Радиационно-стимулированное формирование нитрида кремния в кремнии при последовательном облучении встречными пучками ионов азота и аргона

2
Содержание
Введение
5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ПРОБЛЕМАМ ИОННО- 13 ЛУЧЕВОГО СИНТЕЗА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ НИТРИДА КРЕМНИЯ И ЭФФЕКТА ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
1.2. Способы получения скрытых изолирующих слоев, пригодных для 15 создания КНИ-структур
1.3. Формирование слоев нитрида и оксида кремния с помощью иоино- 16 лучевого синтеза
1.4. Разновидности синтеза изолирующих слоев с применением ионной 22 имплантации
1.5. Исследования ИК-спектров слоев нитрида кремния 25
1.6. Исследования методами просвечивающей электронной микроскопии и 34 электронографии слоев Б1зЫ4
1.7. Электрические свойства ионно-синтезированых слоев нитрида кремния 40
1.8. Парамагнитные дефекты в нитриде кремния 42
1.9 Эффект дальнодействия при ионной имплантации 44
1.9.1. Закономерности проявления эффекта дальнодействия при ионной 44 имплантации
1.9.2. Основные факторы, оказывающие влияние на проявление эффекта 45 дальнодействия при ионной имплантации
1.9.3 Дальнодействующее влияние бомбардировки ионами аргона на 47 химическое состояние азота, имплантированного в пластины монокристаллического кремния
1.9.4 Механизмы эффекта дальнодействия при ионной имплантации 48
Заключение и постановка задачи 51
Введение
1.1. Перспективы применения и способы создания КНИ-структур
13
14
3
ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА ИОННО-
СИНТЕЗИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ ЫхНуй
Введение
2.1. Технология ионно-лучевого синтеза азотированных слоев кремния,
%
методики электрических и оптических измерении
2.2. Электронно-микроскопические и электронографические исследования влияния температурного режима имплантации и постимплантационных отжигов на свойства ионно-сиитезировашюй структуры Б1ХНУ-Б1
2.3. Влияние температуры стационарных постимплантационных отжигов на ИК-спсктры пропускания и долю фазы Б^Иу
2.4. Влияние температуры отжига на толщину и показатель преломления ионно-синтезированных слоев Б^у
2.5. Влияние температуры отжига на электрические свойства ионно-синтезированных слоев Б1ХЫУ
в 2.6. Влияние температуры отлей га на парамагнитные дефекты в нитриде
кремния Выводы
ГЛАВА 3. РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ В КРЕМНИИ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ ОБЛУЧЕНИИ ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ ИОНОВ АЗОТА И АРГОНА Введение
3.1. Особенности подготовки образцов и методики измерения при изучении влияния облучения встречными пучками ионов азота и аргона
3.2. Влияние дозы облучения ионами аргона на свойства ионно-синтезированных слоев нитрида кремния
3.2.1. ИК-спектры пропускания
3.2.2. Электрические свойства
3.3. Влияние температуры кремния при облучении ионами аргона на свойства иошю-силтезировашюй структуры Б1х1Чу-Б1
3.3.1. Изменение толщины и показателя преломления слоя Б1ХЫУ от температуры облучения ионами аргона
53
53
54
55
61
63
64
69
72
73
73
73
75
75
77
80
80
4
3.3.2. Электрические свойства МДП-структур Ме-БіхМ^Зі-Ме 81
3.4. Влияние отжига на состояние поверхности, электрические и оптические 82 свойства структур БіжМ^-Бі после ионно-лучевой обработки аргоном
3.4.1. Результаты после облучения аргоном при Таг=20°С 82
3.4.2. Результаты после облучения аргоном при Таг = 500°С 86
Выводы 88
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ 89 ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АРГОНА, ОБСУЖДЕНИЕ МЕХАНИЗМА ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ И КРЕМНИЯ
Введение 89
4.1. Изменение состояния поверхности кремния с ростом дозы имплантации 89 ионов аргона
4.2. Изменение состояния поверхности при различных температурах 93 + имплантации ионов аргона
4.3. Сопоставление свойств ионно-синтезированной гетеросистемы ЗцЫу-Зц 96 после облучения противоположной стороны пластины кремния ионами Ые+,
БГ и Аг+
4.4. Селективное облучение ионами аргона пластины кремния, облученной с 99 обратной стороны ионами азота
4.5. Основные закономерности, выявленные в процессе исследований 101
поверхности кремния, облученной ионами аргона
4.6. Механизм дальнодействия при имплантации ионов аргона в кремний 104 Выводы 111
Общее заключение 113
Литература 115
I
Введение
Работа посвящена изучению формирования диэлектрических слоев нитрида кремния в кремнии с применением ионной имплантации азота. Это важно, поскольку ни микроэлектроника (МЭ), ни наноэлектроника не обходятся без диэлектрических прослоек [1,2].
