eng
Выпуск #5/2018
А. М. Григорьев
Лазерная рекристаллизация приповерхностного слоя кремния после операции ионной имплантации
Лазерная рекристаллизация приповерхностного слоя кремния после операции ионной имплантации
Просмотры: 2131
Разработана установка для эффективной рекристаллизации нарушенного слоя поверхности кремниевой пластины после ионной имплантации для полупроводниковой индустрии. Установка реализует технологию лазерного отжига поверхностного слоя толщиной 1 мкм кремниевых пластин диаметром до 200 мм и применяется в технологическом процессе изготовления сильноточных IGBT-транзисторов.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.5.498.500
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.5.498.500
Теги: igbt transistors igbt-транзисторы laser annealing semiconductor industry лазерный отжиг полупроводниковая индустрия
Операция ионной имплантации позволяет создать на поверхности полупроводника тонкий слой материала с заданными свойствами. Изменение свойств обеспечивается внедрением примеси в приповерхностный слой полупроводниковой пластины и производится путем бомбардировки поверхности пластины ускоренными ионами. Бомбардировка кристаллической решетки приводит к нарушению поверхностного слоя материала пластины, а внедренные ионы примеси не имеют химической связи с атомами решетки. Для восстановления решетки и активации примеси, а именно внедрения атомов примеси в узлы решетки, необходимо выполнить рекристаллизацию нарушенного слоя. Рекристаллизация производится путем плавления поверхностного слоя полупроводника толщиной равной глубине залегания ионов примеси импульсным лазерным излучением с последующим быстрым охлаждением и кристаллизацией расплавленного слоя. В этих условиях реализуется процесс эпитаксии, при котором кристаллографическая ориентация кристаллизирующегося слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Следует отметить, что стандартный метод отжига полупроводниковой пластины, который заключается в нагреве пластины до температуры меньшей, чем температура плавления полупроводникового материала пластины, и выдержке при этой температуре, не обеспечивает восстановление структуры поверхностного слоя и не приводит к активации примеси [1]. Поэтому лазерная рекристаллизация (отжиг) поверхностного слоя пластины после операции ионной имплантации имеет явные преимущества по сравнению с термическим отжигом.
Задача рекристаллизации поверхности кремниевой пластины многопараметрична и в совокупности условий для достижения требуемых параметров – нетривиальна. Скорость лазерного нагрева поверхности полупроводника и глубина проплавления зависят от длительности и энергии лазерного импульса. Короткий лазерный импульс с длительностью порядка десяти наносекунд и энергией, достаточной для плавления слоя материала на глубину залегания примеси, обуславливает быстрый нагрев поверхности полупроводника до температуры кипения, что приводит к деструкции материала поверхности пластины. Слишком длинный лазерный импульс прогревает и плавит толстый слой материала толщиной больше, чем глубина залегания примеси, что приводит к диффузии примеси вглубь материала. Как разрушение материала поверхности, так и диффузия примеси вглубь полупроводника недопустимы, поскольку это делает невозможной дальнейшую работу формируемой полупроводниковой структуры.
Кроме этого, в процессе лазерной рекристаллизации возникают значительные термомеханические напряжения, вызванные распределением интенсивности лазерного излучения в зоне рекристаллизации и локальным характером воздействия. Большие напряжения приводят к образованию трещин и нарушению целостности материала. Таким образом, качественная рекристаллизация с высокой степенью активации примеси обеспечивается только в условиях воздействия на материал импульса лазерного излучения, обладающего строго определенными пространственно-временными и энергетическими параметрами: длительность и форма импульса, импульсная энергия и распределение интенсивности лазерного излучения в зоне рекристаллизации.
Эта технологическая задача успешно решена специалистами компании "Центр лазерных технологий" в результате отработки технологического процесса лазерного отжига кремниевой пластины после имплантации ее поверхности ионами бора. Технологический процесс лазерного отжига разрабатывался применительно к созданию p-коллектора кремниевого JGBT-транзистора [2]. В процессе формирования структуры JGBT-транзистора используются обе стороны кремниевой пластины. Изображение сторон кремниевой пластины представлены на рисунке.
На лицевой (рабочей) стороне формируется основная часть структуры транзистора, а на обратной (нерабочей) стороне формируется р-коллектор методом ионной имплантации бора с последующей лазерной рекристаллизацией нарушенного слоя. Коллектор формируется в условиях, когда на рабочей стороне пластины уже есть основная структура транзистора. Поэтому рабочая сторона пластины в процессе отжига не должна нагреваться до температуры выше 4 000 °C, что невозможно в условиях термического отжига в печи.
