Структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) являются основой современной микроэлектроники. К настоящему времени разработано и применяется большое число методов для их изготовления. Среди основных методов и типов структур следует выделить: кремний-на-сапфире (КНС), BESOI, SIMOX и Smart-Cut, а также их различные модификации.
Новым и наиболее перспективным является метод ионного отщепления («Smart-Cut»). На сегодняшний день это единственный метод, который позволяет получать высококачественные структуры, достигая минимальной толщины поверхностного слоя (до ~ 100 нм). Уменьшение, за счет дополнительной обработки, толщины рабочего слоя в конечных приборных структурах до ~ (45 -65) нм открывает возможность для перехода к совершенно новому поколению одноэлектронных приборов, качественно отличающихся от объемных приборов по своим параметрам и принципу работы.
В первоначальном варианте метод «Smart-Cut» был предложен и реализован для изготовления структур Si на Si02. В дальнейшем оказалось, что этот метод может быть распространен на значительно более широкий класс материалов, и использоваться в различных областях: для нанесения тонких оптических покрытий, пленок сверхпроводников, в микромеханике и т. д.
Развитие метода «Smart-Cut» привело к необходимости решения физических задач и детального исследования процессов, лежащих в его основе. Существующие представления оказываются недостаточными, так как не позволяют в полной мере воздействовать на процесс отслаивания и раскрыть потенциальные возможности метода ионного отщепления.
Общий подход исходит из аналогии с хорошо известным эффектом радиационного блистеринга. Вместе с тем, процесс ионного отщепления отличается тем, что происходит при меньших дозах облучения и требует дополнительной термообработки. Особенности такого термически стимулированного блистеринга изучены недостаточно.
Согласно существующим представлениям отслаивание определяется химической природой водорода, с которой связана перестройка водородных состояний, его миграция (диффузия) и накопление внутри микрополостей (микротрещин). Предполагается, что отщепление происходит в результате роста давления газа внутри микротрещин при достижении критического значения. При этом процесс отщепления обычно описывается как механическое разрушение в рамках теории Гриффитса, на основе которой даются некоторые количественные оценки.
Однако такой подход является слишком общим и не позволяет до конца понять особенности термического блистеринга. В частности, остается невыясненным один из наиболее важных вопросов, о конкретной роли химической природы водорода в отщеплении. Выделение имплантированного в кремний гелия происходит приблизительно в тех же режимах что и водорода, но не приводит ни к термически стимулированному блистерингу, ни к отщеплению.
Для объяснения этого факта первоначально высказывалось предположение, что зародышами микротрещин являются специфические водородные пластинчатые дефекты (ВПД или HIPsHydrogen Induced Platelets), которые образуются в кристаллической решетке кремния при водородном облучении. Аналогичные дефекты наблюдались и в других кристаллических полупроводниках, где также предшествовали отслаиванию. Но последующие исследования показали возможность отщепления и в некристаллических материалах, в которых подобные дефекты, даже если и существуют, то не играют значительной роли (например, в поликристаллических материалах). Есть и другие факты, не согласующиеся с первостепенной ролью ВПД в отщеплении. Поэтому, в настоящее время, основной причиной образования и докритического роста микротрещин считаются процессы коалесценции (Ostwald ripening) водородных газовых пузырьков. С этой точки зрения, возможность растворения мелких пузырьков непосредственно связана с химическими взаимодействиями водорода, определяющими образование и распад водородных включений. На основе термодинамики, исходя из соотношения между внутренним давлением и поверхностной энергией, можно понять, почему укрупняющиеся полости принимают вид микротрещин. Однако пока не дано четкого объяснения того, почему эти микротрещины ориентируются параллельно имплантированной поверхности. Кроме того, как оказалось, объяснение специфического поведения водорода в кремнии ограничивает предлагаемые модели конкретной системой (Si:H). Были обнаружены материалы, в которых отщепление может быть реализовано при имплантации гелия вместо водорода.
Ряд вопросов связан с применением механических критериев хрупкого разрушения. Во-первых, механика разрушения принципиально не затрагивает стадии зарождения и докритического роста трещин, то есть ограничивается лишь завершающей стадией разрушения. Однако, по разным данным, характер отслаивания (в частности, различия при имплантации водорода и гелия) проявляются на более ранних стадиях. Во-вторых, неровность поверхности после скола свидетельствует, что разрушение происходит по системе микротрещин, а не в результате развития отдельной трещины. В-третьих, исследования показывают, что процесс отщепления носит кинетический характерэто не согласуется с его представлением как неустойчивого роста трещины. В-четвертых, для роста микротрещины необходимо поддержание высокого внутреннего давления, то есть постоянный приток газа (водорода).
