Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Формирование мелкозалегающих легированных слоев в кремнии диффузией из поверхностного источника в условиях быстрой термической обработки

Диссертация: Формирование мелкозалегающих легированных слоев в кремнии диффузией из поверхностного источника в условиях быстрой термической обработки
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Во второй главе рассмотрены современные представления о диффузии примесей в кремнии. Проанализированы известные модели диффузии. Рассмотрена модель диффузии примеси в кремнии при БТО. Приведены расчетные данные распределения примеси, точечных дефектов и дефектно-примесных комплексов в процессе диффузии. Установлена зависимость между скоростью нагрева и временем распада комплексов. Предложена… Читать ещё >

Формирование мелкозалегающих легированных слоев в кремнии диффузией из поверхностного источника в условиях быстрой термической обработки (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ВВЕДЕНИЕ
  • 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ МЕТОДОВ ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ
    • 1. 1. Методы формирования мелкозалегающих слоев в кремниевых структурах
    • 1. 2. Анализ известных экспериментальных данных по диффузии примесей в кремний в условиях БТО.&
  • Выводы
  • 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ ЗАМЕЩЕНИЯ В КРЕМНИИ ПРИ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ. Д?
    • 2. 1. Современные представления о диффузии примесей замещения в кремнии
    • 2. 2. Моделирование диффузии примеси замещения в кремний при ЪТО
  • Выводы
  • 3. ДИФФУЗИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ КРЕМНИЯ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ В УСЛОВИЯХ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.££
    • 3. 1. Диффузия фосфора из легированной силикатной пленки
    • 3. 2. Диффузия фосфора из легированной анодной оксидной пленки
  • Выводы. .Я
  • 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР, ПОЛУЧЕННЫХ ДИФФУЗИЕЙ ИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО ИСТОЧНИКА ПРИ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ. V
    • 4. 1. Влияние БТО на электрические параметры полупроводниковых структур
    • 4. 2. Геттерирование металлических примесей в процессе диффузии фосфора из легированной силикатной пленки в условиях БТО
  • Выводы

Актуальность темы

.

При переходе к субмикронным размерам происходит вытеснение активных областей элементов интегральных схем в приповерхностный слой. В связи с этим обостряется проблема стабилизации геометрических параметров этих областей при термических обработках. Последнее требует совершенствования технологии микроэлектроники, которое ведется по пути снижения температуры (с использованием нетермически активируемых процессов) или сокращения длительности высокотемпературной обработки.

Среди новых методов, интенсивно внедряемых в процесс изготовления интегральных схем, важное место занимает быстрая термическая обработка (БТО), которая является перспективным методом для формирования мелкозалегающих слоев диффузией из различных источников, что обусловлено, прежде всего, низкой дефектностью диффузионных слоев по сравнению с ионно-легированными.

Высокое качество и малая глубина залегания переходов являются одними из главных условий, которые ставятся при получении быстродействующих интегральных схем, солнечных элементов и датчиков ионизирующих излучений. Для этого необходим тщательный контроль всех технологических операций, который может быть достигнут при интеграции технологического оборудования в единый замкнутый модуль. Наметившийся в последнее время переход от групповой к поштучной обработке подложек, предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию. В этом отношении, экономичность, высокая точность контроля режимов обработки делают БТО незаменимым процессом субмикронной технологии.

Однако присутствие некоторых особенностей применения БТО в технологических процессах по сравнению с традиционными длительными термическими операциями, а также невозможность объяснения их в рамках известных моделей сдерживает интенсивное внедрение БТО в серийное производство. Так, до сих пор не выяснен механизм ускоренной диффузии примеси при БТО, который во многом определяется взаимодействием примеси с точечными дефектами.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является разработка модели диффузии примеси в кремний при быстрой термической обработке и исследование температурно-временных режимов формирования мелкозалегающих легированных слоев в кремнии диффузией из поверхностных источников в условиях быстрой термической обработки некогерентным излучением.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

— разработать модель поведения дефектно-примесной системы в кремнии при быстрой термической обработке;

— проанализировать влияние режимов нагрева на распределение примеси в легированном слое;

— оценить влияние дефектов, генерируемых при БТО, на характеристики полупроводниковых приборов и исследовать температурно-временные циклы нагрева с целью геттерирования остаточных дефектов.

