Введение к работе
В последние годы постоянно расширяется диапазон областей применения метода ионной имплантации (ИИ) в технологическом цикле изготовления полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных микросхем (ИМС). Особенно заметны успехи применения ИИ при создании ПП и ИМС СВЧ и оптического диапазонов, в том числе и на основе полупроводниковых соединений AraBv. Эффективность использования ИИ определяется рядом существенных преимуществ перед традиционными технологическими приемами, в частности, возможностью введения в полупроводниковую подложку практически любого иона; возможностью создания в полупроводниковой структуре не только примесных центров, обладающих донорными или акцепторными свойствами, но и глубоких рекомби-национных центров; широким диапазоном концентраций легирующей примеси; высокой точностью соблюдения заданных размеров активных областей; точностью контроля концентрации вводимой примеси; хорошей воспроизводимостью распределения ионов по глубине.
Несмотря на очевидные преимущества метода ИИ и его достаточно широкое применение в полупроводниковой микро- и оптоэлектронике, все еще остаются открытыми вопросы, связанные с описанием профиля распределения внедренных ионов до и после формирующего термического отжига (ТО), с изменением размеров активных областей, в частности, глубины залегания перехода, с ролью остаточных радиационных дефектов (РД) и рядом других проблем.
Актуальность темы. В настоящее время при проектировании и создании новых ПП и ИМС используются предварительное моделирование физических явлений, происходящих на всех основных стадиях технологического процесса изготовления активной структуры, и разработка
физико-математических моделей, для прогнозирования параметров и характеристик будущих приборов.
Начальная стадия такого комплексного моделирования обычно связана с изучением механизмов взаимодействия высокоэнергетических ионов с полупроводниковой мишенью. Анализ множества работ, посвященных вопросам взаимодействия ионов с атомами полупроводникового материала показал, что в настоящее время не существует универсальной модели, учитывающей весь комплекс явлений, происходящих при внедрении высокоэнергетических ионов, и, следовательно, адекватно описывающей распределение ионов в твердом теле. Задача еще более усложняется при использовании в качестве мишени многоэлементной полупроводниковой структуры. Другим важным объектом для моделирования является процесс перераспределения внедренных ионов при проведении термического активирующего отжига ионноимплантированных слоев. К сожалению, многообразные явления, происходящие на стадии термического отжига, обычно сводят к элементарным процессам диффузии. Однако в большинстве случаев на перераспределение внедренных ионов оказывают влияние целый ряд причин, таких как наличие на поверхности полупроводника защитной диэлектрической пленки, генерация и перестройка радиационных дефектов в полупроводнике в результате ионной имплантации и отжига, наличие дрейфовых потоков ионов в индуцированных облучением полях, перераспределение примесных атомов между узлами и междоузлиями кристаллической решетки с участием РД. Остающиеся в активных областях приборов после ионной имплантации и термического отжига РД могут оказывать влияние на параметры полупроводникового материала и характеристики ГШ и ИМС. Поэтому целесообразно с помощью более простых способов физического моделирования предсказать возможные механизмы формирования сложных дефектных
Проведенный анализ указывает на актуальность разработки эбобщенных физико-математических моделей, адекватно описывающих <ак распределение внедренных ионов до и после термического отжига, гак и параметры и характеристики полупроводниковых материалов, ПП и ИМС, с учетом влияния сложных комплексов дефектов, включающих остаточные РД.
Цель диссертационной работы - разработать физико-латематическую модель процесса торможения высокоэнергетических ио-юв в сложной кристаллической мишени полупроводниковых соединений \[UBV; описать явления, происходящие в этих соединениях на стадии активирующего отжига и разработать физико-математическую модель для засчета профиля распределения внедренных ионов после термического зтжига; путем облучения высокоэнергетическими электронами смодели-эовать формирование сложных комплексов РД, аналогичных комплексам, юзникающим при ионной имплантации и последующем отжиге, для прогнозирования изменения параметров полупроводниковых материалов и сарактсристик ПП и ИМС.
Для достижения поставленных целей в работе сформулированы :ледующие задачи: разработать физико-математическую модель и пакет прикладных про-рамм для построения профиля распределения внедренных ионов (раз-іичной массы и энергии) в бинарной кристаллической мишени (полупро-юдниковые соединения GaP, GaAs, GaAsi_xPx, InP). Оценить достовер-гость предложенной модели и рассчитанных на ЭВМ профилей распреде-іения ионов путем сравнения их с известными экспериментальными даними.
