Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Несмотря на большое разнообразие применяемых в микроэлектронике материалов, кремний и различные структуры на его основе остаются основными материалами при производстве интегральных схем (ИС) в настоящее время и на обозримое будущее. Однако для повышения функциональной сложности, степени интеграции и быстродействия гаггегралышх схем требуется поиск новых высокоэффективных технологических методов их производства. Одним из наиболее перспективных направлений в реализации этих требований является разработка технологии изготовления интегральных микросхем с вертикально интегрированной структурой.
Основой технологии трёхмерных ИС является формирование элементов интегральной схемы в тонких (микронной толщины) слоях кремния, осаждаемых на слое диэлектрика (структура тина кремний на диэлектрике) и их монолитное наложение друг на друга. Наиболее часто используемый изолятор—кварцевая подложка или термически выращенный слой Si02 на кремниевой подложке. Основной трудностью при создании трехмерных интегральных схем является Получение монокристаллических областей заданных размеров на диэлектрических аморфных подложках со структурными И электрофизическими характеристиками, близкими к эпитаксиалышм слоям. Использование импульсного лазерного излучения наносекундного диапазона длительности для этих целей представляется наиболее подходящим, поскольку из-за высокой локальности его воздействия нагреву подвергается только тонкий слой материала на поверхности, в то время как нижележащие слои не подвергаются значительным температурным воздействиям, вследствие чего их параметры не изменяются при формировании вышележащих слоев.
Изменение структуры и свойств указанных выше пленок существенно зависит от их исходной структуры, свойств слоев и условий кристаллизации. Определение оптимальных режимов обработки таких структур требует детального знания физики происходящих при этом процессов и является актуальным для разработки физических основ технологии создания трехмерных ИС.
Кроме того, перспективным представляется использование ишгульсного лазерного излучения для улучшения характеристик тонких плёнок аморфного и поликристаллического кремния большой площади, используемых при создании элементов солнечных батарей и плоских
дисплеев а системах отображения информации. Основным недостатком таких пленок является наличие большого числа границ зёрен. Применение метода лазерной перекристаллизации таких плёнок может существенно увеличить размер зерна и тем самым уменьшить паразитное влияние границ зёрен на характеристики приборов.
В связи с этим актуальной является проблема создания лазерных источников наносекундного диапазона длительности импульса, обладающих повышенной однородностью распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка и пригодных для высококачественного отжига полупроводниковых структур на большой площади.
Значительное внимание в исследованиях уделялось выяснению роли различных параметров лазерного излучения на процесс перекристаллизации, в том числе—длительности импульса. Первые эксперименты были сделаны с использованием лазерных импульсов наносекундной и микросекундной длительности. Однако, к моменту постановки диссертационной работы детальных исследований особенностей фазоструктурных переходов в слоях кремния при воздействии лазерных импульсов миллисекундной длительности не проводилось.
Целью диссертационной работы являлось выяснение требований к импульсному источнику лазерного излучения, обеспечивающих отжиг кремниевых пластин на большой площади с минимальным уровнем структурных дефектов, а также изучение особенностей протекания процессов плавления и кристаллизации в кремниевых структурах при модификации их свойств под воздействием импульсного лазерного излучения миллисекундного и наносекундного диапазонов длительностей-
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
I. Показано, что применение излучения лазера на неодашовом стекле наносекундного диапазона длительности импульса с модуляцией добротносга резонатора вращающейся призмой-крышей обеспечивает в оптимальных режимах обработки минимальный уровень структурных дефектов в эпитаксиалышх лазерно-отожжённых кремниевых слоях, вследствие высокой однородности пространственного распределения излучения по сечению пучка, обусловленной изменением модовой структуры излучения за время формирования импульса.
2. Установлено, что при обработке кремниевых слоев импульсным
лазерным излучением миллисекундиой длительности в режимах
облучения, бл'язких к порогу плавления поверхности, реализуется
автоколебательный процесс многократного плавления и кристаллизации
локальных областей кремния за время лазерного импульса. Показано,
что в этих условии на МКК подложках формируются не наблюдавшиеся
ранее поверхностные структуры игольчатого типа, морфология которых
определяется кристаллографической ориентацией поверхности и не
Зависит от поляризации лазерного излучения.
Установлен механизм формирования поверхностных структур (ПС) при перекристаллизации монокристаллического кремния импульсным лазерным излучением миллисекундиой длительности, и основе которого лежит кристаллографическая анизотропия свойств границы раздела между подложкой и жидкой фазой.
3. Установлено, что при обработке кремниевых структур типа
ПКК/МКК, ПКК/БЮг/МКК, Si-сапфир, пористый кремний
импульсным лазерным излучением наносекундной длительности при
определёшшх условиях на фазе остывания переохлаждается весь слой
расплава, вследствие чего реализуется процесс кристаллизации как от
подложки, так и с поверхности слоя расплава. Выделяющаяся при
движении снизу фронта кристаллизации скрытая теплота приводит к
прекращению кристаллизации на поверхности и повторному частичному
плавлению образовавшейся там мелкокристаллической твёрдой фазы.
Установлено, что в данных режимах обработки на поверхности перекристаллизованного слоя образуется крупнозернистая структура с развитым рельефом поверхности, причём переход от мелкозернистой к крупнозернистой структуре носит обратимый пороговый характер.
