научная статья по теме ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОР И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОРИСТОМ КРЕМНИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОР И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОРИСТОМ КРЕМНИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 1, с. 57-61

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ

УДК 621.396.69.181.4.002

ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОР И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОРИСТОМ КРЕМНИИ

© 2007 г. А. А. Ковалевский, А. В. Долбик, Д. Н. Унучек, М. В. Тарасиков

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

E-mail: a_Kovalevsky@mail.ru Поступило в редакцию 16.12.2005 г.

Установлено, что процесс трансформации (спекания) пористого слоя кремния начинается у поверхности, т.е. с области с наибольшим нарушением цельности исходного кремния. В этом случае система стремиться к устойчивому состоянию в результате перераспределения плотности нарушенного слоя в процессе массопереноса и развивается вдоль длины пор вплоть до 50 мкм. Малые и мелкие поры закрываются полностью, а поры длиной более 50 мкм остаются до конца незакрытыми со стороны подложки, что подтверждается профилями распределения примеси. Обнаружена тесная корреляция между температурой и временем термического воздействия, уровнем легирования исходной подложки и пористостью ПСК с процессом трансформации (спекания) пор. Повышение температуры и продолжительности термического воздействия, а также уровня легирования исходной подложки вызывает интенсификацию процесса закрытия пор по всей геометрии пористого слоя. Максимальное закрытие пор наблюдается при пористости 15-50%.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы интенсивно ведется поиск эффективных методов диффузии примеси в полупроводниковые материалы на глубину более 100 мкм. Это вызвано потребностью в разработке надежных мощных полупроводниковых приборов [1-4].

Весьма перспективным в этом направлении, казалось бы, должен быть пористый кремний -материал, технология которого достаточно проста и допускает управляемое варьирование параметров пористости в широких пределах [2, 3]. Однако термодинамическая нестабильность этого материала [5, 6] требует как поиска причин такой нестабильности, так и поиска "холодных" процессов, обеспечивающих диффузию примеси с заданным распределением [3] и методов ее сдерживания [4]. Высокотемпературное (>650°С) и долговременное (> 4 ч) воздействие на пористый слой, вызывает трансформацию пор посредством массопереноса, в результате которого малые поры поглощаются большими, а большие закрываются у поверхности. В результате, с одной стороны, происходит потеря уникальных свойств пористого материала, а с другой стороны, неконтролируемое распределение примеси в объеме пористого слоя при диффузии. Использование такого материала в технологии полупроводниковой электроники теряет смысл.

Цель настоящей работы - исследование причин, вызывающих трансформацию пор, и влияние последней на распределение легирующей примеси в объеме пористого слоя, как в условиях

термической, так и в условиях плазменно-стиму-лированной диффузии.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использовались пористые слои кремния толщиной 100 и более микрон с пористостью 15-60%, т.е. пористая область содержала 15-60% пустот на подложках кремния КДБ 10, КЭФ 4.5, КЭФ 20 и КЭО 90, ориентированных как в плоскости (111), так и в плоскости (100).

В качестве источников фосфора, мышьяка и бора использовались соответственно фосфин, ар-син и диборан квалификации ОС.Ч. Температура подложек контролировалась с помощью плати-нородиевой термопары с точностью ±0.1°С.

Традиционное легирование пористых слоев кремния (ПСК) осуществлялось в диффузионной печи "Дон", а плазменно-стимулированное - в модернизированной плазменной установке "Отел-ло-43"

Концентрация легирующей примеси в слоях пористого кремния оценивалась методом вторичной ионной масс-спектрометрии и с помощью рентгеновского анализа с точностью ±0.1%. Послойное травление залегированного слоя пористого кремния осуществлялось в ВЧ плазме в режиме анизотропного травления с точностью 5 нм. Размер и конфигурация пор оценивались с помощью растровой электронной микроскопии.

58

КОВАЛЕВСКИИ и др.

100 ^ 90 180 § 70

—I

160 3 50 40 30 20 10

*

/

- 1 —•— КДБ 10 (111) 2 —■— КЭФ 20 (100) 3 —ь— КЭО 90 (100) /

/

У

г'"

(а)

600

700 800 Т отжига, ]

900 1000 1100 градусах Цельсия

1200 0

КДБ 10 (111) _ КЭФ 20 (100) КЭО 90 (100)

(б)

