ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Создание структур кремний-на-изоляторе
Перспективность использования структур кремний-на-изоляторе (КНИ) в микроэлектронике
Использование для построения аппаратуры с высокой стойкостью к радиационным излучениям, в особенности к воздействию излучения с большой мощностью дозы
Диэлектрическая развязка в КНИ приборах препятствует паразитному взаимодействию элементов, групп элементов и подложки, уменьшает число паразитных элементов и приводит к резкому повышению радиационной стойкости к импульсным воздействиям, тепло- и помехоустойчивости схем
Развитие КНИ технологий дает начало и созданию высокотемпературных ИС (до 350°С), схем силовой электроники, открывает принципиальные возможности разработки схем трехмерной интеграции
Перевод производства традиционных БИС и СБИС массового применения на современные КНИ структуры делает его в 1,5-2 раза более рентабельным, чем производство тех же СБИС на основе подложек монокристаллического кремния. Упрощается конструкция элементов КМОП и КБиКМОП ИС (упраздняются глубокие карманы и разделительные p-n переходы). В результате упрощения конструкции элементов ИС на 30% уменьшается площадь чипов и, соответственно, увеличивается примерно на 30% количество чипов на пластине

Формирование КНИ-пластин методом smart-cut
1. Отбор пластин
{100} КДБ - 12 ЕТО.035.206ТУ
отклонение от плоскостности < 9 мкм
прогиб < 40 мкм
2. Создание структур SiO2/Si
температуры термообработки 800-1100 °С
среда термообработок сухой O2, O2+Н2O
толщины окисла на пластинах 20-300 нм
3. Ионная имплантация
ионы H2+
дозы имплантации 4-5x1016 ион/см2
ток в пучке 500-600 мкА
энергия 80-100 кэВ
температура 50 °C
Создание структур кремний-на-изоляторе

4. Очистка поверхностей и соединение пластин
Комбинированный метод подготовки гидрофильных поверхностей пластин - сочетание процедур плазменной обработки, химической и гидромеханической очистки
Отработана оригинальная методика подготовки химически чистых оксидированных поверхностей пластин с высокой степенью гидрофильности
Контроль качества связывания осуществлялся на просвет в ближнем ИК-диапазоне электромагнитного излучения.
5. Термообработки
Низкотемпературный отжиг 80-200 °С, до 24 часов
Скол по дефектному слою 400-550 °С, 5-60 минут
Финишный отжиг 800-1100 °С,
30-120 минут
Формирование КНИ-пластин методом smart-cut
Создание структур кремний-на-изоляторе

Рисунок 1 — ПЭМ фотографии дефектного слоя после имплантации ионов водорода (А) и отжига при 450 °С: 5 минут (Б) и 10 минут (В)
Создание структур кремний-на-изоляторе
Рисунок 2 — ПЭМ фотография сечения КНИ-пластины (А) и ОЖЕ-профиль элементного состава (Б)

Формирование КНИ-структур
Формирование КНИ-пластин методом smart-cut
Рисунок 3 — Светлопольное ПЭМ – изображение структуры поперечного сечения КНИ-пластины и картины электронной дифракции от верхнего кристаллического слоя и аморфного захороненного оксидного слоя

Формирование КНИ-структур
Формирование КНИ-пластин методом smart-cut
Рисунок 4 — Случайные и каналированные спектры РОР от КНИ-пластин:
А – Si(0,22 мкм)/SiO2(0,18 мкм)/Si, Б – Si(0,35 мкм)/SiO2(0,18 мкм)/Si

Формирование КНИ-структур
Формирование КНИ-пластин методом smart-cut
Рисунок 5 — Топография и профили шероховатости поверхности КНИ-пластины (метод АСМ)
Si(0,35 мкм)/SiO2(0,18 мкм)/Si
Режимы термообработки:
1. 80 °С, 2 ч.; 120 °С, 1 ч
2. 500 °С, 30 минут
3. 1050 °С, 30 минут

Применение КНИ структур
Объемный кремний
Тонкопленочная КНИ структура
Рисунок 6 — Использование КНИ структур позволяет упростить технологический процесс - отсутствуют этапы литографии, легирования и диффузии для создания p-кармана
КМОП Инвертор
Простой технологический процесс

Применение КНИ структур
Объемный кремний
Тонкопленочная КНИ-структура
Рисунок 7 — Уменьшение паразитных емкостей
При использовании КНИ структур:
Отсутствие паразитных емкостей между областями истока, стока и подложки;
Отсутствие паразитной PNPN-тиристорной структуры

Применение КНИ структур
Рисунок 8 — Формирование трека при попадании энергетической частицы
Высокая радиационная стойкость КНИ структур

Применение КНИ структур
Рисунок 9 — Использование методики КНИ в SiGe - технологии
1
2
3
4

Формирование внутреннего геттера
Рисунок 10 — Светлопольные ПЭМ изображения в поперечном сечении структуры внутреннего дефектного слоя в кремнии после имплантации (140 кэВ, 1016 см–2) ионов водорода (А) и последующего термического отжига: Б – 800 °С, 5 минут; В – 900 °С, 15 минут

