МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 1, с. 20-29
= МИКРО- И НАНОСТРУКТУРЫ
УДК 535.31
ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КНИ-СТРУКТУРЫ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПЛАСТИНЫ ПРИ БЫСТРОМ ТЕРМИЧЕСКОМ ОТЖИГЕ © 2012 г. В. И. Рудаков*, В. В. Овчаров, В. П. Пригара
Ярославский филиал физико-технологического института Российской АН *Е-таП: valeryrudakov@rambler. ги Поступила в редакцию 15.10.2010 г.
Проведено теоретическое сравнение оптических характеристик и сделаны оценки разности температур кремниевой пластины с КНИ-структурой, легированной бором, и пластины-подложки при быстром термическом отжиге. Показано, что при одинаковых условиях отжига и температурах свыше 800 К разность их температур может достигать величины ~30 К. Исследована зависимость интегральной излучательной способности и температуры пластины с КНИ-структурой от концентрации легирующей примеси в слое кремния. Предложен метод качественного анализа вариаций температуры пластины при неизменных условиях отжига в зависимости от вариаций излучательной способности ее поверхностей.
1. ВВЕДЕНИЕ
Современной тенденцией развития электроники является переход от микро- к наноразмерам активных элементов, составляющих основу интегральных схем (ИС). Этот переход ставит перед разработчиками принципиально новые задачи, которые уже не могут быть решены усовершенствованием традиционных технологий. Одной из ключевых задач является создание нанотранзи-стора и одним из способов ее решения — формирование сверхмелких р-я-переходов. Проблемы, возникающие при создании сверхмелких переходов, активно обсуждаются в литературе, начиная с 80-х годов [1—2]. Основными из этих проблем являются: 1) контролируемое введение примеси на сверхмалые глубины (~10 нм); 2) отжиг полученной структуры при минимальном расплыва-нии исходного концентрационного профиля с целью активации легирующей примеси и устранения радиационных нарушений. Решение первой проблемы с помощью существующих коммерческих установок ионной имплантации невозможно, так как энергия внедряемых ионов для нанометровых глубин введения примеси не должна превышать 1 кэВ. Одним из альтернативных способов введения примеси на такие глубины является метод плазменно-иммерсионной ионной имплантации [3]. Вторая проблема может быть решена посредством минимизации термического бюджета (произведение температуры на время проведения процесса). Для реализации отжига с минимальным термическим бюджетом в последнее время используют высокотемпературный быстрый термический отжиг (БТО) [4] с характерным временем процесса от 10-3 до 10 с. При
БТО пластина подвергается воздействию потока мощного некогерентного излучения в течение короткого промежутка времени. В этом случае точный контроль температуры пластины с учетом оптических свойств созданных на ней структур является важнейшей технологической задачей.
В настоящее время одним из наиболее распространенных и точных методов контроля температуры пластины в процессе БТО является оптическая пирометрия. Для уменьшения систематической ошибки при измерении температуры отжигаемой пластины пирометр должен быть от-калиброван по ее излучательной способности, см., например, [5]. Излучательная способность пластины зависит от ее температуры, толщины и состава имеющихся на поверхности пластины пленок и степени шероховатости ее поверхностей. В частности, при отжиге легирующей примеси в КНИ-структуре, сформированной на кремниевой пластине, излучательная способность этой системы зависит от толщины кремниевой подложки, толщины слоев 81 и 8Ю2, образующих КНИ-структуру, степени легирования подложки и слоя 81, ориентации поверхностей пластины относительно источника излучения. Кроме того, излучательная способность может изменяться в процессе отжига вследствие процессов диффузии и испарения легирующей примеси в слое 81. В последнем случае для точного измерения температуры необходима корректировка показаний пирометра в процессе отжига. Для решения этой задачи нужно знать зависимость излуча-тельной способности КНИ-структуры на кремниевой подложке от концентрации и глуби-
. 1.0
п
(D
К
° 0.8
л
н
о
о
f 0.6
о о с
SS 0.4
К
А
ч К
- (а) ---T = 300 K ...........T = 700 K -T = 1100 K
1
1 1 1 1 у***
4 6
Длина волны, мкм
10
0 2 4 6 8 10
Длина волны, мкм
Рис. 1. Сравнение спектральных излучательных способностей пластины-подложки (а) и пластины с КНИ-структурой (б), вычисленных с помощью программы Rad-Pro [7], для трех характерных значений температуры. Параметры пластины с КНИ-структурой: пластина 700 мкм Si(P) 1015 см-3; изолятор 135 нм SiO2; слой кремния 55 нм Si(P) 1015 см-3, ле-
20 _3
гированный бором концентрацией 10 см 3 на глубину 40 нм.
ны проникновения легирующей примеси в слое кремния при БТО.
