Скачать книгу "Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем" (3.82Mb). Способ а
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы 11
1.1. Общие характеристики метода ионной имплантации 11
1.1.1 Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах 11
1.1.2. Образование радиационных дефектов при ионной имплантации 15
1.1.3. Формирование профилей распределения радиационных дефектов
1.2. Влияние параметров имплантации протонов на микроструктуру, профиль распределения, механические и электрофизические свойства кремния
1.2.1. Влияние энергии протонов 27
1.2.2. Влияние дозы протонов 29
1.2.3. Влияние постимплантационного отжига 33
1.2.4. Влияние разной ориентации подложек 38
1.3. Применение имплантации протонов в технологии изготовления полупроводниковых приборов
1.4. Заключение по Главе 1 45
Глава 2. Методы исследования структуры нарушенных слоев 46
2.1. Метод рентгеновской дифрактометрии 47
2.1.1. Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии 48
2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии 51
2.1.2.1. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей на микродефектах в монокристаллах
2.1.2.2. Профили интенсивности ТРД в случае монокристаллов с дефектами кулоновского типа
2.2. Метод рентгеновской топографии 64
2.3. Метод просвечивающей электронной микроскопии 66
2.4. Заключение по Главе 2 67
Глава 3. Объекты исследования и методики экспериментов и измерений 68
3.1. Кристаллы кремния, имплантированные с различными энергиями и дозами ионами водорода после имплантации и отжига
3.2. Методика облучения 69
3.3. Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM
3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления 72
3.5. Методика рентгеновских исследований 73
3.5.1. Идентификация нарушенного слоя с помощью метода рентгеновской топографии
3.5.2. Изучение структуры ионноимплантированных слоев методом рентгеновской дифрактометрии
3.5.3 Метод определения интегральных характеристик нарушенного слоя
3.5.4. Методика получения профилей деформации по кривым дифракционного отражения
3.5.5. Определение параметров микродефектов по результатам измерения интенсивности диффузного рассеяния рентгеновских лучей
3.6. Методика подготовки образцов для исследования методом просвечивающей электронной микроскопии
3.7. Заключение по Главе 3 89
Глава 4. Результаты комплексного исследования ионноимплантированных слоев и их обсуждение
4.1. Результаты исследования влияния облучения на структурные свойства кремния
4.1.1. Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя
4.1.2. Результаты исследования влияния поля механических напряжений на формирование нарушенного слоя при имплантации ионов водорода в кремний
4.1.3. Результаты исследования влияния постимплантационной термической обработки на процесс дефектообразования
4.1.4. Результаты определения параметров и качественных изменений характера микродефектов в имплантированных протонами слоях кристаллов кремния
4.1.5. Анализ изменения характеристик микродефектов кристаллов кремния, облученных протонами при термической обработке
4.2. Результаты исследования возможности применения 146 имплантации протонов для коррекции характеристик рІп- фотодиодов
4.3. Заключение по Главе 4 158
Основные результаты и выводы по диссертации 160
Литература 163
Введение к работе
В последние десятилетия возможности традиционной металлургии полупроводников были существенно расширены за счет использования технологии ионной имплантации, которая позволяет вводить в материал практически любые примеси с концентрациями, не ограниченными пределом растворимости . В настоящее время достаточно хорошо изучены основные закономерности процессов, протекающих при этом способе легирования, выявлены его достоинства и возможности использования, а сама ионная имплантация стала одним из базовых технологических процессов.
Долгое время практически единственным применением ионной имплантации, как в планарной, так и непланарной технологии являлось введение легирующих примесей в полупроводники при производстве дискретных приборов и интегральных схем . В последние годы область применения ионной имплантации существенно расширилась.
Актуальность работы обусловлена быстро развивающимися направлениями практического использования ионной имплантации в современной технологии производства приборов микроэлектроники. В частности, для контролируемого введения радиационных нарушений с целью разделительной изоляции элементов интегральных схем, ускорения диффузии и стимуляции электрической активности внедренных примесных атомов, прецизионной корректировки и создания высокоомных резисторов, получения аморфизированных слоев, геттерирования нежелательных примесей, управления свойствами контакта металл-полупроводник и др. . Но за стремлением получить оптимальные параметры ионноимплантированного материала, готового для производства на его основе прибора, остается в тени изучение процессов, происходящих в кристалле во время проведения в нее имплантации ионов, что тоже важно для микроэлектронных технологий. С отсутствием четкого представления о механизме структурных изменений в
приповерхностных пересыщенных дефектами слоях ионноимплантированных структур связано большинство технологических проблем.
Исследования, выполненные в последние годы, показали перспективность облучения кремния легкими ионами (водород, гелий) для формирования, так называемых "нарушенных" слоев и областей. Особенностью таких слоев является существование в них большого количества структурных дефектов, создаваемых имплантацией ионов водорода и последующей термообработкой. В зависимости от режимов имплантации, температуры и времени отжига возможно создание областей, насыщенных дефектами различного вида: кластерами и скоплениями точечных дефектов, микропорами, газовыми пузырями, заполненными водородом. Изучение природы и характеристик дефектов, возникающих при имплантации, позволит расширить возможности метода ионной имплантации в области создания новых технологий и управления характеристиками микроэлектронных устройств. Информация о структуре ионноимплантированных образцов позволит решить вопрос о подборе доз и энергий ионной имплантации, а также температуры отжига с целью оптимизации свойств нарушенного слоя для конкретного практического применения. Все это делает данную работу актуальной.
Целью данной работы являлось выявление основных закономерностей формирования дефектной структуры слоев кремния, имплантированных ионами водорода в различных условиях и ее эволюции при термической обработке, а также исследование возможности использования имплантации протонов для модификации свойств поверхностных слоев кремния с целью улучшения параметров и увеличения выхода годных электронных приборов.
Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие основные задачи :
1). Установить зависимость характера дефектообразования от условий имплантации (энергии и дозы);
2). Выяснить роли внешних факторов (температура, поля механических напряжений) в формировании дефектной структуры в процессе имплантации;
3). Определить структурные и электрофизические характеристики слоев кремния, нарушенных имплантацией протонов и проследить их изменения в ходе последующей термической обработки;
4). Идентифицировать и определить характеристики микродефектов, возникающих в процессе имплантации ионов водорода и проследить их эволюцию в процессе термической обработки;
5). Выявить возможности использования свойств нарушенных слоев, созданных имплантацией протонов для управления характеристиками кремниевых электронных приборов.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
Получены новые результаты об изменениях структурных и электрофизических свойств нарушенных слоев кристаллов кремния при облучении его протонами с энергиями в диапазоне от 100 до 500 кэВ, дозами от 10 15 до 2-10 16 смЛ
Впервые выявлены особенности формирования нарушенных слоев ^ при воздействии внешних факторов: температуры и поля механических напряжений.
Изучено изменение структурного состояния слоев кремния, имплантированного протонами при термической обработке в широком диапазоне температур (100 - 1100С).
Впервые определены характеристики микродефектов, формирующих нарушенный слой, и исследованы их изменения при термической обработке.
Предложена модель эволюции микродефектов в нарушенных имплантацией протонов (Е = 100-500 кэВ, D = 10 15 -2-10 16 см* 2) слоях кристаллов кремния при термической обработке в диапазоне температур Т = 200-1100С.
6. Показана эффективность использования нарушенных слоев кристаллов кремния, образованных при протонном облучении и отжиге, для коррекции характеристик кремниевых рІп-фотодиодов.
Практическая значимость результатов работы:
Разработана методика проведения измерений и обработки экспериментальных данных для определения параметров нарушенных слоев методом рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения.