Нитрид кремния по сравнению с естественным окислом (вЮг)
обладает рядом преимуществ. Коэффициенты термического расширения этого диэлектрика и кремния почти совпадают, что важно для технологии микроструктур с температурными циклами до 1000-1100°С. Малый коэффициент диффузии азота в кремнии предотвращает диффузионное расплывание диэлектрического слоя при отжигах. Граница 81зЫ4-81 является эффективным барьером для широкого набора актуальных для микроэлектроники примесей. Хотя ширина запрещённой зоны 81з^ в два раза меньше чем у оксида кремния Р1 около 4.5 эВ (почти как у алмаза), она достаточна чтобы собственная электронная проводимость при комнатной температуре была пренебрежимо малой. Диэлектрические слои, полученные ионной имплантацией интересны возможностью синтеза полупроводниковых структур в едином технологическом цикле с имплантацией легирующих примесей. Особенно привлекательной является возможность формирования актуальных для современной микроэлектроники структур кремний на изоляторе или КНИ-структур [1]. При облучении кремния ионами азота с энергией около 200 кэВ и дозой ~1018 см*2 (достаточной для формирования стехиометрического 813^) молено получить «захороненный» диэлектрический слой, отделяющий тонкий —200 им слой кремния для создания в нём микроэлектронных схем [1]. Проблема состоит в том, что в процессе отжига таких слоев при температурах порядка 1000°С происходит их растрескивание из-за кристаллизации [1,2]. Превращение аморфного нитрида кремния в кристаллический в ионно-синтезированных слоях происходит при пониженных на 200-300°С температурах по сравнению с другими вариантами формирования 81зЫ4. В результате «портится» структура поверхностного слоя кремния, резко ухудшаются изолирующие свойства слоя 81зМ4. Для дальнейшего совершенствования режимов термообработки азотированных слоев кремния, достижения прогресса в понимании микроскопических процессов представляет
6
интерес привлечение, кроме ранее применявшихся структурных, электрических и оптических измерений, другой экспериментальной техники, в частности, электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), позволяющего получать непосредственно информацию о свойствах дефектной системы.
Ранее было обнаружено [3] существенное изменение свойств
• азотированного слоя при облучении при 500°С обратной стороны пластин кремния толщиной 600 мкм ионами аргона с энергией 40кэВ и дозах 10,б-10,7см2. Была предложена модель этого ЭД, согласно которой на азотированный слой воздействуют акустические гиперзвуковые импульсы давления, излучаемые в результате скачкообразной эволюции дислокационной сетки под облученным аргоном слоем кремния или взрыва пузырьков аргона - блистеров в насыщенном аргоном слое кремния. Представляет интерес более подробное изучение интервала доз 1016-1017см облучения ионами аргона, изолирующих и структурных свойств азотированных слоёв кремния от температуры имплантации Аг+* Для дальнейшего понимания природы ЭД представляет интерес проведение
• экспериментов с частичной экранировкой образцов кремния при облучении аргоном, воздействием на обратную сторону пластин кремния вместо аргона ионами других элементов с другим характером модификации поверхности кремния.
Цель работы состоит в поиске способов увеличения температурного интервала стабильности ионно-синтезированного нитрида кремния термическими и другими внешними воздействиями и в проведении ряда экспериментов для дальнейшего прояснения природы эффекта дальнодействия при последовательном облучении кремния встречными пучками ионов азота и аргона.
