6.  ЛАЗЕРНАЯ  ТЕХНОЛОГИЯ  ПОЛУПРОВОДНИКОВ

 

     По-видимому, технология полупроводников  и в большей степени технология микросхем - это области,  где  использование  лазеров  оказалось наиболее эффективным. Преимущества лазерной технологии обеспечивается, в основном,  возможностью  прецизионной обработки с одной стороны и возможностью облучения больших площадей при изготовлении  больших  интегральных  схем  с использованием проекционной оптики - с другой стороны.  К основным технологическим процессам в производстве полупроводников с использованием лазерного излучения относятся: легирование и перераспределение примесей,  отжиг дефектов, гетерирование  примесей,  кристаллизация аморфных и поликристаллических слоев, травление,  формирование  омических  контактов.

 

     6.1.  ЛЕГИРОВАНИЕ   ПОЛУПРОВОДНИКОВ

 

     Эта традиционная  операция  в технологии полупроводников успешно осуществляется при  использовании  лазерного  нагрева.  При этом процесс диффузии примеси может идти из поверхностного, предварительно нанесенного слоя,  из жидкого или газообразного источника.  Подбирая необходимые параметры излучения  и  фокусирования, в полупроводники вводят донорные и акцепторные  примеси  (P,B,Sb  и т.д.). Приведем  несколько примеров успешного использования лазеров в технологии полупроводников.

     Диффузия из поверхностного слоя. Этот метод аналогичен традиционному методу диффузии из поверхностного источника с той лишь разницей, что разогрев ведут лазерным излучением. Поверхностный слой расплавляется и примесь диффундирует в глубь легируемого материала. Способ - энергосберегающий и позволяет проводить легирование локально и прецизионно.

     Диффузия из  жидкого или газообразного источника.  Пропуская непрерывное излучение лазера через раствор  трихлорида  сурьмы  в этаноле,  нанесенный  на поверхность кремниевой пластины р-типа, получают р-n - переход на глубине 150-190 мкм.  Поместив пластину из полупроводника в газовую атмосферу из смеси 10%  PH₃ + 90% Ar  и обработав лазерным излучением без фокусирования,  можно создать поверхностный слой с концентрацией фосфора   ~ 10²⁰ см^-2 .  Обработка ведется лазером на александрите.

     Фотолитическое лазерное  легирование.  Этот  метод позволяет совмещать операции нанесения примеси на поверхность с загонкой ее в пластину.  Метод  реализуют  на  газовых  соединениях   B(CH₃)₃,  Bcl₃,  Pcl₃    c 

помощью лазера,  генерирующего ультрафиолетовое излучение. На первом этапе газ, поглощая излучение, диссоциируется, освобождая примесь (фотолиз), которая осаждается на поверхность пластины и под действием того же излучения внедряется в объем.

     Лазерная  ионная имплантация. Здесь важна роль мощных  СО₂-лазеров, которая заключается в испарении мишени, дающей необходимую примесь,  в ионизации паров этой мишени, с последующим внедрением в полупроводниковую подложку.

     Перераспределение примеси. Изменение профиля  распределения примеси, введенной в полупроводник,  выполняется лазерным отжигом поверхности пластин. Такой отжиг способствует уменьшению рекомбинационных эффектов  в  области пространственных зарядов,  улучшая параметры  вольт-амперных  характеристик  в  1,2-1,5  раза.

 

      6.2.  ОТЖИГ  ДЕФЕКТОВ

 

      В результате процессов легирования,  независимо от методов, в  полупроводниковых  приборах  наблюдается  скопления неактивной примеси,  преципитатов и дефектов кристаллической  решетки.  Наибольшее  количество  дефектов имеет место при ионной имплантации. Ионы,  обладая большой энергией (порядка 200 кэВ), сильно повреждают поверхностный слой, приводя его иногда к полной аморфизации. Поэтому необходим дополнительный процесс рекристаллизации и активации  примесных  центров,  который делают с помощью термоотжига. Наиболее удобно это делать с помощью лазерного  нагрева,  преимуществом  которого является отжиг строго ограниченного поверхностного дефектного слоя.  В случае использования лазера, работающего в  непрерывном  режиме, отжиг проводится путем сканирования по поверхности,  а при импульсном облучении отжиг можно  проводить  по всей поверхности сразу.

     Физически процесс  отжига  при  импульсном  облучении  можно представить как расплавление дефектного слоя и последующее  восстановление монокристаллической решетки в результате эпитаксии во время остывания.  Другая концепция предполагает, что восстановление кристаллической решетки происходит благодаря плазме свободных электронов,  генерированной излучением лазера. Роль плазмы заключается в ослаблении межатомных связей,  что облегчает процесс перестройки  атомов в соответствующую  кристаллическую структуру.  В  принципе  обе модели  объясняют большинство  особенностей  лазерного  отжига.

 

 

 

     6.3.  ГЕТЕРИРОВАНИЕ  ПРИМЕСЕЙ

 

     Гетерирование - это процесс удаления из активных областей полупроводниковых  приборов  вредных  металлических примесей ( Ag, Au, Cu и т.д.). Чем ниже концентрация металлических примесей, тем выше время  жизни  неосновных  носителей.  Области гетерирования создаются путем образования на непланарной стороне приборов конгломератов из  дефектов за счет внедренных примесей фосфора,  имплантированных ионов аргона или  простой механической  обработки. Гетерирование, выполненное  лазерными методами (имплантация примесей фосфора, аргона), не вносит дополнительных загрязнений, легко контролируемо,  образованные дефекты устойчивы. Чаще всего для гетерирования используются лазеры на АИГ: Nd.

 

     6.4.  КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ  АМОРФНЫХ  СЛОЕВ

 

     Метод кристаллизации аморфных слоев с помощью лазерной обработки очень  часто используется для получения эпитаксиальных пленочных слоев,  так как стандартные методы выращивания таких слоев требует высоких температур и сверхвысокого вакуума на всех технологических этапах и поэтому не всегда приемлемы.

     Рекристаллизацией аморфного  слоя  полупроводника  (Ge, Si) c использованием лазера получают монокристаллические слои высокого качества,  если  мощность  излучения  и  скорость сканирования обеспечивает проплавление поверхностного,  аморфного слоя до  монокристаллической основы  (подложки).  При  этом в силу краткости облучения при импульсном режиме работы лазера,  а  также  больших мощностных воздействий и их локального характера сохраняется резкая граница концентраций, необходимая для качественного p-n - перехода. При применении лазеров, работающих в непрерывном режиме, для технологических операций подобного типа необходимо  вакуумное разрежение.  Если используются импульсные лазеры, то рекристаллизация может происходить на воздухе в силу краткости облучения.  В этом случае  чаще всего применяют твердотельные лазеры с t_и = 30 нс и  I_и = 6 Дж/см².