Лазеры в микроэлектронике

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

И.Е. Малов, И.Н. Шиганов

ЛАЗЕРЫ
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки дипломированных специалистов 651400
«Машиностроительные технологии и оборудование»,
специальности 150206 «Машины и технология
высокоэффективных процессов обработки материалов»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2012

УДК 621.375.826(075.8)
ББК 32.86
М19

М19

Рецензенты: А.Д. Шляпин, Ю.В. Панфилов

Малов И.Е.
Лазеры в микроэлектронике : учеб. пособие / И.Е. Малов,
И.Н. Шиганов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. –
73, [3] с. : ил.

Учебное пособие состоит из четырех разделов, посвященных лазерной обработке материалов, используемых в микроэлектронике.
Рассмотрены такие часто используемые процессы, как обработка полупроводников и отжиг имплантированных слоев в полупроводниках,
перекристаллизация и стабилизация параметров тонких слоев в полупроводниках, модифицирование и изменение химического состава поверхностных слоев путем лазерного напыления тонких пленок,
осаждение пленок из газовой фазы и растворов.
Большое внимание уделено вопросам обработки тонких пленок в
виде лазерной подгонки пленочных резисторов, конденсаторов; вопросам лазерной литографии, записи информации.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Машины и технология высокоэффективных процессов обработки
материалов».

УДК 621.375.826(075.8)
ББК 32.86

Учебное издание

Малов Илья Евгеньевич
Шиганов Игорь Николаевич

ЛАЗЕРЫ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Редактор Л.С. Горбенко
Корректор
Е.В. Авалова
Компьютерная верстка В.И. Товстоног

Подписано в печать 20.03.2012. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 4,42. Тираж 200 экз. Изд. № 71.
Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Лазерные технологии обработки материалов, в которых физико-химические процессы, вызванные воздействием лазерного излучения, локализованы в области размером, не превышающим
нескольких десятков микрометров, принято называть лазерными
микротехнологиями.
В настоящее время микротехнологии находят достаточно
широкое применение в промышленности, например при лазерной обработке полупроводников; модифицировании и изменении
химического состава поверхностных слоев нанесенных пленок;
проведении микропроцессов обработки полупроводников с испарением обрабатываемого материала [1].

1. ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
С ЦЕЛЬЮ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ОТЖИГА

1.1. Поглощение лазерного излучения
полупроводниками и диэлектриками

Действие лазерного излучения на полупроводники начинается
с его поглощения. Зависимость оптических характеристик полупроводников от длины волны имеет сложный характер, что связано со сменой механизма поглощения при изменении длины волны
УФ-диапазона до длины волны ИК-диапазона [2].
К основным процессам поглощения лазерного излучения полупроводниками относятся:
• взаимодействие со связанными зарядами;
• возбуждение свободных зарядов;
• взаимодействие с фононами, т. е. взаимодействие с основными и гармоническими колебаниями решетки (модами);
• комбинация из указанных выше процессов;
• различные нелинейные процессы, например двухфотонное
взаимодействие со связанными зарядами;
• поглощение лазерного излучения примесными атомами;
• поглощение лазерного излучения экситонами.
Вследствие поглощения лазерного излучения в полупроводнике генерируются свободные заряды и изменяется их энергия.
В результате образуются две подсистемы: подсистема свободных
электронов (электронный газ) и подсистема решетки. Поглощенное
электронной подсистемой лазерное излучение перераспределяется
внутри каждой из систем и между системами путем релаксации,
рекомбинации и диффузии электронов.

4

Процессы поглощения излучения характерны для всех полупроводников, однако их вклад в полное поглощение излучения не
одинаков и зависит от соотношения энергии фотона hv падающего
излучения и энергетической ширины запрещенной зоны полупроводника.
При ΔW > hv основные процессы поглощения включают в себя поглощение связанными и свободными электронами и поглощение примесными атомами. Поглощение связанными электронами
протекает внутри валентной зоны полупроводника. Этот процесс
похож на процесс возбуждения свободных атомов, при котором
электрон из валентной зоны переходит на более высокий энергетический уровень, но не выходит из атома, а при низких температурах этот процесс становится определяющим, а при наличии
примесных атомов внутри запрещенной зоны появляются новые
уровни энергии. В этом случае возможно поглощение излучения
в результате переходов из валентной зоны на акцепторные уровни
или с донорных уровней в зону проводимости, а также в результате каскадного перехода «валентная зона — донорный (акцепторный) уровень — зона проводимости». Каскадный переход — один
из основных процессов, изменяющих концентрацию свободных
электронов в зоне проводимости при энергии фотона, меньшей величины ΔW. Если энергия и поглотивший ее связанный электрон
не могут достичь зоны проводимости, то может образоваться экситон — квазичастица, соответствующая электронному возбуждению
в кристалле полупроводника, мигрирующему по кристаллу, но не
связанному с переносом электрического заряда и массы. Эта частица может поглотить фотон, распадаясь при этом на свободный
электрон и дырку. Это явление похоже на двухфотонное поглощение, но происходит при гораздо меньшей интенсивности светового
потока.
При ΔW < hv основную роль в поглощении лазерного излучения игрют связанные и свободные электроны. Поскольку энергия
фотона больше энергетической ширины запрещенной зоны полупроводника, то поглотившие фотон связанные электроны покидают
атом и попадают в зону проводимости. При этом атом ионизируется (образуется дырка), а электрон становится свободным. Так как
в полупроводнике увеличивается концентрация свободных элек
5

