Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. КНД-Технологии. способы создания монокристаллического слоя 13
1.1. Зонная рекристаллизация поликристаллического кремния.
1.1.1. Лазерная рекристаллизация. 15
1:1.2.. Рекристаллизация полосковым нагревателем 19
1.1.3. Рекристаллизация источниками некогерентного излучения 23
1.1.4. Электронно-лучевая рекристаллизация. 25
1.2. Дефекты рекристаллизованного слоя 26
1.3. Способы улучшения кристаллографического совершенства рекристаллизуемого слоя 33
1.4; Выводы 39
Глава 2. Решение уравнения теплопроводности для процесса электронно-лучевой рекристаллизации поликремния на диэлектрике .. 42
2.1. Решение задачи без учета графитового основания и фазового перехода. 43
2.2. Анализ теплового состояния структуры без учета графитового состояния и фазового перехода . 54
2.3. Моделирование и анализ теплового состояния структуры с учетом влияния графитового состояния 66
2.4. Теплофизическое состояние структуры на этапах плавления, кристаллизации 77
2.5: Моделирование термодинамического состояния многослойной структуры, обрабатываемой плоским электронным лучом. 92
2.6. Термокапиллярное перераспределение расплавленного поликремния. 100
2.7. Выводы. 108
Глава 3. Рекристаллизация поликремния электронным лучом ленточной формы 109
3.1. Организация процесса рекристаллизации 109
3.2. Свойства исходного слоя поликремния 116
3.3. Исследование процесса перекристаллизации поликремния н< изолирующем основании 117
3.4. Исследование кристаллографической структуры рекристаллизованных пленок 124
3.4.1. Влияние кристаллографических дефектов на свойства рекристаллизованного кремния 124
3.4.2. Методы анализа кристаллографического состояния рекристаллизованного слоя 126
3.4.3. Исследование кристаллографической структуры плен< Si, рекристаллизованных на диэлектрике без использования затравок 128
3.4.4. Механизмы образования структурных дефектов в процессе рекристаллизации 140
3.5. Исследование морфологии рекристаллизованного кремния ... 144
3.6. Выводы. 154
Основные результаты и выводы 156
Список используемой литературы 158
Приложение 1.
- Дефекты рекристаллизованного слоя
- Анализ теплового состояния структуры без учета графитового состояния и фазового перехода
- Исследование процесса перекристаллизации поликремния н< изолирующем основании
- Исследование морфологии рекристаллизованного кремния
Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы
Постоянный! рост функциональной сложности интегральных схем: сопровождается увеличением плотности компоновки и уменьшением геометрических размеров элементов. Необходимостью становится разработка новых принципов построения интегральных схем, в частности* создания трехмерных интегральных схем. Сложившиеся к настоящему времени представления о путях создания трехмерных интегральных схем предполагают использование методов послойного наращивания монокристаллического слоя полупроводника на изолирующее, основание (КНД-технология). По условиям техпроцесса формирование каждого последующего слоя не должно вести к деградации уже сформированного слоя приборов.
Промышленные технологии формирования структур КНД, в частности, технологии КНС позволяют получать пленки монокристаллического кремния, однако, высокая стоимость сапфирного основания и низкое кристаллографическое совершенство формируемых пленок являются препятствием для» их широкого применения. Возможным выходом из сложившейся ситуации являются новые, перспективные технологии, представителем которых является зонная рекристаллизация исходного некристаллического слоя полупроводника. При помощи данных технологий возможно сформировать тонкие кристаллографически совершенные слои! кремния, пригодные для изготовления активных элементов ИС.
Методы зонной рекристаллизации можно условно разделить по форме на: полосковые и точечные; по источнику энергии - на: полосковые нагреватели (графитовые стержни, вольфрамовые нити), лазеры, источники некогерентного излучения, электронные пушки. Из перечисленных методов электронную пушку, генерирующую плоский электронный луч выгодно отличают:
простота генерации луча ленточной формы с равномерным распределением энергии по длине;
простота регулирования параметров луча: скорости мощности и толщины;
возможность реализации как импульсного, так и непрерывного излучения;
возможность создания луча с шириной, позволяющей обрабатывать структуру за один проход;
одинаково высокая поглощательная способность кремния как в твердом, так и в жидком состоянии;
химическая чистота процесса.
В настоящей работе исследуется возможность применения электронного луча в качестве инструмента для проведения процесса рекристаллизации тонких слоев поликремния. Луч генерируется электронной пушкой специальной конструкции, благодаря чему зона тепловыделения имеет линейную форму. Зона плавления линейной конфигурации, в свою очередь, обеспечивает кристаллизационный фронт с минимальной кривизной, обеспечивая зернам рекристаллизуемого слоя стабильные условия развития.
