Введение к работе
Актуальность темы.
Ионная имплантация является в настоящее время основным методом создания легированных слоев полупроводников. Она обладает рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными термодиффузией и эпитаксией. Этот метод отличает высокая чистота процесса, в том числе и изотопная, воспроизводимость по концентрации введенной примеси и глубине ее залегания, возможность формирования тонких легированных слоев с резким распределением примеси по глубине. Помимо легирования, внедрение высокоэнергетичных ионов может использоваться для синтеза новых соединений. Экстремальные условия при этом — высокий уровень ионизации внедряемых атомов и атомов решетки, возникновение областей высоких давлений внутри кристалла, могут приводить к образованию неизвестных природе соединений. Примером может служить возникновение химических связей атомов благородных газов, имплантированных в решетку кремния и алмаза.
В процессе ионного внедрения в монокристаллах возникает большое количество радиационных нарушений, которые в значительной мере определяют механические, химические, электрофизические, оптические свойства имплантированных слоев. Без знания природы дефектов, механизмов их накопления, структурной перестройки, отжига, воздействия на электрическую активацию и диффузию внедренной примеси невозможен выбор оптимальных технологических режимов изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем методом ионного легирования.
Вместе с тем, ионное внедрение, помимо важного технологического применения, способствует дальнейшему пониманию природы радиационных нарушений в кристалле, поскольку оно позволяет сравнительно легко и контролируемо вводить большие концентрации дефектов вплоть до перехода материала из кристаллического в аморфное состояние и вводить при этом любые примеси в неограниченных концентрациях. Изучение радиационных воздействий на полупроводники привнесло в физику твердого тела новые представлешш, например, об атермической миграции атомов в кристалле при температурах, близких к О К, стимулировало разработку квантовой подбарьерной диффузии и др.
Состояние радиационной физики полупроводников находит отражение в постоянно публикуемых обзорах и монографиях. Но это
важное направление не исчерпало себя. Новые экспериментальные факты расширяют и углубляют наши знания физики дефектов в кристалле, однако они ставят порой под сомнение казалось бы устоявшиеся представления или заставляют посмотреть на них с другой стороны. Например, дивакансия - основной из вакансионных дефектов в облученном тяжелыми частицами кремнии. Она изучена наиболее глубоко, тем не менее, механизм ее образования требует обсуждения. Это первичный дефект, либр образуется путем объединения вакансий?
Необходимо установить роль и место собственных междоузельных дефектов в общем объеме радиационного дефектообразования. До постановки данной работы радиационная физика кремния переживала "вакансионный период".
Не ясными оставались многие вопросы кинетики накопления радиационных дефектов в кремнии. По сути дела не объясненным оставался установленный факт возможности накопления радиационных дефектов до аморфизации лишь только в случае образования областей скоплений дефектов. Накопление, а также отжиг дефектов - не тривиальное изменение их концентраций с дозой облучения либо с температурой и временем термообработки. Это и взаимодействия дефектов с их перестройкой или аннигиляцией, участие примесей в этих процессах непосредственно и через определяемые легированием зарядовые состояния дефектов. Последнее достаточно глубоко изучено в кремнии , облученном легкими частицами: электронами, у-квантами и не рассматривалось в кремнии, облученном ионами. В этой связи интересно установление возможной специфики дефектообразования в кремнии при внедрении элементов 111 и V групп . Уже в самом процессе имплантации при комнатной температуре доля примеси в узлах решетки может достигать 70%. Впрочем, вопрос локализации внедренной примеси требует своего решения. По данным разных авторов расположение примеси в узлах решетки колеблется от 20% до 70 %, а некоторые авторы говорят о практически 100% -ом залегании примеси в узлах. Установить физические причины подобного различия представляется важным. Моделирование процесса диффузии внедренной примеси требует знания ее исходной локализации.