на основе изучения механизмов перемещения ионов в процессе термического отжига разработать физико-математическую модель и пакет прикладных программ, описывающих кинетику активации внедренных ионов в полупроводниковой мишени. Оценить достоверность предложенной модели с использованием экспериментальных результатов;
изучить влияние РД, введенных высокоэнергетическими электронами (6 МэВ) в исходные полупроводниковые соединения AmBv, на параметры и характеристики ГШ на этих материалах. Установить схожесть и различие между комплексами дефектов, индуцированных электронным облучением и ионной имплантацией;
методом релаксационной спектроскопии (РСГУ) установить закономерности образования радиационных центров (РЦ) в барьерных структурах на полупроводниковых соединениях AmBv при электронном облучении, определить основные параметры РЦ: энергию ионизации, концентрацию, эффективное сечение захвата электронов, скорость введения. Систематизировать полученные данные и сравнить их с данными по РЦ, наблюдаемыми в ионноимплантированных структурах после термического отжига.
Работа проводилась в лабораториях кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС в соответствии с координационными планами НИР РАН, ВУЗов и электронной промышленности по проблемам «Радиационная физика и радиационная технология полупроводников» и «Физика ионной имплантации».
Новизна и научная ценность. Разработана новая физико-математическая модель, основанная на анализе механизмов взаимодействия высокоэнергетических ионов с атомами мишени, описывающая процесс торможения ионов в двухэлементной кристаллической мишени, представляющей собой полупроводниковое соединение AIUBV. На основе
7 этой модели разработан пакет прикладных программ для расчета пробегов различных ионов в бинарных полупроводниковых мишенях.
Разработаны модель и пакет прикладных программ для расчета перераспределения внедренных ионов при отжиге имплантированных слоев, в которой впервые учтен целый ряд физических явлений, имеющих место в реальной ситуации при наличии на поверхности полупроводникового материала защитной диэлектрической пленки: диффузию внедренной примеси через границу раздела полупроводник - диэлектрик, диффузию примеси в самой диэлектрической пленке, диффузию примеси в полупроводниковом материале с участием первичных радиационных дефектов (вакансий и межузельных атомов), перенос атомов примеси за счет индуцированного поля.
Показано, что при облучении быстрыми электронами барьеров Шоттки (БШ) на основе полупроводниковых соединениях An,Bv характеристики и параметры БШ определяются концентрацией и скоростью введения РЦ. Получены аналитические выражения для скорости введения РЦ и скорости удаления носителей заряда в полупроводниковых соединениях GaP, GaAs, GaAsj.xPx, а также для скорости увеличения концентрации носителей заряда в InP.
Установлено, что во всех выбранных исследуемых полупроводниковых соединениях (GaP, GaAs, GaAsi.xPx, InP) большинство наблюдаемых РЦ имеют близкие электрофизические параметры. Показана также идентичность по своему составу РЦ, введенных ионной имплантацией и электронным облучением.
Практическая ценность работы. Использование результатов расчета по предложенным физико-математическим моделям при создании приборных структур позволяет оптимизировать режимы операций им-
8 плантации и последующего отжига, включая выбор необходимых ионов, их энергии, интегрального потока, температуры и времени отжига.
Полученные и систематизированные данные по изучению влияния облучения на параметры полупроводниковых структур могут быть использованы при оценке влияния радиации на приборы и микросхемы, разработанные на основе полупроводниковых соединений АШВУ, и для оптимизации режимов радиациошю-технологических процессов.
На защиту выносятся:
Комплексная модель и пакет прикладных программ, разработанные на основе анализа механизмов взаимодействия высокоэнергетических ионов с атомами мишени, описывающие процесс торможения ионов в бинарных кристаллических мишенях, представляющих собой полупроводниковые соединения AniBv.
Модель и пакет прикладных программ для расчета перераспределения внедренных ионов при отжиге имплантированных слоев, учитывающих целый ряд физических явлений: диффузию внедренной примеси через границу раздела полупроводпик - диэлектрик, диффузию примеси в самой диэлектрической пленке, диффузию примеси в полупроводниковом материале с участием радиационных дефектов (вакансий, межузельных атомов), перенос атомов примеси за счет индуцированного поля атомов.
Результаты изучения влияния РЦ на характеристики потенциальных барьеров, созданных в полупроводниковых соединениях AWBV. Сравнительный анализ РЦ, созданных ионной имплантацией и электронным облучением.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на ХП международной конференции по ионной имплантации (Киото, Япония, 1998). По результатам работы подготовлено и опубликовано 5 статей.
9 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 145 страниц, содержит 84 рисунка и 14 таблиц. Список литературы - 78 наименований.
Похожие диссертации на Моделирование физических явлений в инноимплантированных приборных структурах на основе соединений A III B U