Цель и задачи работы
Целью настоящей работы является исследование возможности применения электронного луча для проведения процесса рекристаллизации тонких пленок поликристаллического кремния в технологии КНД, КНС.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Изучить влияние режимов обработки и конструктивно-топологических свойств структуры на условия рекристаллизации тонких поликремниевых пленок.
Рассчитать распределение температуры в многослойных структурах, обрабатываемых электронным лучом ленточной формы, включая послойное распределение температур в двух координатах.
Рассчитать глубины проплавления, форму ванны расплава и температурные градиенты в структуре.
Разработать модель температурного состояния многослойной структуры, составить алгоритм и написать программу для расчета процесса рекристаллизации тонких поликристаллических пленок при обработке плоским электронным лучом в режиме реального времени.
Разработать конструкцию и изготовить лабораторную установку для проведения процесса рекристаллизации тонких поликристаллических пленок.
Проанализировать ростовые закономерности и механизмы рекристаллизации, включая морфологию рекристашгазованного слоя.
выведены формулы для предварительной оценки температурного состояния и подбора режимов обработки многослойных структур плоским электронным лучом;
написана программа для описания температурных процессов, происходящих в многослойной структуре в процессе обработки, что позволяет выбирать режимы обработки без предварительных экспериментов;
разработана экспериментальная лабораторная установка для проведения процесса обработки плоским электронным лучом;
расчетные данные режимов и чертежи электронной пушки были использованы в ОАО СКБ «Элькор» для изготовления установки и применены при остекловывании металлических подложек гибридных ИС контроллера напряжения бортовой автомобильной сети.
Международной конференции по новым информационным технологиям в науке и образовании «ELBRUS - 97».
V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления».
УШ Международной научной-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». „
VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления».
П Всероссийской научно-технической дистанционной конференции «ЭЛЕКТРОНИКА».
метод аналитического исследования теплофизического состояния многослойной структуры, включая методику расчета профиля фазового перехода;
программа, основанная на решении дифференциального уравнения теплопроводности методом конечных разностей, обеспечивающая детальный анализ температурных процессов, происходящих в структуре в реальном масштабе времени;
улучшению морфологии поверхности способствует уменьшение перепада давления, вызванного термокапилярным перераспределением жидкости вдоль ванны расплава;
устойчивые к агломерации расплава: КНД-структуры могут быть сформированы при использовании комбинированного покрытия, включающего слой термического окисла, выращенного на основе поликристаллического кремния;
разработанный метод электронно-лучевой рекристаллизации тонких поликристаллических пленок может служить основой для создания промышленной технологии изготовления КНД интегральных схем.
без учета графитового основания и фазового перехода,.
с учетом только основания,
с учетом как основания, так и фазового перехода.
Структурная схема диссертационной работы приведена на рис. 1.
Рис. В.1.
Научная новизна
Впервые проведено комплексное исследование метода рекристаллизации тонких слоев поликремния электронным лучом ленточной формы.
Решено уравнение теплопроводности для четырехслойной структуры, расположенной на графитовом основании, при обработке электронным лучом ленточной формы, с учетом фазового перехода. Предложена модель расчета температурного состояния исследуемой структуры, учитывающая: распределение энергии по сечению луча; температурные зависимости теплоемкости и коэффициентов теплопроводности материалов структуры; соотношение положения луча и температурного фронта; нагрева обратной поверхности структуры выше фоновой температуры. Составлен алгоритм и написана программа для моделирования процесса рекристаллизации тонких слоев поликремния при обработке плоским электронным лучом в реальном масштабе времени.
Изготовлена лабораторная установка с электронной пушкой специальной конструкции для проведения процесса рекристаллизации тонких слоев поликремния, в которой устранены основные причины неоднородностей мощности луча по длине.
Практическая значимость
Достоверность работы
Достоверность результатов следует из наличия корреляции между расчетными и экспериментальными данными, а так же данными, полученными другими исследователями.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных
работ, из которых: 3 тезиса всероссийских конференций, 2 тезиса
международных конференций, 2 статьи.
Основные положения, выносимые на защиту
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, изложены научная новизна, практическая ценность работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен обзор известных методов, процесса рекристаллизации. Кратко рассмотрены их достоинства и недостатки.
Во второй главе приводится решение уравнения теплопроводности для четырехслойной структуры, обрабатываемой плоским электронным лучом:
Приведены расчетные данные распределения температуры по глубине структуры и поверхности структуры для различных режимов обработки.
