БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМЕНИ А.Н. СЕВЧЕНКО ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО- ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ Ф.Ф.Комаров, О.В. Мильчанин, А.М. Миронов 1.Создание структур кремний-на-изоляторе 2.Создание внутренних геттерирующих слоев в кремнии 3.Применение имплантации протонов для изоляции приборов на полупроводниках А 3 В 5 4.Анализ наноразмерных структур методом резерфордовского обратного рассеяния

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 2 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

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 3 Формирование КНИ-пластин методом smart-cut 1. Отбор пластин {100} КДБ - 12 ЕТО ТУ отклонение от плоскостности < 9 мкм прогиб < 40 мкм 2. Создание структур SiO 2 /Si температуры термообработки °С среда термообработок сухой O 2, O 2 +Н 2 O толщины окисла на пластинах нм 3. Ионная имплантация ионы H 2 + дозы имплантации 4-5x10 16 ион/см 2 ток в пучке мкА энергия кэВ температура 50 °C Создание структур кремний-на-изоляторе

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 4 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 °С, до 24 часов Скол по дефектному слою °С, 5-60 минут Финишный отжиг °С, минут Формирование КНИ-пластин методом smart-cut Создание структур кремний-на-изоляторе

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 5 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)

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 6 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

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 7 Формирование КНИ-структур Формирование КНИ-пластин методом smart-cut Рисунок 4 Случайные и каналированные спектры РОР от КНИ-пластин: А – Si(0,22 мкм)/SiO 2 (0,18 мкм)/Si, Б – Si(0,35 мкм)/SiO 2 (0,18 мкм)/Si

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 8 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: °С, 2 ч.; 120 °С, 1 ч °С, 30 минут °С, 30 минут

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 9 Применение КНИ структур N+ Poly Si Contact P+ P-well P+ N+ P+ N-Substrate Field Oxide Объемный кремнийТонкопленочная 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

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 10 Применение КНИ структур Объемный кремнийТонкопленочная КНИ-структура Рисунок 7 Уменьшение паразитных емкостей GND V in V out V dd P+ N+ P Type Substrate P+P+ N Well V out V in Insulator N+ P+ PN V dd GND Si Substrate При использовании КНИ структур: Отсутствие паразитных емкостей между областями истока, стока и подложки; Отсутствие паразитных емкостей между областями истока, стока и подложки; Отсутствие паразитной PNPN-тиристорной структуры Отсутствие паразитной PNPN-тиристорной структуры

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 11 Применение КНИ структур Рисунок 8 Формирование трека при попадании энергетической частицы Высокая радиационная стойкость КНИ структур

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 12 Применение КНИ структур Рисунок 9 Использование методики КНИ в SiGe - технологии

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 13 Формирование внутреннего геттера Рисунок 10 Светлопольные ПЭМ изображения в поперечном сечении структуры внутреннего дефектного слоя в кремнии после имплантации (140 кэВ, см –2 ) ионов водорода (А) и последующего термического отжига: Б – 800 °С, 5 минут; В – 900 °С, 15 минут

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 14 Формирование внутреннего геттера

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 15 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, см –2 ) и последующим термическим отжигом: 2 – 900 °С, 5 минут; 3 – 1000 °С, 5 минут; 4 – 800 °С, 30 минут

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 16 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, см –2 ) и последующим термическим отжигом: 2 – 900 °С, 5 минут; 3 – 1000 °С, 5 минут; 4 – 800 °С, 30 минут

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 17 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, см –2 ) и последующим термическим отжигом: 2 – 900 °С, 5 минут; 3 – 1000 °С, 5 минут; 4 – 800 °С, 30 минут

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 18 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; D i доза облучения ионами с энергией E i. Функция n 0 (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 K ik = K(E i, E k ) интеграл перекрытия функций распределения n 0 (E i ) и n 0 (E k ); W i интеграл перекрытия моноэнергетического профиля n 0 (E i ) и заданного профиля N(x); A k веса интегрирования; α параметр регуляризации. Система решается методом Гаусса. Дискретные дозы определяются интегрированием непрерывного спектра в выбранных энергетических диапазонах.