Отработана неразрушающая методика определения природы и характеристик микродефектов с разными знаками дилатации. Методика на основе анализа асимптотического диффузного рассеяния позволяет расширить спектр наблюдаемых микродефектов.
Установленная роль внешних факторов ионной имплантации в процессе формирования дефектной структуры должна учитываться в технологии создания нарушенных слоев.
Результаты определения характеристик микродефектов в кристаллах кремния, имплантированных протонами различных доз и энергий, подвергнутых термообработке в широком интервале температур, могут быть использованы для создания нарушенных слоев с оптимальными свойствами.
Разработан метод защиты поверхности кремниевых pin-фото диодов, включающий облучение периферии p-n-переходов протонами и последующий отжиг. Определен оптимальный режим облучения и отжига для данного типа приборов, повышающий выход годных.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты определения интегральных характеристик нарушенного слоя кристаллов кремния, облученных протонами с энергией 150 кэВ и дозами от 2,5-Ю 15 см" 2 до 2-Ю 16 см" 2 в интервале температур от 50 до 610С.
Результаты изучения воздействия внешних факторов ионной имплантации: дозы, температуры и поля механических напряжений, на процесс формирования дефектной структуры в кристаллах кремния.
Результаты исследований структурных и электрофизических характеристик нарушенных слоев кремния, формируемых при облучении протонами сЕ = 200, 300, 100+200+300 кэВ, D = 2-Ю 16 см" 2 и последующей термической обработке в интервале температур от 100 до 900С.
Экспериментально установленная немонотонная зависимость интегральных и электрофизических характеристик нарушенного слоя от температуры отжига.
Модель эволюции радиационных микродефектов в имплантированных ионами водорода (Е= 100-500 кэВ, D= 10 I5 -2-I0 16 см" 2) слоях кремния при термической обработке в интервале температур от 200 до 1100С.
Результаты исследований механизма влияния структурных и электрофизических параметров поверхностных слоев кремния, модифицированных облучением протонами и последующим вакуумным отжигом, на В АХ ріп-ф ото диодов; режимы оптимальной протонной обработки диффузионных pin-фото диодов с глубиной залегания р-п-переходов - 3 мкм.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ (ТУ) (Москва, 1998 г.), IX Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний -2000» (Москва, 2000 г.), X Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2000 г.), Третьей Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - XXI век» (Зеленоград, 2000 г.), Третьей Международной конференции «Водородная обработка материалов» (ВОМ-2011) (Донецк - Мариуполь, 2001 г.), VI Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации
материалов методами нетрадиционных технологий» (MHT-VI) (Обнинск,
г.), XI Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001 г.), 2-ой Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г.), XII Международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2002 г.), Совещании по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния «Кремний - 2002» (Новосибирск, 2002 г.), IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2002» (Зеленоград,
г.), Третьей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний - 2003» (Москва, 2003 г.).
Работа отмечена Дипломом I степени, как лучшая научная работа, представленная на научно-техническую конференцию - конкурс студентов, аспирантов и молодых специалистов 1998 г. (МГИЭМ (ТУ)).
Публикации
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 101 наименование.
Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах
Дефектообразование при имплантации ионов водорода и влияние дефектов на физико-химические параметры кремния являются серьезной проблемой при создании кристаллов с заданными свойствами. Микродефекты (МД), образовавшиеся в результате коагуляции точечных дефектов и создающие вокруг себя сильные поля упругих искажений, приводят к возникновению дополнительного изменения свойств кристалла и их существенной локальной неоднородности . Интерес к исследованию МД определяется недостаточной изученностью, как самой природы МД, механизмов их образования, так и влияния их на физические свойства кристалла и, соответственно, на основные характеристики приборов на их основе.
С целью исследования МД, а также возможности применения имплантации ионов водорода в технологии изготовления полупроводниковых структур необходимо рассмотреть влияние параметров имплантации протонов на свойства кремния,
Метод ионной имплантации универсален и неспецифичен, позволяет вводить в любые мишени ионы различных элементов в строго контролируемых количествах, задавать распределения концентраций по глубине последовательностью ионных доз с различными энергиями; во многих случаях такие распределения просто невозможно получить иными методами .
Первичным процессом при ионной имплантации является проникновение ионов в вещество и их торможение до тепловых скоростей. Установившееся в результате этого распределение внедренных атомов по глубине называется профилем распределения, отличающееся от окончательного распределения примесных атомов, в которое часто вносят вклад диффузные процессы. Теория торможения ионов средних энергий в аморфных телах была разработана Линдхардом, Шаффом и Шиотом (теория ЛШШ) . Сущность теории ЛШШ кратко сводится к следующему. При бомбардировке твердых тел заряженными частицами определяющую роль играют неупругие соударения со связанными электронами тормозящего вещества (электронное торможение), в которых кинетическая энергия движущегося иона расходуется на электронные переходы в атомах, а также на возбуждение коллективных колебаний электронов и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение), в которых энергия передается атомам как целым. Какой из этих эффектов будет преобладать, зависит от энергии и массы ускоренных частиц и массы и порядкового номера атома мишени.
Согласно теории ЛШШ распределение пробегов ионов оказывается гауссовым и характеризуется средним нормальным (проецированным) пробегом Rp и среднеквадратичным (стандартным) отклонением ARP (рис. 1.1.1). падающий ион поверхность мишени Рис. 1.1.1. Схематическое изображение полной длины пробега R, нормального пробега Rp и стандартного отклонения ARp. Результирующие траектории ионов представляют собой сложные кривые и имеют в аморфном веществе статистический характер. Общая траектория движения иона называется длиной пробега R. Если масса иона Ы\ много больше массы атома мишени М2, то отклонения малы и ион движется почти прямолинейно. Поэтому длина его пути вдоль траектории R слабо отличается от Rp. Если же Mi М2, а энергия иона Е не слишком велика, то траектория извилиста и Rp значительно меньше R. Вследствие статистического характера движения ионов величины Rp и R не имеют определенного значения, а колеблются около средних значений .
Следует отметить, что вклад ядерного торможения доминирует при малых энергиях имплантации, а электронного - при больших. При сложении кривых потери энергии за счет ядерного и электронного торможений суммарная величина потери энергии постоянна в очень широком диапазоне энергий падающих ионов. В результате этого полная длина пробега ионов R приблизительно пропорциональна первоначальной энергии падающего иона.
Простейшим профилем распределением ионов является нормальное, или гауссово, для построения которого требуется лишь два первых момента - проективный пробег Rp и стандартное отклонение ARP . Гауссово распределение является удовлетворительным приближением к реальным распределениям примеси по пробегам или по глубине в тех случаях, когда эти пробеги являются достаточно симметричными. Однако это выполняется не всегда. Особенно заметны отступления от симметрии в случаях бомбардировки легкими ионами более тяжелых мишеней при условии преобладания электронных потерь.
Можно использовать различные виды асимметричных профилей распределения. Классическим методом построения распределения пробегов ионов является распределение Пирсона IV- распределение в приближении четырех параметров: Rp, ARP, асимметрии распределения и эксцесса р. Подробно этот метод рассмотрен в . Для ряда значений асимметрии в рассчитаны таблицы функций распределения Пирсона в безразмерных единицах. Таблицы позволяют для любых известных значений Rp, ARp и асимметрии легко построить профиль распределения внедренной примеси для широкого круга мишеней, ионов и их энергий.