Рассмотрена модель для описания термодинамического состояния многослойной структуры. Описана методика и алгоритм работы программы, моделирующей процесс рекристаллизации методом конечных разностей, а именно сеткой прямоугольной формы. Проведен анализ температурных профилей и градиентов для основных режимов обработки.
Рассмотрены причины морфологических нарушений, присущих процессу рекристаллизации тонких поликристаллических пленок.
В третьей главе описана установка и методика проведения процесса рекристаллизации тонких поликристаллических пленок плоским электронным лучом. Приводятся результаты исследования свойств исходного поликристаллического кремния и рекристаллизованного слоя. Описываются основные методы анализа кристаллографического состояния рекристаллизованной структуры. Анализируются возможные причины структурных дефектов и морфологических нарушений поверхности рекристаллизуемого слоя.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, списка публикаций, списка используемых источников, приложения. Общий объем диссертации 20Г стр., включая 35" стр. иллюстраций, \ таблиц, М стр. библиографии, 34 стр. приложений.
Дефекты рекристаллизованного слоя
Процесс зонной рекристаллизации кроме положительного эффекта, выраженного в укреплении исходных зерен поликремния, сопровождается образованием дефектов кристаллической структуры, изменением морфологии. К структурным дефектам относятся межзеренные границы, скопления инородной примеси, отдельные дислокации, двойниковые границы. Под дефектами морфологии подразумеваются изменения планарности исходного слоя поликремния, обусловленные перераспределением расплава микротрещины, линии скольжения.
Основными дефектами кристаллической структуры, неизменно присутствующими в рекристаллизованном слое независимо от способа рекристаллизации, являются межзеренные границы. Степень разориентации кристаллических зерен позволяет выделить два типа границ. Границы с углами разориентации- до 1 градуса, так называемые малоугловые границы (субграницы) и границы с большой разориентацией (единицы - десятки градусов). Ведущим фактором, определяющим структурное совершенство рекристаллизованного слоя, является тепловой режим процесса кристаллического роста, с относительной независимостью от метода рекристаллизации. Данный вывод позволяет сделать сопоставление результатов исследований, выполненных в работах [31-38]. Скорость кристаллизации, характерная для медленно сканирующих систем рекристаллизации (Ул 0,5-5 мм/с) дает преобладание текстуры зерен 100 даже в отсутствие каких-либо управляющих ориентацией факторов. В работе [31] ориентационные отклонения зерен рекристаллизованного слоя исследовались методами рентгеновского анализа, травлением в селективных травителях. Показано, что рекристаллизованный слой состоит из серии монокристаллических блоков шириной единиц миллиметров и длиной до одного сантиметра. Азимутальная составляющая отклонений зерен лежит в диапазоне ±20 градусов, нормальная составляющая отклонений не превышает одного градуса. Там же показано, что снижение скорости перемещения нагревателя от 1 мм/с до 0,5 мм/с повышает количество текстурированных зерен с 70-90 % до 95 % и выше. Характерным дефектом кристаллографической структуры является малоугловая граница с углом азимутальной разориентации менее одного градуса. Аналогичные результаты получены при исследовании пленок кремния рекристаллизованноых медленно сканирующим лазером [33];
Существуют, по меньшей мере, три точки зрения на механизм образования субграниц. Исторически первой сложилась теория, в которой возникновение малоугловой границы связывается непосредственно с механическими напряжениями в слое кремния. На первом этапе напряжения, связанные с увеличением объема кремния при кристаллизации, анигилирют за счет образования дислокационных полу-петель [33,39]. Процесс происходит при достижении критической величины напряжений в/ЗО, где в — модуль сдвига материала. В дальнейшем процесс снижения энергии кристалла происходит по механизму полигонизации, согласно которому дислокации выстраиваются в стабильные дислокационные стенки. Грани ячеистого фронта выполняют роль концентраторов напряжений. На их пересечении (имеются ввиду внутренние углы кристаллизационного фронта) создаются стабильные условия образования субграниц.
Другая точка зрения высказана в работах [40,41], согласно которой дислокации формируются на внутренних изломах кристаллизационного фронта за счет нестыковки ориентаций кристаллических выступов. Формирование малоугловой границы происходит за счет упорядочивания дислокаций. Модель можно интерпретировать, как процесс накопления дискретных отклонений каждого акта присоединения атома кремния к двум соседним выступам кристалла.
