2
Содержание
В »едение.............................................................5
Глава 1, Проблемы синтеза диэлектрических слоев и эффект дальнодействия
при ионной имплантации (литературный обзор)......................13
1.1. Введение.........................................................13
1 2 11ерспсктивы применения в микроэлектронике скрытых
диэлектрических слоев. КНИ - структуры на основе нитрида кре.мння...........................................................14
1.2.1. Способы получения скрытых слоев Методы получения 8ЬМ.1 15
1.2.2. Особенности ионно-лучевого синтеза слоев ЗЮг и ЗцЫ.! 16
1.2.3. Некоторые разновидности ионного синтеза диэлектрических слоев с применением нонной имплантации ...........25
1.2.4. ИК-спектроскопия нитрида кремния............................28
1.2.5. Электрофизические свойства КНИ-структур и слоев ............37
1.3. ')ффект дальнодействия при ионной имплантации....................43
1.3.1. Закономерности проявления эффекта дальнодействия............43
1.3.1.1. Основные экспериментальные данные
по эффекту дальнодействия.....................................44
1.3.1.2. Влияние параметров имплантации на
проявления эффекта дальнодействия.............................44
1.3.2. Модели эффекта дальнодействия...............................49
1.4. Постановка задачи.............................................52
Глава 2 Двойное ионное облучение кремния Оптические,
металлографические и электронно микроскопические наблюдения ионно-синтезированных слоев .......................................54
2.1. Введение.........................................................51
2 2. Приготовление структу р с диэлектрическими слоями нитрида кремния двойным последовательным ионным облучением................54
з
2.3. Обеспечение необходимого температурного режима при ионной
2.4 Исследование ИК-спектров синтезированных диэлектрических слоев
и влияние на них облучения аргоном противоположной стороны пластины кремния.................................................60
2.5. Металлографическое и электронно-микроскопическое наблюдение синтезируемых слоев $і.иЧ*............................... 75
2.6. Заключение.......................................................81
Глава 3. Электрические свойст ва ионно-синтезируемых
в монокристаллическом кремнии слоев .............................82
3.1. Введение.........................................................82
3 2 Вольтампсрныс характеристики структур 8|хЫу-8| и влияние
на них имплантации аргона в тыльную строну пластин...............82
3.2.1 Режимы облучения и методика измерения вольтамперных
характеристик слоев ЗиМ*.....................................82
3.2.2. Результаты и обсуждение исследований вольтамперных
характеристик структур 8іхПу-5і..............................83
3.3. Влияние имплантации аргона в нерабочую сторону пластин на диэлектрическую проницаемость слоев нитрида кремния..................89
3.3.1. Методика импульсных измерений диэлектрической проницаемости изолирующих слоев..................................89
3.3.2. Результаты импульсных измерений диэлектрической проницаемости структур 8іхЬ\-5і..................................91
3.4. Заключение.......................................................93
Глава 4. Процессы блистеринга при имплантации аргона в кремний
Физическая модель дальнодействующего влияния ионного облучения аргоном на синтез нитрида кремния......................94
4.1. Введение.........................................................94
4
4.2. Изменение топофафии поверхности кремния при облучении
ионами аргона с различными дозами................................95
4.3. Снонтанно-акустическая модель дальнодействующего стимулирования синтеза диэлектрических фаз в кремнии при имплантации аргона............................................115
4.4. Моделирование распространения волны давления по глубине кристалла.....................................................124
4.5. Заключение.......................................................132
Общее заключение и выводы................................................133
Литература...............................................................137
Приложение 1.............................................................151
Приложение 2.............................................................152
5
Введение
К приоритетным задачам современной микроэлектроники относятся исследования, связанные с повышением быстродействия и надежности приборов. В связи с этим уделяется большое внимание разработкам технологий "кремний на изоляторе" (КНИ). Это вызвано высокой радиационной стойкостью интегральных схем на КНИ-основе, повышением быстродействия за счет снижения паразитных емкостей, а также перспективой трехмерной интеграции [1]. Одним из способов создания современных КНИ-структур является метод ионного синтеза, при котором в кремниевую подложку имплантируются ионы азота или кислорода е энергией порядка 100-200 кэВ при повышенной температуре 400-600°С и