Чтобы получить профиль концентрации N(x) примеси, распределение Пирсона нужно умножить на дозу: N(x) = N0-f{x). (1.1.3) Существует еще один метод получения распределения пробегов ионов, который называется методом Монте-Карло . Идея метода состоит в том, что в ЭВМ моделируется некоторый элемент твердого тела, задаются законы, по которым происходит взаимодействие иона с атомами, а затем на такое смоделированное «твердое тело» в случайное место его поверхности выпускается ускоренный до определенной энергии «ион». Иными словами, проводится машинный эксперимент, при котором можно проследить весь путь иона, в том числе и место его остановки. После многократного повторения этой операции так, чтобы погрешности, связанные со среднестатистическими отклонениями, были малы, можно построить распределение ионов по глубине. Соответствие результатов таких машинных экспериментов реальным, определяется правильностью задания законов взаимодействия. Одновременно с исследованием пробегов ионов методом Монте-Карло можно получить такие сведения, как распределение числа первично смещенных атомов мишени по глубине (концентрацию дефектов). Во всех методах разделяют торможение на упругую и неупругую компоненты, не учитывая реальной обол очечной структуры атома, полностью вторичные процессы, используются некоторые другие упрощающие допущения . В итоге ошибка при расчете средних значений Rp и ARP может достигать 20-25%.
Таким образом, профиль распределения имплантированных ионов в монокристаллах зависит от многочисленных факторов: направления ионного пучка, его расходимости, состояния поверхности, совершенства структуры кристалла, а также температуры мишени, поскольку она влияет на амплитуду тепловых колебаний и кинетику накопления радиационных дефектов.
Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии
Метод основан на регистрации углового распределения дифрагированного пучка исследуемым образцом (то есть на измерении кривой дифракционного отражения), с дальнейшим анализом параметров полученной кривой . Наиболее информативным и удобным для исследования монокристаллов является метод записи кривых качания в геометрии Брэгга . Наличие на поверхности кристалла слоя с различной степенью нарушения по разному влияет на параметры дифракционных кривых (процентное отражение, полуширина, интегральный коэффициент отражения, закон спадания «хвостов»). По величине отклонения этих параметров, при сравнении с теоретически рассчитанными для идеального образца, можно делать заключение о характеристиках нарушенного слоя, таких как среднее изменение параметра решетки, эффективная глубина нарушенного слоя и определять профили деформации.
Исследуемый образец, обычно, освещается пучком рентгеновских лучей, предварительно монохроматизированных отражением от кристалла монохроматора, который остается неподвижным, в то время как исследуемый кристалл осуществляет вращение вблизи угла дифракции . Кривую, характеризующую зависимость интенсивности, отраженного кристаллом излучения от угла поворота, называют кривой качания, или кривой дифракционного отражения (КДО). Характеристиками совершенства структуры кристаллов являются следующие параметры кривой качания: интегральный коэффициент отражения R, который определяется как отношение всей интенсивности, отраженной исследуемым кристаллом, умноженной на угловую скорость, к интенсивности, отраженной кристаллом-монохроматором; полуширина кривой качания, т.е. полная ширина кривой на половине высоты, определяющая интервал углов поворота, в котором интенсивность уменьшается наполовину от максимума.
Дефекты в кристаллах могут влиять на указанные характеристики кривых качания за счет изменения кривой отражения исследуемого кристалла, т.е. коэффициент отражения R2 и форма кривой R(P) изменяются. Сравнение расчетных и экспериментальных кривых качания является основой для оценки совершенства структуры кристаллов.
Если исследуемый кристалл отражает по схеме Брэгга , то в обычном случае дислокации при плотности, большей 5 104 см 2, вызывают появление таких разориентировок, которые могут быть легко замечены по уширению кривой качания. Если уширение обусловлено только разориентировками, кривая качания является суммой отдельных кривых, сдвинутых друг относительно друга на угол разориентировки, так как при повороте кристалла разные участки последовательно попадают в отражающее положение. Такое уширение не зависит от брэгговского угла. При этом, так как полуширина кривой качания равна обычно нескольким секундам, если монохроматор и образец - совершенные кристаллы, то дополнительное уширение в одну или несколько секунд надежно фиксируется. Если уширение кривой качания вызвано наличием в отражающем объеме участков с различным значением межплоскостных расстояний dj, то оно зависит от угла отражения: Д Ь = -(L)tg9. (2.1.4) При достаточно развитой субструктуре, когда дислокации сгруппированы в плоские сетки, кривые качания от отдельных субзерен могут разделяться, и общая кривая качания будет иметь несколько максимумов. Расстояние между ними равно разориентировке вокруг оси, параллельной оси вращения образца.
Если размер субзерен больше толщины слоя полупоглощения, тогда каждое субзерно отражает независимо от соседних и общая площадь кривой качания, состоящей из нескольких максимумов, будет как для совершенного кристалла. Если же их размер меньше толщины слоя полупоглощения, тогда субзерна, которые не экранируются лежащими над ними субзернами, уже вышедшими из отражающего положения полностью или частично, также могут давать существенный вклад в общую отраженную интенсивность. В результате существенно возрастает общий рассеивающий объем и угловой интервал отражения, что и приводит к сильному увеличению интегрального коэффициента отражения, который в пределе стремится к интегральному коэффициенту отражения, соответствующему кинематической теории.
Однако метод записи кривых дифракционного отражения в двухкри стальной схеме обладает существенным недостатком. Данный метод является интегральным, поскольку регистрируемая интенсивность собирается с широкой области обратного пространства вдоль сечения сферы Эвальда. При этом невозможно различить вклад в интенсивность кривой качания дифракционной (когерентной) и диффузной (некогерентной) компоненты рассеяния. При исследовании тонких слоев велик вклад диффузного рассеяния от структурных несовершенств нарушенного слоя (кластеры радиационных точечных дефектов, частично аморфизованные зоны и т.п.) в результирующую интенсивность. Это затрудняет однозначную трактовку получаемых результатов. Разделение этих эффектов требует подробного анализа распределения интенсивности окрестности узла обратной решетки, который может быть реализован на трехкристальном рентгеновском дифрактометре. 2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии Возможности рентгенодифракцио иного метода в исследовании структуры тонких нарушенных слоев можно сильно расширить, если в дифракционную схему ввести третий кристалл-анализатор, как это показано на рисунке 2.1.1 .
Назначение этого кристалла - анализ углового распределения рентгеновских лучей, отраженных исследуемым кристаллом . На совершенных кристаллах-анализаторах можно проводить такой анализ углового распределения с точностью до долей секунд. Получаемые трехкристальные кривые качания, отражают природу структурных изменений, прошедших в приповерхностных слоях кристалла, т.к. имеют высокую чувствительность к типу и характеристикам дефектов монокристаллов . Тем самым, представляется возможность судить о типе дефектов уже на основании самого только вида профилей интенсивности, измеряемых методом ТРД. Более того, высокая разрешающая способность метода ТРД позволяет извлекать весьма точную количественную информацию о характеристиках дефектов .
Отличие метода ТРД от обычных трехкристальных схем, в которых первые два совершенных кристалла служат для коллимации и монохроматизации излучения, падающего на третий кристалл-образец, заключается в том, что исследуемый образец выступает в качестве второго кристалла, а третий (совершенный) кристалл-анализатор осуществляет развертку углового распределения излучения, дифрагированного вторым кристаллом (рис. 2.1.1). Кристалл-образец отклоняют от точного условия Брэгга на угол а, а кристалл-анализатор вращают в некотором угловом диапазоне вблизи точного угла Брэгга. Регистрируемая детектором интенсивность рентгеновских лучей во время вращения третьего кристалла представляет собой спектр ТРД. При данной схеме записи, спектр обычно состоит из трех пиков, которые согласно сложившейся терминологии называют главным, псевдо и диффузным пиками. Угловые положения пиков определяются законами вращения кристаллов и геометрии дифракции.
Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM
Процессы дефектообразования при ионной имплантации зависят от многих факторов: температура мишени, доза и энергия имплантируемых ионов, их химическая активность, соотношение масс иона и атомов мишени, ориентации подложки. Не всегда есть возможность учесть влияние всех этих факторов. Программа TRIM (Transport of Ions in Matter) позволяет произвести приблизительные оценки первичных процессов ионной имплантации и дает возможность наглядно представить, как будет происходить проникновение иона в мишень и каковы будут последствия .
Расчеты профилей распределения ионов водорода и радиационных дефектов по глубине, производимые по программе TRIM, основываются на методе Монте-Карло . Сущность и точность данного метода описаны в Гл. 1, п. 1.1.1, 1.1.3. Программа TRIM учитывает только влияние энергии на профиль распределения ионов примеси, независимо от количества вводимых ионов. Поэтому, для набора необходимой статистики при расчете профиля распределения выбирается произвольное число вводимых ионов. В данной работе, для обеспечения удовлетворительной точности расчета, число ионов было принято равным 10000. Разброс значений среднего пробега, обусловленный статистическими флуктуациями присущими методу Монте-Карло при расчете для 10000 ионов по программе TRIM, составляет 1 нм. Это количество ионов приравнивалось дозе имплантации, которая задается как входной параметр программы. Средний порог дефектообразования Ej для кремния составляет величину 20 эВ . Толщина слоя мишени, в котором проводится расчет профиля распределения, принималась равной от 2 до 7 мкм, в зависимости от энергии вводимых ионов. Через каждые 2000 частиц количество ионов примеси, попавшее в слой пересчитывается в концентрацию ионов в этом слое (см 3). Далее рассчитываются доли кремния и атомов примеси по отношению ко всем частицам в данном слое. При следующем цикле моделируются столкновения с учетом вероятности взаимодействия атомов примеси и матрицы.
После чтения входных данных и расчета необходимых параметров программа переходит к циклу налетающей частицы, в ходе которого рассматриваются столкновения и определяются новые направления движения: рассчитываются потери энергии при столкновениях, затем рассматривается возможность образования первично выбитых атомов (ПВА). Учитывается изменение траектории иона за счет упругого взаимодействия с атомом и потеря энергии ионом за счет неупругого взаимодействия с электронами атома мишени. Процесс повторяется пока энергия иона составляет более 0,001 от первоначальной. Если образуется ПВА, то его данные записываются в список 1. Если движение налетающей частицы прекращается, то программа переходит от цикла налетающей частицы к каскадному циклу. Структура каскадного цикла подобна структуре цикла налетающей частицы. Информация по ПВА переносится в список 2, а информация по новым вторично выбитым атомам записывается в список 1. После того как программа закончит работу с атомами из списка 2, список 1 объединяется с уменьшившимся списком 2. Эта процедура повторяется до тех пор, пока список 2 не будет исчерпан. Затем в зависимости от количества введенных ионов программа переходит или к циклу налетающей частицы, или выводит результаты расчета.
В результате расчетов, произведенных по программе TRIM, были получены зависимости концентрации ионов водорода и радиационных дефектов от глубины имплантированного слоя при различных энергиях имплантации в диапазоне 100-500 кэВ и комбинированном облучении. В программе считается, что в процессе имплантации образуется одинаковое количество вакансий и междоузельных атомов (см. Гл.], п. 1.1.3), поэтому результирующие профили выдаются относительно одного из видов точечных дефектов. 3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления
Срез выполняется под определенным углом при помощи шлифования алмазной пастой с размером зерна не более 1 мкм. Образец с нанесенным срезом крепится в каретке автоматической однозондовой установки, обеспечивающей прерывистую подачу образца с шагом, соответствующим перемещению по глубине 1 мкм. Через образец, имеющий низкоомные невыпрямляющие токовые контакты, пропускают постоянный ток. На поверхность образца с косым шлифом помещают зонд, в качестве которого использовалась вольфрамовая игла с острием, имеющим радиус скруглення около 1 мкм. При измерениях на резистор, включенный в цепь зонда, подается положительный потенциал. Измеряемой величиной является потенциал зонда, который меняется в зависимости от расположения точки касания зонда относительно края косого среза. Для измерения потенциала зонда использовался электрометрический усилитель постоянного тока с входным сопротивлением 10ш Ом.
Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя
Для выявления влияния дозы и температуры протонного облучения на характеристики нарушенного слоя были исследованы кристаллы кремния, толщиной 0,4 мм, с ориентацией поверхности (100), подвергнутые имплантации ионов водорода с энергией 150 кэВ и дозами 2,5-1015 см"2, 5-Ю15 см 2, 1-Ю16 см"2, 2 10 см. Температуры образцов при облучения составляли 50С, 140С, 230С, 320С, 430С, 550С, 610С. Исследования проводились с использованием двухкри стального рентгеновского дифрактометра в бездисперсионной схеме (рис. 3.5.2). В результате рентгенодифракционного эксперимента для всех указанных режимов облучения были получены кривые дифракционного отражения (КДО), представленные на рис. 4.1.1 - 4.1.3. По экспериментальным КДО, используя методику, описанную в п. 3.5.3 были получены количественные параметры ионноимплактированных слоев: средняя эффективная толщина и средняя относительная деформация.
Для всех доз имплантации водорода в кремний характер снятых кривых дифракционного отражения изменился по отношению к идеальной кривой (рис, 4.1.1 - 4.1.3), Как видно, основное отличие этих кривых от кривой, соответствующей отражению от необлученного кристалла (рис. 4.1.1) заключается в появлении (помимо основного максимума) дополнительной осцилляции интенсивности, характеризующей образование нарушенного слоя (рис. 4.1.2, 4.1.3). Во всех случаях кривые ассиметричны, причем со стороны углов меньших брэгговского интенсивность больше, чем с противоположной стороны. Для всех указанных доз при температурах от 50 до 550С со стороны малых углов хорошо видны когерентные осцилляции, характеризующие деформацию положительного знака, и явно выражен пик от нарушенного слоя (рис. 4.1.2 а, б, рис. 4.1.3, крива б). Видно также, что дополнительная интенсивность увеличивается с увеличением дозы от 2,5 1015 до 2 1016 см 2.
По методике, описанной в п. 3.5.3, была составлена программа вычисления интегральных характеристик нарушенного слоя ЬЭфф и Да/а непосредственно из экспериментальных КДО для программного пакета MATLAB. Результаты расчета интегральных характеристик для всех образцов приведены на зависимостях ЬЭфф(Т), Да/а(Т), ЬЭфф(Б), Aa/a(D) (рис. 4.1.4, 4.1.5).
Анализируя температурную зависимость ЬЭфф и Да/а (рис. 4.1.4 а, б) видно, что эффективная толщина и относительная деформация нарушенного слоя возрастают, достигая максимального значения при температуре 430С. Причем, при дозе облучения 2 10 см" величина Ьэфф увеличивается в 2,7 раза с ростом температуры облучения, тогда как при меньших дозах она возрастает почти в 4 раза. Относительная деформация увеличивается в среднем в 1,3 раза при росте температуры протонного облучения от 50С до 430С. С дальнейшим ростом температуры значения І фф и Да/а резко убывают.
Очевидно, что формирование нарушенного слоя в кристалле обуславливается течением двух конкурирующих процессов эволюции первичных радиационных дефектов. После выбивания атомов кремния из положения равновесия и образования междоузельных атомов и вакансий может иметь место их рекомбинации, и в этом случае дефекты исчезают. В другом случае за счет диффузионных процессов первичные междоузельные атомы и вакансии могут удаляться друг от друга и образовывать стабильные радиационные дефекты в виде пар, кластеров и т.д.