Третьей (предпочтительной по мнению [42]) точкой зрения является модель Леми [37]. Согласно этой модели образование ячеистого фронта кристаллизации объясняется концентрационным переохлаждением. Движение кристаллизационного фронта сопровождается вытеснением примеси, которая при определенных условиях может захватываться кристаллизующимся слоем. Модель концентрационного переохлаждения расходится: с предыдущими в; определении места зарождения малоугловых границ. Согласно модели зарождение должно происходить на выступах кристаллизационного фронта. Экспериментальный факт более редкого расположения субграниц при медленном сканировании; модель объясняет возможностью для примеси «убежать» от кристаллизационного фронта. Согласно модели при скорости движения зоны 0,02 мм/с субграницы не образуются.
Подводя итог, можно констатировать, что все три фактора: напряжения, ориентационные отклонения, захват примеси, поставленные во главу каждой модели, могут присутствовать в реальном процессе кристаллизации и быть причиной нестабильности кристаллизационного фронта. По данным [43] скорость движения зоны 0,05 мм/с является предельной, ниже которой ячеистая структура кристаллизационного фронта не образуется.
Иной результат получен при достаточно высоких скоростях сканирования. В; работе [44] рекристаллизация осуществлялась сканирующим пучком электронов. Скорость перемещения луча составляла 3-100 см/с. Сообщается, что при скорости сканирования луча 35 см/с области, удаленные от затравочных областей, имели текстуру (111), несмотря на ориентацию подложки (100). При быстром сканировании непрерывным излучением лазера рекристаллизованный слой кремния имел смесь зерен с преимущественными текстурами (100) и (111). При медленном сканировании преобладает ориентация (100), что можно объяснить анизотропией свободной энергии граней кристалла Si с поверхностью SiCb, минимум которой приходился на грань (100). Условия кристаллизации полосковым нагревателем весьма близки к равновесным, при, которых зародыши кристаллической фазы имеют возможность «сориентироваться» относительно SiC 2 поверхности. Расчет, выполненный в работе [45] показал, что температура плавления граней (100) на 0,016К ниже точки плавления граней других ориентаций. По этой причине начальная область плавления содержит кристаллиты преимущественно ориентации (100), которые в дальнейшем выполняют роль затравок.
Достаточно высокая скорость кристаллизации в условиях концентрационного переохлаждения, как указывалось ранее, может сопровождаться захватом примесей с образованием локальных областей сильно загрязненного кремния. Па основании модели концентрационного переохлаждения можно предположить, что примесь концентрируется в местах встречи кристаллизационных фронтов, например, от двух соседних затравочных окон. Роль микроконцентратов могут выполнять также грани ячеистого фронта.. В этом случае скопления примесей можно ожидать вдоль границ блоков. Межзеренные границы не единственное место концентрации примеси. Известно, что окисел, сформированный на слое рекристаллизованного кремния, имеет весьма низкую диэлектрическую прочность с разбросом по толщине до 40% [46]. Данный факт легко объяснить наличием загрязнений, вытесненных на поверхность наклонно движущимся кристаллизационным фронтом. Стравливание окисла с повторным окислением позволяет получить электрически прочный диэлектрик.
Анализ теплового состояния структуры без учета графитового состояния и фазового перехода
В расчетах, в качестве базовых, использовались следующие значения теплофизических параметров материалов, входящих в структуру: температуропроводность 0,01 см /с, температуропроводность поликремния принималась равной температуропроводности кремния
Значения параметров в примерах конкретных расчетов оговариваются дополнительно. Необходимо отметить, что выражения (2.21 -2.24) пригодны для расчета температуры в слоях структуры в целом, если обработка не сопровождается плавлением поликремния. В этом случае можно считать, что I и участок 0 х хн, соответствующий стадии нагрева структуры, равен размерам зоны нагрева.
Анализ выражений (2.21-2.24) показывает, что тепловое состояние структуры зависит от режима обработки (энергии луча, фоновой температуры, скорости перемещения луча), теплофизических характеристик материалов структуры (температуропроводности, теплопроводности), конструктивно- топологических параметров КНД-структуры (толщин слоев). Согласно расчетам структура может находится в двух характерных состояниях: с практически линейным и нелинейным распределением температуры по глубине. Первое соответствует полному прогреву структуры, второе - нагреву до определенной глубины. На рис. 2.3. приведены температурные профили Рис. 2.3. линейного (а) и нелинейного (б) распределения температуры. Расчет выполнен в» предположении /, для базового режима обработки с расчетными значениями энергии луча 2790 Вт/см2 и режима обработки со скоростью V = 100 см/с, с расчетными значениями энергии луча 3166 Вт/см2. Фоновая температура в обоих случаях оставалась неизменной. Максимальное значение градиента температуры в слоях 0 - 1,33-105 град/см (ЯЮг-верхний), 1 — 1,0-104 град/см (слой 81 ), 2 - 1,33-105 град/см (БЮг-нижний), 3 - 1,03-104 град/см (Яь- основание) для диапазона скоростей обеспечивающих линейное распределение тепла и 2,56-Ю5 град/см, 2,0-104 град/см, 2,56-Ш5 град/см, 1,9-104 град/см для V = 100см/с. Температурный градиент при линейном распределении температуры неизменен. Термоградиент состояния с нелинейным распределением температуры изменяется с глубиной до нуля, имея наибольшее значение в области, прилегающей к границе нижнего окисла. Как показывают расчеты, при режимах для которых температура поверхности поликремния на задней границе луча одинакова, максимальное значение температурного градиента остается неизменным при увеличении скорости движения луча вплоть до достижения состояния1 с нелинейным распределением температуры. В дальнейшем величина максимального значения градиента определяется подводимой энергией.
