Spectral Ellipsometry as a Method of Investigation of Influence of Rapid Thermal Processing of Silicon Wafers on their Optical Characteristics

One of the possible ways of improvement of the surface properties of silicon is the solid phase recrystallization of the surface silicon layer after the chemical-mechanical polishing with application of the rapid thermal treatment with the pulses of second duration. The purpose of the given paper is investigation of influence of the rapid thermal treatment of the initial silicon wafers of the various doping level and reticular density on their optical characteristics by means of the spectral ellipsometry method. The investigation results are presented by means of the spectral ellipsometry method of the rapid thermal processing influence on the initial silicon wafers (KDB12 orientation , KDB10 orientation and KDB0.005 orientation ) of the various level of doping and reticular density influence on their optical characteristics: refraction and absorption ratios. Influence was confirmed of the silicon reticular density on its optical characteristics before and after the rapid thermal processing. It was shown, that reduction of the refraction and absorption ratios in the center of the Brillouin zone for the silicon samples with the high Boron concentration after the rapid thermal processing as compared with the low doped silicon. In the area of the maximum absorption peak, corresponding to the energy of the electron exit from the silicon surface (4.34 eV) the refraction indicator of the high doped silicon becomes higher, than of the low doped silicon, which is determined by the high concentration of the vacant charge carriers on the silicon surface in this spectral range. It was established, that the spectral area 3.59–4.67 eV, corresponding to the work of the electrons, exiting the silicon surface, the most informative way shows the difference of the 3 optical parameters of silicon of the different orientation, and for evaluation of influence of the silicon doping level on its optical characteristics the most informative is the spectral range of 3.32–4.34 eV

Спектральная эллипсометрия как метод изучения влияния быстрой термообработки кремниевых пластин на их оптические характеристики

One of the possible ways of improvement of the surface properties of silicon is the solid phase recrystallization of the surface silicon layer after the chemical-mechanical polishing with application of the rapid thermal treatment with the pulses of second duration. The purpose of the given paper is investigation of influence of the rapid thermal treatment of the initial silicon wafers of the various doping level and reticular density on their optical characteristics by means of the spectral ellipsometry method.The investigation results are presented by means of the spectral ellipsometry method of the rapid thermal processing influence on the initial silicon wafers (KDB12 orientation <100>, KDB10 orientation <111> and KDB0.005 orientation <100>) of the various level of doping and reticular density influence on their optical characteristics: refraction and absorption ratios. Influence was confirmed of the silicon reticular density on its optical characteristics before and after the rapid thermal processing. It was shown, that reduction of the refraction and absorption ratios in the center of the Brillouin zone for the silicon samples with the high Boron concentration after the rapid thermal processing as compared with the low doped silicon. In the area of the maximum absorption peak, corresponding to the energy of the electron exit from the silicon surface (4.34 eV) the refraction indicator of the high doped silicon becomes higher, than of the low doped silicon, which is determined by the high concentration of the vacant charge carriers on the silicon surface in this spectral range.It was established, that the spectral area 3.59–4.67 eV, corresponding to the work of the electrons, exiting the silicon surface, the most informative way shows the difference of the 3 optical parameters of silicon of the different orientation, and for evaluation of influence of the silicon doping level on its optical characteristics the most informative is the spectral range of 3.32–4.34 eV. Одним из возможных путей улучшения поверхностных свойств кремния является твердофазная рекристаллизация поверхностного слоя кремния после химико-механической полировки с использованием быстрой термической обработки импульсами секундной длительности. Целью данной работы являлось исследование влияния быстрой термической обработки исходных кремниевых пластин различного уровня легирования и ретикулярной плотности на их оптические характеристики методом спектральной эллипсометрии.Приведены результаты исследования методом спектральной эллипсометрии влияния быстрой термообработки исходных кремниевых пластин (КДБ-12 ориентации <100>, КДБ-10 ориентации<111> и КДБ-0,005 ориентации <100>) различного уровня легирования и ретикулярной плотности на их оптические характеристики: коэффициенты преломления, поглощения. Подтверждено влияние ретикулярной плотности кремния на его оптические характеристики до и после быстрой термообработки. Установлено уменьшение коэффициентов преломления и поглощения в центре зоны Бриллюэна для образцов кремния с высокой концентрацией бора после быстрой термообработки по сравнению с низколегированным кремнием. В области пика максимума поглощения, соответствующего энергии выхода электрона с поверхности кремния (4.34 эВ) показатель преломления высоколегированного кремния становится выше, чем у низколегированного кремния, что обусловлено высокой концентрацией свободных носителей заряда на поверхности кремния в этом спектральном диапазоне.Установлено, что спектральная область 3.59–4.67 эВ, соответствующая работе выхода электронов с поверхности кремния, наиболее информативно показывает различие оптических параметров кремния различной ориентации, а для оценки влияния уровня легирования кремния на его оптические характеристики наиболее информативен спектральный диапазон 3.32–4.34 эВ

