РЕЖИМЫ БЫСТРОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ СИСТЕМЫ Рt-Si ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИЛИЦИДА ПЛАТИНЫ

Assessment is performed of the permissible nonuniformity of irradiation and temperature scatter as per the wafer area during the rapid thermal treatment, not causing the thermal stresses in it, resultant in the plastic melting or silicon disruption. It was shown, that formation of platinum silicide at Т≤ 810 °С does not cause the negative phenomena in silicon, and it should be performed in the nitrogen environment, whose flooding into the the sealed chamber is done after creation in it of vacuum of 10 –2 mm, mercury column.Проведена оценка допустимой неравномерности облучения и разброса температуры по площади пластины при быстрой термической обработке, не вызывающих в ней возникновения термических напряжений, приводящих к пластическому течению или разрушению кремния. Показано, что формирование силицида платины при Т ≤ 810 °С не вызывает отрицательных явлений в кремнии и его необходимо проводить в среде азота, напуск которого в герметичную камеру осуществляется после создания в ней вакуума 10 –2 мм рт. ст

Влияние быстрой термической обработки подзатворного диэлектрика на параметры микросхем временных устройств

The paper is dedicated to influence of the rapid thermal treatment of the gate dielectric at a temperature of ~1100 °С on the electrical parameters of the programmable time device with a correction of 512PS8. As the analyzed parameters of the given integrated circuit, the authors have selected breakdown voltage, gate leakage current, charge value of the gate dielectric breakdown with its thermal field tests performed. The breakdown voltage of the p-channel of the test transistor was measured by applying the linear voltage sweep from 0 to -100 V with the step of -0,5 V with the grounded drain and source. The leakage current of the gate Ig leak was determined at the gate voltage of -20 V. For evaluation of the charge properties of the gate dielectric of devices the, the thermal field tests were performed. The quality and reliability of the gate dielectric the authors the breakdown charge control was carried out (Qbd). It is shown that the rapid thermal treatment of the gate dielectric at a temperature of ~1100 °С during 7 s with its presence on the non-working side ensures the breakdown charge value of 2,040 C/cm2, and with its absence - 2,230 C/cm2, while during the standard process of creating the given integrated circuit this value constitutes 1,230 C/cm2. This means that the most efficient influence on the improvement of quality and reliability of the gate dielectric is ensured by its rapid thermal treatment when missing the silicon dioxide on the non-working side of the wafer. As compared with the standard process of their fabrication, carrying out such treatment allows 5,29 times reduction of the gate leakage current, 3,50 times reduction of the charge states and 1,07 times enhancement of the reliability of the p-channel transistor, and for the n-channel transistor the given values constitute 10,67, 3,50 and 1,81 times, respectively. It is established that the reliability improvement for the CMOS integrated circuits of time devices during the rapid thermal treatment of the gate dielectric is determined by a step-up of its breakdown charge owing to the more perfect microstructure of dielectric, resulting in the rebuild of the charge states both in the bulk and on the boundary with silicon.Работа посвящена исследованию влияния быстрой термической обработки подзатворного диэлектрика при температуре ~1100 °С на электрические параметры программируемого временного устройства с коррекцией 512ПС8. В качестве анализируемых параметров данной микросхемы были выбраны пробивное напряжение, ток утечки затвора, величина заряда пробоя подзатворного диэлектрика, а также проведены его термополевые испытания. Пробивное напряжение р-канального тестового транзистора измерялось путем подачи линейной развертки напряжения от 0 до —100 В с шагом -0,5 В при заземленных стоке и истоке. Ток утечки затвора Iз ут определялся при напряжении затвора -20 В. Для оценки зарядовых свойств подзатворного диэлектрика приборов проводились термополевые испытания. Для оценки качества и надежности подзатворного диэлектрика проводился контроль заряда пробоя (Qbd). Показано, что быстрая термическая обработка подзатворного диэлектрика при температуре ~1100оС в течение 7 с при наличии его на нерабочей стороне обеспечивает величину заряда пробоя 2,040 Кл/см2, а при его отсутствии - 2,230 Кл/см2, в то время как при стандартном процессе создания данной микросхемы эта величина составляет 1,230 Кл/см2. Это означает, что наиболее эффективное влияние на повышение качества и надежности подзатворного диэлектрика оказывает его быстрая термообработка при отсутствии двуокиси кремния на нерабочей стороне пластины. Проведение такой обработки позволяет, по сравнению со стандартным процессом их изготовления, уменьшить ток утечки затвора в 5,29 раза, зарядовые состояния в 3,50 раза и повысить надежность в 1,07 раза р-канального транзистора, а для n-канального транзистора данные величины составляют 10,67, 3,50 и 1,81 раза соответственно. Установлено, что повышение надежности КМОП микросхем временных устройств при быстрой термообработке подзатворного диэлектрика обусловлено увеличением его заряда пробоя за счет формирования более совершенной микроструктуры диэлектрика, приводящей к перестройке зарядовых состояний как в его объеме, так и на границе с кремнием