Существенным является тот факт, что граница: перехода линейное- нелинейное распределение температуры не зависит от фоновой температуры, что можно объяснить неизменностью скорости распространения температурного фронта. Условие одинаковой температуры поликремния на задней границе луча, устанавливает зависимость между скоростью луча и его энергией, при этом тепловой поток через структуру неизменен в диапазоне режимов, обеспечивающих линейное распределение температуры в структуре. Переход структуры из состояния с линейным распределением, температуры в состояние с нелинейным распределением температуры сопровождается уменьшением теплового потока в графитовое основание, чем объясняется практически линейная зависимость энергии нагрева поликремния от скорости движения луча (рис 2.4), кривая 1. Изменение режима обработки при условии сохранения линейного распределения температуры влечет изменение глубины прогрева подложки. Подобие кривых 2, 3, 4 (рис. 2.4), за исключением начального участка, соответствует состоянию структуры с нелинейным распределением температуры, глубина прогрева во всех трех случаях одинакова. Слияние кривых 2-3-4 можно интерпретировать как: переход структуры в состояние с нелинейным распределением температуры.
Изменение энергии, связанное с переходом линейное-нелинейное распределение температуры, отчетливо прослеживается на зависимости энергии нагрева слоя поликремния от толщины подложки (рис. 2.5). Здесь крутой подъем энергии соответствует толщине подложки, начиная с которой графитовое основание служит эффективным теплопоглотителем. Очевидным является факт снижения глубины прогрева структуры с ростом- скорости движения луча.
Зависимость энергии нагрева поликристаллического кремния от фоновой температуры: имеет линейный характер. Рост мощности луча от снижения фоновой температуры для базового режима составляет «6,65 Вт/град. Характер зависимости сохраняется и для линейного распределения температуры.
Используя выражения (2.21-2.24), было рассчитано распределение температуры на поверхности слоя поликремния (рис. 2.6). Из рисунка видно, что форма кривой распределения температуры на поверхности практически неизменна для диапазона режимов с нелинейным распределением температуры в структуре. Как показывает анализ кривых, градиент температуры достигает максимума на передней границе луча, для нелинейного распределения з # температуры составляет величину 8-10 град/см. переход структуры из состояния с нелинейным распределением температуры в состояние с линейным распределением температуры сопровождается, возрастанием градиента на передней границе луча. Последнее объясняется уплотнением температурного фронта, при котором скорость термодиффузии сопоставима со скоростью движения луча. Форма кривой распределения температуры на поверхности поликремния существенно зависит от теплоотвода на подложку. Резкое снижение температуры за пределами зоны тепловыделения (острый угол на зависимостях) можно объяснить условиями идеального теплового контакта Б! подложки с графитовым основанием. Распределение температуры на поверхности поликремния, соответствущее задней границе электронного луча, является следствием допущения модели, согласно которому распределение энергии по сечению луча постоянно. При увеличении скорости движения луча формируется пологий температурный фронт, желательный для роста совершенных монокристаллов. Однако следует иметь в виду, что зависимости (рис. 2.6) получены в неподвижной относительно луча системе координат. В системе координат с реальным отсчетом г времени скорости охлаждения не столь различны; как можно судить по кривым (рис. 2.6). Более точные температурные профили можно получить, учитывая скорость движения луча Реальный процесс рекристаллизации сопровождается образованием зоны расплава, при этом полное проплавление слоя поликремния будет достигнуто при хн I. Естественно, что при увеличении энергии луча точка начали плавления хн перемещается к передней границе луча. Рассчитанная по формуле (2.22) зависимость, энергии луча, как функция координаты начала плавления для различных скоростей движения луча представлена на рис. 2.7. Слабая зависимость энергии разогрева поликремния от координаты характерна для режимов с линейным распределением температуры (кривая 1) и объясняется
Исследование процесса перекристаллизации поликремния н< изолирующем основании
Процесс плавления поликренмния при рекристаллизации определяется комбинацией факторов режимного характера, при которых фиксированным значениям фонового подогрева и скорости, луча соответствует некоторая пороговая энергия луча, обеспечивающая плавление поликремния. Взаимосвязь параметров в условиях неизменности температуры поликремния на задней кромке луча аналитически исследовалась в главе 2, где показано, что режимы рекристаллизации с полным проплавлением поликремния и плавлением бесконечно тонкого поверхностного слоя поликремния отличаются весьма незначительно. Соблюдение условий контролируемого плавления на заданную глубину по площади структуры представляется весьма проблематичным из-за технических сложностей, по этой причине при экспериментальном исследовании процесса рекристаллизации градация плавления поликремния на заданную глубину использоваться не будет.