Формирование подзатворного диэлектрика нанометровой толщины методом быстрой термообработки

Investigations of the thickness and optical characteristics of thin SiO2 films obtained by one-, two-, or three-stage rapid thermal processing (RTP) at atmospheric pressure, pulses of 6, 12, and 20 s duration have been carried out. To obtain thin SiO2 films by the RTP method, N-type:Ph 4.5 Оhm/□ (100) silicon wafers were used as initial samples. The samples were preliminarily oxidized at 1000 °C of the obtained wet oxygen (SiO2 d = 100 nm), then the silicon oxide was completely removed in a solution of hydrofluoric acid, after which the wafers were subjected to chemical cleaning using the Radio Corporation of America (RCA) technology. Oxidation in a stationary oxygen atmosphere was carried out in one or two stages by heating the plates with a light pulse of different power up to maximum temperatures of 1035 – 1250 °C, as well as a three-stage process, where the final stage was annealing in a nitrogen atmosphere or in a forming gas (N2 97% + H2 3%). The characteristics of SiO2-Si barrier structures nitrided in N2, obtained by the RTP process by light fluxes with pulses of a second duration, were studied to improve the electrophysical parameters of gate oxides by the RTP method. It is of interest for integrated circuits (ICS) with a high density of the active regions of devices.Проведены исследования толщины и оптических характеристик тонких пленок SiO2, полученных одно-, двух- или трехстадийным процессом быстрой термической обработки (БТО) при атмосферном давлении, импульсами длительностью 6, 12 и 20 с. Для получения тонких пленок SiO2 методом БТО в качестве исходных образцов использовали пластины кремния КЭФ4,5 (100). Предварительно образцы окислялись при 1000 °С во влажном кислороде (толщина полученного SiO2 d = 100 нм), затем в растворе плавиковой кислоты проводилось полное снятие оксида кремния, после пластины подвергались химической очистке по технологии Radio Corporation of America (RCA). Окисление в стационарной атмосфере кислорода производилось в одну или две стадии при нагреве пластин импульсом света разной мощности до максимальных температур 1035 – 1250 °С, а также трехстадийным процессом, где заключительным этапом был отжиг в атмосфере азота либо в формовочном газе (N2 97 % + H2 3 %). Были проведены исследования характеристик азотированных в N2 барьерных структур SiO2-Si, полученных процессом БТО световыми потоками импульсами секундной длительности для улучшения электрофизических параметров оксидов затвора методом БТО, что представляет интерес для интегральных микросхем (ИС) с большой плотностью расположения активных областей приборов

Влияние термической нагрузки при формировании контактов Al-Al на электрические параметры интегральных микросхем с контактами алюминий-поликремний