Первая задача настоящей работы состояла в получении более детальной информации о микроскопических процессах в азотированном слое при термических отжигах с применением техники ЭПР-спектроскопии, используя
• известные парамагнитные центры в системе Si-N в качестве свидетелей перестройки дефектной системы.
Вторая задача состояла в более подробном изучении далыюдействующего влияния на азотированный слой кремния облучения ионами аргона в интервале доз 101б-1017см’2. Планировалось исследование изолирующих и структурных
7
свойств этого слоя от температуры имплантации Лг» возможности предотвращения кристаллизации нитрида кремния при последующих высокотемпературных отжигах, сопоставление свойств слоев, сформированных при обработке обратной стороны пластин кремния ионами Аг+ и отжигом, а также поиск оптимальных с точки зрения качества слоев, условий ионно-лучевого синтеза.
Третья задача связана с прояснением природы ЭД. Представляло интерес
изучение морфологии и состояния поверхности кремния при различных дозах и
+ + + + температурах облучения Лг , облучение Ые и 81 вместо Аг » проверка наличия
латерального эффекта. Выбор Ые+ и вГ связан с тем, что ионы Ые+ имеют при той
же энергии больший пробег, также появляется дислокационная сетка, образуются
блистеры, но более крупные, чем в случае с Аг+, которые, согласно литературным
данным и нашим предварительным экспериментам не взрываются при
используемых параметрах ионно-лучевого синтеза. В случае кремния
дислокационная сетка из-за сильных напряжений образуется, но блистеров нет.
Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования методов синтеза диэлектрических слоев в кремнии, полученных с помощью ионной имплантации с целью получения качественных приповерхностных и, в особенности, захороненных изолирующих слоев. Поиск новых и
усовершенствования уже известных способов формирования КНИ-структур активно ведется как в нашей стране, так и за ее пределами [1]. Данная работа вносит вклад в понимание процессов, происходящих в полупроводнике с диэлектрическим слоем при термических отжигах, а также в прояснение природы эффекта дальнодействия (ЭД) при ионном внедрении - одной из наиболее дискутируемых проблем ионной имплантации. Предложенные результаты исследований демонстрируют возможность использования ЭД при ионной имплантации для модификации свойств материалов с улучшением диэлектрических характеристик слоев 81зЫ4.
Основными экспериментальными методами исследований в данной работе являлись: ИК-спектроскопия, сканирующая зондовая (атомно-силовая
микроскопия) и электронная микроскопии, электронография, статические и
8
динамические электрические измерения и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).
В результате выполнения работы установлено:
1. С увеличением температуры отжига (Т01Ж) слоев кремния, облученных ионами азота, существует корреляция между немонотонными зависимостями от Тотж электросопротивления и числа парамагнитных центров этих слоев.
2. До Тетж^ОО’С взаимодействие азота с кремнием происходит через образование парамагнитных достехиометрических комплексов, компенсирующих проводимость, а после Тотж^700*С избыточный кремний выделяется во вторую фазу, начинается кристаллизация нитрида кремния, приводящая к растрескиванию слоев и росту их проводимости через дополнительные каналы протекания тока.
3. Стимулирование реакции взаимодействия кремния с азотом происходит при последовательном облучении кремниевой пластины встречными пучками ионов
17 .2
азота и аргона (Фд>10 см » Тдх =500°С). При этом разрушаются центры кристаллизации сформированного нитрида кремния, а ионно-синтезированные слои 813М4 сохраняются в аморфном состоянии. По крайне мере, до температуры отжига 1100*С не происходит связанного с кристаллизацией растрескивания слоев и ухудшения их изолирующих свойств.
4. Отсутствие заметных изменений свойств ионно-синтезированного слоя нитрида кремния при последовательном облучении встречными по отношению к пучку ионов азота ионами неона или кремния, в отличие от ионов аргона, позволяет утверждать, что предполагавшийся ранее вклад в эффект дальнодействия скачкообразного изменения сетки дислокаций, формирующейся в области торможения ионов аргона, не является существенным.