Анализ дозовой зависимости ЬЭфф и Да/а показывает рост значений этих величин с дозой, причем наибольшие изменения эффективной толщины и относительной деформации нарушенного слоя от дозы происходит при температурах до 140С (самый крутой наклон кривой, рис. 4.1.5 а, б), в 1,8 и 1,3 раза, соответственно.
В кремнии, облученном протонами в диапазоне температур 300 - 450С образуются, согласно , мелкие водородсодержащие доноры. Во время такой высокотемпературной имплантации в кремнии происходит распад пересыщенного раствора имплантированного водорода и взаимодействие его с радиационными дефектами и примесными атомами. Это взаимодействие приводит к образованию электрически активных дефектов, проявляющих свойства мелких донорных центров. Структура и параметры этих центров зависят от концентрации водорода.
Контроль диффузионных слоев проводится в основном по таким параметрам, как глубина залегания сформированного p–n –перехода, проводимость поверхностного слоя и поверхностная концентрация атомов примеси.
Наиболее распространенным методом контроля глубины залегания p–n –перехода является метод окрашивания шлифа. Для измерения глубины залегания примеси порядка единиц микрометра и менее удобно использовать сферический шлиф.
Рис. 9.3. Схема процесса изготовления сферического шлифа на пластине с диффузионным слоем:
1 – пластина полупроводника; 2 – р–n –перехоя;
3 – стальной шар; 4 – окрашенная р –область шлифа
Его изготовляют при вращении стального шара диаметром 35 – 100 мм, прижимаемого к поверхности пластины. Образование сферы происходит за счет того, что в место контакта вращающийся шар – кристаллическая пластина подают абразивную суспензию или наносят на поверхность шара алмазный порошок в виде эмульсии. Для большей точности измерения диаметр зерна абразивного материала не должен превышать 1 мкм. Чтобы выявить границы р–n –перехода, глубина сферической лунки должна быть больше глубины залегания р–n –перехода. Границу выявляют по окрашиванию (потемнению) р –области вследствие окисления в травителе, состоящем из 48 %–ной плавиковой кислоты с небольшой добавкой (до 0, 05–0, 1 %) 70 %–ной азотной кислоты.
Глубина залегания диффузионного р–n –перехода:
x j = l 2 /(4D) (9.4)
где l – длина хорды контура сферического шлифа (рис.9.3), измеряемая с помощью микроскопа; D – диаметр шара.
Для повышения точности измерений изготовляют несколько шлифов (до 5), а полученные результаты усредняют.
Наиболее распространенным методом измерения поверхностного сопротивления является четырехзондовый метод. Погрешность измерения поверхностного сопротивления обычно не превышает 5 – 10 %. Для определения поверхностной концентрации легирующей примеси необходимо знать характер распределения примесей в диффузионной области, который зависит от условий проведения процесса.
Ионная имплантация
Ионной имплантацией (ионным легированием) называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантации.
Назначение и применение ионной имплантации
Наиболее распространенным применением ионной имплантации в технологии формирования ИМС является процесс ионного легирования кремния. Часто приходится проводить имплантацию атомов в подложку, которая покрыта одним или несколькими слоями различных материалов. Ими могут быть как тонкие слои тяжелых металлов (например, Та или силицида тантала TaSi 2), так и диэлектриков. Существование многослойной структуры может вызвать резкие перепады в профиле легирования на границе отдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами приповерхностных слоев последние могут быть выбиты в более глубокие области легируемого материала. Такие "осколочные эффекты" способны вызвать ухудшение электрических характеристик готовых приборов.
Во многих случаях для получения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.
Общая траектория движения иона называется длиной пробега R , а расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированной длиной пробега R p .
9.5.2. Применение ионной имплантации в технологии СБИС. Создание мелких переходов
Требование формирования n + слоев, залегающих на небольшой глубине, для СБИС можно легко удовлетворить с помощью процесса ионной имплантации Аs. Мышьяк имеет очень малую длину проецированного пробега (30 нм) при проведении обычной имплантации с энергией ионов 50 кэВ.
Одной из прогрессивных тенденций развитии СБИС является создание КМОП– транзисторов. В связи с этим большое значение имеет получение мелких p + – слоев. Такие слои очень сложно сформировать путем имплантации ионов В + .
Решение проблемы, связанной с имплантацией бора на небольшую глубину, на практике облегчается использованием в качестве имплантируемых частиц ВF 2 . Диссоциация молекулы ВF 2+ при первом атомном столкновении приводит к образованию низкоэнергетических атомов бора. Кроме того, использование молекулы ВF 2 имеет преимущество при проведении процесса отжига структур.
Значение глубины и окультуренности пахотного слоя почвы для растений.
Мощность пахотного слоя почвы - один из показателей плодородия и ее окультуренности. Чем она больше, тем выше ее плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.
Получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур возможно только при условии бесперебойного и полного удовлетворения потребностей растений в воде и пище. Вся пища (кроме углекислоты воздуха) и вода поступают в растение через корни из почвы. Понятно поэтому то исключительное влияние, которое уделяется в земледелии созданию наиболее благоприятных почвенных условий для роста и развития сельскохозяйственных растений. Все агротехнические приемы, из которых слагаются системы обработки почвы и применения удобрений в севообороте, направлены в конечном счете на это. Под влиянием агротехнических мероприятий, осуществляемых при сельскохозяйственном использовании почвы, ее свойства существенным образом меняются. Непосредственное воздействие приемов обработки и применение удобрений на состояние и свойства почвы ограничиваются верхним ее слоем определенной мощности. Он постоянно подвергается воздействию почвообрабатывающих орудий. Рыхление и оборачивание этого слоя орудиями почвообработки обеспечивает более сильное влияние на его свойства. Вносимые в почву органические и минеральные удобрения распределяются, в этом слое почвы отмечается интенсивная деятельность почвенных микроорганизмов, которым принадлежит ведущая роль в жизни почвы, создании условий ее плодородия.
На старопахотных дерново-подзолистых почвах особенно отчетливо видно, насколько резко верхний (пахотный) слой отличается от нижележащих слоев почвы как по внешнему виду, так и по свойствам. Он характеризуется более рыхлым сложением, повышенным содержанием гумуса и доступных растениям питательных веществ, пониженной кислотностью, высокой биологической активностью.
Возрастание мощности пахотного слоя положительно влияет на водный режим почвы. При его увеличении почва полнее может использовать выпадающие осадки. На почве с глубоким высокоокультуренным пахотным слоем, даже при выпадении дождей ливневого характера большая часть выпадающих осадков, как правило, успевает проникнуть в толщу этого слоя и задерживается в нем, в дальнейшем избыток влаги сверх полевой влагоемкости постепенно уходит в нижележащие слои. Наоборот, на почве с мелким пахотным слоем при тех же условиях рельефа при одинаковом состоянии поверхности и одинаковом сельскохозяйственном использовании почвы дожди ливневого характера обычно бывают мало полезными, так как большая часть выпавших осадков стекает по поверхности почвы. При повышенном количестве осадков почва с мелким пахотным слоем быстро переувлажняется, растения на ней страдают от избытка влаги и недостатка кислорода в почве. В то же время на расположенной рядом почве с глубоким пахотным слоем, хотя эта почва содержит больше влаги, чем первая, растения развиваются нормально, никаких признаков страдания их от избытка влаги не обнаруживается. На такой почве культурные растения лучше противостоят засухе и меньше страдают от избыточных дождей.