Зависимости энергии плавления от скорости луча и фоновой температуры представлены на рис. 3.6. и 3.7. соответственно [102]: Наблюдаются зависимости, в которых энергии луча; практически линейно возрастает при увеличении от скорости и линейно снижается с возрастанием температуры фонового подогрева. Разброс значений на зависимостях можно объяснить нестабильностью поддержания режима обработки от процесса к процессу. Сравнение экспериментальных и аналитических зависимостей, показывает схожесть характера изменения величин при! общей разнице в численных значениях. Зависимости рис. 3.6., рис. 3.7. следует рассматривать как некоторый весьма узкий интервал энергий ограниченный условием плавления поликремния (нижнее значение) и плавлением основания при котором наступают морфологические изменения (верхние значения).
Исследование динамики плавления; слоя? поликремния позволяет сформулировать понятие динамической нестабильности процесса оплавления: Причиной нестабильности данного вида является термодиффузия, в первом случае вдоль движения луча, во втором в боковых направлениях. Составляющая термодиффузии в направлении движения луча- неизменна для данного вида структур. Составляющая боковой термодиффузии определяется геометрией рекристаллизуемой структуры. В чистом виде нестабильность, обусловленную продольной термодиффузией, можно наблюдать на образцах прямоугольной формы, обрабатываемых движущимся параллельно какой-либо грани источником. Здесь начальная стадия обработки сопровождается образованием зоны неоплавленного поликремния, на длине которой температурный профиль достигает стационарного состояния, соответствующего режиму плавления, близкому к равновесному. На конечном участке структуры режим нарушается за счет отражения тепловой волны от торцевой грани структуры, что вызывает плавление основания структуры и соответствующее ему изменение морфологии. Нестабильность данного вида поясняется на рис. 3.8. а, гда индексами 1 и 2 обозначены соответственно граница плавления и изменение морфологии рекристаллизованного слоя. В том случае, если структура расположена под некоторым углом к направлению движения луча или имеет другую форму, например диска, возникают боковые составляющие термодиффузии. Для первой половины диска по направлению движения луча имеет место расширение зоны- тепловыделения, характеризующееся перетеканием тепла к боковым граням структуры рис. 3.8 б, за счет чего края остаются; неоплавленными. Противоположная ситуация складывается на второй половине диска; Тепло при снижении зоны нагрева концентрируется в граничной области структуры, вызывая образование откатывающегося вала (рис. 3.8. в). Тепловой поток пропорционален углу расхождения (схождения) Р и длине луча:
Существует центральная область диска (наибольшая по площади) мало подверженная; краевым эффектам, пригодная для формирования активных элементов ИС. Можно отметить, что фоновый подогрев снижает энергию луча, обеспечивающую рекристаллизацию, ослабляя при этом эффект концентрации тепла на границах структуры.
Наличие изолирующей прослойки в виде защитного окисла и нижнего изолятора существенно не сказывается на энергетических характеристиках процесса. Малая толщина окисных пленок, высокие фоновые температуры, а также дополнительный разогрев структуры электронным лучом создают условия для стекания заряда наведенного электронным пучком. Поверхностный потенциал структуры измерялся зондом, соприкасающимся с поверхностью защитного покрытия непосредственно в зоне тепловыделения. Облучение производилось в стационарном (Г=0) режиме с фиксированным током накала катода. Плавной подачей ускоряющего напряжения Рис. 3.8 поликремний доводился до плавления, в этот момент производился замер поверхностного потенциала Установлено, что суммарное падение напряжения на слоях структуры не превышало 30 В, при ускоряющем напряжении 6 кВ. Полученный результат позволил исключить из рассмотрения отражение электронного пучка, обусловленное электростатической зарядкой поверхности. Использование диэлектрического основания, в частности толстых кварцевых пластин, требует специальных режимов обработки.