Накопление водорода внутри полостей представляет собой отдельный вопрос. Это особенно существенно при высоких плотностях, когда водород характеризуется сильно нелинейным уравнением состояния. Обычно приток водорода в полость трещины связывают с его высвобождением из водородных центров в решетке, диффузией и захватом в микрополостях. Накопление водорода в полостях экспериментально подтверждается при температурах до ~ 450 °C. Но, при более высоких температурах, водород начинает выходить не только из внутренних полостей, но и вообще из образца через внешнюю поверхность. Однако эффективность отслаивания наоборот повышается (уменьшается энергия активации и время отщепления [1]).
Целью данной работы является исследование физических процессов отслаивания при термически стимулированном блистеринге и отщеплении, и определение возможных способов целенаправленного воздействия на эти процессы. Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
1) развитие и практическая реализация эффективных экспериментальных методик исследования тонких поверхностных (имплантационных) слоев и определения их параметров на основе оптических (спектрофотометрических) методов и послойного анализа, применяемого в сочетании с оптическими измерениями, для получения распределений параметров по глубине.
2) экспериментальное исследование закономерностей водородного радиационного и термически стимулированного блистеринга в кремнии, в частности, влияния режимов имплантации водорода и термообработки на (а) накопление поверхностных нарушений и водородных состояний в кремнии, (б) формирование макроскопической слоистой структуры поверхности, (в) параметры блистеров (высоту, диаметр и глубину залегания);
3) практическое осуществление переноса пленки кремния на опорную пластину для исследования экспериментальных структур КНИ на опытных образцах;
4) развитие феноменологического подхода для описания формы и ориентации плотных газовых включений в твердом теле, и его конкретное применение в условиях формирования водородных включений в кремнии;
5) разработка физической модели отслаивания в процессах термически стимулированного блистеринга и отщепления.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. Предложены оригинальные решения для анализа экспериментальных спектров отражения и пропускания: (а) разложение полос колебательного поглощения, с использованием сглаживающей сплайн аппроксимации для дифференцирования экспериментального спектра, выделения составляющих по второй производной спектра и оптимизации спектра совместно с его второй производной- (б) использование двухслойной модели для определения параметров поверхностной слоистой структуры путем анализа интерференционных спектров отражения и их оптимизации- (в) сочетание послойного стравливания с оптическими измерениями.
2. На основе расчета и анализа спектров интерференции модельных структур, обосновано применение двухслойной оптической модели для описания поверхностной слоистой структуры, формируемой при отщеплении (блистеринге), и предложен метод реконструкции трехмерного изображения поверхности при блистеринге (восстановления рельефа вдоль выделенного направления и объемной визуализации) по микрофотографиям, получаемым с помощью оптического микроскопа.
3. С использованием оптических (спектрофотометрических) методов получены следующие экспериментальные результаты. а) Установлено, что при имплантации водорода в кремний с дозами выше критическои (~ 2×1016 HVcm2), граница скола образуется до появления микротрещин при термообработке и проявляется в виде характерной интерференционной картины в спектре отражения. б) Определены основные закономерности и выделены главные отличия термически стимулированного и радиационного блистеринга (положение границы скола по глубине, формирование двойной структуры нарушений в имплантированном слое, зависимость диаметра блистеров от глубины залегания). в) При высокотемпературной термообработке (от > 600 до 1050 °С) образцов кремния, имплантированного водородом, обнаружено образование мелкопористых областей под крышками блистеров, залегающих ниже границы скола. Это эффект объясняется особенностями поведения водорода в кремнии.
4. На основе термодинамических соотношений определена зависимость устойчивой формы водородных (газовых) включений в кремнии от характера взаимодействия на границе раздела и влияние боковых напряжений в имплантированном слое (двухосной нагрузки) на ориентацию несферических включений. Получена величина критического значения параметра (отношения упругой и поверхностной энергии), при котором сферическая форма газовых включений становится неустойчивой. Поскольку этот параметр можно считать определяющим в процессах термического отслаивания, основная роль водорода состоит не только в накоплении в виде газа внутри микрополостей, но и, что более важно, в уменьшении поверхностной энергии за счет захвата на их внутренних поверхностях.
5. Предложена модель для описания термически стимулированного отслаивания (при блистеринге или отщеплении), в результате термодинамической трансформации газовых включений, которая отличается от модели механического разрушения межпузырьковых перегородок при радиационном блистеринге. Она не только определяет роль химической природы водорода в кремнии, но позволяет также обосновать возможность отщепления при имплантации гелия в других материалах.