50 100 150

Время термообработки, мин

200

Рис. 1. Изменение интенсивности закрытия (спекания) пор в пористом слое кремния толщиной 100 мкм с температурой (а) и продолжительностью (б) термического воздействия. Исходные подложки кремния: КДБ 10 {111} (1), КЭФ 20 {100} (2) и КЭО 90 {100} (3). Продолжительность термического воздействия 30 минут (а), температура 850°С (б).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На основании большого числа экспериментов установлено, что при термообработке пористых слоев кремния, начиная с температуры 650°С происходит трансформация пор как в объеме, так и на поверхности пористого слоя. При повышении температуры и увеличении времени термообработки интенсивность процессов, стимулирующих трансформацию пор, заметно активизируется (см. рис. 1). В этих условиях мелкие (1.0-10 нм) поры поглощаются крупными (100-1000 нм). На поверхности слоя крупные поры закрываются и закрывают вход в объем пор, создавая напряженную структуру. При этом из-за больших остаточных механических макронапряжений иногда происходит разрушение структуры в целом. Кроме того, трансформация пор при термообработке, при прочих равных условиях, зависит от ориентации исходной подложки, от уровня ее легирования и от типа легирующей примеси и пористости слоя (рис. 2). Наиболее эффективно трансформация пор происходит на подложках, легированных бором до концентрации 1016 ат см-3, а затем лишь на подложках, легированных фосфором до концентрации фосфора 5 х 1016 ат см-3. Снижение концентрации легирующей примеси в подложке способствует частичному сдерживанию процесса трансформации (спеканию) пор. В этом случае положительный эффект более всего присущ подложкам кремния, легированным фосфором до концентрации фосфора в объеме полупроводника 1015 ат см-3. Вместе с тем, снижение концентрации примеси в подложке вызывает проблемы при формировании пористого слоя в процессе электрохимического анодирования, что, на первый

взгляд, довольно неожиданно, так как требует новых подходов к процессам анодирования.

Более существенная роль бора, как примеси, и ориентация подложек (111) при трансформации ПСК обусловлена причудливой древообразной разветвленной формой пор в ПСК на таких подложках. В этом случае поры различной морфологии характеризуются разной степенью разветвлен-ности и различным отношением длины макропористой структуры к ее поперечным размерам.

Напротив, в случае фосфора и мышьяка, как легирующих примесей, и ориентации подложек (100) поры по своей конфигурации близки к цилиндрическим капиллярам. С точки зрения морфологии пористого пространства для них характерно одновременное существование микро- и макроструктуры, то есть, наличие различных масштабов. Тем не менее, контур макроструктуры повторяет контуры разросшейся микроструктуры.

И все же получение однородных по пористости гомогенных областей пористого кремния -весьма сложная задача. Говоря о гомогенности областей ПСК, следует обратить внимание на относительность этого качества, так как в реальных условиях области ПСК формируются с градиентом пористости по всей геометрии слоя. Большой градиент >10% пористости в условиях высокой температуры вызывает массоперенос вещества по всему объему ПСК, пока не установится термодинамически устойчивая структура пористый слой - кремниевая подложка. В реальных условиях в этом случае часто происходит разрушение пористой матрицы в результате усадки ПСК. При температуре термообработки 650-

к

К ч О ш а

м К

Т

ч О

д

И К

>

к> о о о

100 90

§ 80

н

3 &

м

л ш Л

н о о к я

к о н к К

70 60 50 40 30 20 10 0

1 КДБ 10 (1 1)

2- —•— КЭФ 20 (100) -л— КЭО 90 (100)

3-

(а)

/

1 1 -•— К ДБ 1 0 (111 )

2 -■— КЭФ 20 (100) КЭО 90 (100) 1 1 1 (•)"

3

15

16

17

^N [ат/см3]

18

19

15

16

17

lgN [ат/см3]

18

19

Рис. 2. Изменение интенсивности закрытия пор в пористом слое кремния толщиной 100 мкм с концентрацией исходной примеси (а) и пористостью ПСК (б). Исходные подложки кремния: КДБ {111} (1), КЭФ {100} (2) и КЭО {100} (3). Продолжительность термического воздействия 30 минут, температура 850°С.

N, 1021 ат/см3 8

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

N, 1020 ат/см3 0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

Ч ч А Н О О О ч

М

А

с

И й

П О

ч И

р

А

О П

ч Е Д Е Й

Е Н

И

Е

Й Е

Ч И

ч

В

Е

» П

ч И

М

Е

о И

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 3. Распределение примесей в слое пористого кремния пористостью 50% по глубине в условиях термической (а) и плазменно-стимулированной (б) диффузии. Температура термического воздействия на пористый слой 1050°С (а), 450° С (б). Продолжительность процесса 4 ч. Примесь: бор (1), фосфор (2), мышьяк (3).

чо

Xj, мкм

Xj, мкм

60

КОВАЛЕВСКИЙ и др.

1200°С практически происходит полное спекание пористого слоя и потеря им свойств, присущих пористому материалу. Поры закрываются, и в процессе диффузии примесь уже не может проникать с высокой скоростью в глубину ПСК.

Сама по себе трансформация ПСК - сложный процесс. По Я.Е. Гегузину [7], в любом пористом теле при стационарном значении градиента dí)Jdг на границе поры ^рг - концентрация вакансий вблизи искривленной поверхности с радиусом кривизны г), что практически имеет место при условии малого начального пересыщения вакансий, можно выделить критический (граничный) размер пор гкр, определяющий, какие по размеру поры будут в результате коалесценции зарастать, а какие -увеличиваться. При радиусе поры г > гкр поры будут расти, а при г < гкр зарастать за счет перехода вакансий в более крупные поры, то есть в этом случае, если пористый слой будет до трансформации (спекания) иметь приблизительно равные по размерам поры, то процесс спекания т

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком