Содержание
Введение.....................................................................4
Глава 1. Перестройка примесно-дефектной структуры кристаллов кремния при ионной имплантации и воздействии гидростатического давления.
(литературный обзор)...................................................7
§1.1 Дефектообразование в кристаллическом кремнии при ионном
облучении..............................................................8
§1.2 Особенности процесса дефектообразования в кремнии,
имплантированном ионами высоких энергий...............................13
§1.3 Электрофизические свойства кристаллов кремния,
имплантированных ионами водорода......................................20
п. 1.3.1 Основные свойства примеси водорода в
кристаллах кремния..............................................20
п. 1.3.2 Электрофизические свойства кристаллов
кремния, имплантированных ионами водорода ......................24
§1.4 Свойства кремния, имплантированного ионами
инертных газов........................................................28
§1.5 Основные свойства кристаллического кремния, облученного
ионами кислорода......................................................32
п. 1.5.1 Влияние примесей кислорода на свойства
кремния........................................................ 32
п. 1.5.2 Свойства кристаллов кремния, облученных
ионами кислорода ............................................... 35
§.1.6 Свойства кремния, имплантированного ионами азота................39
§.1.7 Свойства кристаллов кремния при воздействии
гидростатического давления............................................40
§.1.8 Выводы и постановка задачи......................................45
Глава 2 Методика эксперимента и обработка результатов.......................47
§2.1 Измерения концентрации носителей заряда методом
вольт-фарадных характеристик..........................................47
§ 2.2 Определение концентрации и подвижности свободных носителей
заряда методом эффекта Холла..........................................53
§2.3 Измерение параметров глубоких уровней............................57
§2.4 Измерение методами вторичной ионной масс-спектроскопии
и обратного рассеяния Резерфорда......................................61
§.2.5 Подготовка образцов, облучения и термообработки.................62
Г лава 3 Формирование электрически активных центров в кремнии, облученном ионами средних (Н2\ Не" и 0+) и высоких энергий (Кг~, 1М+) энергий после отжига в интервале температур
350-500°С........................................................... 65
§3.1 Ускоренное формирование донорных центров за областью проективных пробегов ионов в кремнии, имплантированном Н2 ,
Не+ и Н*..............................................................66
§3.2 Влияние гидростатического давления на формирование донорных
центров в кремнии, облученном ионами Н2* и Не+..................... 79
§3.2 Образование донорных центров в кремнии, облученном ионами кислорода.......................................................84
2
§3.3 Формирование донорных центров в кремнии, облученном
высокоэнергетичными ионами Кг' и N*...................................94
§3.4 Выводы к главе 3................................................107
Глава 4. Формирование электрически активных центров в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами Кг+, Хе+ и NT*"(1-3.5 МэВ/а.е.м.), при последующих отжигах в интервале
температур 500-1050°С................................................109
§4.1 Термоакцепторы в облученном кремнии.............................109
§4.2 Образование донорных центров в кремнии, облученном высокоэнергетичными ионами N* и Кг+ после термообработки
в интервале температур 600-1050°С....................................121
§4.3 Влияние ионного облучения и отжига на формирование и распределение электрически активных центров в р-п-переходах и
КНИ-структурах.......................................................130
п.4.4.1 Влияние высокоэнергетичной имплантации и высокотемпературного отжига на распределение
электрически активных центров в мелких р-п-переходах...........131
п.4.4.2 Влияние отжига на концентрацию носителей заряда в
КНИ-структурах, изготовленных методом «Smart-Cut»..............142
§4.4 Выводы к главе 4................................................151
Основные результаты и выводы...............................................154
Заключение................................................................156
Литература............................................................... 157
3
Введение.
Ионная имплантация кристаллов кремния (Si) занимает все более широкую область применения в технологическом цикле производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Наряду с традициошгыми применениями, в которых ионная имплантация преимущественно использовалась при создании легирующих слоев с заданными свойствами, в последнее время все интенсивнее развиваются новые направления, такие как создание захороненных изолирующих и геттерирующих слоев, структур кремний на изоляторе (КНИ) [1-3].
Одним из основных результатов облучения ионами газов Si является образование газовых пузырей (блистеринг) в области проективных пробегов ионов при последующих термообработках, либо при облучении большими дозами - сразу после имплантации [1,2]. Блистеринг наблюдается начиная с определенной дозы облучения и может приводить к отслаиванию верхних слоев кремния. Этот эффект используется при создании КНИ-структур методом «Smart-Cut», являющимся одним из перспективных способов формирования таких структур. В этом методе одним из существенных моментов является имплантация ионов водорода или гелия [1,4,5]. Исследования свойств водорода в Si показали, что водород является чрезвычайно активной примесью, который вступает во взаимодействие практически со всеми примесями и структурными дефектами [4,6]. Несомненно, что такая активность водорода в сочетании с высокой миграционной способностью оказывает влияние на очень многие свойства Si, в частности, на электрофизические параметры, которые имеют первостепенное значение при изготовлении полупроводниковых структур и приборов. При этом с точки зрения технологии изготовления КНИ-структур, наибольший интерес представляет изучение влияния термообработки при температурах 400-500°С на свойства Si, имплантированного водородом. С другой стороны известно, что при этих температурах в тигельном кремнии эффективно вводятся кислородные доноры (термодоноры), количество которых при длительных отжигах может даже превышать концентрацию легирующей примеси [7]. Вместе с тем, присутствие атомов водорода в решетке Si может значительно увеличить скорость введения термодоноров [6,7]. В связи с этим становится актуальным изучение влияния облучения ионами водорода и последующих отжигов при
4
температурах формирования термодоноров на процесс трансформации электрически активных центров в кристаллах 81.
Несколько иное влияние на свойства кристаллов Б1 оказывают атомы гелия, присутствие которых не оказывает столь заметного воздействия на электрофизические параметры, как в случае внедрения атомов водорода. Такое различие может быть обусловлено как различием химической активности данных элементов, так и более эффективным геттерированием на порах, наполненных гелием, различных примесей и собственных точечных дефектов [8,9]. Таким образом, наибольшие изменения свойства кристаллов после облучения ионами гелия будут происходить только в приповерхностных слоях 81.
Близость поверхности, являющейся мощным стоком радиационных дефектов, и области проективных пробегов ионов оказывает существенное влияние на процесс образования примесно-дефектных комплексов и на свойства кристаллов 81, подвергнутых ионной имплантации. Ситуация резко меняется в случае облучения ионами высоких энергий (Е>1 МэВ/а.е.м.), при котором удается пространственно разделить поверхность от области залегания внедренных ионов и дефектов. Вместе с тем, при использовании высокоэнергетичной ионной имплантации (ВИИ) следует учитывать различие в процессах дефектообразования в Б1 в сравнении с имплантацией ионов средних энергий, например, такие как пространственное разделение дефектов вакансионного и междоузельного типов, трекообразование и диффузия примесей и дефектов по ним, протекание ядерных реакций [3,10]. С практической точки зрения, исследование имплантации кристаллов Б1 высокоэнергетичными ионами газов привлекает к себе интерес как средство создания захороненных гетгерирующих слоев и перспективный способ контролирования времени жизни неосновных носителей заряда в высоковольтных приборах [3,11,12]. Неудивительно поэтому, что воздействие ВИИ на свойства кристаллов 81 в последние годы является предметом интенсивного изучения и при этом достигнуты значительные результаты в этой области. Однако и в настоящее время многие детали, касающиеся влияния ВИИ и последующих отжигов на трансформацию электрически активных центров в кристаллах кремния, остаются неясными. Таким образом, изучение электрофизических свойств кристаллов кремния, подвергнутых ВИИ и
5
последующему отжигу, представляет несомненный интерес как для физики реальных кристаллов, так и с практической точки зрения.
Кроме того, в данной работе в качестве дополнительного способа воздействия на дефектную структуру кристаллов использовались отжиги в условиях высокого гидростатического давления, которое позволяет изменить количественное соотношение между компонентами пар Френкеля в пользу вакансий [13]. Таким образом, термообработка кристаллов 81 в условиях всестороннего сжатия предоставляет возможность уточнить микроскопическую картину происходящих процессов и способствует их более полному пониманию.
Цель работы заключалась:
1. в выяснении условий и причин ускоренного введения при температуре 450°С термодоноров в кристаллах кремния, имплантированных ионами газов.
2. в определении условий формирования и природы электрически активных центров в кремнии, подвергнутом имплантации ионов высоких энергий, при отжигах до 1000°С.
6
Глава 1
Перестройка примесно-дефектной структуры кристаллов кремния при ионной имплантации и воздействии гидростатического давления.
(Литературный обзор).
Проблема воздействия ионной имплантации на свойства всегда была актуальной. Во многих практически важных случаях требуются облучения ионами газов или использование ионов высоких энергий, например, при создании структур кремний-на-изоляторе (КНИ) и при формировании внутренних геттерирующих слоев. Интерес к таким видам облучения значительно усилился в последнее время в связи с проблемой создания ультра больших интегральных схем, в которых значительно возросли требования к таким параметрам полупроводниковых приборов как быстродействие, потребляемая .мощность, радиационная устойчивость. Вместе с тем, использование при имплантации ионов газов (например водорода), обладающих высокой реакционной способностью в 81 в сочетании с высокой миграционной способностью, может привести к существенному изменению электрофизических свойств этих материалов. С другой стороны, одним из основных тенденций в методах ионной имплантации является повышение энергии внедряемых ионов, которое заставляет обратить более пристальное внимание на процессы дефектообразования при высокоэнергетичной имплантации. Такая необходимость возникла в связи с тем, что проведенные исследования в этом направлении выявили некоторые особенности воздействия ионов высоких энергий на примесно-дефектную структуру облучаемых материалов. Следует также отметить, что практическое применение имплантации ионов нелегирующих примесей, например, ионов газов при создании структур крсмний-на-изоляторе, а также высокоэнергетичных ионов, используемых при формировании внутренних геттерирующих слоев, подразумевает использование термической обработки. При этом, как правило, используются относительно невысокие температуры обработки, которые не приводят к полному устранению радиационных дефектов, либо при этих температурах радиационные дефекты образуют устойчивые комплексы с собственными дефектами кристаллов. Вместе с тем, образование таких комплексов может оказать существенное влияние на параметры создаваемых структур.
7
В данной главе проводится краткий обзор процессов дефектообразования в кристаллах кремния после имплантации ионов средних и высоких энергий, влияние облучение ионами газов (водорода, кислорода, азота и ионов инертных газов), а также воздействие гидростатического давления на основные свойства кристаллов 51.
§1.1. Дефектообразование в кристаллическом кремнии при ионном облучении.
Основные закономерности взаимодействия движущегося иона с твердым телом изложены в многочисленных монографиях и обзорах [14-19], суть которых сводится к следующему. Основными механизмами торможения при прохождении ионов средних энергий (как правило, принимают значения энергии ионов -10 кэВ/а.е.м.) через твердые тела являются упругие столкновения с ядрами (ядерный механизм) и неупругие столкновения с электронами (электронный механизм). Ядерный механизм доминирует при низких скоростях ионов. В этом случае передача энергии атомам мишени происходит благодаря упругим столкновениям - налетающая частица передает свою энергию ядрам (атомам) мишени в упругих столкновениях. Электронный механизм доминирует при высоких скоростях (энергиях) ионов. Торможение в данном случае определяется возбуждением и ионизацией электронов среды. Передача энергии происходит путем неупругих столкновений. При этом изменение кинетической энергии ионов связано с потерями энергии на возбуждение электронной подсистемы атомов мишени. Распределение внедренных ионов по глубине мишени может быть оценено с помощью симметричной функции распределения Гаусса [15]:
проективный пробег ионов, ДЯР - среднеквадратичное отклонение, равное ширине
(1.1)
где Ео-интегральная доза облучения на единицу площади мишени, ион/см2, Яр -
гауссова распределения на его полувысоте, деленной на 2(1п2)12 . Значение х=Яр соответствует максимуму концентрации введенной примеси [15,19]:
8
Рассмотрим более подробно процессы дефектообразования в случае ядерного торможения ионов. Упругие столкновения изменяют направления движения иона, но при этом сохраняется суммарная кинетическая энергия сталкивающихся атомов. При достаточно высоком значении энергии налетающей частицы происходит смещение атома мишени из равновесного (узлового) положения, который, в свою очередь, может выбить другие атомы мишени из узлового положения и т.д. Таким образом, первично выбитый атом может привести к образованию целого каскада атомных смещений. Его развитие заканчивается, когда все смещенные атомы замедляются настолько, что их энергия окажется ниже пороговой энергии (Е^) образования смещенного атома. В результате образуется определенное число дефектов Френкеля (вакансии и собственные междоузельные атомы). При увеличении массы налетающего иона М1 и массы атомов мишени М2 сечение упругого торможения увеличивается, что ведет к более высоким плотностям создаваемых атомов отдачи и выделенной энергии. То есть, эффективность образования пар Френкеля возрастает. Отличие в дефектообразовании легких (М1«М2) и тяжелых ионов (М2«М1) связано с тем, что легкие ионы при внедрении в мишень первоначально испытывают в основном электронное торможение. Они теряют большую часть энергии до того, как начинает преобладать ядерное торможение. В противоположность этому, при внедрении тяжелых ионов они сразу сильно начинают тормозиться атомами кремния. Тяжелые ионы смещают большое количество атомов мишени из узлов кристаллической решетки вблизи поверхности. При этом смещенные атомы будут переносить переданную им энергию на большую глубину.
Образовавшиеся в результате облучения собственные точечные дефекты обладают высокими коэффициентами диффузии даже при комнатных температурах [21]. Причем приводимые в литературе значения коэффициентов диффузии вакансий имеют большой разброс [22]. Такой разброс авторами объясняется тем, что в различных зарядовых состояниях вакансии обладают разными энергиями миграции. Следует отметить, что исключительная подвижность вакансий и междоузельных
атомов, а также процессы образования дефектных ассоциаций между собой и с другими несовершенствами структуры создают большие трудности при изучении свойств этих дефектов.
Другим широким классом радиационных дефектов являются дефектные комплексы, которые возникают в результате взаимодействия точечных дефектов как друг с другом, так и с другими примесями (легирующими и неконтролируемыми). Основными электрически активными центрами, образующимися в после облучения ионами, являются комплексы вакансия-кислород (УО или А-центры) с энергией ионизации Ес-0.17 эВ, дивакакансии (У2), которые вводят в запрещенную зону уровни энергии Ес-0.23 эВ, Ес-0.39 эВ, Еу+0.21 эВ, а также комплексы вакансии с элементами У-ой группы, наиболее известный из которых - комплекс вакансия-фосфор (УР или Е-центр) с уровнем энергии Ес-0.44 эВ [14]. При взаимодействии компонентов пар Френкеля с примесью возможно изменение положения примеси в решетке: вытеснение узловой примеси в междоузельное положение собственным междоузельным атомом (эффект Уоткинса) и растворение междоузельной примеси в радиационно-введенных вакансиях, аннигиляция вакансий и междоузельных атомов при последовательном захвате их на атом примеси (на центр аннигиляции). Большинство дефектов междоузельного и вакансионного типа отжигаются при температурах до 500°С [22].
Эффективность введения дефектных комплексов зависит от дозы облучения. В частности, при достаточно больших дозах облучения наступает насыщение концентрации тех или иных комплексов. Причинами этого эффекта могут быть следующие: 1) истощение примеси, входящей в комплекс; 2) термическая диссоциация комплекса (при достаточно больших температурах); 3) акты аннигиляции вакансий и междоузельных атомов на примеси [14].
Как уже было выше отмечено, при повышении энергии и массы бомбардирующих частиц возрастает энергия, переданная выбитому из узла атому решетки. Атом отдачи в результате вторичных столкновений создает большое количество вакансий и междоузельных атомов. В конце пробега атома плотность создаваемых дефектов становится настолько большой, а взаимодействия между отдельными точечными дефектами настолько сильными, что последние приобретают некоторые новые свойства. В результате совокупность точечных дефектов в малом
ю
локальном объеме образует протяженный дефект со специфичными свойствами (разупорядоченная область). Предполагается, что разупорядоченные области (РО) состоят из центральной зоны, обогащенной вакансиями, и окружающей ее оболочки, насыщенной междоузельными атомами [10,11]. При перекрытии РО могут образоваться разупорядоченные слои. Эти области также могут образоваться в результате накопления точечных дефектов до больших концентраций при определенных условиях. Формирование аморфного слоя зависит от температуры облучения таким образом, что пороговая доза ионов, необходимая для получения аморфной фазы, растет с увеличением температуры. Это обусловлено тем, что при высоких температурах идут процессы кристаллизации. Переход облучаемой области в аморфное состояние может осуществляться несколькими путями [14]: 1)
формирование аморфных областей непосредственно в отдельной РО; 2) взаимодействие (перекрытие) различных РО, приводящее к их перестройке, укрупнению и формированию аморфных областей; 3) стоком и накоплением дефектов одного вида (вакансий или междоузельных атомов) вблизи нарушенной имплантацией области в кристалле. Необходимым условием аморфизации по любому из выбранных механизмов является пространственное разделение в этой области вакансий и междоузельных атомов.
При рассмотрении эволюции радиационных дефектов, образованных в каскаде смещений, необходимо учитывать следующие процессы [12,11]: 1) диффузию вакансий и междоузельных атомов; 2) объединение вакансий и междоузлий в комплексы; 3) рекомбинацию вакансий и междоузлий; 4) отжиг сложных дефектов, их диффузию и перестройку. Процессы накопления в зоне смещений определяются в основном конкуренцией процессов 1 и 2. Аморфизация происходит, когда концентрация вакансий, включая концентрацию вакансий связанных в комплексы, достигает определенной величины. Для тяжелых ионов плотность вакансий в каскаде велика, поэтому процесс 2 будет преобладать над процессом 1 и большой потери вакансий из зоны смещений не происходит. Для легких ионов имеет место обратная ситуация, что приводит к увеличению дозы аморфизации и деформации профиля окончательного распределения радиационных дефектов. Кристаллизация аморфного слоя происходит при температурах 600-700°С.
11
С увеличением дозы облучения и массы иона температура кристаллизации несколько повышается. Задержка кристаллизации при высоких дозах свидетельствует о том, что с ростом дозы в аморфном слое происходит накопление избыточной концентрации вакансий, сравнительно крупных дефектов типа кластеров и микропор. Указанные дефекты служат препятствием при кристаллизации [14].
При бомбардировке ионами и последующей термообработке в результате объединения простых дефектов, либо под воздействием механических напряжений, возникающих вокруг радиационных нарушений, часто образуются линейные дефекты - дислокации или дислокационные петли, стержнеобразные дефекты. Эти крупные линейные дефекты состоят из междоузельных атомов. Стержнеобразные дефекты отжигаются при Т= 800-900°С, а дислокационные петли еще при более высоких температурах (>1000°С) [14, 15].
При облучении ионами газов (водорода, инертных газов) большими дозами (~1017см'2) наблюдалось появление куполообразных дефектов - блистеров на поверхности 51 [14, 23]. При этом возможно также частичное отслоение поверхности от подложки. Формирование блистеров и отслоение приводят к сильному нарушению поверхности кристалла. Существует две модели, объясняющие образование блистеров и отслоения поверхности. Согласно первой модели, существенная роль отводится образованию в результате облучения газовых пузырей в твердом теле. При этом считается, что если растворимость внедряемого в материал газа мала, то часть газа может собираться в микропорах, образующихся при бомбардировке ионами. Таким образом, в кристалле появляются пузыри, наполненные газом, которые растут с увеличением дозы и при определенных условиях лопаются на поверхности с выбросом газа. Согласно второй модели, образование блистеров связано с существованием в ионно-облученных слоях больших продольных напряжений. Источником этих напряжений служит внедряемая примесь [14,23].
12
§ 1.2. Особенности процесса дефектообразования в кремнии, имплантированном
ионами высоких энергий.
Имплантация высокоэнергетичных ионов в кристаллы приводит к образованию дефектной структуры несколько отличной от характерной при использовании ионов средних энергий [24]. Основной причиной этого являются значительное более интенсивное электронное торможение при ВИИ, а также смена доминирующих механизмов дефектообразования по мере торможения быстрых ионов. Дефектную структуру, образующуюся при ВИИ можно разделить на характерные слои [21]: I - приповерхностный слой (содержит лишь точечные дефекты); II - слой повышенной концентрации точечных дефектов с сильными неоднородными искажениями (возможно образование треков ионов); III - слой максимального разупорядочения (область максимального ядерного торможения); IV -ионно-легированный слой (содержит атомы имплантированной примеси); V - слой вторичного дефектообразования (располагается на глубинах, превышающих проективный пробег ионов). Последний слой может быть сформирован продуктами ядерных реакций.
В слоях, содержащих точечные дефекты, могут меняться соотношения между вакансионными и междоузельными дефектами в зависимости от глубины. В работах [25-26] приводятся данные, согласно которым в приповерхностной области должны преобладать дефекты вакансионного типа, а в области проективных пробегов ионов -междоузельные дефекты. На рисунке 1.1 представлены результаты расчета стационарного распределения по глубине объемных концентраций вакансий и междоузлий в кремнии, имплантированном ионами М+ с энергией 16 МэВ [26]. Кроме этого, преобладанием вакансионных дефектов объясняется так называемый “эффект Яр/2 ’’-ускоренное геттерирование примесей металлов и кислорода в области Яр/2 [27-29]. В дополнешге к этому, исследование кристаллов 51, облученных ионами Ь1+5 с энергией 16 МэВ при 300°К [26], показало, что в спектрах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) наблюдаются два максимума центров РЗ, связанных с планарными тетравакансиями. Причем один из пиков, расположен ближе к Яр ионов, а другой на расстоянии 2-3 мкм от поверхности.
13
п
■V
В
н
о
ег
с:
о*
н
В
о
»
в
о
0
Глубина, мкм.
Рис. 1.1 Расчетные стационарные распределения по глубине объемной концентрации вакансий (V) и междоузельных атомов (I) в кристаллическом кремнии, облученном ионами азота с энергией 16 МэВ. В расчетах использованы значения коэффициентов диффузии вакансий и междоузлий равные 2.10'7см2/с и 5.10°см2/с соответственно [261.
14
- Київ+380960830922