5. Модификация изолирующих и структурных свойств ионно-синтезированного слоя нитрида кремния происходит при последующем, встречном по отношению к
имплантации азота, облучении ионами аргона в узком интервале доз (8-10) 1016см* 2
6. Основной вклад в стимулирование реакции взаимодействия азота с кремнием оказывают акустические импульсы от взрыва блистеров аргона. Этому
9
способствует аморфно-кристаллическое состояние поверхности кремния, облученной ионами аргона.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. Обнаружена корреляция между структурными, оптическими, электрофизическими и ЭПР свойствами ионно-синтезированных слоев нитрида кремния от температуры отжига (Т^). Показано, что при ТагА<70(ГС взаимодействие азота с кремнием происходит через образование парамагнитных достехиометрических комплексов, компенсирующих проводимость. Свыше Т^^^ОО'С эти комплексы достраиваются до стехиометрических, избыточный кремний выделяется во вторую фазу, начинается кристаллизация нитрида кремния, что приводит к растрескиванию слоев и росту их проводимости через дополнительные каналы протекания тока.
2. Показано, что если внедрение аргона в пластину кремния, предварительно облученную с обратной стороны ионами азота, производить с дозой ФАг>1017см2 и температурой Таг=500’С, то происходит стимулирование взаимодействия азота и кремния. При этом разрушаются центры кристаллизации сформированного нитрида кремния. Ионно-синтезированные слои сохраняются в аморфном состоянии. По крайне мере, до температуры отжига 1100°С не происходит связанного с кристаллизацией растрескивания слоев и ухудшения их изолирующих свойств.
3. Установлено, что изменение свойств азотированного слоя при облучении обратной стороны пластины кремния ионами Аг происходит в узком интервале доз Аг+ (8-10) 10,6см2.
4. Показано, что предполагавшийся ранее вклад в эффект дальнодействия скачкообразной эволюции сетки дислокаций, формирующейся в кремнии под слоем торможения ионов аргона, не является существенным. Это подтверждается тем, что последовательное облучение встречными по отношению к пучку ионов азота ионами неона или кремния, в отличие от ионов аргона, не приводит к заметным изменениям свойств азотированного слоя кремния.
5. Установлено, что далыюдействующее влияние облучения Аг+ на азотированный слой кремния происходит под воздействием акустических импульсов, возникающих в результате взрыва блистеров аргона.
10
Практическая значимость
1. Показана возможность получения устойчивых до 1100°С ионно-синтезированных слоев нитрида кремния с помощью радиационно-стимулированного формирования нитрида кремния в кремнии при последовательном облучении встречными пучками ионов азота и аргона.
* 2. Предложенный метод с применением эффекта дальнодействия позволяет
продвинуться в решении проблемы кристаллизации и растрескивания нитридных слоев при высокотемпературной обработке и в его использовании для создания структур "кремний на изоляторе".
3. При ионном облучении твёрдых тел в условиях, когда образуются блистеры (достаточно большие дозы облучения, ионы элементов со слабыми химическими связями с атомами мишени), следует учитывать влияние такого воздействия на формирования других фаз в полупроводниках и металлах. Предпосылкой к этому является высокая прозрачность твердых тел к распространению гинерзвуковых акустических волн.
£
Личный вклад автора
Основные эксперименты были спланированы автором совместно с
и
В.В.Карзановым и научным руководителем. Самостоятельно выполнялись: подготовка образцов, исследование просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), измерение вольтамперных (ВАХ) и емкостных характеристик, эллинсометрия, а также анализ результатов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-ти конференциях и семинарах: У-УН Всероссийских семинарах "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 11-13 октября 2000 г., 15-17 октября 2002 г. и 26-29 октября I 2004 г.), "XIX Научных чтениях имени академика Н.В.Белова", (Нижний
Новгород, 14-15 декабря 2000 г.), Пятой и шестой сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 24-28 апреля 2000 г., 22-27 апреля 2001 г.), Второй Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 4-8 декабря 2000г.), IV Всероссийской научной конференции студентов - радиофизиков (С.-