тронов, то активизируется и процесс поглощения излучения этими электронами. В этом случае поглощение лазерного излучения
очень быстро увеличивается с увеличением энергии падающего
фотона hv [3].
Поглощение лазерного излучения в полупроводниках описывается законом Бугера — Ламберта — Бера:

I
I0
= e−αt,

где I — интенсивность излучения, прошедшего сквозь слой материала толщиной t; I0 — интенсивность излучения на входе в
материал; α — показатель поглощения материала.
Толщина слоя, при прохождении которого происходит значительное ослабление падающего излучения, определяется по формуле

t = 1/α.

Для сильных поглотителей α = 106 см−1, t = 10−6 см; для
относительно слабых поглотителей α = 10 см−1, t = 10−1 см.
Поглощение свободными электронами пропорционально концентрации электронов и зависит от всех процессов, влияющих на
эту концентрацию. В связи с этим показатель поглощения складывается из двух показателей:

α = α0 + αсв,

где α0 — показатель поглощения, не зависящий от концентрации
свободных электронов; αсв — показатель поглощения, обусловленный свободными электронами. Эти два показателя по-разному зависят от интенсивности лазерного излучения и температуры.
Влияние интенсивности лазерного излучения на процесс
поглощения излучения. При воздействии лазерного излучения на
полупроводники возникают процессы, которые существенно влияют на поглощение излучения; во-первых, это процесс генерации
свободных электронов, во-вторых, двухфотонное поглощение, которое может увеличить показатель поглощения при ΔW > hv.
Влияние температуры на процесс поглощения излучения.
Влияние температуры на поглощение лазерного излучения полупроводниками проявляется посредством следующих явлений:

6

1. Изменения энергетического распределения фотонов в кристалле полупроводника. Поскольку количество фотонов, обладающих необходимой энергией и импульсом для осуществления непрямых переходов, изменяется, то изменяется и показатель поглощения в зависимости от температуры.
2. Изменения количества свободных электронов в зоне проводимости.
3. Изменения зонной структуры. При повышении температуры
уменьшается энергетическая ширина запрещенной зоны полупроводника. Этот эффект может привести к увеличению межзонного
поглощения излучения и соответственно к дальнейшему увеличению температуры.
Когда достигается температура плавления, коэффициенты поглощения и отражения очень быстро изменяются, а некоторые полупроводники (например, кремний Si) приобретают металлические
свойства.
Увеличение температуры полупроводника вызывает значительное увеличение показателя поглощения. Так, для Si уже при температуре 1000 ◦С α = 5 · 103 см−1.
Влияние структурного состава полупроводника на процесс поглощения излучения. При переходе полупроводника из
аморфного состояния в кристаллическое изменяются все его характеристики, в том числе и показатель поглощения. Так, показатель поглощения α для Si при длине волны лазерного излучения
λ = 1,06 мкм сильно зависит от его фазового состояния: для
монокристаллического Si α = 50 см−1; для эпитаксиального Si
α = 100 см−1; для аморфного Si α = 3 · 103 см−1, для жидкофазного (металлического) Si α = 7 · 105 см−1.
Влияние длины волны лазерного излучения на процесс поглощения излучения. Многие полупроводники непрозрачны в видимой области (λ ⩽ 1 мкм) и относительно прозрачны в ИКобласти (λ = 1 мкм и более). В связи с этим для лазерного отжига
используют АИГ:Nd-лазеры, генерирующие излучение с длиной
волны λ = 1,06 мкм.
В отличие от металлов, в которых поглощение излучения происходит вблизи поверхности (в скин-слое), в диэлектриках и большинстве полупроводников поглощение происходит при прохожде
7

нии через слой материала толщиной t, которая может значительно превышать традиционную толщину скин-слоя. В ИК-области
λ ⩾ 10−4 см, следовательно, во многих случаях нагрев может считаться объемным. В частности, это относится к нагреву тонких
пленок, где длина волны λ может превышать толщину пленки.
Например, слаболегированный Si при обработке излучением с
длиной волны λ = 1,06 мкм имеет при комнатной температуре показатель поглощения α = 30 см−1. Однако для сильнолегированных
полупроводников показатель поглощения свободными электронами велик, например для Si α = 350 см−1. Процесс поглощения
происходит в тонком околоповерхностном слое, как в металлах.