Качественно оценивая характер плавления поликремния, можно констатировать зависимость стабильности процесса от режима обработки. Сказанное можно объяснить, следующим образом. Рекристаллизация в условиях повышенных скоростей, как и относительно низких фоновых температур требует значительной мощности электронного луча. Считая точность воспроизведения режима, в частности для скорости луча и фонового подогрева в пределах заданного диапазона, неизменной, следует ожидать более весомых изменений в характере оплавления, выраженных в наличии неоплавленных участков поликремния или участков с оплавленным основанием. Аналогичная ситуация складывается при использовании низких фоновых температур. Это ведет к уменьшению относительной доли энергии идущей на плавление поликремния; в общем балансе подводимой энергии, что требует повышенной точности от системы стабилизации режима. Высокий фоновый подогрев расширяет диапазон допусков на параметры, процесса; по сути, процесс становится более управляемым, однако возникает явление нестабильности расплавленной зоны. Суть эффекта в относительной независимости поведения зоны расплава от источника нагрева, при котором зона, образованная под действием луча, в дальнейшем существует независимо от подводимой энергии, неконтролируемо перемещаясь в плоскости структуры.
Нижняя граница диапазона фоновых температур определяется свойствами структуры выдерживать термомеханические напряжения без разрушения. Для зоны тепловыделения линейной формы экспериментально установлен порог фоновой температуры «550С. Обработка при более низкой; фоновой температуре вызывает разрушение структуры.
Пороговая температура определяется режимом обработки и толщиной основания и практически не зависит от параметров верхних слоев. Последний вывод подтверждается практически одинаковой температурой разрушения у структур и у чистых кремниевых пластин.
Анализ причин, вызывающих разрушение, свидетельствует в пользу термомеханических напряжений, действующих в основании структуры, как по глубине, так и параллельно поверхности. Напряжения, возникающие на границах слоев кремний-окисел, вызывают деформацию пластин. Соблюдение технологических норм чистоты практически исключает отслаивание слоев окисла, поликремния (за исключением случаев агломерации расплава) и металлических пленок, используемых для стабилизации ванны расплава.
Разрушение структуры под действием термомеханических напряжений — характерная черта методов рекристаллизации, формирующих зону нагрева значительных размеров. Обработка лучом точечной формы (0»5Омкм) не вызывает разрушения и при более низких температурах. Однако это не относится к микротрещинам и структурным дефектам, неизменно присутствующим в рекристаллизованном слое.
Исследование морфологии рекристаллизованного кремния
Динамическая неоднородность зоны расплава, возникающая в силу if/ локальности области тепловыделения; и нестабильности параметров процесса, в условиях реальной структуры приводит к перераспределению расплавленного поликремния, вследствие чего происходит изменение морфологии рекристаллизованного слоя. Морфологические изменения — существенный недостаток методов: зонной рекристаллизации, накладывающий жесткие требования на технику проведения процесса.
Технически проблема морфологии проще решается в методах ф микрозонной плавки, т.к. при- прочих равных условиях небольшую область расплава легче удержать в «берегах» твердого основания. Уменьшение области расплава приводит к снижению производительности метода, рекристаллизованный слой приобретает характерную блочную структуру с локализацией межблочных границ в местах стыковки области расплава i-ro прохода с закристаллизовавшейся областью i-1-го прохода. С ростом размеров области, одновременно находящийся; в расплаве, появляется ряд эффектов слабо выраженных для области расплава при микрозонной плавке.
Вопросы морфологии приобретают значимость в связи с практическим освоением методов рекристаллизации, являясь по сути индивидуальной характеристикой метода. Режим обработки, параметры составляющих структуру слоев, оказывают непосредственное влияние на характер процессов происходящих в зоне плавления. В данном случае особая роль отводится защитному покрытию, оптимизация свойств которого позволяет стабилизировать зону расплава.
В процессе экспериментов исследовалась роль защитного покрытия, в качестве которого использовался окисел, сформированный следующими способами: осаждением в реакторе атмосферного давления; разложением силана в плазме ВЧ-разряда; ВЧ-распылением БЮг. Использовались,так же комбинированные слои, состоящие из окислов, полученных перечисленными методами; и термического окисла, суммарной толщиной 0,1-2 мкм. Поликремний для исследуемых структур выращивался методом пиролиза силана, нижний окисел - термическим окислением, с толщинами 0,65 и 0,6 мкм соответственно.