I о ч
дозами -10 см'*, после чего структуры отжигаются при температурах 1100-1200ЧГ в течение нескольких часов. Основные усилия направлены на совершенствование качества синтезируемых скрытых диэлектрических слоев Я|зЫ.| или $102, а также отсеченного приповерхностного слоя кремния Для этого варьируются режимы имплантации, используется прерывистый цикл "имплантация-отжиг" [2]. применяется совместная имплантация ионов азота и кислорода |3] и т.д. Например, в (4] проводилось дополнительное облучение структур КНИ на 8цН| ионами фтора, в результате чего авторы наблюдали увеличение напряжения пробоя и упорядочение профиля концентрации азота в нитридном слое. Изменения в синтезируемом слое могут происходить и при дополнительном облучении структур с обратной стороны. Так, в работе [5], было обнаружено, что после дополнительного облучения образцов с внедренным азотом ионами аргона с противоположной стороны, произошло перераспределение профиля концентрации азота. Авторы работы [6] обнаружили уменьшение плотности ловушек на границе
6
кремний-приноверхностный оксид кремния при облучении обратной стороны подложки аргоном. Данный эффект изменения свойств материалов при ионной бомбардировке на расстояниях, во много раз превышающих пробег ионов, получил название эффекта дальнодействия (ЭД) при ионной имплантации и изучается уже около 30 лет. К настоящему времени собрано большое количество экспериментальных данных но этому эффекту; проводятся теоретические моделирования. Но. несмотря на это, единой теории, которая согласовывалась бы со всеми экспериментальными данными, до сих пор пока не создано. Некоторые работы показывают, что ЭД может использоваться для модификации эксплуатационных свойств материалов, применяющихся сейчас в микроэлектронике. Кроме того, облучение ионами инертных (азов может влиять и на состояние химически активных примесей В работе [7] было обнаружено, что при облучении образцов кремния, выращенных по Чохральскому, ионами аргона с дозами, превышающими 10'1 см усиливается поглощение ИК-излучения в области около 1150 см'1. Эго означает, что увеличилось количество оптически активного кислорода, т е возросло количество связей 8|-0. Таким образом, было показано, что ионное облучение может стимулировать процессы образования химических связей.
Целью данной работы является исследование дальнодействующего влияния ионно-лучевой обработки на синтез диэлектрических слоев нитрида кремния в предварительно обогащенных азотом также ионно-лучевым методом кристаллов кремния.
Выбор нитрида кремния в таких экспериментах с двойным облучением обусловлен его хорошими диэлектрическими свойствами, близостью к кремнию по термическому расширению и тем, что экспериментальное определение его свойств не вызывает больших сложностей В литературе подробно описаны способы ионно-лучевого синтеза 81зКз и сформулированы трудности его получения - проблема кристаллизации при посгимилантационном отжиге, образование пузырьков азота в слое.
7
проявление азотом донорных свойств. При успешном развитии исследований огкрывается перспектива практического использования результатов в технологии получения КНИ-структур. Исследования с применением оптической спектроскопии, электрофизических методов, сканирующей зондовой микроскопии были также направлены на дальнейшее прояснение природы ЭД и возможности его применения для управляемого влияния на твердотельные реакции взаимодействия азота с кремнием
Актуалыюсгь работы.
Задача получения высококачеа венных приповерхностных или "захороненных" в кристалле полупроводника изолирующих диэлектрических слоев является одной из насущных в микроэлектронике. В частности, поиск новых способов формирования гетероструктур "кремний на изоляторе" (КНИ-структур), в том числе с применением ионной имплантации, активно ведется во всем мире. Вместе с тем, при ионном облучении возможны существенные изменения в дефектной системе кристалла далеко за зонной торможения имплантируемых ионов. Природа этого эффекта дальнодейспшя (ЭД) еще далеко не выяснена Актуальность данной работы определяется тем, что в ней впервые демонстрируется возможность использования ЭД для улучшения диэлектрических характеристик встроенных в кристалл кремния слоев ЭЮг без длительного высокотемпературного отжига и
предлагается новая физическая модель ЭД.
В качестве используемых методов исследования получаемых структур в работе применялись ПК- спектроскопия, сканирующая зондовая микроскопия (атомно-силовая микроскопия), измерения шарового шлифа, измерения вольтамперных характеристик, емкостные измерения диэлектрической проницаемости.