Практическая значимость работы определяется тем, что:
1. Оптические методики, разработанные в данной работе, применимы для исследования различных поверхностных слоев и тонких пленок.
2. Образование границы скола непосредственно после облучения регистрируется в виде характерной интерференционной картины в спектре отражения. На этом может быть основана методика неразрушающего контроля имплантированных пластин, для оценки возможности отщепления при последующей термообработке (в том числе, при наличии поверхностного окисла).
3. Развитые модельные представления могут быть непосредственно использованы на практике для целенаправленной оптимизации метода ионного отщепления.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Необходимым условием отщепления является образование после имплантации границы скола, предшествующей отслаиванию при термообработке. Возникающая при этом интерференция в спектре отражения количественно и качественно отличается от случая неоднородно нарушенной поверхности, когда отщепление не происходит (например, при недостаточных дозах водорода или при имплантации Не в кремний). Проявление такой интерференции на образцах непосредственно после имплантации водорода означает, что отслаивание (формирование внутренней границы скола) начинается еще до термообработки. Монотонное и плавное увеличение интенсивности интерференции с ростом температуры отжига означает, что в процессе отщепления граница скола не претерпевает качественных изменений.
2. Оптическая модель слоистой структуры поверхности, согласно которой поверхностная структура, формируемая при отслаивании, представляется в виде поверхностного слоя, отделенного от подложки внутренним слоем (плоскопараллельной трещиной) с коэффициентом преломления п — 1. Расчеты интерференционной картины при блистеринге в рамках этой модели и результаты согласования с экспериментальными спектрами показывают, что определяемые эффективные параметры поверхностной структуры хорошо совпадают с фактическими: высотой и толщиной крышек блистеров. Экстраполяция модели к начальной стадии отслаивания (до появления блистеров) позволяет определить глубину залегания границы скола (толщину отщепляемого слоя). Возможность такой экстраполяции подтверждается экспериментально тем, что толщина переносимого слоя в процессе «Smart-Cut» практически точно совпадает с первоначальной глубиной залегания границы скола.
3. Принципиальное отличие между радиационным и термически стимулированным водородным блистерингом в кремнии, установленное на основе экспериментальных данных и состоящее в различной глубине залегания границы отслаивания в этих процессах. Это качественно небольшое отличие определяет различные механизмы отслаивания.
4. Применение феноменологического подхода для определения энергетически наиболее выгодной формы и ориентации газовых (жидкофазных) включений в сплошной упругой среде, в условиях действия двухосной нагрузки. В его основе лежат термодинамические соотношения, учитывающие: специфику поведения газа как упругого тела, уравнение состояния реального (плотного) газа, влияние химически активного газа на поверхностную энергию на границе раздела фаз, а также действие боковых напряжений в имплантированном слое. Общий подход может использоваться для различных газовых включений в твердом теле, в данной работе он применяется для анализа водородных включений в кремнии. 5. Физическая модель отслаивания при термически стимулированном блистеринге (отщеплении), определяющая различные механизмы отслаивания при радиационном и термическом блистеринге. Работа состоит из следующих частей.
Основные результаты работы состоят в следующем. В методической части:
1. На основе стандартного оборудования развиты оптические методики для исследования тонкопленочных поверхностных структур.
2. Для измерения спектров относительного отражения (в ближнем УФближнем ИК диапазоне) дополнительно разработана и изготовлена приставка на отражение к спектрофотометру СФ-20.
3. Предложены методики обработки экспериментальных спектров отражения и пропускания, а также микрофотографий поверхности, получаемых с помощью оптического микроскопа. Проведено совмещение оптических измерений с послойным стравливанием, что позволяет получать профили исследуемых параметров по глубине.
В экспериментальной части:
1. Установлено, что слоистая структура поверхности образуется сразу после имплантации водорода в кремний с дозами выше ~ 2×1016 см" 2. Возникающая структура не претерпевает качественных изменений при термообработке до ~ 600 °C.
2. Показано, что глубина залегания границы скола в кремнии зависит от дозы облучения и смещается от ~ RDm до > Rpm с ростом дозы облучения от ~ 2×1017 до > 10″ FTVcm" 2. Это смещение связано с механизмом отслаивания и его изменением при переходе от термически стимулированного к радиационному блистерингу.
3. Проведено измерение и сравнение параметров радиационных и термических блистеров. Показано, что в обоих случаях важную роль в их образовании играют боковые напряжения. Принципиальное значение имеет различная глубина залегания границы скола, что указывает на отличие механизмов ее зарождения.
