РОЗДІЛ II. СТВОРЕННЯ КНІ-СТРУКТУР З РЕКРИСТАЛІЗОВАНИМ ПОЛІКРЕМНІЙОВИМ ШАРОМ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ ЇХ ХАРАКТЕРИСТИК
На сучасному етапі в мікроелектроніці широко використовуються шари полікристалічного кремнію на поверхні окисненої кремнійової пластини. Такі шари формуються, як правило, хімічним осадженням з газової фази. На відміну від монокристалічного кремнію, в полікристалічних шарах є малі рухливості електронів і дірок, а також час життя носіїв заряду, що зумовлено наявністю великої кількості дефектів структури, які є центрами розсіювання і рекомбінації. Зменшення кількості дефектів структури при лазерній рекристалізації вихідного полікремнію дозволяє значно підвищити рухливість носіїв заряду в шарі, що робить можливим створення на основі КНІ-структур мікроелектронних приладів і сенсорів фізичних величин з високою швидкодією, підвищеним ступенем інтеграції і радіаційної стійкості, а також створити інтегральні схеми з тривимірною інтеграцією елементів для обробки сигналів в інтелектуальних сенсорах [37].
2.1. Методика створення КНІ-структур з рекристалізованим полікремнійовим шаром.
Для створення якісних КНI-структур було застосовано метод мікрозонної лазерної рекристалізації шарів полiкремнiю, у якому завдяки малому часу існування розплаву, на відміну вiд поширеного методу зонної плавки [37], відсутній помітний перерозподіл заданого профілю домішки у вихідній КНI-структурі i має місце незначна ймовірність підплавлення підкладки з монокристалічного кремнію під діелектриком. Цей метод дозволяє формувати необхідні за розмірами монокристалічні області полікремнію, одночасно забезпечуючи технологічність і простоту процесів лазерної рекристалізації [38,39].
При формуванні шарів полiкремнiю переміщенням розплавленої зони її розмір накладав суттєві обмеження на температуру попереднього підігріву вихідних структур, швидкість переміщення лазерного променя, а також на конструкцію установки і методику процесу рекристалізації. Основними проблемами при цьому були зменшення значних радіальних температурних градієнтів, які часто призводять до небажаної пластичної деформації, та локалізація границь зерен полiкремнiю у заданих місцях КНI-структур.
Була проведена відповідна попередня підготовка вихідних зразків. На пластинах кремнію діаметром 100 мм кристалографічної орієнтації (100), термічно нарощувався окис товщиною 1,0 мкм, на який з газової фази в реакторі пониженого тиску при температурі 625оС осаджувались шари полiкремнiю товщиною 0,5 мкм. Для контролю за процесами зародження і росту зерен під час мікрозонної рекристалізації на етапі формування КНI-структур було передбачено застосування способу селективного нагрівання матеріалів для створення заданого температурного профілю в зоні термічного впливу випромінювання.
Рис.2.1. Фотографія перерізу КНІ-структури
Для цього на полікремнійовий шар додатково осаджувались плівка SiО2 товщиною 0,75 мкм та створювалися смуги Si3N4 шириною 5 мкм з кроком 30 мкм, як зображено на рис.2.1.
Товщину нiтридних смуг (0,15 мкм) було вибрано на основі розрахунків коефiцiєнтiв відбивання лазерного випромiнювання довжиною хвилі 1,06 мкм вiд тришарової КНI-структури [40]. Таке комбіноване антивідбивне покриття додатково запобігало розтіканню та забрудненню розплавленого матеріалу i впливало на кристалографічну орієнтацію рекристалізованого шару.
Рис.2.2. Схематичне зображення перерізу КНІ-структури та напрям сканування лазерного променя
Лазерна рекристалізація КНI-структур проводилась шляхом двонаправленого сканування лазерного променя по їх поверхні за рахунок прецизійного переміщення столика у двох взаємоперпендикулярних напрямках, як показано на рис.2.2. Зміщення столика за віссю "У" забезпечувало заданий рівень перекриття сусідніх смуг сканування, а використання системи підігріву дозволяло підтримувати стаціонарний нагрів структури до температур ~ 600 ? 650оС. Максимальна швидкість переміщення предметного столика відносно нерухомого лазерного променя досягала 20 см/с. Безпосередньо в процесі обробки потужність лазерного випромінювання контролювалася вимірювачем потужності ИМО-2 з механічним послаблювачем-модулятором (50:1). Блок-схема установки лазерної обробки полікремнійового шару в КНІ-структурах зображена на рис.2.3.
Рис.2.3. Блок-схема установки лазерної обробки полікремнійового шару
Дослідження впливу режимів лазерної рекристалізації на структурні перетворення в шарах полікремнію проводились з метою визначення умов відпалу, за яких можна отримувати полікристалічні шари з великими зернами і мінімальною кількістю дефектів. В ході експериментів при відпалі зразків підбиралось співвідношення таких параметрів: підігрів пластин, потужність випромінювання лазера, швидкість сканування лазерного променя по поверхні і коефіцієнтів перекриття смуг сканування.
Якість отриманих структур аналізувалася за допомогою оптичної мікроскопії. З відпалених зразків стравлювались захисні покриття, а для візуалізації границь зерен використовувався травник Секко (HF:CrO3(0.5) = 2:1) [41]. Зразки протравлювались на протязі 10-15с, промивались дистильованою водою і просушувались. Розміри зерен визначались за допомогою оптичного мікроскопа "Біолам-М" із спеціальною насадкою МОВ-1-16* при 1000* збільшенні в світлому полі.
2.2. Оптимізація умов та удосконалення технологічного процесу лазерної рекристалізації полікремнійового шару в КНІ-структурах.
З метою отримання полікремнійових шарів з наперед заданими властивостями (розмірами зерен, розташування границь зерен і т.д.) було проведено вибір оптимальних режимів лазерної рекристалізації КНІ-структур з наступними параметрами і відповідно у вказаних межах:
* вихідна потужність 18?24 Вт;* діаметр розплавленої зони 100?150 мкм;* ширина перекривання смуг сканування 20?40%;* швидкість сканування