С увеличением мощности пахотного слоя улучшаются условия питания культурных растений. Даже в очень бедной почве содержание питательных веществ обычно в сотни раз превышает те их количества, какие используются сельскохозяйственными растениями ежегодно при самых высоких урожаях. Несмотря на такие большие запасы питательных веществ в почве, растения далеко не всегда имеют возможность своевременно и полностью удовлетворять свои потребности в пище. Преобладающая часть необходимых для растений питательных веществ находится в почве в недоступных формах - в органических остатках, в перегное, в составе почвенных микроорганизмов, а также в труднорастворимых минеральных соединениях. Лишь в результате переработки этих составных частей почвы микроорганизмами, а также распада тел отмерших микроорганизмов питательные вещества получаются в форме легкорастворимых соединений, доступных растениям. Эта полезная деятельность почвенных микроорганизмов может протекать нормально лишь при благоприятных для них почвенных условиях -при наличии в почве нужной им пищи, тепла, влаги, воздуха (кислорода), и при отсутствии повышенной кислотности почвы. В сильно уплотненной или переувлажненной почве вследствие недостатка кислорода жизнедеятельность полезных для растений микроорганизмов подавляется. В таких условиях в почве развивается другая группа микроорганизмов, продукты жизнедеятельности которых не только не используются сельскохозяйственными растениями для питания, но могут даже отрицательно сказаться на росте и развитии.
Количество микроорганизмов в почве исключительно велико. Но в таких громадных количествах почвенные микроорганизмы развиваются при благоприятных условиях температуры и влажности только в пахотном слое. В нижележащих слоях почвы деятельность микроорганизмов резко ослабляется. Преобладающая часть почвенных микроорганизмов нуждается в органическом веществе как источнике, необходимом для их жизнедеятельности энергии и как основном источнике веществ, нужных им для построения тела.
Подпахотный слой дерново-подзолистых почв, представленный п большинстве случаев подзолистым горизонтом, содержит очень мало органических веществ и микроорганизмы не могут интенсивно развиваться в нем прежде всего вследствие недостатка пищи. Другой причиной сильно подавленной деятельности микроорганизмов в подпахотном слое следует считать недостаток кислорода. Наконец, деятельность микроорганизмов в подпахотном слое часто тормозится вследствие повышенной кислотности почвы этого слоя. По указанным причинам деятельность микроорганизмов в дерново-подзолистых почвах наиболее выражена только в пределах пахотного слоя.
Следовательно, чем больше мощность пахотного слоя, тем больше биологически активный слой, в котором благодаря жизнедеятельности полезных почвенных микроорганизмов бесперебойно от весны до осени готовится необходимая культурным растениям пища.
Повышение мощности пахотного слоя почвы означает увеличение биологически активного слоя и создание больших возможностей для обеспечения сельскохозяйственных растений питательными веществами. Однако было бы грубой ошибкой на этом основании противопоставлять увеличение мощности пахотного слоя применению удобрений. Ранней весной при низкой температуре микроорганизмы не работают. На помощь земледелию приходит промышленность. Она предоставляет сельскому хозяйству минеральные удобрения, которые содержат питательные для растений вещества в доступных для них формах. На окультуренных почвах с глубоким пахотным слоем положительное влияние удобрений на урожай усиливается.
Для нормального почвенного питания сельскохозяйственных растений большое значение имеют мощность развития их корневых систем и распределение корней в почве по глубине. Мощность развития корневых систем зависит от уровня плодородия почвы, от степени ее окультуренное™. На дерново-подзолистых почвах у всех сельскохозяйственных растений основная масса корней (до 80-90 % общей их массы) располагается в пределах пахотного слоя. В этом же слое в течение всех жизни растений находится преобладающая часть тонких корешков, покрытых корневыми волосками, т. е. деятельная, поглощающая часть корневых систем, через которую поступает в растение пища из почвы. Объясняется это тем, что питательные вещества в доступных для растений формах содержатся в основном в пахотном слое. Чем больше мощность пахотного слоя, тем больший объем культурной почвы охватывается густой сетью корней и полнее обеспечивается почвенное питание растений. На почвах с мелким пахотным слоем растения свои потребности в почвенном питании вынуждены покрывать в основном за счет очень ограниченного, явно недостаточного слоя.
На окультуренных почвах с благоприятными физическими и агрохимическими свойствами подпахотных слоев зерновые культуры могут потреблять более 50 % влаги, 20-40 % питательных веществ из подпахотных горизонтов.
При наличии глубокого пахотного слоя случаи гибели озимых культур при неблагоприятных условиях перезимовки бывают исключением. На таких почвах озимые культуры, как правило, благополучно переносят даже самые тяжелые условия перезимовки. Объясняется это лучшими физическими свойствами почвы с глубоким пахотным слоем, отсутствием на них длительного осеннего переувлажнения и хорошим развитием озимых культур в осенний период.
На почвах с глубоким пахотным слоем гораздо реже наблюдается такое явление, как выпадение клеверов при неблагоприятных условиях перезимовки.
С увеличением мощности пахотного слоя повышается эффективность других агротехнических приемов возделывания сельскохозяйственных культур. Следовательно, можно сделать заключение, что только при наличии глубокого пахотного слоя и высокой окультуренности почвы могут быть обеспечены вполне благоприятные условия для роста и развития сельскохозяйственных растений. Они по-разному реагируют на мощность пахотного слоя и глубину обработки. К первой группе культур, хороню отзывающихся на глубокую обработку почвы относятся: свекла, кукуруза, картофель, люцерна, клевер, вика, кормовые бобы, подсолнечник,овощные культуры. Ко второй группе культур, средне отзывающихся на глубокую обработку почвы, относятся: озимая рожь, озимая пшеница, горох, ячмень, овес, кострец безостый. К третьей группе культур, слабо отзывающихся или совсем не отзывающихся на глубокую обработку почвы, относятся лен и яровая пшеница. На почвах с мощным пахотным слоем выше урожайность сельскохозяйственных культур.
Приемы увеличения мощности пахотного слоя. В начале прошлого века па преобладающей части пахотных земель дерново-подзолистых почв глубина пахотного слоя не превышала 14-15 см, а на значительной площади была не более 12 см. За истекший период благодаря росту культуры земледелия, увеличению внесения органических и минеральных удобрении мощность пахотного слоя доведена до 20-22 см. Экономически выгодным считается иметь мощность пахотного слоя 30-35 см. Однако следует иметь в виду, что увеличение мощности пахотного слоя не сводится только к увеличению глубины обработки, обязательным является внесение органических, минеральных и известковых удобрений, посев сидеральных культур.
Технология создания и окультуривания глубокого пахотного слоя дерново-подзолистых почв предусматривает оставление пахотного слоя на прежнем месте, рыхление и окультуривание нижележащих слоев. Особенно важно это соблюдать при неглубоком пахотном слое.
В настоящее время известно несколько способов углубления пахотного слоя почвы.
- Пропахивание нижележащего слоя почвы с выносом его на поверхность.
- Полное оборачивание пахотного слоя с одновременным рыхлением части подпахотного.
- Рыхление на установленную глубину без оборачивания плугом без предплужников и без отвалов или чизельными плугами.
- Углубление путем одновременной припашки части подпахотного слоя к пахотному и применение рыхления подпахотного.
- Обработка почвы ярусными плугами с взаимным перемещением горизонтов.
При выборе способа углубления и окультуривания пахотного слоя дерново-подзолистых почв необходимо учитывать следующие показатели: 1) характеристика пахотного слоя (мощность, плодородие, гранулометрический состав); 2) характеристика подпахотных слоев: состав (подзолистый, иллювиальный, материнская порода), глубина, гранулометрический состав, агрофизические и агрохимические свойства (содержание гумуса, элементов питания, реакция среды, содержание подвижного алюминия и закисного железа).