This work is devoted to establishing the effect of using rapid thermal processing (RTP) method (450 °C, 7 s) to form an ohmic contact between two layers of aluminum metallization on the electrical parameters and reliability of integrated circuits. The resistance values of contact chains aluminum-silicon, aluminum-polysilicon, polysilicon-silicon n+, aluminum-silicon n+, current-voltage characteristics of the tested bipolar transistors, as well as the results of the reliability analyses by conducting thermal field tests were chosen as the analyzed parameters of this microcircuit. Comparison of these parameters was carried out with respect to the microcircuits manufactured using standard RTP method (450 °C, 20 min) to form this contact. An analysis of the results of the resistance value of various contact chains showed that, regardless of the type of thermal treatment, all contact chains, with the exception of the aluminum-polysilicon contact chain, have almost the same resistance. By analyzing the elemental composition of the cleavage in the area of this contact by scanning electron microscopy, it was found that during rapid heat treatment, the depth of penetration of aluminum into polysilicon is 2 times less than during its standard formation due to a 2-fold reduction in the time of exposure to high temperature compared to the standard process. This leads to a lower concentration of the aluminum in the silicon and as a result to a higher contact resistance between the aluminum and polysilicon. An analysis of the currentvoltage characteristics showed that they are all identical, except for the course of the direct branch of the base current value from the emitter-base voltage. The deviation of the linear nature of this dependence in the region of their low voltage values (£ 200 mV) in the case of the formation of ohmic Al-Si and Al-Al contacts with the use of long-term heat treatments is due to the predominance of the generation-recombination current in this region associated with an increased density of traps in the depleted region and on the surface of the semiconductor. The ideal behavior of the base current versus the emitter-based voltage is maintained by applying rapid RTP method to form an Al-Al contact by eliminating traps both in the depletion layer and on the surface of the semiconductor. The tests carried out on the reliability of these products showed that it does not depend on the type of formation of ohmic contacts between the metallization layers.Статья посвящена установлению влияния применения быстрой термической обработки (450 °С, 7 с) для формирования омического контакта между двумя слоями алюминиевой металлизации на электрические параметры и надежность интегральных микросхем. В качестве анализируемых параметров выбраны величины сопротивлений контактных цепочек алюминий-кремний, алюминийполикремний, поликремний-кремний n+, алюминий-кремний n+, вольт-амперные характеристики тестовых биполярных транзисторов, а также результаты анализа их надежности путем проведения термополевых испытаний. Сравнение этих параметров проводилось относительно микросхем, изготовленных с применением стандартной термообработки (450 °С, 20 мин) для формирования данного контакта. Анализ результатов величины сопротивления различных контактных цепочек показал, что независимо от вида термообработки все контактные цепочки, за исключением цепочки контактов алюминий-поликремний, имеют практически одинаковое сопротивление. Путем анализа элементного состава скола в области данного контакта методом растровой электронной микроскопии установлено, что при быстрой термической обработке глубина проникновения алюминия в поликремний в два раза меньше, чем при стандартном его формировании, за счет уменьшения в два раза времени воздействия высокой температуры. Это приводит к более низкой концентрации алюминия в кремнии и, как результат, – к более высокому контактному сопротивлению между алюминием и поликремнием. Анализ вольт-амперных характеристик показал, что все они идентичны за исключением хода прямой ветви зависимости величины базового тока от напряжения эмиттер-база. Отклонение линейного характера данной зависимости в области малых значений напряжения (£ 200 мВ) в случае формирования омических контактов Al-Si и Al-Al с применением длительных термических обработок обусловлено преобладанием в данной области генерационно-рекомбинационного тока, связанного с повышенной плотностью ловушек в обедненной области и на поверхности полупроводника. Идеальное поведение базового тока в зависимости от напряжения эмиттер-база сохраняется с применением быстрой термообработки по формированию контакта Al-Al за счет устранения ловушек как в обедненном слое, так и на поверхности полупроводника. Проведенные испытания на надежность таких изделий показали, что она не зависит от вида формирования омического контакта между слоями металлизации

Исследования электрофизических свойств тонких подзатворных диэлектриков, полученных методом быстрой термообработки

