Фотонно-стимулированные технологические процессы микро- и нанотехнологии

Игорь Житяев

В пособии рассмотрены взаимодействие световых потоков с полупроводниковой структурой, режимы обработки, процессы отжига и рекристаллизации поликремниевых и аморфных слоев, отжига и легирования полупроводниковых структур, формирование контактно-металлизационной системы, планаризация, а также получение диэлектрических пленок. Учебное пособие может быть использовано при подготовке магистров по направлениям 28.04.01 – Нанотехнологии и микросистемная техника, 11.04.03 – Конструирование и технология электронных средств, 11.04.04 – Электроника и наноэлектроника в курсе «Лучевые процессы нанотехнологии».

Введение

В настоящее время фотонно-стимулированные технологические процессы на основе лазерных и некогерентных источников излучения прошли стадию лабораторных исследований и все шире используются в производственных процессах. Они стали одним из приоритетных направлений современного научно-технического прогресса. Это обусловлено широкими возможностями лазерных технологий, связанных с простотой управления, энергетическими и пространственными характеристиками лазерного излучения, возможностью осуществления локальности теплового воздействия и обработки материалов на воздухе или в специальных средах, отсутствием загрязнений, высокой производительностью и возможностью автоматизации процессов обработки [1-10].

За последние годы кроме традиционных появились новые области применения лазерного излучения для обработки материалов. Это лазерные технологии обработки порошковых материалов, лазерные технологии формирования покрытий, лазерная гальванотехника, технологии разделения хрупких неметаллических материалов путем формирования поверхностной трещины под действием лазерного луча, технологии быстрого прототипирования, т.е. создания сложных пространственных форм изделий с помощью лазерного излучения.

Особенно впечатляющие результаты получены в области бурно развивающейся в настоящее время лазерной технологии создания микроструктур больших интегральных схем (БИС), технологии создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) в замкнутом объеме («in situ») методами лазерографии, лазерной технологии создания специализированных заказных и полузаказных СБИС, а также в новых областях развития современного приборостроения на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектроники.

На основе ксеноновых и галогенных ламп при длительных облучениях в секундном диапазоне градиент температуры по толщине пластины незначителен. Это не создаст предпосылок для образования термонапряжений в облучаемых структурах. В литературе эти процессы называют быстрой термической обработкой (БТО), скоростной обработкой (rapid thermal processing — RТР) и быстрым термическим отжигом (rapid thermal annealing — RTA). Важным преимуществом этих процессов является возможность тотальной обработки полупроводниковых пластин и микроструктур, низкое энергопотребление, невысокая стоимость оборудования и широкие функциональные возможности. Возможности этого метода значительно расширяются в технологии изготовления СБИС в случае использования комбинированных источников излучения: лазерных и некогерентных. Это позволяет целенаправленно управлять скоростью химических реакций в газовой среде и на поверхности обрабатываемых полупроводниковых структур. Например, ускоренное фотонно-стимулированное окисление всей поверхности пластин методами быстрой термообработки с использованием некогерентных источников излучения и последующее проведение локальных микрогетерогенных реакций осаждения, испарения, легирования, травления различных материалов с помощью лазерного излучения [4-7].

Развитие микроэлектроники с увеличением плотности элементов потребовало таких высокотемпературных технологических операций, которые бы не приводили к изменению профиля ионно-легированной примеси в активных областях СБИС. С увеличением быстродействия ИС необходимо было разработать технологические процессы, которые бы позволяли уменьшить глубину p–n-переходов, наносить ультратонкий подзатворный диэлектрик, изготавливать контакты к мелкозалегающим p–n-переходам. Это можно осуществить при адиабатическом режиме нагрева фотонным излучением полупроводниковых структур, при котором световой поток поглощается, и нагревается только приповерхностная область, а в объеме полупроводниковой пластины температура недостаточна для перераспределения примесей и изменения геометрии p–n-переходов. Этим требованиям полностью удовлетворяет лазерное излучение на длинах волн менее 400 нм при длительностях излучения 10^-15-10^-6 с. Высокая плотность светового потока, селективность воздействия лазерного излучения на обрабатываемые микроструктуры, импульсный характер, локальность и монохроматичность позволили его использовать на операциях отжига и рекристаллизации полупроводниковых слоев.

Полученные результаты позволили разработать технологические процессы лазерографии: локальное травление и осаждение микроструктур, легирование, создание контактно-металлизационной системы, программирование СБИС. Монохроматичность излучения позволила осуществить инициализацию химических реакций очистки, травления, осаждения материалов на поверхности полупроводниковой структуры. В основе этих реакций лежат не термические, а фотонно-стимулированные низкотемпературные процессы, связанные с резонансным воздействием на рабочую среду энергии излучения, достаточной для разрыва связей химических соединений. Это позволило воздействовать только на определенные типы молекул рабочей среды. Селективность воздействия лазерного излучения снизила на несколько сот градусов температуру технологических процессов без ухудшения электрофизических характеристик структур СБИС [3, 5, 8].

При использовании коротковолнового излучения энергии фотонов становится достаточной для возбуждения фотохимических реакций в газовой среде или на поверхности обрабатываемого материала. В результате температура технологических процессов может быть снижена до 300 °С и менее. Кроме того, на этих длинах волн преобладает приповерхностное поглощение светового потока. Это позволяет при уменьшении длительности импульса светового потока значительно уменьшить перераспределение примеси и повысить быстродействие полупроводниковых приборов и интегральных схем.

В табл. 1 показаны области применения и характеристики фотонного излучения, которые необходимы для осуществления различных технологических процессов. Как видно из табл. 1, для реализации фотонных технологических процессов в микроэлектронике используется широкий диапазон частот и мощностей лазерных и некогерентных источников излучений.

Таблица 1

Области применения фотонно-стимулированных технологических процессов в микро — и нанотехнологии

На рис. 1 приведены традиционные и фотонно-стимулированные технологические процессы, реализуемые с помощью лазерных и некогерентных источников излучения в производстве СБИС. Как видно из рисунка, возможности фотонных технологий значительно превышают возможности традиционных изотермических процессов. Некоторые из представленных процессов уже широко используются в технологии изготовления ИС. Некоторые, например геттерирование полупроводниковых структур на заключительных операциях изготовления ИС, получение графеновых пленок, изготовление автоэмиссионных структур, ещё находятся на стадии апробации и лабораторных исследований.

Анализ полученных результатов в области лазерных технологий показывает, что сдерживающим фактором при внедрении в промышленное производство применительно к микроэлектронике является недостаточная изученность физических процессов взаимодействия лазерного излучения с полупроводниковыми и пленочными структурами, отличающимися по своим оптическим и теплофизическим характеристикам. Кроме того, при лазерной обработке компонентов интегральных схем не всегда учитываются нелинейные параметры теплоемкости, теплопроводности, коэффициентов поглощения и отражения обрабатываемых структур, оказывающих существенное влияние на режимы обработки и воспроизводимость параметров технологического процесса. Сдерживающим фактором, несмотря на достигнутые успехи, является также недостаточный выбор источников лазерного излучения и отсутствие лазерного промышленного оборудования.

Успехи фотонных технологий были бы невозможны без достаточно развитой техники лазерного приборостроения и оборудования быстрой термической обработки полупроводниковых структур БИС, использующих некогерентные источники излучения.

Рис. 1. Классификация традиционных и фотонно-стимулированных технологических процессов