-
Показано, что при перекристаллизации слоев пористого кремния на монокристаллических кремниевых подложках лазерным излучением наносекундной длительности в энергетическом интерпале 0.45-0.9 Дж/см2 на длине волны 0.53 мкм идёт процесс эпитаксиалыюй кристаллизации и реализуется структура тина монокристаллический кремний — пористый кремний — монокристаллический кремний.
-
Определены оптимальные режимы лазерной обработки, позволяющие получать термически стабильные пересыщетгае растворы замещения сурьмы в кремнии вплоть до температур 1050С при превышении предела равновесной растворимости не более чем в 2-3 раза.
Практическая значимость полученных результатов;
1. Разработана конструкторская документация. и создан
экспериментальный образец технологической установки для лазерного
отжига кремниевых структур большой площади на базе моноимпульсного
лазера на неодимовом стекле с модуляцией добротности вращающейся
призмой-крышей, имеющего энергию излучения на X=1.06 мкм 25-30
Дж, на Я.=0.53 мкм 5-6 Дж и длительность импульса излучения -50 не.
2. Исследованы особенности перекристаллизации кремниевых
структуры типа ПКК/МКК, IIKK/SiC^/MKK, Si-сапфир, пористый
кремний под воздействием лазерного излучения миллисекундной и
наносекундной длительностей импульсов и определены условия
формирования совершенных лазерно-огожжёшшх поверхностных
кремниевых слоев.
-
Предложен способ измерения толщины тонких шероховатых плёнок кремния в микроэлектронном производстве (Ах. 4687819/28 СССР), а также показана возможность построения цифрового оптического реверсивного носителя информации, основанные на явлении порогового обратимого изменения кристаллической структуры слоя кремния под воздействием лазерного излучения наносекундной длительности.
-
Определены условия формирования эгщтаксиальных слоев кремния при наносекундном лазерном плавлении слоев пористого кремния.
5. Предложены технологические процессы, использующие лазерное
излучение наносекундного диапазона длительности импульса с высокой
степенью пространственной однородности по сечению пучка для
изготовления полупроводниковых интегральных микросхем (Ах.
N1347799 СССР), формирования эпигаксиальных структур "кремний на
диэлектрике" Ах. 1414216 СССР).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту;
1. Образование поверхностных структур игольчатого типа на монокристаллических кремниевых подложках под воздействием лазерного излучения миллисекундной длительности происходит вследствие кристаллографической анизотропии свойств границы раздела
между подложкой и жилкой фазой в условиях многократного плавления и кристаллизации локальных областей во время лазерного импульса.
2. При' воздействии лазерного излучения наносекуидной
длительности на кремниевые структуры типа ПКК/МКК,
nKK/Si02/MKK, Si-сапфир при полном плавлении слоя кремния, в
условиях, когда переохлаждается весь слой расплава, процесс
кристаллизации начинается одновременно как с поверхности, так и от
границы раздела расплав — твёрдая фаза, причём при кристаллизации
происходит повторное плавление образовавшейся на поверхности слоя
расплаиа твёрдой фазы и перекристаллизовапный слой приобретает
крупнокристаллическую структуру. Переход от исходной
мелкокристаллической структуры к крупнокристаллической имеет
порогоный характер и является обратимым.
3. Перекристаллизация слоён пористого кремния лазерными
импульсами наносекуидной длительности позволяет получить
* эпитаксиальные слои мопокристаллического кремния на пористом кремнии, то есть структуру типа: монокристаллический кремний /пористый кремний /монокристаллическая подложка.
4. Применение лазера на неодимовом стекле с модуляцией
добротности резонатора вращающейся призмой-крышей обеспечивает в
оптимальных режимах обработки минимальный уровень структурных
дефектов в эпитаксиальных лазерно-отожжённых кремниевых слоях
вследстпие высокой пространственной однородности излучения,
обусловленной изменением модопой структуры за время импульса.
Личный вклад соискателя
Непосредственное участие совместно с научными руководителями в постановке задач исследований. Разработка методик экспериментов, проведение экспериментов и обработка полученных результатов. Проведение теоретических оценок, интерпретация полученных зависимостей. Оформление полученных результатов.
Научные руководители Мсстовников В.А. и Батище СА. оказывали содействие на всех этапах выполнения данной работы. Кузьмук А.А. участвовал в экспериментах по исследованию динамики процессов плавления кремниевых структур лазерными импульсами наносекуидной длительности. Лабунов В.А., Демчук А.В. участвовали в постановке задачи, интерпретации полученных результатов. Демчук A.D, обеспечивал
также проведение структурных исследований образцов. Пристрем А.М. принимал участие в проведении исследований по термостабильности пересыщенных растворов замещения сурьмы в кремнии. Остальные соавторы оказывали содействие к подготовке экспериментов и обсуждении их результатов на отдельных этапах выполнения работы.
Апробация результатов диссертации
Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
Всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники", Минск, 1985 г.
5-я Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Минск, 1988 г.
7-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Санкт-Петербург, 1993.
7-th International Conference IPAT, Geneva, 1989.
Опубликованность результатов Основные результаты работы опубликованы в десяти статьях /100-109/ и четырёх тезисах докладов /110-113/. Получены три авторских свидетельства на изобретения /114-116/.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, общей характеристики, пяти глав и выводов. Она содержит 128 страниц текста, в том числе 35 рисунков, 3 таблицы и список использованных источников, насчитывающий 116 наименований.