Researches of the electrophysical characteristics of gate dielectrics obtained by the rapid thermal processing (RTP) method by two-stage and three-stage processes have been carried out. Each photonic processing (stage) was carried out for 12 s at a constant power of halogen lamps and heating the wafers to a maximum temperature of 1250 °C. The first two stages of the process were carried out in an oxygen atmosphere, the third - in nitrogen or a forming gas. It was found that for dielectrics obtained by the process with final processing in a nitrogen atmosphere, the absolute value of the voltage of flat zones is 0.42 V less, than for insulators, formed by a two-stage process. This is the consequence of the elimination of a significant part of the defects, responsible for the presence of Coulomb centers in the dielectric layer. Carrying out photonic processing in anitrogen atmosphere at high temperatures of procedures for proceeding of the restructuring of the structure of the dielectric layer. For insulators obtained by a three-stage process with final processing in N2, an increase in dielectric strength and breakdown voltage by 1 V and 3.3 MV/cm, respectively, is observed in comparison with dielectrics, obtained by a two-stage process. An increase in dielectric strength indicates relaxation of elastic stresses of deformed bonds and compensation for dangling bonds both in the dielectric and at its interface with Si during high-temperature photonic treatment. Passivation by nitrogen atoms of deformations at the dielectric/semiconductor interface will also have a positive effect on the strength of the insulator.Проведены исследования электрофизических характеристик диэлектриков затвора, полученных методом быстрой термообработки двухстадийным и трехстадийным процессами. Каждая фотонная обработка (стадия) производилась в течение 12 с при постоянной мощности галогеновых ламп и нагреве пластин до максимальной температуры 1250 °С. Две первых стадии процесса проводились в атмосфере кислорода, третья – в азоте либо формовочном газе. Установлено, что для диэлектриков, полученных процессом с заключительной обработкой в атмосфере азота, абсолютная величина напряжения плоских зон на 0,42 В меньше, чем для диэлектриков, сформированных двухстадийным процессом. Это является следствием ликвидации значительной части дефектов, ответственных за наличие кулоновских центров в слое диэлектрика. Проведение фотонной обработки в атмосфере азота при высоких температурах способствует протеканию процессов перестройки структуры слоя диэлектрика. Для изоляторов, полученных трехстадийным процессом с заключительной обработкой в N2, по сравнению с диэлектриками, сформированными двухстадийным процессом, наблюдается увеличение электрической прочности и напряжения пробоя на 1 В и 3,3 МВ/см соответственно. Рост электрической прочности указывает на релаксацию упругих напряжений деформированных связей и компенсацию оборванных связей как в диэлектрике, так и на его границе с Si в процессе высокотемпературной фотонной обработки. Положительное влияние на прочность диэлектрика также будет оказывать пассивация атомами азота дефектов на границе раздела диэлектрик/полупроводник

Влияние технологических примесей на температурную зависимость коэффициента усиления биполярного n-p-n-транзистора

Herein, the temperature dependences of the static current gain (β) of bipolar n-p-n-transistors, formed by similar process flows (series A and B), in the temperature range 20–125 °С was investigated. The content of uncontrolled technological impurities in the A series devices was below the detection limit by the TXRF method (for Fe < 4.0 · 109 at/cm2). In series B devices, the entire surface of the wafers was covered with a layer of Fe with an average concentration of 3.4 ∙ 1011 at/cm2; Cl, K, Ca, Ti, Cr, Cu, Zn spots were also observed. It was found that in B series devices at an average collector current level (1.0 ∙ 10–6 < Ic <1.0 ∙ 10–3 A) the static current gain was greater than the corresponding value in A series devices. This was due to the higher efficiency of the emitter due to the high concentration of the main dopant. This circumstance also determined a stronger temperature dependence of β in series B devices due to a significant contribution to its value from the temperature change in the silicon band gap. At Ic < 1.0 ∙ 10–6 A β for B series devices became significantly less than the corresponding values for A series devices and practically ceases to depend on temperature. In series B devices, the recombination-generation current prevailed over the useful diffusion current of minority charge carriers in the base due to the presence of a high concentration of uncontrolled technological impurities. For A series devices at Ic < 10–6 A, the temperature dependence of β practically did not differ from the analogous dependence for the average injection level.Исследованы температурные зависимости статического коэффициента усиления по току (β) биполярных n-p-n-транзисторов, сформированных по аналогичным технологическим маршрутам (серии А и В), в интервале температур 20–125 °С. Содержание неконтролируемых технологических примесей в приборах серии А было ни- же предела обнаружения методом полного внешнего отражения рентгеновского излучения (по Fe < 4,0 · 109 ат/см2). В приборах серии В вся поверхность пластин была покрыта слоем Fe со средней концентрацией 3,4 · 1011 ат/см2, наблюдались также пятна Cl, K, Ca, Ti, Cr, Cu, Zn. Установлено, что в приборах серии В при среднем уровне тока коллектора (1,0 ∙ 10–6 < Ic < 1,0 ∙ 10–3 A) статический коэффициент усиления по току больше соответствующего значения в приборах серии А. Это обусловлено большей эффективностью эмиттера вследствие высокой концентрации основной легирующей примеси. Данное обстоятельство определяло и более сильную температурную зависимость β в приборах серии В вследствие значительного вклада в его величину температурного изменения ширины запрещен- ной зоны кремния. При Ic < 1,0 ∙ 10–6 A β для приборов серии В становится существенно меньше соответствующих значений для приборов серии А и практически перестает зависеть от температуры. В приборах серии В рекомбинационно-генерационный ток преобладает над полезным диффузионным током неосновных носителей заряда в базе вследствие наличия высокой концентрации неконтролируемых технологических примесей. Для приборов серии А при Ic < 10–6 A температурная зависимость β практически не отличается от аналогичной зависимости для среднего уровня инжекции