ВЛИЯНИЕ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОДЗАТВОРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА НА ПАРАМЕТРЫ МОЩНЫХ ПОЛЕВЫХ МОSFЕТ ТРАНЗИСТОРОВ

Приведены результаты исследований влияния быстрой термической обработки подзатворного диэлектрика на параметры мощных p - и n -канальных MOSFET транзисторов. Установлено, что данная обработка позволяет за счет улучшения зарядовых и структурных свойств диэлектрика уменьшить токи утечки затвора и повысить надежность приборов

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ СИЛИЦИДА ПЛАТИНЫ МЕТОДОМ БЫСТРОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ НА ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ ШОТТКИ

The results of studying of the impact of formation modes of platinum silicide using qiuck heat treatment on electrophysical parameters of Schottky diodes are presented. It is shown that this treatment, as compared to the traditional one, allows at the cost of reducing of microrelief of boundary of PtSi–Si, and also obtaining as a result of treatment a less defective and equilibrium structure of the barrier layer, to raise barrier height from 0,804 to 0,825 V, to reduce leakage current from –4,42·10-6 to –2,85·10-6 A and in 1,25 times and to raise the reliability of Schottky diodes at operating temperature 125 °C.Приведены результаты исследования влияния режимов формирования силицида платины с применением быстрой термической обработки на электорофизические параметры диодов Шоттки. Показано, что данная обработка, по сравнению с традиционной, позволяет за счет уменьшения микрорельефа границы раздела PtSi–Si, а также получения в результате обработки менее дефектной и равновесной структуры барьерного слоя повысить высоту барьера с 0,804 до 0,825 В, снизить ток утечки с –4,42·10-6 до –2,85·10-6 А и в 1,25 раза повысить надежность диодов Шоттки при температуре эксплуатации 125 °С

ТВЕРДОФАЗНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИ НАРУШЕННОГО СЛОЯ КРЕМНИЯ ПРИ БЫСТРОЙ ТЕРМООБРАБОТКЕ

Quality and reliability of integrated circuits to a great extent depend on the surface condition of silicon wafers. In view of this, great attention is paid on the aspects of their preparation prior to their formation. It is of significant interest to study the possibility of applying rapid thermal treatment for solid phase re-crystallization of a mechanically disrupted layer of the wafer working side. The objective of this work was to establish the behavior regularities of a mechanically disrupted layer subjected to rapid thermal treatment with 2 s light pulses. As samples, there were used the silicon wafers with a diameter of 100 mm, grade KDB 12 and KEF 4.5, orientation <100> after chemical-mechanical polishing subjected to rapid thermal treatment during 7 s, which ensured their heating up to 1100 °C and without treatment. The application of the methods of Auger-spectroscopy, spectral ellipsometry, X-ray diffraction made it possible to state that such treatment increases the structural flawlessness of the surface layer of silicon wafers due to a decrease in the mechanically disrupted layer, thus ensuring obtaining the atomic-flat surface.Состояние поверхности кремниевых пластин является одним из фундаментальных факторов, определяющих качество и надежность интегральных схем. В связи с этим большое внимание уделяется вопросам ее подготов-ки перед процессом их формирования. Одним из возможных путей улучшения поверхностных свойств кремния может явиться его твердофазная рекристаллизация с использованием быстрой термической обработки импульсами секундной длительности. Цель работы заключалась в исследовании влияния быстрой термической обработки на структуру нарушенного слоя поверхности кремниевых пластин после химико-механической полировки. В качестве образцов использо-вались пластины кремния диаметром 100 мм марки КДБ 12 и КЭФ 4,5 ориентации <100>после химико-механической полировки, прошедшие быструю термическую обработку в течение 7 с, что обеспечивало их нагрев до 1100 °С и без обработки. Методами оже-спектроскопии, спектральной эллипсометрии, рентгеновской дифракции показано, что такая обработка приводит к увеличению структурного совершенства поверхностного слоя кремниевых пластин, за счет уменьшения глубины механически нарушенного слоя, обеспечивая получение атомарно-плоской поверхности