Наиболее доступным способом увеличения мощности пахотного слоя является пропахивание нижележащего слоя почвы с выносом его на поверхность. Он осуществляется обычными плугами. За один прием следует припахивать не более 2-3 см подзолистого слоя. На почвах с пахотным слоем более 20 см его углубляют на 1/5 его толщины. Чтобы не допустить снижения урожайности сельскохозяйственных культур от пропахивания подзолистого горизонта к пахотному, необходимо разово внести 80-100 т/га органических удобрений, известковые удобрения для нейтрализации избыточной кислотности и минеральные удобрения в соответствии с планируемой урожайностью. Такое внесение позволит улучшить физические свойства и биологическую активность почвы и нейтрализацию кислотности. Лучшим местом углубления пахотного слоя путем припашки подзолистого является паровое поле, предназначенное под посев озимой ржи и поля под посадку картофеля. Нельзя углублять пахотный слой с вовлечением в него подзолистого горизонта под такие культуры, как сахарная свекла, кукуруза, пшеница и лен, даже с внесением удобрений, поскольку это приводит к снижению их урожая.
На почвах с неглубоким залеганием подзолистого горизонта при углублении пахотного слоя нужно проявлять некоторую осторожность, учитывая, что подзолистый слой отличается неблагоприятными физическими и биологическими свойствами, почти не содержит в усвояемой форме питательных веществ для растений и имеет повышенную кислотность. В этом случае подзолистый горизонт не выворачивают и не перемешивают с пахотным, а только рыхлят. При таком углублении пласт оборачивается на глубину гумусового слоя, а лежащий под ним горизонт рыхлится почвоуглубителями примерно на 10-15 см. В дальнейшем по мере окультуривания подзолистого горизонта можно частично припахивать его к пахотному обычным плугом. Не следует припахивать глеевый горизонт к гумусовому, так как он содержит закисные соли, вредные для сельскохозяйственных растений. На таких почвах хорошие результаты получают от углубления пахотного слоя плугами с почвоуглубителями, плугами без отвалов, плугами с вырезными отвалами и чизельными. Углубление путем рыхления на месте нижнего слоя (без выворачивания) в значительной степени повышает аэрацию, усиливает жизнедеятельность микроорганизмов и накапливает в почве усвояемые для растений продукты питания как за счет разложения органических веществ, так и за счет окисления минеральных соединений. Одним из эффективных способов постепенного увеличения мощности пахотного слоя является углубление путем одновременной припашки части пахотного слоя к пахотному и применение рыхления подпахотного.
Коренным образом можно изменить пахотный слой при вспашке ярусными плугами с взаимным перемещением почвенных горизонтов. Этот способ может быть эффективным при наличии в хозяйстве достаточного количества органических, минеральных и известковых удобрений, в противном случае может быть значительное снижение урожайности сельскохозяйственных культур. Увеличение мощности пахотного слоя требует больших материальных и денежных затрат, что не всегда под силу хозяйствам.
Результаты многолетних стационарных и краткосрочных полевых опытов свидетельствуют о том, что нет достаточно веских оснований для рекомендации постепенно углублять пахотный слой до 25-30 см и более. Углубление целесообразно лишь на хорошо окультуренных пахотных землях в условиях интенсивного применения удобрений, периодического известкования и возделывания культур, хорошо отзывающихся на глубокие обработки.
В среднем за ротацию семипольного севооборота без углубления получено 59,1 ц/га к.ед., по углублению на 5 см - 59,8 ц/га, т. е. продуктивность практически одинаковая. Однако углубление пахотного слоя за счет припашки подзолистого приводит к большим затратам ГСМ на его проведение, а на почвах, засоренных камнями, и к поломке плугов.
В большинстве хозяйств республики гумусовый слой пахотных почв составляет 20 см и более, углублять его за счет припашки подзолистого неэффективно, а следует его окультуривать и только на переуплотненных участках разуплотнять подпахотные слои безотвальными орудиями, лучше с наклонными стойками. На дерновоподзолистых легкосуглинистых почвах с мощностью гумусового слоя 20-22 см можно получать зерновых 4,5-6,0 т/га, картофеля - 35-40, корнеплодов - 60-80, сена многолетних трав - 10-12 т/га.
Полирование
Для улучшения качества обработки поверхности полупроводниковых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки. Процесс полирования отличается от процесса шлифования технологическим режимом, размером зерна и видом абразива, а также материалом полировальника. Обработка происходит с использованием свободного абразива. Процесс полирования проводят на мягких полировальниках, которые представляют собой жесткие диски, обтянутые мягким материалом. В качестве абразива используют микропорошки синтетического алмаза, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния. Полировочный материал должен удерживать частицы абразивного материала в процессе обработки пластин. Процесс полирования пластин может происходить в несколько этапов. Для начала применяют микропорошки с более крупной зернистостью. На последующих этапах, после проведения операции очищения от следов предыдущей обработки, меняют материал полировальника и используют более мелкие микропорошки. Нагрузка на полупроводниковые пластины несколько увеличивается. Водная суспензия в течение всего процесса полирования тщательно перемешивается. Последний этап полирования имеет большое значение. Он дает возможность удалить фон частиц с поверхности пластин, возникающий на первых этапах полировки и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя. Так же могут применяться химико-механические способы полирования, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу, .
Полирование пластины проводим в несколько этапов, с рабочей стороны:
· Предварительное полирование алмазной пастой АСМ-3 на мягкой ткани до глубины нарушенного слоя 6-9 мкм.
· Повторное полирование алмазной пастой АСМ-1 на мягкой ткани до глубины нарушенного слоя 4-6 мкм.
· Окончательное полирование алмазной пастой АСМ-0,5 на мягкой ткани до глубины нарушенного слоя 3-1 мкм., .
Химико-механическое полирование
Удаление с поверхности подложки остаточного механически нарушенного слоя необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя, поэтому следующим технологическим процессом является химическая обработка пластин. Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-химическим свойствам (органические, неорганические, солевые, ионные, механические и др.) и характеру их взаимодействия (физически и химически адсорбированные) с полупроводниковыми материалами, на которых они находятся.
К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Удаление органических загрязнений требует более сложного процесса отмывки, так как при нагревании они разлагаются и выделяют газообразные вещества, ухудшающие последующие технологические процессы.
К химически адсорбированным загрязнениям относятся различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности пластин, катионы и анионы химических веществ. Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений используют ряд последовательных операций, каждая из которых удаляет несколько видов загрязнений. Травление является обязательной технологической операцией, .
При травлении кремния роль окислителя выполняет азотная кислота.
Фтористоводородная (плавиковая) кислота, входящая в состав травителя, переводит окись кремния в тетрафторид кремния. Для травления, дающего зеркальную поверхность пластин, используют смесь указанных кислот в соотношении 3:1, температура травления 30...40°С, время травления около 15 с.
Химико-механическое полирование проводим в два этапа:
· Первичное полирование суспензией аэросила, SiO 2 (зерно 0,04 - 0,3 мкм), до глубины нарушенного слоя 2-1 мкм.
· Окончательное полирование суспензией цеолита, до глубины нарушенного слоя 1-0,5 мкм., .
О П:И;.C"À.",3 и E изоб итиния
Союз Советских
Соцмалмстммескмх
2 (5l) М. Кл.
Государстаеккый комитет
Совета Мкнкстроа СССР ко делам кзооретенкй и открыткй (43) Опублыковано25.10.78.Бюллетень № 38 (53) уд (@pl 382 (088.8) (45} Дата опубликования описания28.08.78
Ж. А. Веревкина, В. С. Кулешов, И. С. Суровцев и B. Ф. Сыноров (72) Авторы нзобретеыыя (тт) даявытель Воронежский ордена Ленина государственный университет им. Ленинского комсомола (54) СПОСОБ.ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАСТИ НЫ
Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов.