В результате выполнения работы установлено, что дополнительное облучение тыльной стороны пластины кремния с внедренным ионной имплантацией азотом усиливает ИК-поглощение в области V 850-860 см'1.
H
т е. в образцах растет количество стехиометрической аморфной фазы SijN*. Кроме того, показано, что улучшаются диэлектрические свойства синтезируемых слоев - растет удельное сопротивление, а диэлектрическая проницаемость приближается к значениям, характерным для стехиометрического нитрида кремния. Исследование морфологии поверхности кремния, облученной ионами Ат’, выявляет процессы блистерования С процессами эволюции блистеров связывается возникновение в облучаемом кристалле упругой волны давления, способной стимулировать образование связей Si-N и, как следствие, улучшать диэлектрические свойства слоев SijN.) на расстояниях, значительно превосходящих область торможения ионов.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые
1. Обнаружено далыюдействующее стимулирование ионным облучением реакции синтеза скрытых и приповерхностных слоев аморфной фазы нитрида кремния в кремнии.
2. Получены лозовые зависимости оптического поглощения в ИК-области и удельного сопротивления синтезируемых слоев, связанные с формированием фазы SuRi.
3. Исследована дозовая зависимость процессов зарождения, роста, коалесценции и микровзрывов блистеров аргона с образованием кратеров диаметром порядка 0,5 мкм.
4. Предложена оригинальная физическая модель спонтанного, или самосогласованного формирования гиперзвуковых акустических импульсов давления, вызывающих наблюдаемые изменения в синтезируемых изолирующих слоях на большом расстоянии от зоны торможения ионов аргона.
Практическая значимость работы
1. Показана перспектива предлагаемого альтернативного метода получения и улучшения свойств ионно-синтезированных диэлектрических слоев
9
8й1Ч| и ЯЮ; в кремнии с применением дополнительного ионного облучения аргоном противоположной стороны пластины кремния. Появляется возможность избежать длительного высокотемпературного постимплантационного отжига, который приводит к крупнозернистой кристаллизации и растрескиванию диэлектрика и не всегда совместим с технологией м и кроэл сктрони к и.
2. Метод с последовательной двойной имплантацией встречными пучками ионов может использоваться для создания актуальных для микроэлектроники К!Ш-структур.
3. Имеются предпосылки для распространения метода двойной имплантации для стимулирования формирования других фаз в полупроводниковых кристаллах ионным облучением.
Степень участия автора в проведенных исследованиях Все основные результаты получены автором. ИК-измсрсния на спектрометре Вгикег 11*8113 V выполнялись в сотрудничестве с аспирантом ИХВВ РАН Курицыным Д.И., исследования с помощью атомно-силовой микроскопии - при участии доцента кафедры ФПО ИНГУ Филатова Д О. и аспирантов физического факультета ИНГУ Лобанова Д.А. и Круглова А.С., исследования с помощью электронной микроскопии - при участии аспиранта физического факультета ННГУ Сдобнякова В В. Методика экспериментов и полученные результаты обсуждались с чл.-корр РАН, директором ИХВВ Чурбановым М.Ф, проф. Тетельбаумом Д.П., проф. Титовым А.И. Физическая модель ЭД разработана совместно с проф Демидовым Е.С. и дон Карзановым В В
По материалам диссертации опубликовано в журналах РАН и научных сборниках 6 статей, в материалах конференции 19 работ.
10
Основные результаты апробировались на конференции "ВНКСФ-3" (Екатеринбург, 31 марта - 5 апреля 1995 г.), "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" (Нижний Новгород, 12-14 марта 1996 г.), конференции E-MRS, 1996 Spring meeting, (Страсбург, 4-7 июня. 1996), конференции "XVI Научные чтения имени академика Н.В Белова", (Нижний Новгород, 15-16 декабря 1997 г.), 2,3,4,5 Всероссийских семинарах "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, сентябрь 1994 г., сентябрь 1996 г., июнь 1998 г., октябрь 2000 г.), VIII Межнациональном совещание ‘ Радиационная физика твердого тела” (Украина, Севастополь, 29 июня - 4 июля 1998 г.), международной конференции "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 1998г.), 11th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (1BMM98), (Amsterdam, 1998, August3l-Septcinbcr4), конференции "Структура и свойства твердых тел" (Нижний Новгород, 27-28 сентября 1999 г.), Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" ВИП-14, (Звенигород, 30 августа-3 сентября 1999 г.), Всероссийских совещаниях "Зондовая микроскопия 99" и "Зондовая микроскопия - 2000", (Нижний Новгород, 10-13 марта 1999 г., 28 февраля - 2 марта 2000 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния ("Кремнии-2000"), 7 Russian-Japancsc International Symposium on Interaction of fast charged particles with solids (Нижний Новгород, 9 16 октября 2000 г.). а также на ежегодных сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 1996-1999 гг.).