1.2. Лазерный отжиг имплантированных слоев

Многие замечательные достижения последних лет в области
полупроводниковой электроники, в частности улучшение характеристик приборов, уменьшение их размеров, увеличение выхода годных, связаны с применением метода ионной имплантации.
Этот метод заключается в легировании полупроводника необходимым элементом. Легирование осуществляется путем облучения
поверхности полупроводника данным элементом при ускоряющем
напряжении в несколько киловольт. Эта технология уникальна, так
как позволяет внедрять ионы, которые традиционными методами
не внедряются.
При ионном легировании полупроводников возникает ряд характерных проблем, которые необходимо разрешить:
• структура приповерхностной области монокристаллического
полупроводника после имплантации сильно нарушена, вплоть до
полной аморфизации;
• внедренная в полупроводник примесь находится, как правило, в электрически неактивном состоянии.
Обычно для устранения радиационных дефектов и электрической активации внедренной примеси используют термический
отжиг всего образца при оптимальной для данного полупроводника температуре (300 . . . 1200 ◦С) в течение 10 . . . 60 мин в вакууме
либо в cреде инертных газов.

8

Однако данный метод обладает следующими недостатками.
1. Радиационные дефекты и нарушения кристаллической решетки устраняются не полностью.
2. Ряд электрических характеристик полупроводника ухудшается.
3. В случае сложных полупроводников наблюдается декомпозиция подложки.
4. Внедренная примесь выпадает в осадок.
5. Поверхность полупроводника загрязняется неконтролируемыми примесями.
6. Возникают дополнительные ограничения на последовательность технологических операций.
7. Не может использоваться для обработки материалов толщиной порядка 1 мкм.
Рассмотрим современный метод лазерного отжига полупроводников, лишенный перечисленных выше недостатков, который используется для получения более равновесных структур в слоях и
пленках. Суть этого метода заключается в том, что на имплантированный полупроводник воздействуют мощным импульсом лазерного излучения с определенными длиной волны, плотностью
энергии и длительностью импульса.
Уже в первых экспериментах были выявлены интересные и
даже уникальные особенности лазерного отжига.
Несмотря на то что многие вопросы физики лазерного отжига
хорошо изучены, ответа на принципиально важный вопрос о механизме лазерного отжига все еще не получено в окончательном
варианте.
Большинство исследований процесса лазерного отжига были
проведены на кремнии, поскольку пока он играет ведущую роль в
микроэлектронике.
В зависимости от используемых режимов работы лазера в литературных источниках описаны следующие виды лазерного отжига:
• отжиг наносекундным одиночным импульсом;
• отжиг миллисекундным одиночным импульсом;
• отжиг быстросканирующим сфокусированным лучом лазера,
работающего в режиме непрерывной генерации;

9

• отжиг быстросканирующим лучом лазера, работающего в режиме модулированной добротности с высокой частотой повторения импульсов (до 50 кГц).
Из перечисленных режимов работы лазера наиболее полно изучен первый.
Лазерный отжиг ионно-легированных полупроводников имеет несколько характерных особенностей, которые отличают его от
термического отжига. Рассмотрим основные из них.
Пороговый характер. Для каждого полупроводника существует вполне определенный в данных условиях эксперимента интервал плотностей потока лазерного излучения, в котором протекает
лазерный отжиг. Снизу этот интервал ограничен порогом рекристаллизации WR, а сверху — порогом светового разрушения материала WD.
Высокие скорости рекристаллизации.
Скорость восстановления кристаллической структуры имплантированных слоев
зависит от кристаллографического направления, поскольку ориентирующим зародышем кристаллической фазы является неповрежденная подложка. Скорость твердофазной эпитаксии, которая
наблюдается при термическом отжиге, лимитируется механизмами перераспределения атомов на границе раздела «аморфный
слой — кристаллический слой», требующими разрыва ковалентных связей. Процесс восстановления кристаллической структуры
при наносекундном лазерном отжиге характеризуется аномально
высокой скоростью кристаллизации — порядка 109 нм/с (для Si).
Эта величина примерно на три порядка превышает максимально
возможную скорость твердофазной кристаллизации при традиционном термическом отжиге (2 · 106 нм/с при температуре 1400 ◦С).
Перераспределение примесей и повышенная эффективность отжига. В случае миллисекундного отжига (продолжительность воздействия 10−2 . . . 10−4 с) отсутствует диффузия примесей на заметные расстояния независимо от того, был ли слой
аморфным или нет (аморфизация не достигалась). В отличие от
миллисекундного лазерного отжига термический отжиг приводит
к заметному расширению профиля распределения примесей.
После миллисекундного лазерного отжига все примеси находятся в узлах кристаллической решетки и электрически активны,

10