Электронно-микроскопические исследования системы Pt-Si при ее быстрой термообработке

The paper is dedicated to investigation of the influence of rapid thermal treatment on the microstructure of platinum silicide. The Pt films 43.7 nm thick were applied on the substrates of the monocrystal silicon by means of the magnetronic sputtering of platinum with the purity of 99.95 % on the МРС 603 set-up with the cryogenic pumping to the pressure not worse than 5*10-5 Pa. As an operating medium, argon was used with the purity of 99.933 %. Rapid thermal treatment of samples was performed in the thermal balance conditions by irradiating the non-working side of the wafer with the incoherent light flow in the nitrogen atmosphere during 7 s at the temperatures of 200-550 °C. The irradiation source in the set-up was represented by the quartz halogen incandescent lamps. The comparative analysis was done through the traditional long thermal treatment of the platinum films at a temperature of 550оС for 30 min in the nitrogen atmosphere. Investigations of the platinum silicide microstructure were performed by means of the transmission electron microscopy which demonstrated that the increase in the RTT temperature initiates first the annealing of defects on the inter-grain boundaries, which is evident from the more distinct contrast from the grains, and then one can observe their growth reflecting the forming of the new phase (silicide one). Such progress of changes of the platinum silicide microstructure and of the size of the grains with the increase in treatment temperature is determined by the heat of its forming. As the Pt2Si phase forming heat is minimum and constitutes 10.4-16.8 Kkal/atom of metal, and for PtSi - 15.7-25.5 Kkal/atom of metal, then the forming of a stable PtSi structure requires a higher temperature. The authors carried out calculations of the activation energy of the diffusion synthesis of platinum silicide during rapid thermal treatment. The calculations show that it is 0.37 eV smaller, than during the long thermal treatment. This means that in this case this process is subject to acceleration related to the rupture of the silicon-silicon bonds and electron excitation in silicon under the influence of the photon flow.Работа посвящена исследованию влияния температуры быстрой термообработки на микроструктуру силицида платины. Пленки Pt толщиной 43,7 нм наносились на подложки монокристаллического кремния путем магнетронного распыления мишени из платины с чистотой 99,95 % на установке МРС 603 с криогенной откачкой до давления не хуже 5*10-5 Па. В качестве рабочей среды использовался аргон, чистота которого составляла 99,933 %. Быстрая термическая обработка (БТО) образцов проводилась в режиме теплового баланса путем облучения нерабочей стороны пластины некогерентным световым потоком в атмосфере азота в течение 7 с при температурах 200-550 °С. Источником излучения в установке служили кварцевые галогенные лампы накаливания. Для сравнительного анализа проводилась традиционная длительная термообработка пленок платины, которая осуществлялась при температуре 550 °С в течение 30 мин в атмосфере азота. Исследование микроструктуры силицида платины проводились методом просвечивающей электронной микроскопии, с помощью которой показано, что с увеличением температуры БТО происходит сначала отжиг дефектов на межзеренных границах, о чем свидетельствует более четкий контраст от зерен, а затем наблюдается их рост, что говорит о формировании новой фазы (силицидной). Такой ход изменений микроструктуры силицида платины и размера зерен с повышением температуры обработки обуславливается теплотой его образования. Поскольку теплота образования фазы Pt2Si минимальна и составляет 10,4-16,8 ккал/атом металла, а для PtSi - 15,7-25,5 ккал/атом металла, то для формирования стабильной структуры PtSi требуется более высокая температура. Проведены расчеты энергии активации процесса диффузионного синтеза силицида платины при БТО. Показано, что она на 0,37 эВ меньше, чем при длительной термообработке. Это означает, что в данном случае действует механизм ускорения данного процесса связанный с разрывом связей кремний-кремний и электронным возбуждением в кремнии под воздействием фотонного потока

The impact of formation modes of platinum silicide by the quick heat treatment on Schottky diodes parameters