В соответствии с методикой, используемой в данной работе, параметры отжига определялись для небольших образцов пластины с КНИ-струк-турой, размещаемых на аналогичной целой кремниевой пластине (пластина-подложка), температура которой контролировалась с хорошей точностью. Предполагается, что температура образца и пластины-подложки, в первом приближении, одинаковы [6]. В дальнейшем, при переходе к от-
жигу целой пластины с КНИ-структурой параметры найденного таким образом режима отжига должны быть скорректированы. Это связано с тем, что оптические свойства, в частности, погло-щательная, а, следовательно, и излучательная способности целой пластины с КНИ-структурой заметно отличаются от оптических свойств пластины-подложки, на которой отрабатывался отжиг небольших образцов. На рис. 1 сравниваются спектральные излучательные способности пластины-подложки (а) и пластины с КНИ-структу-
рой (б), обращенной лицевой стороной к источнику излучения, для трех характерных температур: 400 К (пластина кремния практически прозрачна), 700 К (пластина полупрозрачна) и 1100 К (пластина непрозрачна). Как видно из рисунка, наиболее сильное отклонение спектральной характеристики наблюдается при высоких температурах, характерных для БТО имплантированных структур.
Целью данной работы является исследование влияния степени легирования слоя кремния на излучательную способность и температуру КНИ-структуры и корректировка параметров отжига при переходе от образцов небольших размеров к целой пластине.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Для определения параметров отжига легированных бором КНИ-структур, сформированных на стандартных кремниевых пластинах, в работе проводились эксперименты на небольших образцах размером 1 х 2 см. Пирометр калибровался по пластине-подложке, на которой размещались отжигаемые образцы (рис. 2). Образцы КНИ-струк-туры имели следующие параметры. Толщина кремниевой подложки 700 мкм, толщина слоя 8Ю2 и слоя 81 — 135 и 55 нм, соответственно. Подложка и слой 81 были легированы фосфором до концентрации 1015 см-3. После предварительной аморфизации ионами Аг в слой 81 методом плаз-менно-иммерсионной ионной имплантации были внедрены ионы BF2h дозой 1015 см-2. В ходе экспериментальной работы был подобран удовлетворительный режим отжига с температурой 1120°С при длительности процесса 15 с [8]. В соответствии с методикой отработки режима отжи-
Здесь вхь(Х,Т) = 2 пС^ {^5 [ехр (С2/ХТ)- 1]} -спектральная функция распределения Планка для поверхностной плотности излучения;
С1 = Не2; С2 = Не/к; к — постоянная Планка, с — скорость света в вакууме, к — постоянная Больц-мана, бх(к,Тр), ах(Х,Тр) — излучательная и погло-щательная способности пластины, соответственно, ТН,Тр,Та — температура нагревателя, пластины и поглощателя, соответственно. (Оптические характеристики исследуемой пластины со стороны КНИ структуры будем обозначать с подстрочным
га возникла необходимость скорректировать найденную температуру и соответствующее ей напряжение на ламповом блоке установки БТО, при которых концентрационный профиль В в слое 81 для целой кремниевой пластины с КНИ структурой будет идентичным концентрационному профилю на экспериментальных образцах, отожженных на пластине-подложке.
3. ТЕОРИЯ
Для корректировки температуры пластины и напряжения на ламповом блоке были промоделированы условия отжига КНИ-структуры в установке быстрого термического отжига. Рабочая камера установки БТО моделировалась радиаци-онно-замкнутой тепловой системой, состоящей из трех бесконечных параллельных пластин. Одна из пластин — абсолютно-черное тело (АЧТ, излучательная способность е = 1) — служила в качестве излучателя. Вторая — исследуемая пластина кремния с КНИ-структурой, обращенной к нагревателю, имела сложную зависимость оптических свойств от длины волны падающего излучения и температуры. И третья — пластина из АЧТ с фиксированной температурой, обеспечивала в рассматриваемой системе теплоотвод излучением. При теплообмене между пластинами учитывалась только радиационная составляющая теплового потока. Это приближение выполняется тем лучше, чем выше температура нагреваемой пластины.
Рассмотрим баланс тепла, которое получает и отдает пластина в бесконечно малом спектральном интервале dX, соответствующем длине волны X. Плотность потока излучения, поглощаемого пластиной, на этом спектральном интервале [9]
(1)
(2)
индексом "SOI", с тыльной стороны — индексом "back".)
В соответствии с законом Кирхгофа справедливо равенство [9]
а х(Х, Tp) = sx(X,Tp). (3)
Тогда для лицевой и тыльной сторон пластины выполняются следующие соотношения:
a soi ,х(к Tp) = г soi, Tp), (4)
« back,x(K Tp) = S back, xQ* Tp). (5)
Учитывая равенства (1), (2), (4) и (5), найдем интегральный поток результирующего излучения
dqp,abs = [а SOI,x (X,Tp ) b (X,Th ) + a back,x (X,Tp ) b (X,Ta )] dX,
а плотность излучаемого пластиной потока
dqp,rad = [e%b (X, Tp ) (e soi,x (X, Tp ) + e back.x (X, Tp ))] dX.
Лампы
О О О О О / 1 \ Si-подложка КНИ
1--7--- ГАЗ ,, ---?-1 ГАЗ
Тепло 1 Отвод
[ -Пирометр
Рис. 2. Схема контроля температуры при отжиге образца с КНИ-структурой на пластине-подложке.
qp = j(p,abs - qp,rad)dX = JSSOI,X ((Tp)[b {X,Th) - exb (X,Tp)]X -
0 0
ж
- jS backx ( Tp ) [eXb ( Tp ) - ex,b Ta )] d X
(6)
Пренебрегая неравномерностью распределения температуры в пластине, запишем уравнение теплового баланса в виде:
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.