6.2. Отжиг дефектов и электрические свойства слоёв
Появление дефектов в результате ионного легирования пластин ИС приводит к определённым изменениям свойств материала. Для полупроводниковых слоёв такие изменения почти всегда нежелательны, поскольку радиационные дефекты уменьшают подвижность и время жизни основных носителей заряда. Однако на диэлектрические и металлические слои дефекты могут иногда оказывать положительное влияние:
изменить коэффициент преломления в приповерхностных слоях световодов;
захватывать в SiO2 дефектными центрами ионы модификатора;
повышать скорость травления плёнок SiO2;
упрочнять поверхностный слой.
Отжиг почти всегда или уменьшает концентрацию дефектов в монокристаллических слоях, или снижает отрицательное воздействие дефектов на электрические свойства полупроводниковых структур. При этом имплантированная примесь может диффундировать в наиболее дефектную область структуры – к поверхности (другими словами, профиль распределения примеси сдвигается к поверхности).
Перечислим параметры материала, наиболее чувствительные к радиационным дефектам в полупроводниковых ИС:
время жизни неосновных носителей заряда τs;
поверхностное сопротивление
;поверхностная ns и объёмная nv концентрация носителей заряда;
подвижность μv неосновных носителей заряда в легированных слоях;
распределение μv и nv по глубине слоя;
эффективность легирования ns / Ns (Ns – поверхностная концентрация примесей).
Перечисленные свойства легированных полупроводниковых слоёв зависят в значительной степени от местоположения имплантированной примеси в решетке кристалла.
Отжиг при высоких температурах (~800-1000°С) способствует повышению скорости диффузии атомов и одновременному уменьшению концентрации дефектов, что приводит систему в более равновесное состояние. В результате легирующие примеси занимают преимущественно узлы решетки и становятся электрически активными, играя роль доноров или акцепторов в полупроводниковом слое. Очевидно, что вероятность занять место в узлах решётки для различных примесных атомов будет различна. Так, например, тяжёлым атомам III – группы (Ga, In, Tl) труднее занять места в узлах решетки кремния, чем легкому бору.
При термической обработке структуры протекает одновременно несколько процессов: диффузия примесей, отжиг дефектов, ассоциация (диссоциация) ранее образованных дефектных комплексов.
Поскольку имплантация легирующих примесей в полупроводниковую пластину происходит в локализованных областях, определяемых топологией пластины ИС, то отжиг всей пластины не является удачным технологическим решением в производстве микросхем. Поэтому ведутся широкие исследования, направленные на поиск и разработку методов локального отжига участков полупроводниковой пластины, никак не затрагивающие смежные области кристалла ИС. Результатом этих исследований стало появление импульсного локального отжига.
6.3. Импульсный лазерный отжиг
Импульсный локальный отжиг устраняет радиационные дефекты и переводит внедренные примеси в электрически активное состояние. При использовании лазеров непрерывного действия механизм отжига несколько усложняется в связи с появление ряда побочных явлений. Для импульсного лазерного отжига пригодны различные лазеры с длиной волны излучения 0,26−10,6 мкм, работающие в режимах синхронизации мод, модуляции добротности и свободной генерации.
Как уже отмечалось ранее, при ионной имплантации наиболее сильно разупорядоченным оказывается поверхностный слой полупроводника на глубине, не превышающий 1 мкм. Работа лазера в режиме модулированной добротности обеспечивает эффективный отжиг именно на этой глубине в течение длительности одного импульса лазерного излучения. Для импульсного отжига дефектов ионно-имплантированных слоев применяют рубиновые и неодимовые лазеры, которые позволяют отжигать области микронных размеров, что исключительно важно для технологии производства БИС и СБИС. Перевод аморфного слоя полупроводника, образовавшегося после ионной имплантации, в монокристаллический возможен только при значениях энергии лазерного облучения, превышающих определенные (пороговые) значения. Эти значения энергии напрямую зависят от кристаллографической ориентации пластин. Например, отжиг дефектов на поверхности с ориентацией <111> происходит при несколько больших плотностях энергии лазерного импульса, чем для ориентации <100>.