4. Практически реализовано ионное отщепление (процесс «Smart-Cut») на имплантированных водородом пластинах кремния, при связывании их с опорной пластиной Si через слой Si02. Толщины переносимых слоев совпадают с глубиной залегания границы скола при термическом блистеринге. Это подтверждает сходство механизмов термически стимулированного блистеринга и отщепления. В части теории:
1. Развит феноменологический подход для описания водородных (газовых) включений в кремнии. Специфика таких включений состоит в особенностях поведения газа как упругого тела (в частности, газ характеризуется модулем сдвига ц = 0), а также существенно связана с особенностями химических взаимодействий газа в матрице и изменением поверхностной энергии на внутренних границах раздела фаз.
При высоком внутреннем давлении газа в пузырьках (до ~ Ю10 Па), для его описания становятся некорректными как уравнение состояния идеального газа, так и уравнение Ван-дер-Ваальса. Корректное описание состояния газа возможно лишь с использованием некоторых модифицированных полуэмпирических уравнений состояния, из которых может быть получен его модуль упругого.
1 (ар") расширения, «~.
A OV Jj.
На основе метода Эшелби для сфероидальных включений в твердом теле получены соотношения, определяющие форму и ориентацию газовых включений в зависимости от внутренних параметров состояния газа {Р, V), поверхностной энергии на границе раздела (у) и внешней (двухосной ст* = оу = ст, стг = 0) нагрузки.
Изложенный подход применим не только для водорода в кремнии, но и в общем случае, для различных газовых включений в твердом теле.
2. Полученные результаты были применены в конкретном случае: для оценки параметров водородных пузырьков в кремнии. Из литературных данных (уравнения состояния плотного водородного газа, упругих и термодинамических параметров кремния) следует, что захват атомов водорода (образование Si-H связей) на внутренних поверхностях приводит к уменьшению поверхностной энергии кремния и трансформации водородных включений. Когда поверхностная энергия становится ниже упругой энергии, энергетически выгодным становится переход от сферической к сфероидальной (дискообразной и, в предельной случае, к пластинчатой) форме включений. Внешняя плоская нагрузка, роль которой играют боковые напряжения, приводит к ориентации дискообразных водородных включений параллельно поверхности пластины.
Само по себе соотношение между упругой и поверхностной энергией, определяющее форму включения хорошо известно и не является здесь предметом обсуждения. В данной работе, обращается внимание на то, что неустойчивость сферической формы включения может возникать как в результате увеличения упругой энергии системы (за счет повышения давления газа), так и в результате уменьшения поверхностной энергии на границе раздела фаз. Результаты данной работы приводят к выбору последнего варианта как более предпочтительного.
3. Предложена модель отслаивания при термически стимулированном блистеринге и отщеплении. В соответствии с этой моделью механизмы отслаивания при радиационном и термическом блистеринге отличаются.
В первом случае, образование микротрещин, являющихся зародышами блистеров, происходит в результате механического разрушения межпузырьковых перегородок в кремнии на глубине > RPm, где достигается наибольшая концентрация мелких пузырьков с максимальным внутренним давлением газа.
Во втором случае, отслаивание определяется термодинамическими процессами трансформации водородных включений в имплантированных слоях: переход от сферической к пластинчатой форме включений, ориентированных параллельно поверхности. За счет концентрации напряжений на их вершинах происходит развитие микротрещин.
Предложенная модель позволяет объяснить всю совокупность известных экспериментальных данных и может быть непосредственно использована на практике для контроля процессов отслаивания и целенаправленной оптимизации метода ионного отщепления. * *.
В заключение автор выражает глубокую благодарность директору Института Информационных Технологий РНЦ «Курчатовский Институт» Александрову Петру Анатольевичу за постоянное внимание к работе, ценные замечания, полезные рекомендации и помощь в решении всех возникавших вопросов. Особую благодарность и искреннюю признательность автор выражает научным руководителям: Барановой Елене Константиновне и Литвинову Валерию Лазаревичу, принимавших непосредственное участие в экспериментах и обсуждениях, являющихся соавторами основных публикаций, и оказывавших всестороннюю поддержку в работе. Автор благодарит сотрудников РНЦ «Курчатовский Институт», принимавших участие и оказывавших содействие в выполнении данной работы, в частности: Демакова К. Д. и Шемардова С. Г. за помощь при проведении имплантации, Юдина Л. И. и Резвова В. А. за помощь в методических разработках.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