Научная новизна.

— предложена модель диффузии примеси из поверхностного источника, учитывающая кинетику взаимодействия точечных дефектов с атомами примесипоказано, что на начальной стадии процесса преобладающим является межузельный механизм диффузии;

— установлено, что ускорение диффузии фосфора в кремний при БТО определяется комплексами примесный атом — собственный межузельный атом кремния и проявляется при скоростях нагрева свыше 50 °С/с;

— установлена корреляция между распределением примеси в легированной анодной оксидной пленке (АОП) и кремниевой подложке, проявляющаяся при БТО в секундном диапазоне;

— на основе термодинамического анализа реакций окисления кремния в 10%-ом растворе ортофосфорной кислоты в этиленгликоле объясняется неравномерное распределение примеси в АОПустановлено, что фосфор в АОП может находиться как в виде оксида — Р2О5, так и в элементарном виде — Р.

Практическая ценность работы.

— выработаны рекомендации по выбору температурно-временных режимов формирования мелкозалегающих р-п-переходов диффузией из легированных силикатных и анодных оксидных пленок в условиях БТО;

— разработан пакет программ в системе МАТЬАВ, позволяющий рассчитывать пространственно-временные распределения примеси и точечных дефектов.

Основные положения, выносимые на защиту.

— модель диффузии примеси замещения в кремнии в условиях БТО;

— ускорение диффузии определяется комплексами примесный атомсобственный межузелъный атом кремния;

— ускорение диффузии фосфора в кремний проявляется при скоростях нагрева свыше 50 °С/с;

— при формировании легированного слоя диффузией фосфора из легированной силикатной пленки в условиях БТО происходит геттерирование неконтролируемых металлических примесей в подложке.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен обзор известных методов формирования мелкозалегающих слоев, которые можно выделить в три группы: 1) ионная имплантация, 2) диффузия из твердофазных источников, 3) диффузия из газовой фазы. Кратко рассмотрены их достоинства и недостатки. Проведен анализ известных экспериментальных данных по диффузии примесей в условиях быстрой термической обработки.

Во второй главе рассмотрены современные представления о диффузии примесей в кремнии. Проанализированы известные модели диффузии. Рассмотрена модель диффузии примеси в кремнии при БТО. Приведены расчетные данные распределения примеси, точечных дефектов и дефектно-примесных комплексов в процессе диффузии. Установлена зависимость между скоростью нагрева и временем распада комплексов.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты по легированию кремния фосфором при быстрой термической обработке из легированных силикатных и анодных оксидных пленок. Проведено исследование влияния скорости нагрева на диффузию. Исследована взаимосвязь между распределением примеси в легированной АОП и в кремниевой подложке при БТО. Рассмотрены причины неравномерности распределения примеси в анодной пленке.

В четвертой главе проведено исследование влияния режимов обработки на электрические характеристики полупроводниковых структур. Продемонстрирована возможность геттерирования остаточных примесей из подложки при формировании легированного слоя диффузией фосфора из силикатной пленки при БТО.

В заключении изложены выводы и основные результаты работы.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложена модель диффузии примеси из поверхностного источника, учитывающая кинетику взаимодействия точечных дефектов с атомами примеси и позволяющая рассчитывать профили распределения примеси с учетом скорости нагрева. На основе предложенной модели установлено, что ускорение диффузии примеси определяется комплексами примесный атомсобственный межузелъный атом кремния.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что ускорение диффузии фосфора в кремний при БТО проявляется при скоростях нагрева свыше 50 °С/с. Показано, что при формировании мелкозалегающих р-п-переходов диффузией из поверхностного источника в условиях БТО необходимо учитывать скорость нагрева.

3. Экспериментально установлена корреляция между распределением примеси в легированной анодной оксидной пленке и в кремниевой подложке при быстрой термической обработке в секундном диапазоне. Показано, что для исключения влияния неравномерности распределения примеси в пленке на распределение ее в кремнии анодные оксидные пленки следует использовать для формирования слоев с глубиной залегания более 0.25 мкм.

