Effect of Ion Implantation on the Adhesion of Positive Diazoquinone-Novolak Photoresist Films to Single-Crystal Silicon

The specific energy of detachment of diazoquinone-novolak FP9120 photoresist films of various thicknesses from single-crystal silicon is studied by the microindentation method. For 5-μm films, when the normal component of the load is predominant, the values of the specific energy of polymer-film detachment G are shown to vary within the range 0.1–0.3 J/m2. In the case of lateral loading for thin films, the G value is 3.5–3.7 J/m2. Implantation with boron and phosphorus ions results in an increase in the G value. This effect is more pronounced with P+-ion implantation. The most probable reason for enhancement of the adhesive interaction at the photoresist– silicon interface is the formation of new chemical bonds between hydroxyl groups on the surface of the oxide layer of the silicon wafer and the photoresist molecules

MEASUREMENT OF MICROHARDNESS OF PHOTORESIST FILMS ON SILICON BY THE SCRATCHING METHOD

In recent years new types of resist for nano and submicronic lithography are intensively developed. As perspective materials for resist various polymeric compositions on a basis thermally and mechanically resistant polymers are considered. The purpose of the real work was studying of possibility of application of a microindentation and scratching methods for research of strength properties of films of the polymeric resist applied on plates of single-crystal silicon. As an example films of positive diazoquinonenovolak photoresist 1,0–5,0 μm thick which were applied on plates of silicon of various brands with a centrifugation method were used. The comparative analysis of an microindentation and scratching methods for microhardness measurement of structures photoresist-silicon is carried out. It is shown that the scratching an edge of a tetrahedral diamond pyramid (a scratching method) is suitable for microhardness measurement of resistive films from 1,0 μm thick, at the same time the method of an microindentation can’t be used for measurements thin (h = 1,0–2,5 μm) photoresist films. When using the load P = 1–2 g, more accurate values of microhardness gives the scratching method. Value of the microhardness determined by a scratching method is 20–40 % more than value of the microhardness received by a microindentation method. The increase in loading to 10 g leads to leveling of the specified distinctions – the values of a microhardness received by both methods coincide. Radiation of resistive films changed the structure of resist films. It is results to correlation of microhardness values given on measurement as by a scratching method, and by an indentation method

МОДИФИКАЦИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ, ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ИОНАМИ ФОСФОРА И БОРА

Properties of the surface layers of monocrystalline silicon wafers implanted with boron and phosphorus to form a heavily doped "pockets" of CMOS structures was investigated by mass spectrometry of secondary ions, measuring the surface resistivity and microhardness. Near-surface hardening of silicon wafers during implantation was founded. Amorphization of the implanted region of silicon reduces the microhardness of the surface layer. Rapid thermal annealing leads to a softening of the surface layer of the silicon single crystal to a depth of 1 |im and an increase in fracture toughness (K1C and y) at low loads. The experimental results are discussed in terms of the generation of vacances in the process of rapid thermal annealing.Методами масс-спектрометрии вторичных ионов, измерений поверхностного сопротивления и микротвердости проведены исследования свойств приповерхностной (рабочей) области пластин монокристаллического кремния, имплантированных ионами бора и фосфора с целью формирования сильнолегированных «карманов» комплиментарных КМОП-структур. Обнаружено приповерхностное упрочнение пластин после имплантации. Образование слоя с повышенной плотностью дефектов в кремнии снижает микротвердость приповерхностного слоя. Быстрый термический отжиг приводит к разупрочнению приповерхностной области монокристалла кремния на глубине до 1 мкм и увеличению трещиностойкости (росту K^ и у) при малых нагрузках. Полученные экспериментальные результаты объяснены с учетом генерации вакансий в процессе быстрого термического отжига

ADHESION OF GAMMA-IRRADIATED FILMS OF A POSITIVE PHOTORESIST TO SINGLE CRYSTALLINE SILICON

В работе методом индентирования исследовано влияние ?-облучения на адгезионные свойства пленок диазохинонноволачного фоторезиста ФП9120, нанесенных на пластины монокристаллического кремния методом центрифугирования. Установлено, что ?-облучение приводит к снижению значений удельной энергии отслаивания G фоторезистивных пленок на кремнии. При этом в ИК-спектрах фоторезиста в ходе ?-облучения было отмечено уменьшение интенсивности полос колебаний, связанных с Si–О–С фрагментом, ответственным за адгезию к кремнию. Наблюдаемые экспериментальные результаты объяснены с учетом радиационно-химических и релаксационных процессов, протекающих как на границе раздела фоторезист/кремний, так и в объеме полимерной пленки

СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ ПЛЕНОК ФОТОРЕЗИСТА НА КРЕМНИИ

In recent years new types of resist for nano and submicronic lithography are intensively developed. As perspective materials for resist various polymeric compositions on a basis thermally and mechanically resistant polymers are considered. The purpose of the real work was studying of possibility of application of a microindentation and scratching methods for research of strength properties of films of the polymeric resist applied on plates of single-crystal silicon. As an example films of positive diazoquinonenovolak photoresist 1,0–5,0 μm thick which were applied on plates of silicon of various brands with a centrifugation method were used. The comparative analysis of an microindentation and scratching methods for microhardness measurement of structures photoresist-silicon is carried out. It is shown that the scratching an edge of a tetrahedral diamond pyramid (a scratching method) is suitable for microhardness measurement of resistive films from 1,0 μm thick, at the same time the method of an microindentation can’t be used for measurements thin (h = 1,0–2,5 μm) photoresist films. When using the load P = 1–2 g, more accurate values of microhardness gives the scratching method. Value of the microhardness determined by a scratching method is 20–40 % more than value of the microhardness received by a microindentation method. The increase in loading to 10 g leads to leveling of the specified distinctions – the values of a microhardness received by both methods coincide. Radiation of resistive films changed the structure of resist films. It is results to correlation of microhardness values given on measurement as by a scratching method, and by an indentation method. В последние годы интенсивно разрабатываются новые виды резистов для нанои субмикронной литографии современной электроники. В качестве перспективных материалов для резистов рассматриваются различные полимерные композиции на основе термически и механически стойких полимеров. Целью настоящей работы являлось изучение возможности применения методов микроиндентирования и склерометрии для исследования микротвердости пленок полимерного резиста, нанесенного на пластины монокристаллического кремния различных марок. В качестве примера использовались пленки позитивного диазохинон-новолачного фоторезиста толщиной 1,0–5,0 мкм, которые наносились на пластины кремния различных марок методом центрифугирования. Проведен сравнительный анализ методов индентирования и склерометрии для измерения микротвердости структур фоторезисткремний. Показано, что метод царапания ребром четырехгранной алмазной пирамиды (метод склерометрии) пригоден для измерения микротвердости фоторезистивных пленок толщиной от 1,0 мкм, в то же время метод индентирования нельзя использовать для измерений тонких (h = 1,0–2,5 мкм) пленок фоторезиста. Установлено, что при использовании нагрузки Р = 1–2 г более точные, независящие от величины нагрузки, значения микротвердости дает метод склерометрии. Метод микроиндентирования дает заниженные на 20–40 % значения микротвердости, зависящие к тому же от величины нагрузки. Увеличение нагрузки до 10 и более грамм приводит к нивелированию указанных различий  – значения микротвердости, полученные обоими методами, совпадают. Облучение фоторезистивных пленок также приводит, вследствие изменения структуры пленок, к сближению значений прочностных характеристик, полученных методом склерометрии и методом индентирования.

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПОДЗАТВОРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА МОП-СТРУКТУР ПО ВОЛЬТ-ФАРАДНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

There were investigated the capacity-voltage characteristics of the MOS transistors, fabricated by the similar process charts, with the identical applied technological materials), however at various time (appropriately further in the text series A and series B). It was shown, that the measurements of the capacityvoltage characteristics of the MOS structures make it possible to perform the quality diagnostics of the gate dielectric. The kind and shape of the measured characteristics are determined by the value of the additional positive charge in the dielectrics and density of the fast surface states on the Si-SiO2 interface, which correlate with the surface concentration of the technological impurities, adsorbed on the surface of the wafers in process of the devices fabrication, which makes it possible to make a conclusion about the quality of the applied materials and compliance of the manufacturing process. Исследованы МОП-транзисторы методом вольт-фарадных характеристик, изготовленных в разное время, но по аналогичным технологическим маршрутам и при использовании идентичных технологических материалов. Установлено, что измерения вольтфарадных характеристик МОП-структур позволяют проводить диагностику качества подзатворного диэлектрика. Вид и форма измеренных характеристик определяются величиной дополнительного положительного заряда в объеме диэлектрика и плотностью быстрых поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2, которые коррелируют с поверхностной концентрацией технологических примесей, адсорбированных на поверхности пластин в процессе изготовления приборов, что позволяет сделать заключение о качестве используемых материалов и соблюдении технологических режимов.