Специалисты лазерно-оптической лаборатории компании "Центр лазерных технологий" после проведения комплекса исследовательских и технологических работ создали технологию лазерного отжига поверхности кремниевых пластин, имплантированных ионами бора и других элементов, например фосфора. Было установлено, что структура отожженного слоя зависит от глубины проплавления. Если глубина проплавления была равна или превышала толщину разупорядоченного бомбардировкой слоя, лазерный отжиг восстанавливал монокристаллическую структуру. В случае, если граница расплава не достигала неповрежденной кристаллической решетки материала, структура отожженного слоя становилась поликристаллической.
Разработанная технология базируется на применении излучения хорошо известного и надежного импульсного твердотельного Nd : YAG лазера с преобразователем излучения во вторую гармонику. Лазер работает в режиме модуляции добротности резонатора электрооптическим затвором. Для обеспечения оптимальной длительности лазерного импульса применена специальная система управления скоростью включения затвора, что позволяет варьировать длительность импульса излучения в диапазоне от 25 до 300 нс. Оптимизация длительности воздействия позволила осуществить полную рекристаллизацию обратной поверхности кремниевой пластины, сохранив неизменными свойства структуры, сформированной на рабочей поверхности. В случае имплантации кремниевой пластины ионами бора с энергией порядка 100 кэВ полное восстановление нарушенного слоя обеспечивалось отжигом импульсами лазерного излучения с плотностью энергии в диапазоне 1,5–2,5 Дж / см2. В этих условиях толщина расплавленного слоя соответствует глубине залегания примеси и реализуется условие смачивания расплавом неповрежденной кристаллической решетки, что обеспечивает жидкофазную эпитаксиальную кристаллизацию и восстановление монокристаллической структуры имплантированного слоя с высокой степенью активации бора. Для минимизации термомеханических напряжений в зоне отжига разработана специальная оптическая система, которая формирует на поверхности отжигаемой пластины пятно прямоугольной формы с равномерным распределением интенсивности. В результате оптимизации пространственно-временных и энергетических параметров лазерного излучения удалось обеспечить качественный лазерный отжиг и получить IGBT транзистор, выдерживающий пробивные напряжения более 1 000 В и рабочие токи в десятки ампер.
Компания «Центр лазерных технологий» создала оборудование промышленного применения для лазерной рекристаллизации поверхности полупроводниковых пластин. Экспериментальная установка лазерного отжига позволяет производить эффективную рекристаллизацию нарушенного слоя полупроводникового материала толщиной до 1 мкм и работать с пластинами диаметром 200 мм. Производительность экспериментальной установки лазерного отжига определяется частотой повторения импульсов лазерного излучения. Для лазера с частотой 100 Гц скорость отжига достигает 2 см2 / сек.
ЛИТЕРАТУРА
1. Двуреченский А.В., Качурин Г. А., Нидаев Е. В., Смирнов Л. С. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. –М.: Наука, 1982.
Dvurechenskiy A. V., Kachurin G. A., Nidayev E. V., Smirnov L. S. Impulsnyy otzhig poluprovodnikovykh materialov. – M.: Nauka. 1982.
2. Satoru Kaneko, Takeshi Ito, Kensuke Akiyama et al. Effect of CW Laser Annealing on Silicon Surface for Application of Power Device / Int. Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering, 2011, v.5, № 2.
Задача рекристаллизации поверхности кремниевой пластины многопараметрична и в совокупности условий для достижения требуемых параметров – нетривиальна. Скорость лазерного нагрева поверхности полупроводника и глубина проплавления зависят от длительности и энергии лазерного импульса. Короткий лазерный импульс с длительностью порядка десяти наносекунд и энергией, достаточной для плавления слоя материала на глубину залегания примеси, обуславливает быстрый нагрев поверхности полупроводника до температуры кипения, что приводит к деструкции материала поверхности пластины. Слишком длинный лазерный импульс прогревает и плавит толстый слой материала толщиной больше, чем глубина залегания примеси, что приводит к диффузии примеси вглубь материала. Как разрушение материала поверхности, так и диффузия примеси вглубь полупроводника недопустимы, поскольку это делает невозможной дальнейшую работу формируемой полупроводниковой структуры.
Кроме этого, в процессе лазерной рекристаллизации возникают значительные термомеханические напряжения, вызванные распределением интенсивности лазерного излучения в зоне рекристаллизации и локальным характером воздействия. Большие напряжения приводят к образованию трещин и нарушению целостности материала. Таким образом, качественная рекристаллизация с высокой степенью активации примеси обеспечивается только в условиях воздействия на материал импульса лазерного излучения, обладающего строго определенными пространственно-временными и энергетическими параметрами: длительность и форма импульса, импульсная энергия и распределение интенсивности лазерного излучения в зоне рекристаллизации.
Эта технологическая задача успешно решена специалистами компании "Центр лазерных технологий" в результате отработки технологического процесса лазерного отжига кремниевой пластины после имплантации ее поверхности ионами бора. Технологический процесс лазерного отжига разрабатывался применительно к созданию p-коллектора кремниевого JGBT-транзистора [2]. В процессе формирования структуры JGBT-транзистора используются обе стороны кремниевой пластины. Изображение сторон кремниевой пластины представлены на рисунке.
На лицевой (рабочей) стороне формируется основная часть структуры транзистора, а на обратной (нерабочей) стороне формируется р-коллектор методом ионной имплантации бора с последующей лазерной рекристаллизацией нарушенного слоя. Коллектор формируется в условиях, когда на рабочей стороне пластины уже есть основная структура транзистора. Поэтому рабочая сторона пластины в процессе отжига не должна нагреваться до температуры выше 4 000 °C, что невозможно в условиях термического отжига в печи.
Специалисты лазерно-оптической лаборатории компании "Центр лазерных технологий" после проведения комплекса исследовательских и технологических работ создали технологию лазерного отжига поверхности кремниевых пластин, имплантированных ионами бора и других элементов, например фосфора. Было установлено, что структура отожженного слоя зависит от глубины проплавления. Если глубина проплавления была равна или превышала толщину разупорядоченного бомбардировкой слоя, лазерный отжиг восстанавливал монокристаллическую структуру. В случае, если граница расплава не достигала неповрежденной кристаллической решетки материала, структура отожженного слоя становилась поликристаллической.
Разработанная технология базируется на применении излучения хорошо известного и надежного импульсного твердотельного Nd : YAG лазера с преобразователем излучения во вторую гармонику. Лазер работает в режиме модуляции добротности резонатора электрооптическим затвором. Для обеспечения оптимальной длительности лазерного импульса применена специальная система управления скоростью включения затвора, что позволяет варьировать длительность импульса излучения в диапазоне от 25 до 300 нс. Оптимизация длительности воздействия позволила осуществить полную рекристаллизацию обратной поверхности кремниевой пластины, сохранив неизменными свойства структуры, сформированной на рабочей поверхности. В случае имплантации кремниевой пластины ионами бора с энергией порядка 100 кэВ полное восстановление нарушенного слоя обеспечивалось отжигом импульсами лазерного излучения с плотностью энергии в диапазоне 1,5–2,5 Дж / см2. В этих условиях толщина расплавленного слоя соответствует глубине залегания примеси и реализуется условие смачивания расплавом неповрежденной кристаллической решетки, что обеспечивает жидкофазную эпитаксиальную кристаллизацию и восстановление монокристаллической структуры имплантированного слоя с высокой степенью активации бора. Для минимизации термомеханических напряжений в зоне отжига разработана специальная оптическая система, которая формирует на поверхности отжигаемой пластины пятно прямоугольной формы с равномерным распределением интенсивности. В результате оптимизации пространственно-временных и энергетических параметров лазерного излучения удалось обеспечить качественный лазерный отжиг и получить IGBT транзистор, выдерживающий пробивные напряжения более 1 000 В и рабочие токи в десятки ампер.
Компания «Центр лазерных технологий» создала оборудование промышленного применения для лазерной рекристаллизации поверхности полупроводниковых пластин. Экспериментальная установка лазерного отжига позволяет производить эффективную рекристаллизацию нарушенного слоя полупроводникового материала толщиной до 1 мкм и работать с пластинами диаметром 200 мм. Производительность экспериментальной установки лазерного отжига определяется частотой повторения импульсов лазерного излучения. Для лазера с частотой 100 Гц скорость отжига достигает 2 см2 / сек.
ЛИТЕРАТУРА
1. Двуреченский А.В., Качурин Г. А., Нидаев Е. В., Смирнов Л. С. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. –М.: Наука, 1982.
Dvurechenskiy A. V., Kachurin G. A., Nidayev E. V., Smirnov L. S. Impulsnyy otzhig poluprovodnikovykh materialov. – M.: Nauka. 1982.
2. Satoru Kaneko, Takeshi Ito, Kensuke Akiyama et al. Effect of CW Laser Annealing on Silicon Surface for Application of Power Device / Int. Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering, 2011, v.5, № 2.
Отзывы читателей