4. На основе термодинамического анализа реакций окисления кремния в 10%-м растворе ортофосфорной кислоты в этиленгликоле предложено объяснение неравномерности распределения примеси в анодной: оксидной пленкеустановлено, что фосфор в анодной оксидной пленке может находиться как в виде оксида Р2О5, так и в элементарном виде Р.

5. Установлена возможность генерирования неконтролируемых металлических примесей легированной силикатной пленкой в процессе диффузии фосфора в кремний в условиях БТО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Технология СБИС. Кн. 1. Пер. с англ./Под ред. С.Зи. -М.:Мир, 1986.- 404с.
  2. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов. Пер. с англ./ Под. ред. П. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У.Оуадхома. М.: Радио и Связь, 1988. — 496 с.
  3. К.О., Мазинг О. В. Моделирование диффузии примесей в кремнии.// Зарубежная электронная техника, 1991, № 5−6, с.3−86.
  4. K.T. Kim and С. K. Kim Formation of shallow p±n junctions using boron nitrid solid diffusion source // IEEE Electron Device Lett., vol. EDL-8, p.569, Dec. 1987.
  5. H.J. Bohm, H. Wendt, H. Oppolzer, K. Masseli. Diffusion of В and As from policristalline silicon during rapid optical annealing // J. Appl. Phys. vol. 62, no. 7, p.2784, 1987.
  6. C.M. Osburn, S. Chevarcharoenkul, G.E. McGuire. Junction formation and poly-Si doping for scaled submicron CMOS technology // J. Electrochem. Soc., vol. 139, no. 8, p. 2287,1991.
  7. T.D. Kamins. Preparation and properties of polycrystalline silicon films. In Handbook of semiconductor silicon technology, W.C.O. O’Mara, R.B. Herring, L.P. Hunt., Eds. Park Ridge, NJ: Novel Publications, 1990.
  8. C.M. Osburn. Formation of silicide, ultra-shallow junctions using low thermal budget processing // J. Elecronic Materials, vol. 19, no. 1, p. 67, 1990.
  9. K.H. Weiner, T.W. Sigmon. Thin-base bipolar transistor fabrication using gas immersion laser doping 11 IEEE Electron Device Lett., vol. 10, p. 260, June 1989.
  10. J.I. Nishizawa, K. Aoki, T. Akamine. Simple-structured PMOS-FET fabricated using molecular layer doping// IEEE Electron Device Lett., vol. 11, p. 105, Mar. 1990.
  11. Yukihiro Kiyota, Takahiro Onai, Tohoru Nakamura et. all. Ultra-thin-base Si bipolar transistor using rapid vapor-phase direct doping (RVD) // IEEE Trans. Electron Device, vol. 39, p. 2077, Sept. 1992.
  12. C.M. Ransom, T.N. Jacson et. all. Shallow n±junctions in silicon by arsenic gas-phase diffusion // J. Electrochem. Soc., vol. 141, no. 5, 1994.
  13. S. Qin, N.E. McGrruer, C. Chan, K. Warner. Plasma immersion ion implantation doping using a microwave multipolar bucket plasma // IEEE Trans. Electron Device, vol. 39, p. 2354, Oct. 1992.
  14. Masayasu Miyake, Shinj Aoyama. Transient enhanced diffusion of ion-implanteed boron in Si During Rapid Thermal annealing// J.Appl.Phis. 63(5), 1 March 1988.
  15. Pennycook S.J., Narayan J., Holland O.W. Transient enhanced diffusion during furnace and rapid thermal annealing of ion implanted silicon.// J. Electrochem. Soc., 1985, vol. 132, no. 8, pp. 1962−1968.
  16. J.P. de Sousa, C.M. Hasenck, J.E. Swart. The doping of silicon with boron by rapid thermal processing// Semicond. Sci. Technol. 3 (1988), pp.277−280.
  17. Byung-Jin Cho, Sung-Kye Park, Choong-Ki Kim. Estimation of Effectiv Diffusion Time in Rapid Thermal Diffusion Using a Solid Diffusion Sourse // IEEE Trans. Electron Devices, vol.39, no.1, pp.111−117, 1992.