Критерием оптимальности процесса рекристаллизации служило условие полного плавления рекристаллизуемого слоя с минимальным оплавлением основания. Граница плавления в подложке определялась косвенно по измерению концентрации дислокаций на границе расплав - твердое тело.
Серия экспериментов, проведенных на указанных структурах, выявила существование двух видов морфологических нарушений поверхности: разрыв и: отслоение верхнего защитного покрытия с разбиением слоя поликремния не обособленные: капли и перераспределение расплава без разрушения защитного покрытия; В первом случае происходит разрушение структуры; во втором - происходит перераспределение расплавленного поликремния и, в зависимости от свойств защитного окисла, образование характерного рельефа. Нарушения второго вида серией мер предварительного характера можно минимизировать, до приемлемых значений;
Эксперименты на структурах с защитным диэлектриком, сформированным различными способами, показали, что наибольшей «стойкостью» к отслаиванию обладает термический окисел, выращенный на основе поликремния. Запас прочности других окислов столь мал, что минимальная нестабильность расплава вызывает разрушение структуры. Расстояние от границы! начала плавления до области разрушения слоя не превышало 1-2 мм в направлении движения луча. Использование термического окисла толщиной ОД мкм и более позволяет полностью исключить отслаивание защитного покрытия. Аналогичным свойством обладает покрытие представляющее собой комбинацию тонкого (0,1-0,2 мкм) термического и полученного другим способом окислов. Термическая обработка структур с комбинированным окислом, второй слой которого выращен низкотемпературным способом, предотвращает гофрирование рекристаллизуемого слоя, стабилизирует ванну расплава, рис ЗЛЗ а. Относительно «рыхлые» слои» комбинированного защитного 8102 (Тосажд. = 300С) напротив не в состоянии стабилизировать расплав рис З. 13 б. Те же структуры после отжига при Т=500С, 1=60 мин или структуры с комбинированным окислом, верхний слой которого получен методом пиролиза силана в реакторе атмосферного давления (Тпир. = 450С) после рекристаллизации имеют рельеф вытянутых, преимущественно по линиям скольжения возвышенностей рис 3.13 в. Дефекты - смыкание окислов верхнего и нижнего, на структурах с жестким покрытием встречаются значительно реже.
Морфология поверхности слоев поликремния, содержащих тонкий защитный термический окисел (0,1-0,2 мкм) весьма развита рис 3.14 а. Период морфологических возмущений расплава значительно меньше, чем у слоев поликремния с толстым защитным покрытием. Границы монокристаллических блоков совпадают с гранями многих крупных морфологических дефектов.
Другой вид морфологических дефектов обусловлен началом плавления подложки и имеет место при наличии достаточно «жесткого» защитного покрытия. Незначительное увеличение энергии луча относительно рассчитанного ведет к образованию областей плавления подложки [106]. Дальнейшее увеличение глубины плавления подложки вызывает гофрирование нижней грани слоя поликремния, рис 3.146. Этот вид дефектов характерен для структур с тонким (0,3-0,5 мкм) нижним окислом. Направление гофр совпадает, с направлением движения луча и в небольших пределах может изменяться продольным, относительно фронта плавления, градиентом температуры.
Исследовались стабилизирующие свойства защитных покрытий, состоящих из слоя окисла и пленки металла толщиной 0,2-0,45 мкм. Эффект стабилизации ванны расплава отмечен на тонких (0,1-0,3 мкм) слоях защитного окисла рис 3.14в. Структуры с толстыми слоями БЮг слабо чувствительны к присутствию металла.
Интерпретация результатов опытов на структурах с различными параметрами слоев и процессов позволяет делать вывод о значительном влиянии состояния межслойных границ на морфологию поверхности пленок. Устойчивость защитного диэлектрика к отслаиванию, способность предотвращать разбиение слоя поликремния на капли определяется чистотой границ слоев окисел-поликремний. Недостаточно тщательная очистка, длительное межоперационное время способствуют дополнительной; адсорбции примесей, следствием которой является разрушение структуры при обработке. Исследования, выполненные на; мелкодисперсном поликремнии, методом ОЖЭ - спектроскопии показывают существование на поверхности слоя примесей в форме атомарного углерода и кислорода, пики 272 эВ и 503 эВ соответственно, рис ЗЛ5 Травление поверхности; ионами аргона вызывает десорбцию примесей, вследствие чего пики углерода и кислорода ослабевают, пик кремния усиливается.
Длительная высокотемпературная обработка поликремния перед противоагломерационные свойства; защитного слоя. Способность термического окисла предотвращать агломерацию объясняется подвижностью границы окисел-поликремний, вследствие перемещения