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 19 Полиэнергетическая ионная имплантация Расчеты проводились исходя из условия минимизации интегрального отклонения полученных с помощью полиэнергетической имплантации ионов H + в GaAs распределений вакансий от N V = 2, см –3 на глубине до 4 мкм. Рассчитанные энергии и дозы ионов H + представлены в таблице: Энергия, кэВДоза, см – ,0 8,0 6,2 5,3 4,5 Рисунок 14 Рассчитанное распределение вакансий в GaAs в результате имплантации ионов Н + с 5 энергиями. Для получения изоляции требуемого качества в полупроводнике А 3 В 5 необходимо создать равномерное по толщине эпитаксиального слоя распределение дефектов структуры

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 20ХАРАКТЕРИСТИКАВЕЛИЧИНА Пробивное напряжение при толщине изолирующего слоя 4 мкм (В) 200 Ток утечки при напряжении 5 В, не более (нА) 10 Слоевое сопротивление (Ω· см) 10 8 Толщина изолирующего слоя (мкм) Полиэнергетическая ионная имплантация Рисунок 15 Структура для оценки качества изоляции

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 21 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 °С стабилизирует температурную зависимость проводимости в интервале рабочих температур интегральных схем ( °С)

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 22 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 см –2, затем термически окислялись (оценочная толщина SiO 2 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.

Белорусский государственный университет, НИИ ПФП им. А.Н. Севченко, лаборатория элионики ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 23 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Продемонстрирована возможность создания качественных КНИ-пластин с использованием стандартного технологического оборудования. С использованием многоступенчатого набора дозы имплантации водорода, а также дополнительных низкотемпературных отжигов, в работе показана возможность существенного снижения шероховатости поверхности КНИ-пластин (изготавливаемых в сочетании методов прямого связывания окисленных пластин и прецизионного ионного скола) вплоть до 2 нм; Продемонстрирована возможность создания качественных КНИ-пластин с использованием стандартного технологического оборудования. С использованием многоступенчатого набора дозы имплантации водорода, а также дополнительных низкотемпературных отжигов, в работе показана возможность существенного снижения шероховатости поверхности КНИ-пластин (изготавливаемых в сочетании методов прямого связывания окисленных пластин и прецизионного ионного скола) вплоть до 2 нм; Разработаны основные режимы формирования в кремниевых пластинах внутреннего геттера, состоящего из узкого барьерного слоя, содержащего большое количество микропустот. Результаты исследований методами DLTS и С-V измерений свидетельствует о повышении структурного совершенства эпитаксиальных слоев кремния (за счет геттерирования) в тестовых диодах Шоттки. Установлено, что использование геттерирующих слоев позволяет на 2 порядка снизить концентрацию глубоких уровней в эпитаксиальных слоях кремния, связанных с наличием дефектов и нежелательных металлических примесей; Разработаны основные режимы формирования в кремниевых пластинах внутреннего геттера, состоящего из узкого барьерного слоя, содержащего большое количество микропустот. Результаты исследований методами DLTS и С-V измерений свидетельствует о повышении структурного совершенства эпитаксиальных слоев кремния (за счет геттерирования) в тестовых диодах Шоттки. Установлено, что использование геттерирующих слоев позволяет на 2 порядка снизить концентрацию глубоких уровней в эпитаксиальных слоях кремния, связанных с наличием дефектов и нежелательных металлических примесей; Разработаны режимы формирования на пластинах GaAs n-типа межприборной изоляции высокого качества (термостабильность изоляции не менее 300 °С; пробивное напряжение при ширине изолирующего слоя не менее 4 мкм не менее 200 В; ток утечки при напряжении 5В не более 10 нА); Разработаны режимы формирования на пластинах GaAs n-типа межприборной изоляции высокого качества (термостабильность изоляции не менее 300 °С; пробивное напряжение при ширине изолирующего слоя не менее 4 мкм не менее 200 В; ток утечки при напряжении 5В не более 10 нА); Применение протонных пучков для низкоэнергетического РОР с использованием электростатического анализатора позволяет эффективно решать задачи анализа структур наноэлектроники. Применение протонных пучков для низкоэнергетического РОР с использованием электростатического анализатора позволяет эффективно решать задачи анализа структур наноэлектроники.