  18. A.Usami, M. Ando, M. Tsunekane, T.Wada. Shallow-Junction Formation on Silicon by Rapid Thermal Diffusion of Impurities from a Spin-on Sourse // IEEE Trans. Electron Devices, vol.39, no.1, pp.105−110, 1992.
  19. W.Zagozdon-Wosik, P.B.Grabiee, G.Lux. Fabrication of Submicron Junctions -Proximity Rapid Thermal Diffusion of Phoshoms, Boron and Arsenic // IEEE Trans. Electron Devices, vol.41, no. 12, pp. 2281−2290, Dec. 1994.
  20. B.E., Юдин С. Г. Легирование кремния фосфором из поверхностного источника в процессе секундной термообработки светом // Электронная техника. Сер. Материалы. 1987, № 5, с.32−35.
  21. В.Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве/ Под. ред. В. А. Лабунова. Мн.: Навука i тэхнпса, 1992. -248 с.
  22. В.В., Машовец Т. В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. М.: 1981.
  23. R.B. Fair. Diffusion and defect data. 1984, v. 37, p. 1.
  24. P.M.Fahey, P.B. Griffin and J.D.Plummer. «Point defects and dopant diffusion in silicon» // Rev. Mod. Phys., vol. 61, no.2, pp.289−384, 1989.
  25. R.A. Swalin. J. Appl. Phys., 1958, v. 29, no 2, p. 670.
  26. Simmons R.O., Baluffi R.W. Phys. Rev., 1960, 117,52.
  27. Hu S.M. Phys. Status Solidi, 1973, B60, 595.
  28. Ш. и др. Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы: пер. с англ. М., 1980, с.174−183.
  29. Ни. S.M. J. Appl. Phys., 1974, v. 45, no. 4, p. 1567.
  30. D.A. Antoniadis, I. Moskowitz. J. Appl. Phys., 1982, v. 53, no. 12, p. 9214.
  31. A.M. Lin, D.A. Antoniadis, R.W. Dutton J. Appl. Phys., 1983, v. 54, no. 9, p. 5049.
  32. R.B. Fair. J. Appl. Phys., 1979, v. 50, no. 1, p. 267.
  33. S.M. Hu, P.M. Fahey, R.W. Dutton. On models of phosphorus diffusion in silicon. // J. Appl. Phys., 1983, v. 54, no. 12, p. 6912−6922.
  34. W.B.Richardson, B.J.Mulvaney Plateau and kink in P profiles diffused into Si: a result of strong bimolecular recombination? // Appl. Phys. Lett, vol.53, no.20, 1988, pp.1917−1919.
  35. Моделирование полупроводниковых приборов и технологических процессов. Последние достижения. Под. ред. Д. Миллера, пер. с англ. М.: «Радио и связь», 1989, с. 203.
  36. D.Mathiot, J.C.Phister. J. Phys. Lett., 1982, v. 43, no. 3, p. L453.
  37. C.S. Nichlos, C.G. Van de Walle, S.T. Pantelides Mechanisms of dopant impurity diffusion in silicon.// Phys. Rev. B, vol.40, no.8, pp. 5484−5496.
  38. D.Mathiot and J.C.Phister Dopant diffusion in silicon: A consistent view involving non-equilibrium defects.// J. Appl. Phys., vol.55, no. 10, pp.3518−3530, May 15, 1984.
  39. B.Baccus, T. Wada, N. Shigyo, M. Norishima, H. Nakajima A study of nonequilibrium diffusion modeling application to rapid thermal annealing andadvanced bipolar technologies. // IEEE Trans. Electron Devices, 1992, vol.39, no.3, pp.648−661.
  40. Morin F.J., Maita J.P. Electrical propeties of silicon containing arsenic and boron. //Phys. Rev. 1954. vol. 96, no. 1, pp.28−35.
  41. А.А. Теория разностных схем. M.: Наука. 1977. — 656 с.
  42. A. Arbel, М. Natan. Effective diffusion time during rapid thermal processing. // J. Appl. Phys. 1987, v. 61, no. 3, p. 1209.
  43. W.B.Richardson, B.J.Mulvaney Nonequilibrium beheavor of charged point defects during phosphorus diffusion in silicon. // Appl. Phys. Lett, vol.65, no.6, 1989, pp.2243−2247.