Measurement of microhardness of photoresist films on silicon by the scratching method

Brinkevich D.I., Prosolovich V.S., Yankovski Y.N., Vabishchevich S.A., Vabishchevich N.V., Gaishun V.E. MEASUREMENT OF MICROHARDNESS OF PHOTORESIST FILMS ON SILICON BY THE SCRATCHING METHOD. Devices and Methods of Measurements. 2016;7(1):77-84.В последние годы интенсивно разрабатываются новые виды резистов для нанои субмикронной литографии современной электроники. В качестве перспективных материалов для резистов рассматриваются различные полимерные композиции на основе термически и механически стойких полимеров. Целью настоящей работы являлось изучение возможности применения методов микроиндентирования и склерометрии для исследования микротвердости пленок полимерного резиста, нанесенного на пластины монокристаллического кремния различных марок. В качестве примера использовались пленки позитивного диазохинон-новолачного фоторезиста толщиной 1,0–5,0 мкм, которые наносились на пластины кремния различных марок методом центрифугирования. Проведен сравнительный анализ методов индентирования и склерометрии для измерения микротвердости структур фоторезисткремний. Показано, что метод царапания ребром четырехгранной алмазной пирамиды (метод склерометрии) пригоден для измерения микротвердости фоторезистивных пленок толщиной от 1,0 мкм, в то же время метод индентирования нельзя использовать для измерений тонких (h = 1,0–2,5 мкм) пленок фоторезиста. Установлено, что при использовании нагрузки Р = 1–2 г более точные, независящие от величины нагрузки, значения микротвердости дает метод склерометрии. Метод микроиндентирования дает заниженные на 20–40 % значения микротвердости, зависящие к тому же от величины нагрузки. Увеличение нагрузки до 10 и более грамм приводит к нивелированию указанных различий  – значения микротвердости, полученные обоими методами, совпадают. Облучение фоторезистивных пленок также приводит, вследствие изменения структуры пленок, к сближению значений прочностных характеристик, полученных методом склерометрии и методом индентирования

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО n–p–n-ТРАНЗИСТОРА

Contamination of the monocrystal silicon with technological impurities in the devices fabrication process exerts a considerable influence on the electro-physical characteristics of the bipolar n–p–n-transistors. Revelation of the causes of the labile reproducibility of the basic characteristics of the bipolar planar n–p–n-transistors is vital for the purpose of establishing the factors, determining reliability and stability of the operational parameters of the integrated circuits. There were investigated I–V characteristics of the various lots of the bipolar n–p–n-transistors, fabricated under the epitaxialplanar technology as per the similar process charts with the identical used technological materials, however, at different times. It is established that the electro-physical characteristics of the bipolar n–p–n-transistors substantially depend on the contents of the technological impurities in the substrate material. Availability of the high concentration of the generation-recombination centers, related to the metallic impurities, results both in increase of the reverse current of the collector – base junction of the transistors and the significant reduction of the breakdown voltage of the collector junction. The most probable cause of deterioration of the electro-physical parameters of the bipolar n–p–n-transistors is the material contamination with the technological impurities (such, as Fe, Cl, Ca, Cu, Zn and others) during the production process of the devices fabrication. The sources of impurity may be both the components and sub-assemblies of the technological units and the materials and reagents under usage.Загрязнение монокристаллического кремния технологическими примесями в процессе изготов- ления приборов оказывает существенное влияние на электрофизические характеристики биполярных n–p–n-тран- зисторов. Выявление причин лабильной воспроизводимости основных характеристик биполярных планарных n–p–n-транзисторов является актуальным с целью установления факторов, определяющих надежность и стабильность эксплуатационных параметров интегральных микросхем. Исследованы вольт-амперные характеристики различных партий биполярных n–p–n-транзисторов, изготовленных по эпитаксиально-планарной технологии по аналогичным технологическим маршрутам, при идентичных используемых технологических материалах, однако в различное время. Установлено, что электрофизические характеристики биполярных n–p–n-транзисторов существенным образом зависят от содержания технологических примесей в материале подложки. Наличие высокой концентрации генерационно-рекомбинационных центров, связанных с металлическими примесями, приводит как к увеличению обратного тока через переход коллектор–база транзисторов, так и к существенному снижению напряжения пробоя коллек- торного перехода. Наиболее вероятной причиной ухудшения электрофизических параметров биполярных n–p–nтранзисторов является загрязнение материала технологическими примесями (такими, как Fe, Cl, Ca, Cu, Zn и др.) во время производственного процесса изготовления приборов. Источниками загрязнений могут служить как детали и узлы технологических установок, так и используемые материалы и реактивы

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