Формирование внутреннего геттера

Формирование внутреннего геттера
Рисунок 11 — Зависимость высокочастотной проводимости от глубины в обратносмещенных диодах Шоттки в Si без (1) и с внутренним геттером (2–4), полученным имплантацией ионов водорода (215 кэВ, 2,5×1016 см–2) и последующим термическим отжигом: 2 – 900 °С, 5 минут; 3 – 1000 °С, 5 минут; 4 – 800 °С, 30 минут

Формирование внутреннего геттера
Рисунок 12 — Зависимость времени жизни неосновных носителей заряда от плотности тока обратносмещенного диода Шоттки в Si без (1) и с внутренним геттером (2–4), полученным имплантацией ионов водорода (215 кэВ, 2,5×1016 см–2) и последующим термическим отжигом: 2 – 900 °С, 5 минут; 3 – 1000 °С, 5 минут; 4 – 800 °С, 30 минут

Формирование внутреннего геттера
Рисунок 13 — DLTS спектры тестовых диодов Шоттки в образцах без (1) и с внутренним геттером (2–4), полученным имплантацией ионов водорода (215 кэВ, 2,5×1016 см–2) и последующим термическим отжигом: 2 – 900 °С, 5 минут; 3 – 1000 °С, 5 минут; 4 – 800 °С, 30 минут

Полиэнергетическая ионная имплантация
Результирующий профиль распределения примеси при многократной имплантации ионов можно представить как суперпозицию профилей, полученных на отдельных этапах внедрения:
Разработана физико-математическая модель и программное обеспечение, позволяющие исходя из заданной формы профиля распределения имплантированных ионов или радиационных дефектов по глубине мишени рассчитать технологические параметры (энергии и дозы) ионной имплантации.
где N(x) — результирующая концентрация вакансий; i — количество имплантаций; Di — доза облучения ионами с энергией Ei . Функция n0(x, E) описывает распределение по глубине внедренных ионов, созданных моноэнергетическим ионным пучком. В случае непрерывного изменения энергии:
Здесь g(E) — распределение дозы облучения по энергии. Относительно искомой функции g(E) выражение для N(x) представляет собой уравнение Фредгольма первого рода. Для решения данного уравнения используется метод регуляризации: исходя из условия минимума сглаживающего функционала, задача сводится к уравнению Фредгольма второго рода, сеточным аналогом которого является система линейных уравнений:
где Kik = K(Ei, Ek) — интеграл перекрытия функций распределения n0(Ei) и n0(Ek); Wi — интеграл перекрытия моноэнергетического профиля n0(Ei) и заданного профиля N(x); Ak — веса интегрирования; α — параметр регуляризации. Система решается методом Гаусса. Дискретные дозы определяются интегрированием непрерывного спектра в выбранных энергетических диапазонах.

Полиэнергетическая ионная имплантация
Расчеты проводились исходя из условия минимизации интегрального отклонения полученных с помощью полиэнергетической имплантации ионов H+ в GaAs распределений вакансий от NV = 2,5×1019 см–3 на глубине до 4 мкм. Рассчитанные энергии и дозы ионов H+ представлены в таблице:
Рисунок 14 — Рассчитанное распределение вакансий в GaAs в результате имплантации ионов Н+ с 5 энергиями.
Для получения изоляции требуемого качества в полупроводнике А3В5 необходимо создать равномерное по толщине эпитаксиального слоя распределение дефектов структуры

Полиэнергетическая ионная имплантация
Рисунок 15 — Структура для оценки качества изоляции

Полиэнергетическая ионная имплантация
Рисунок 16 — Зависимость слоевого сопротивления от температуры отжига, измеренная при различных частотах переменного тока и при постоянном токе
Увеличение проводимости с ростом частоты является признаком наличия прыжковой проводимости.
При увеличении температуры отжига прыжковая проводимость подавляется, при температуре более 380 °С зонный механизм проводимости становится основным, а роль прыжкового механизма снижается, что соответствует отжигу радиационных дефектов.
Отжиг при температурах 250-300 °С стабилизирует температурную зависимость проводимости в интервале рабочих температур интегральных схем (-50..+100 °С)

РОР-анализ наноразмерных структур
Рисунок 17 — Энергетический спектр РОР протонов с энергией 214 кэВ в отожженном образце (а) и рассчитанный по нему профиль распределения по глубине атомов мышьяка в кремнии (б)
Образцы кремния облучались ионами мышьяка с энергией 32 кэВ и дозой 1×1015 см–2, затем термически окислялись (оценочная толщина SiO2 — 4 нм) и подвергались быстрому термическому отжигу в течение 10 секунд при 1050 °C. На профиле виден острый пик с максимумом на глубине около 6 нм, отсутствовавший до отжига. Рассчитанное слоевое содержание мышьяка в образце с точностью не хуже 10% соответствует дозе легирования.