  44. Д. А., Светличный A. M., Бурштейн В. M., Воронцов П. В., Поляков В. В., Соловьев С. И., Агеев О. А. Вакуумная установка импульсной термической обработки ИТО-18МВ // Электронная промышленность. 1991.№ 5, с.6−7.
  45. В.Г., Зайцевская З. А., Звездочкин А. Р., Зиновьев К. В. Применение силикатных пленок, полученных из растворов, в планарной технологии. // Электронная промышленность. 1978, № 1, с. 44−48.
  46. В.В., Зиновьев К. В., Стребков Д. С., Сурьянинова Т. Н. Использование растворных композиций при низкотемпературной диффузии фосфора и бора в кремний. // Электронная промышленность. 1980, № 1, с. 53−55.
  47. Д.А., Светличный A.M., Соловьев С.И, Варзарев Ю. Н. Легирование кремния фосфором в процессе быстрой термической обработки. // Известия ТРТУ, 1997,№ 1, с. 165−167
  48. В.В., Прихотько Н. Е., Борисенко В. Е. Тонкие неорганические пленки в микроэлектронике. 1971.
  49. Ю.Д., Бредихин И. С., Милешко Л. П. Анодные окисные пленки как твердый диффузант в планарной технологии. Зарубежная электронная техника. 1976, № 13 (134), с.3−38.
  50. И.А., Милешко Л. П., Срывкин Ю. М. Состав и строение легированных анодных оксидных пленок кремния Физика окисных пленок: Тезисы докладов II Всесоюзной научной конференции. 4 1, — Петрозаводск, 1987, с. 18.
  51. Д.А., Варзарев Ю. Н., Милешко Л. П. Особенности диффузии фосфора из анодной оксидной пленки в условиях быстрой термической обработки. // Известия вузов. Электроника. -1997, № 5, с. 48−50.
  52. Ю.А., Колокольников Б. М., Свешников A.A. Электрические свойства дефектов, образующихся при импульсном фотонном отжиге кремния.// Физика и техника полупроводников, 1988, т.22, № 9, с. 1708−1710.
  53. J.T. // Appl. Phys. Lett., 1986, 49, no. 4, pp. 199−200.
  54. Quat V.T. et al. Electron diffusion length in rapid thermal processed p-type silicon. //Appl. Phys. Lett. 1988, v. 53, no. 20, pp. 1928−1930.
  55. Adekoya W-O, Muller J-C, Siffert P. Electrical effects of surface and deep states induced in n-type silicon by rapid thermal processing // Appl. Phys. Lett., 1987, 50, no. 18, pp. 1240−1242.
  56. Lu, F. Lu, H. Sun. Electrically active defects in n-type silicon induced by rapid thermal annealing// Semicond. Sci. Techol. 1992, no. 7, pp. 918−922.
  57. C.J.Varker, K.V.Ravi // Appl. Phys. Lett., 1974, 45, pp. 272.
  58. К.Рейви. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии./ Пер. С англ. -М.: Мир, 1984.-475 с.
  59. Hartiti, J.C. Muller, P. Siffert. Defect generation and gettering during rapid thermal processing. //IEEE Trans. Electron Devices. 1992, v.39, no. l, p.96−104.
  60. J.S. Kang, D.K. Schrder. Gettering in silicon. // J. Appl. Phys., 1989, v.51, no.8, pp.2974−2985.
  61. A. Goettzberger, W Shockley. Metal precipitates in Si p-n junctions. // J. Appl. Phys., 1960, v.31, no. 10, pp.1821−1824.
  62. J.E.Lawrence. Trans. AIME, 242, 484 (1968).
  63. Д.А., Светличный A.M., Соловьев С. И., Агеев О. А. Влияние скорости нагрева на возникновение термонапряжений в кремниевой пластине при быстром термическом отжиге. // Физика и химия обработки материалов, 1992, № 5, с.46−52.
  64. Vandamme L.K. Noise as a diagnostic tool for qualitu and Reliability of electronic devices.// IEEE Trans. Electron. Dev. 1994, v.41, no. l 1, pp.2176−21−87.
  65. A.M., Коледов JI.А., Уваров Е. Ф. Спектр шума кремния с дислокациями.// ФТП, 1980, т. 14, с. 581.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!