Formation of a gate dielectric of nanometer thickness by rapid thermal threatment

Проведены исследования толщины и оптических характеристик тонких пленок SiO2 ,полученных одно-, двух- или трехстадийным процессом быстрой термической обработки (БТО) при атмосферном давлении, импульсами длительностью 6, 12 и 20 с. Для получения тонких пленок SiO2 методом БТО в качестве исходных образцов использовали пластины кремния КЭФ4,5 (100). Предварительно образцы окислялись при 1000 °С во влажном кислороде (толщина полученного SiO2 d = 100 нм), затем в растворе плавиковой кислоты проводилось полное снятие оксида кремния, после пластины подвергались химической очистке по технологии Radio Corporation of America (RCA). Окисление в стационарной атмосфере кислорода производилось в одну или две стадии при нагреве пластин импульсом света разной мощности до максимальных температур 1035 – 1250 °С, а также трехстадийным процессом, где заключительным этапом был отжиг в атмосфере азота либо в формовочном газе (N 2 97 % + H 2 3 %). Были проведены исследования характеристик азотированных в N2 барьерных структур SiO2 -Si, полученных процессом БТО световыми потоками импульсами секундной длительности для улучшения электрофизических параметров оксидов затвора методом БТО, что представляет интерес для интегральных микросхем (ИС) с большой плотностью расположения активных областей приборов. Investigations of the thickness and optical characteristics of thin SiO 2 films obtained by one-, two-, or three-stage rapid thermal processing (RTP) at atmospheric pressure, pulses of 6, 12, and 20 s duration have been carried out. To obtain thin SiO 2 films by the RTP method, N-type:Ph 4.5 Оhm/□ (100) silicon wafers were used as initial samples. The samples were preliminarily oxidized at 1000 °C of the obtained wet oxygen (SiO2 d = 100 nm), then the silicon oxide was completely removed in a solution of hydrofluoric acid, after which the wafers were subjected to chemical cleaning using the Radio Corporation of America (RCA) technology. Oxidation in a stationary oxygen atmosphere was carried out in one or two stages by heating the plates with a light pulse of different power up to maximum temperatures of 1035 – 1250 °C, as well as a three-stage process, where the final stage was annealing in a nitrogen atmosphere or in a forming gas (N2 97% + H2 3%). The characteristics of SiO 2 -Si barrier structures nitrided in N2, obtained by the RTP process by light fluxes with pulses of a second duration, were studied to improve the electrophysical parameters of gate oxides by the RTP method. It is of interest for integrated circuits (ICS) with a high density of the active regions of devices

Localization of Nitrogen Atoms in Si–Sio2 Structures

Исследованы методом времяпролетной масс-спектроскопии вторичных ионов подзатворные оксиды кремния, азотированные методом ионной имплантации (ИИ) либо высокотемпературным отжигом в атмосфере N2. ИИ азота производилась энергией 40 кэВ дозами 2,5*1014 и 1*1015 см-2. Отжиг проводился при температуре 1200 ?С в течение 2 ч либо при 1100 ?С в течение 30 мин. Установлено, что на границе раздела Si–SiO2 после проведения азотирования методом ИИ либо высокотемпературным отжигом наблюдается максимум с высокой концентрацией атомов азота. Показано, что после проведения ИИ азота дозой 2,5*1014 см-2 через защитный SiO2 толщиной 23 нм и быстрой термообработки (БТО) при 1000 ?С в течение 15 с на границе раздела Si–SiO2 наблюдается основной максимум распределения азота (1*1019 см-3), что указывает на наличие концентрации насыщения границы раздела Si–SiO2. Предложена зарядовая одномерная модель Ферми для описания ускоренной диффузии атомов азота. Основным механизмом является диффузия междоузельных атомов, которая может протекать с предварительным вытеснением узловых атомов азота собственными атомами внедрения. Показано, что атомы азота могут выступать в качестве центров аннигиляции точечных дефектов в кристаллической решетке кремния