются термодинамическими величинами и могут быть подвергнуты как феноменологической трактовке, так и атомно-молекулярной.
Развитие математической теории диффузии, как составной части феноменологического аспекта методов контроля диффузионных материалов, приобретает все более важное значение, последние достижения в этой области систематизированы, например, в [ 2,3,4 ].
Применяемые в настоящее время методы контроля диффузионных процессов построены на анализе экспериментальных данных о пространственной зависимости распределения примесных атомов. Основной недостаток этих методов заключается в необходимости применения технологий послойного анализа, непосредственно влияющих на погрешность определения величин диффузионно-чувствительных параметров. Погрешность эта становится особенно существенной при контроле процессов массопереноса в создаваемых на основе современных технологий субмикронных структурах. Внедрение новых технологий и уменьшение размеров структур, создаваемых при помощи диффузии приводит к необходимости создания новых высокоточных неразру- шающих методов контроля термодинамических параметров твердофазной диффузии.
В свете вышеизложенного, работы, связанные с разработкой неразру- шающих методов и средств контроля параметров диффузии в субмикронных структурах, развитием соответствующей математической и феноменологической теории диффузии, с исследованиями процессов, составной частью которых является диффузионный перенос, представляются весьма актуальными в части практического приложения к исследованиям и моделированию процессов и технологий.
Цель работы: Повышение точности, достоверности результатов и оперативности методов контроля диффузионных процессов в субмикронных структурах. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
Методы исследования: Для определения атомного состава поверхностных слоев диффузионных материалов применялись Оже-электронная спектроскопия, вторично-ионная масс спектроскопия и электропотенциальный метод. Исследования структуры материалов проводилось методами электронной микроскопии, рентгеноскопии и дислокационного травления.
Научная новизна: На основе решений краевых задач массопереноса получены математические модели влияния физико-химических параметров диффузии на динамику изменения поверхностной концентрации примеси. Разработаны новые методы неразрушающего контроля параметров твердофазной диффузии: коэффициента диффузии и коэффициента массообмена, основанные на определении абсолютного значения и времени достижения максимума поверхностной концентрации или измерении скорости убывания поверхностной концентрации примеси.
Разработаны принципы неразрушающего контроля величины поверхностной концентрации примеси в полупроводниках методом КРП и алгоритмы определения ее значений по экспериментально измеренной контактной разности потенциалов.
Использование разработанных методов позволило впервые экспериментально установить существование в приповерхностной области ионно- легированных материалов примесных потоков с различными механизмами диффузии.
Обоснована новая феноменологическая модель диффузии в ионно- легированных материалах. Сформулирована соответствующая задача Коши двухпоточной диффузии примеси и получены аналитические решения систем уравнений в частных производных для взаимодействующих потоков в случае ограниченного и полубесконечного образцов.
Установлены температурные зависимости коэффициентов диффузии дислокационного и объемного потоков для бора, имплантированного в кремний, и азота, имплантированного в вольфрам.
Практическая ценность работы: Исключение операций послойного анализа позволяет значительно снизить трудоемкость процесса и устранить погрешности, связанные с влиянием травления на измеряемые диффузионно- чувствительные параметры.
Разработанные методики могут применяться для широкого круга материалов и технологий при соответствующем выборе диффузионно- чувствительного параметра поверхности.
Аналитические решения уравнений и температурные закономерности параметров двухпоточной диффузии для бора в кремнии и азота в вольфраме применялись для оптимизации технологических режимов с целью получения диффузионных слоев с заданными характеристиками.
Реализация научно-технических результатов; Разработанные методы и средства применялись для неразрушающего контроля технологических процессов диффузии и научных исследованиях в различных НИИ РАН: ИФТТ РАН , ИРЭ РАН; отраслевых институтах и организациях: ВНИИА, ФГУП ВИАМ, что подтверждается актами внедрениями результатов диссертационной работы.
Апробация работы: Основные результаты докладывались и обсуждались на: III международной конференции «Advanced Materials and Processes» (г. Калуга, октябрь 1995), Всероссийской научно - технической конференции "Микро- и наноэлектроника" (МНЭ-98) (12-16 октября 1998 г., г. Звенигород), II Международной конференции «Моделирование и исследование сложных систем» (г. Москва, 1998 г.), семинаре в Институте проблем технологии микроэлектроники (г. Черноголовка, ноябрь 1997 г.), 17 General Conference of the CONDENSER MATTER DIVISION European Physical Society (25-29 August, 1998), V и VI Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» ( 2002, 2003, г. Сочи), Международной конференции «Наука о материалах на рубеже веков: достижения и вызовы времени» (4-8 ноября 2002 г. Киев, Украина), 10 Международной конференции «Приборинформ» (г. Севастополь, сентябрь 2003 г.), SIXTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON DIFFUSION IN MATERIALS DIMAT 2004 (18 - 23 July 2004, Krakow, Poland), межотраслевом научно-техническом совещании «Новые технологические процессы по защите от коррозии материалов деталей и узлов авиационной техники» (М., 18-19 октября 2004 г.)
Основные результаты, представляемые к защите:
Личный вклад автора: Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Во всех совместных публикациях автором сформулированы постановка задачи и метод ее решения. Структура и объем работы: Работа содержит введение, 5 глав и приложения. В главе I рассмотрены основные математические модели диффузионных процессов, существующие методы контроля термодинамических параметров диффузии примеси в твердом теле и способы диффузионной обработки металлов и полупроводников. Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию новых неразрушающих методов контроля термодинамических параметров твердофазной диффузии. В третьей главе приведены результаты неразрушающего контроля диффузионных процессов в кремнии, ионно-легированном бором и фосфором. Разработан новый метод определения поверхностной концентрации примеси в полупроводниках. В четвертой главе представлены результаты практической реализации неразрушающих методов для контроля объемных и приповерхностных диффузионных процессов в ионно-азотированных металлах. В пятой главе обоснованы математические модели и получены аналитические решения систем дифференциальных уравнений двухпоточной диффузии. На основании созданной модели и экспериментальных данных неразрушающего контроля определены температурные закономерности параметров двухпоточной диффузии для бора, ионно-легированного в кремний и азота, ион- но-легированного в вольфрам. В приложениях приведены протоколы экспериментов, фрагменты программ, документы, подтверждающие использование и внедрение результатов работы.