Приведены результаты исследования влияния режимов формирования силицида платины с применением быстрой термической обработки на электорофизические параметры диодов Шоттки. Показано, что данная обработка, по сравнению с традиционной, позволяет за счет уменьшения микрорельефа границы раздела PtSi–Si, а также получения в результате обработки менее дефектной и равновесной структуры барьерного слоя повысить высоту барьера с 0,804 до 0,825 В, снизить ток утечки с –4,42·10-6 до –2,85·10-6 А и в 1,25 раза повысить надежность диодов Шоттки при температуре эксплуатации 125 °С. The results of studying of the impact of formation modes of platinum silicide using qiuck heat treatment on electrophysical parameters of Schottky diodes are presented. It is shown that this treatment, as compared to the traditional one, allows at the cost of reducing of microrelief of boundary of PtSi–Si, and also obtaining as a result of treatment a less defective and equilibrium structure of the barrier layer, to raise barrier height from 0,804 to 0,825 V, to reduce leakage current from –4,42·10-6 to –2,85·10-6 A and in 1,25 times and to raise the reliability of Schottky diodes at operating temperature 125 °C

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕННЫХ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ НА МИКРОСТРУКТУРУ СИСТЕМЫ Pt-Si

The paper is purposed to establish the principles of the micro-structural changes of Pt-Si system during the rapid thermal treatment. The Pt films 43.7 nm thick were applied on the substrates of mono-crystal silicon KEF 0.5 with orientation (111) by means of the magnetron platinum target sputtering (purity of 99.95 %) on the unit MPC 603 with the cryogen pumping to the pressure of no less than 5∙10-5 Pa. Argon was used as a working medium, whose purity constituted 99.933 %. Rapid thermal treatment was performed in the mode of the thermal balance with irradiation of the reverse side of the wafer by means of the non-coherent light flow in the nitrogen medium within the temperature range from 200 to 550 °C with a step of 50 °С during 7 s. In parallel, the solid phase synthesis was performed of platinum silicide by means of the standard method with application of the continuous single stage thermal treatment in the analogue medium (T = 550 °C, t = 30 min). Temperature monitoring was performed by means of the thermal couple method with accuracy of ±0.5 °C. The grain size was determined by the translucent electron microscopy method. Thickness of platinum silicide under formation, its surface micro-relief and the separation boundaries with silicon were determined by means of the raster electron microscopy. It is demonstrated, that with the rise of the rapid thermal treatment one can observe growth of the platinum film on silicon. A comparative analysis was conducted of the average size of grains, micro-relief of the PtSi surface and its separation boundary with silicon for two methods of its formation with application of the rapid thermal treatment and with application of the traditional continuous thermal treatment at the temperature of 550 °C during 30 min in the nitrogen atmosphere. By means of the raster electron microscopy method it is demonstrated, that size of the micro-relief on the separation boundary of PtSi-Si does not exceed 15.9 nm and the size of grains is 37.7 nm. This is in 2.5 and 3.1 times smaller, then in the case of the traditional single stage continuous thermal treatment.Работа посвящена установлению закономерностей изменения микроструктуры системы Pt-Si при быстрой термообработке. Пленки Pt толщиной 43,7 нм наносились на подложки монокристаллического кремния КЭФ 0.5 ориентации (111) путем магнетронного распыления мишени из платины с чистотой 99,95 % на установке МРС 603 с криогенной откачкой до давления не менее 5∙10-5 Па. В качестве рабочей среды использовался аргон, чистота которого составляла 99.933 %. Быстрая термическая обработка проводилась в режиме теплового баланса путем облучения обратной стороны пластины некогерентным световым потоком в среде азота в диапазоне температур от 200 до 550 °С с шагом 50 °С в течение 7 с. Параллельно осуществлялся твердофазный синтез силицида платины стандартным методом с применением длительной одностадийной термообработки в аналогичной среде (Т = 550 °С, t = 30 мин). Контроль температуры осуществлялся термопарным методом с точностью ±0,5 °С. Размер зерна определялся методом просвечивающей электронной микроскопии. Толщина формируемого силицида платины, микрорельеф его поверхности и границы раздела с кремнием определялись методом растровой электронной микроскопии. Показано, что с увеличением температуры быстрой термообработки наблюдается рост зерен пленки платины на кремнии. Проведен сравнительный анализ среднего размера зерен, микрорельефа поверхности PtSi и ее границы раздела с кремнием для двух методов его формирования: с применением БТО и с использованием традиционной длительной термообработки при температуре 550 °С в течение 30 мин. в атмосфере азота. С помощью метода растровой электронной микроскопии показано, что величина микрорельефа на границе раздела PtSi-Si не превышает 15,9 нм, а размер зерен 37,7 нм. Это в 2,5 и 3,1 раза меньше, чем в случае традиционной одностадийной длительной термообработки

