Лазерный отжиг

Открыт в 1973 г. в Физико-техническом институте Казанского филиала Академии наук СССР (И.Б.Хайбуллин, Е.И.Штырков, М.М.Зарипов, М.Ф.Галяутдинов, Р.М.Баязитов).

Первоначально термин «лазерный отжиг» обозначал восстановление кристаллической структуры тонкого (толщиной менее 1 мкм) приповерхностного слоя полупроводника, исходно разупорядоченного в процессе ионной имплантации легирующей примеси. В качестве технологического метода лазерного отжига был разработан как альтернатива термическому отжигу (т.о.), широко применяемому в микроэлектронике после имплантации ионов примесей в полупроводниковые кристаллы и необходимому для устранения дефектов и электрической активации имплантированной примеси.

В широком смысле под лазерным отжигом имеются в виду различные структурные и фазовые превращения в приповерхностных слоях твердых тел (полупроводников, металлов, диэлектриков), происходящие под действием лазерного импульсного или непрерывного излучения. Лазерный отжиг положен в основу научного направления и технологии импульсной модификации материалов интенсивными пучками электромагнитных волн, электронов, ионов.

В широком диапазоне длительности импульса лазерного излучения основным механизмом лазерного отжига полупроводников и других материалов является тепловой. В зависимости от степени нагрева, определяемой плотностью мощности и длительностью излучения, а также оптическими и теплофизическими свойствами материала, реализуются 2 режима лазерного отжига: жидкофазная и твердофазная кристаллизация. Преимущества лазерного отжига (по сравнению с т. о.) и его уникальные возможности в наиболее мере проявляются в режиме быстрой жидкофазной кристаллизации при использовании мощного лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительности импульсов. Наносекундный лазерный отжиг полупроводников обусловлен интенсивным (до 1012 град/с) нагревом приповерхностного слоя в условиях генерации высокоплотной электронно-дырочной плазмы (до 1021 см-3), что приводит к быстрому плавлению с последующей кристаллизацией из равновесных либо метастабильных расплавов.

Скорость движения фронта затвердевания расплава играет определяющую роль в процессах кристаллизации, образования ростовых дефектов, локализации атомов примесей в кристаллической решетке.

В результате исследований, начатых в 1973 г. в Физико-техническом институте Казанского филиала Академии наук СССР под руководством И.Б.Хайбуллина, выявлены особенности и изучены основные физические процессы, протекающие при лазерном отжиге. На основе метода лазерного отжига предложен ряд технологических решений для создания микроэлектронных приборов. С 1975 г. интенсивные исследования лазерного отжига начаты в институте физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук СССР (город Новосибирск) под руководством Л.С.Смирнова, с 1982 г. – в Физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе Академии наук СССР (Ленинград) под руководством академика Ж.И.Алфёрова.

Результаты работ, представленные советскими учеными на первом совместном семинаре СССР–США по ионной имплантации (город Олбани, США, 1977 г.), послужили началом широких исследований лазерного отжига в мире и объединения усилий различных научных центров.

К концу 1980-х гг. по проблемам импульсных световых обработок полупроводниковых слоев было опубликовано более 1 тысячи работ и проведено несколько крупных международных конференций и симпозиумов. Расширился круг решаемых задач, включающих модификацию диффузионных и вакуумно-осажденных слоев на полупроводниковые материалы (1978), а также парк используемых источников излучений с применением пикосекундных лазеров (1979). Предложен ряд физических моделей, в том числе плазменная (нетермическая) модель лазерного отжига (1979).

В результате совместных исследований Физико-технического института Казанского филиала Академии наук СССР и института физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук СССР изучена трансформация структуры полупроводников под действием излучения и установлены условия получения эпитаксиальных слоев без ростовых дефектов.

На основе решений задач тепло- и массопереноса при лазерном отжиге теоретически предсказано пространственное распределение концентрации примесей в кристаллах и объяснены аномалии в зависимости от степени растворимости примесей в кристалле. Экспериментальное подтверждение теории получено в результате исследований динамики фазовых переходов при использовании оптического зондирования с высоким временным разрешением, проведенных совместно с Московским университетом и институтом электроники Академии наук Белорусской ССР, при этом обнаружено образование короткоживущих (по времени менее 10-8 с) метастабильных расплавов при температурах, пониженных на 10–15% относительно равновесных точек плавления кристаллов.

Наряду с наносекундным лазерным отжигом изучены процессы твердофазной кристаллизации разупорядоченных полупроводников под действием световых импульсов миллисекундного-секундного диапазонов длительности. Результаты исследований, проведенных совместно с ведущими центрами микроэлектроники СССР, послужили началом разработки промышленной серии установок отжига излучением импульсных ламп. Этот метод широко используется на предприятиях микроэлектроники для постимплантационного отжига интегральных микросхем, создания сильнолегированных слоев, уплотнения тонкопленочных покрытий, вжигания контактов, сглаживания микрорельефа поверхности и т.д. В связи с такими технологическими возможностями, как локальность воздействия, кратковременность процесса, синтез новых соединений, минимизация диффузии примесей и другими, импульсные воздействия находят широкое применение при разработке и производстве приборов микро- и наноэлектроники.

За открытие и исследование лазерного отжига коллективу ученых Физико-технического института Казанского филиала Академии наук СССР (И.Б.Хайбуллин, Е.И.Штырков, М.М.Зарипов, М.Ф.Галяутдинов, Р.М.Баязитов), института физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук СССР (Л.С.Смирнов, Л.Н.Александров, Г.А.Качурин, А.В.Двуреченский), Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе Академии наук СССР (Ю.В.Ковальчук, О.В.Погорельский) и Физического института имени П.Н.Лебедева Академии наук СССР (Ю.В.Копаев) присуждена Государственная премия СССР (1988).

Локальный лазерный отжиг ионно-легированных полупроводников // Физика и техника полупроводников. 1975. Том 9, № 10.

Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. Москва, 1982.

Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. Москва, 1987.

Автор – Р.М.Баязитов