Диссертационная работа выполнялась при поддержке следующих грантов и целевых программ:
Грант Минобразования РФ Конкурсного центра по фундаментальному естествознанию, тема НГ-109 по НИЧ ННГУ, 1995-1996 гг.;
II
Федеральная целевая программа "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.", Учебно-научный центр "Физика и химия твердого тела" (проект № 0541), тема НИЧ ННГУ Н-231;
Грант Минобразования РФ Конкурсного центра по исследованиям в области ядерной физики и физики пучков ионизирующих излучений, тема НИЧ НИГУ 11Г-172. 1998-2000 гг. (грант №97-12 9.2 -4).
Программа Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологии", раздел "Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении", тема НИЧ ННГУ 11-223, 2000 г. (проект №01.12.01.15).
Основные положении, выносимые на защиту
1. Дальнодействуюшее ионное облучение аргоном Аг* с энергией Е—10 кэВ, дозой Ф>1017 см'2, температурой имплантации Т-о()0'’С монокристаллов кремния, предварительно обогащенных азотом, стимулирует синтез диэлектрических фаз в кремнии. При этом улучшаются изолирующие свойства синтезируемых диэлектрических слоев.
2. Процесс синтеза диэлектрических слоев нелинейно зависит от дозы облучения аргоном Заметные изменения оптических и электрических СВОЙСТВ синтезируемых слоев проявляются при дозах Фл/ свыше 10' см \ а при Флг'-Ю1 см " достигают максимума и выходят на насыщение.
3. Облучение аргоном поверхности кремния с различными лозами приводит к зарождению и росту блистеров, начиная с Фд/ -101' см\ их
последующей коалесценции и микровзрывам с образованием кратеров диаметром около 0,5 мкм при Фл,+~1017 см'2.
Эффект дальнодействия при облучении кремния ионами аргона описывается в рамках предлагаемой спонтанно-акустической модели Согласно модели в облучаемом кристалле возникают гиперзвуковые акустические импульсы давления, стимулирующие синтез 81зК: в азотированном слое кремния. Появление таких импульсов связывается с возникновением и эволюцией сетки дислокаций под облученным аргоном слоем и аргоновых блистеров, а также с последующим взрывом блистеров с ростом дозы ионов аргона.
I?
Глава 1. Проблемы синтеза диэлектрических слоев и эффект дальнодействия при ионной имплантации (литературный об юр)
1.1. Введение
Настоящая глава содержит обзор литературы, посвященной применению в микроэлектронике диэлектрических слоев нитрида и оксида кремния. Рассматриваются основные достоинства, определяющие перспективность применения этих слоев, а также методы их создания. Главное внимание уделяется синтезу аморфных слоев БцЬЬ и 510; с помощью ионной имплантации, сравниваются их условия получения и качество получаемых структур Приводятся некоторые разновидности синтеза изолирующих слоев с помощью ионной имплантации. Обобщаются основные достоинства и недостатки при использовании в качестве рабочих ионов азота и кислорода. Отмечается ряд преимуществ применения азотированных слоев над кислородсодержащими; сформулированы основные трудности получения качественных аморфных слоев 8цХ1, связанные в первую очередь с легкостью кристаллизации нитрида кремния при постимплантационном отжиге. Приводятся литературные данные по ИК-спектроскопии нитрида кремния, описываются полосы и пики поглощения этих слоев в зависимости от их фазового состояния и методов получения Обобщаются литературные данные об электрических характеристиках слоев БиМ-ь полученных традиционными способами. Поскольку в качестве одного из методов исследования использовалась регистрация вольтамперных характеристик и определение из них удельного сопротивления синтезируемых слоев, описывается литературная модель протекания токов инжекции, ограниченных объемным зарядом в диэлектриках.
Вторая часть первой главы посвящена эффекту дальнодействия при ионной имплантации. Приводятся основные экспериментальные
- Киев+380960830922