Экспрессный контроль надежности подзатворного диэлектрика полупроводниковых приборов

The key element determining stability of the semiconductor devices is a gate dielectric. As its thickness reduces in the process of scaling the combined volume of factors determining its electrophysical properties increases. The purpose of this paper is development of the control express method of the error-free running time of the gate dielectric and study the influence of the rapid thermal treatment of the initial silicon wafers and gate dielectric on its reliability.The paper proposes a model for evaluation of the reliability indicators of the gate dielectrics as per the trial results of the test MDS-structures by means of applying of the ramp-increasing voltage on the gate up to the moment of the structure breakdown at various velocities of the voltage sweep with measurement of the IV-parameters. The proposed model makes it possible to realize the express method of the reliability evaluation of the thin dielectrics right in the production process of the integrated circuits.On the basis of this method study of the influence of the rapid thermal treatment of the initial silicon wafers of the KEF 4.5, KDB 12 wafers and formed on them by means of the pyrogenic oxidation of the gate dielectric for the error-free running time were performed. It is shown, that rapid thermal treatment of the initial silicon wafers with their subsequent oxidation results in increase of the error-free running time of the gate dielectric on average from 12.9 to 15.9 years (1.23 times greater). Thermal treatment of the initial silicon wafers and gate dielectric makes it possible to expand the error-free running time up to 25.2 years, i.e.1.89 times more, than in the standard process of the pyrogenic oxidation and 1.5 times more, than under application of the rapid thermal treatment of the initial silicon wafers only.Ключевым элементом, определяющим стабильность полупроводниковых приборов, является подзатворный диэлектрик. По мере уменьшения его толщины в процессе масштабирования растет совокупный объем факторов, определяющих его электрофизические свойства. Целью данной работы являлась разработка экспрессного метода контроля времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика и исследование влияния быстрой термической обработки исходных кремниевых пластин и подзатворного диэлектрика на его надежность.В работе предложен метод оценки показателей надежности подзатворных диэлектриков по результатам испытаний тестовых МДП-структур путем подачи на затвор ступенчато-нарастающего напряжения до фиксации момента пробоя структуры при разных скоростях развертки напряжения при измерении вольт-амперных характеристик. Предложенная модель позволяет реализовать экспрессный метод оценки надежности тонких диэлектриков непосредственно в процессе производства кристаллов микросхем.На основании данного метода проведены исследования влияния быстрой термической обработки исходных кремниевых пластин КЭФ 4,5, КДБ 12 и сформированного на них путем пирогенного окисления подзатворного диэлектрика на время наработки его на отказ. Показано, что быстрая термическая обработка исходных кремниевых пластин с последующим их пирогенным окислением приводит к увеличению времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика в среднем с 12,9 до 15,9 года (в 1,23 раза). Термообработка исходных кремниевых пластин и подзатворного диэлектрика позволяет увеличить время наработки на отказ до 25,2 года, т.е. в 1,89 раза больше, чем при стандартном процессе пирогенного окисления, и в 1,5 раза больше, чем при применении быстрой термообработки только исходных кремниевых пластин

МЕТОД И УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ ПЛОСКОСТНОСТИ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН

The method was suggested and the laser control set-up was developed of the arrow bend and bend profile of the semiconductor wafers. It was established, that on the basis of determining the inclination angle of tangent at any point of the surface due to deflection registration of the r eflected laser beam from the position, corresponding to reflection from the ideally plat surface, by means of its scanning by one of the wafer diameters it is possible to determine its bend profile.Предложен метод и разработана установка лазерного контроля стрелы прогиба и профиля изгиба полупроводниковых пластин. Метод основан на регистрации отклонения отраженного лазерного луча от положения, соответствующего отражению от идеально плоской поверхности. Установлено, что по результатам определения угла наклона касательной в любой точке поверхности, определяемой путем сканирования полупроводниковой пластины лазерным лучом, возможно определение ее профиля изгиба