Известные способы определения глубины нарушенного слоя основаны на изменении физических или електрофизнческих параметров полупроводникового материала при последовательном механическом либо химическом удалении нарушенного слоя.
Гак, метод плоскопараллельных (косых) сечений с подтравливанием состоит в последовательном удалении частей нарушенного слоя, химическом травлении оставшегося материала и визуальном контроле следов трешин. 15
Метод циклического травления основан на различии в скоростях травления поверхностного нарушенного слоя и объема полупроводникового материала и заключается в точном определении обьема 20 стравленного материала за определенный промежуток времени.
Метод микротвердости основан на разнице величины микротвердости нарушенного слоя и обьема полупроводникового ма- 25 териала и заключается в послойном химическом стравливании приповерхностных слоев материала и измерении микротвердости оставшейся части полупроводниковой пластины.
Метод инфракрасной микроскопии основан на различном поглощении излучения
ИК-диапазона полупроводниковыми пластинами с разной глубиной нарушенного слоя и заключается в измерении интегрального пропускания ИК-излучения полупроводниковой пластиной после каждого химического удаления слоя материала.
Электронографический метод определе ния глубины нарушенного слоя основан на приготовлении косого шлифа из полупроводниковой пластины и сканировании злектроннoFo луча IIо шлифу от поверхности монокристалла до той точки, начиная с которой дифракционная картина не меняется, с последующим замером пройденного расстояния.
Однако в известных методах контроля следует отметить либо наличие дорогостояшего и громоздкого оборудования, либо
599662 применение агрессивных н токсичных реактивов, а также длительность получения результата.
Известен способ определения глубины нарушенного слоя в полупроводниковой S йнастине путем нагрева полупроводника, Qrm его заключается s том, что попу проводннковую пластину с нарушенным слоем помещают в вакуумную камеру перед входным окном приемника экзоэпек- 1о тронов, с помощью которого измеряют экзоэпектроееееую эмиссию с поверхности полупроводника.
Для создания тянущего экэоэпектронов электрического поля над поверхно- 33 стью попупроводника помещают сетку, на которую подают отрицатепьньей потеяциап. Далее при нагреве полулроводешка с его поверхности возникает экэоэпектрониая эмиссия измеряем%я С пОмОщью при» емнике1 и дОпопнительной аппаратурье (ши» (еокополостного усилителя и импульсного счетчиKа), При этом температурноe по» пожение и интенсивность ликов эмиссии определяется глубиной нарушенного слоя. 25
При этом способе необходимо наличие вакуумного Оборудования, причем для получения эмиссионных спектров необходимо в камере создавать разряжеееие не хуже 10 торр. Создание таких условий ЗО перед собственно процессом определения гееу%нье нарушенного слоя приводит к по пучению конечного результата лишь через
40-60 миеЕ„Кроме тое о, по данному спо сабу нельзя одновременно определить 35 кристаппографическую ориентацию полупроводниковой пластины.
Цель настоящего изобретения — упрощение процесса определения глубины нарушенного слоя, одновременное Опредепе 40 ние кристаплографической ориентации попупроводниковой пластины.
Зто достигается тем, что пластину нагреваеот B высокочастотном лопе до появпения скеенэффекта и выдерживают в течение 2-5 с, после чего по средней максимапьной протяженности следов ориентированных каналов проппавпения и их форме определяют глубину нарушенного слоя и ориентацию монокристалпической пластины.
На чертеже приведена зависимость средней максимальной площади следов ориентироваиееых каналов проплавпения на поверкности кремния ориентации (100} от глубины нарушенного слоя„
При индукционном нагреве полупровод ннковой пластины (с одновременной инициацией собственной проводимости в полупроводнике) на периферии последнего возникает скин-эффект, обнаруживаемый по появлению ярко светящегося ободка на пластине. Прн вьедерживаееии пластины в указанных успоьиях в течение 2-5 с обнаружено, что на обеих сторонах периферии полупроводниковой пластины образуются фигуры в виде треугольников дпя попупроводников, ориентированных в плоскости, и прямоугольников - дпя ориентации (100).
Зти фигуры являются следами ориентированных каналов проппавпения.
Образование каналов, по-видимому, обусловлено взаимодействием пондермоторных сип электрического поли с трещинами и прочими дефектами в приповерхностном слое полупроводника, приводящим к разрыву межатомных связей в зоне де фекта, Зпектроны далее ускоряются в сильном электрическом поле, ионнэируют на пути атомы, вызывая павину, и, таким образом, проппавияют мояокристалл вдоль дефекта.
ЗкспереЕментапьным путем обнаружено, Р чтО максимаен эиая протяженность {ппощадьэ) поверхностных следов ориентированных каналов проппавления зависит от размера (протяженности) самого дефекта в структуре попупроводника. Причем зависимость эта нииейная, т. е. чем больше размер дефекта, например, длина трещин, тем большую ппощадь имеет след ориен тированного канапа проппавпения, возник» шего на этом дефекте.
Пример При полировании кремниевых пластин алмазными пастами с после довательно уменьшающимся диаметром зерна предварительно строят градуировоч ную кривую. По оси ординат откпадывают значения глубины нарушенного слоя в кремнии, определенные любым из извест. ных методов, например, циклическим травлением. По оси абсцисс» среднюю мак- симальную протяженность (площадь) сле дов проппавления, соответствующую определенной глубине нарушенного слоя. Для этого пластины диаметром 40 мм, иэъя-1 тые с различных стадий полирования, по-. мещают на графитовой подложке в ципиндрический ВЧ индуктор днаметррм 50мм установки мощностью ЗИВТ и рабочейчастотой 13,56 МГц. Пластину выдерживают в ИЧ-поле 3 с, после чего на микроскопе типа МИИ-4 по 10 полям зрения опредепяют среднюю максимальную протяженность (площадь) следа канала проплави $> " >
Составитель Н. Хлебников
Редактор Т. Колодцева ТехредА. АлатыревКорректор С. Патрушева
Заказ 6127/52 Тираж 918 Подписное
UHHHfIH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 пения. В дальнейшем при частичном изменении технологии, т. е. например, при смене типа станка, материала полировальнкка
> зернистости алмазной пасты и т, д. изымают одну из пластин с определенной стадии техпроцесса и подвергают ВЧ-об работке, как это описано выше. Далее, воспользовавшись градуировочной кривой, определяют глубину нарушенного слоя и вносят коррективы s технологию. Ориен тацию также контролируют визуально пос ле ВЧ обработки.
Хронометрирование процесса определе ния глубины нарушенного слоя и ориента ции полупроводника, согласно предложен ному техническому решению, показывает, что весь процесс от его начала (помещен ния пластины в ВЧ-индуктор) и до получения конечного результата занимает
Реализация описанного способа в полупроводниковом производстве даст возмоиэность производить экспресс-контроль my
29 бины нарушенного слоя на обеих поверхностях полупроводниковой пластины с од» повременным определением ее крирталлографической ориентации, уменьшить при менение агрессивных и токсичных реактивов и>тем самым, улучшить беэопасносуь и условия труда.
Формула изобретения
Способ определения глубины нарушен ного слоя полупроводниковой пластины путем нагрева полупроводника, о т л и -е ч а ю шийся тем, что, с целью уп рощения процесса и одйовременного опре деления кристаллографической ориентации пластину нагревают в высокочастот ном ноле до, появления скин-эффекта и выдерживают таким образом в течение
2-5 с, после чего по средней максималь ной протяженности следов ориентирован-. ных каналов процлавления и их форме определяют глубину нарушенного слоя и ориентацию монокристаллической пластиBbK