. Интересным эффектом в радиационной физике кремния, как и германия, является эффект Воткинса. С открытием этого эффекта встал вопрос об атермической миграции атомов кремния в решетке кремния. Существующие модели этого эффекта не отвечали всем
экспериментальным фактам. Актуальность этого вопроса определяется не только интересом к физике данного явления, но и важностью в практике ионного легирования. Процесс замещения по Воткинсу проявляется в электрической активации внедренной примеси, а значит должен проявляться и в диффузии. Требует установления возможность наблюдения эффекта не только для элементов 111 группы, как наблюдал Боткине, но и для других примесей. Представлялось, что эти исследования помогут найти определяющий параметр, отвечающий за эффект Воткинса, а значит выявить внутреннюю суть эффекта, определить движущую силу миграции междоузельного атома в решетке при температуре 0,5 К.
Радиационные дефекты в кремнии существенно воздействуют на
диффузию внедренных примесей. Несмотря на многочисленные
исследования, не существует единого мнения относительно механизмов
диффузии имплантированных примесей. Установление механизмов
аномальной диффузии важно не только с познавательной точки зрения.
Задача ставится, познав природу ускоренной диффузии внедренных
примесей, разработать пути управления этим процессом. Этого требует
необходимость миниатюризации элементов интегральной
микроэлектроники. Важной задачей является разработка методов устранения упругих напряжений в структурах, причиной которых является сам процесс легирования, вне зависимости от способа создания легированных слоев, т.е. обычной термодиффузией, эпитаксией либо ионным внедрением.
Вопросы, интересные с научной точки зрения и важные с практической, определили цели и задачи исследований.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Исследования проводились автором с 1976 по 1999 г. в Белорусском государственном университете на кафедре физики полупроводников. Основные результаты вошли в отчеты по темам, выполнявшимся по постановлению ГКНТ СССР от 30.11.1985, N555, N гос.госрегистрации -01860022451, по темам, координируемым НАН Беларуси - программа N 4, "Кристалл", N 760035565, N 81018415, по Республиканской научно-технической программе 27.0 l.p (03.04), N 01890003037, по Республиканской целевой программе "Информатика", N 01910051739, по программе БГУ "Поверхность".
Цель работы
Разработка модели радиационного дефектообразоваиия в кремнии при ионной имплантации.описывающей основные закономерности кинетики накопления дефектов, их пространственного распределения и отжига, роль и место собственных междоузельных дефектов в общем объеме дефектообразоваиия, образование областей скоплений дефектов как условие накопления дефектов до аморфизации материала, участие примесей в радиационном дефектообразованиии, локализацию внедренной примеси.
Установление механизма атермической миграции атомов Si в кристалле кремния и вытеснения ими примесей замещения из узлов решетки.
Разработка моделей аномальной диффузии имплантированных
примесей бора и фосфора в кремнии и методов управления
коэффициентами их диффузии. , ,
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработь метод, позволяющий изучать процессы накопления радиационных дефектов до концентраций, соответствующих переходу материала в аморфное состояние,
разработать неразрушающий метод построения профилей нарушений в тонких имплантированных слоях,
разработать методику регистрации радиационных дефектов междоузельного типа и изучить их свойства в имплантированном кремнии,
изучить радиационное дефектообразование в кремнии при имплантации различных ионов 111, IV, V групп,
исследовать радиационное дефектообразование в сильно легированном кремнии п- и р-типа,
исследовать процессы вытеснения примесей замещения 111, IV, V групп из узлов решетки кремния междоузельными атомами Si и установить параметры, контролирующие этот процесс,
установить параметры процесса имплантации, определяющие локализацию внедренных примесей в кремнии,
изучить влияние радиационных дефектов и дополнительных примесей на диффузию элементов 111 и V групп в имплантированном кремнии.
Объект и предмет исследований
В качестве объекта исследований использовался
монокристаллический промышленный кремний п- и р-типа проводимости с различным исходным уровнем легирования. Исследовались процессы накопления, пространственного распределения и отжига радиационных дефектов в кремнии, имплантированном различными ионами: В, Li, С, N, Р, Si, As, Ge, Sb. Изучено воздействие радиационных дефектов на процессы электрической активации и диффузии имплантированных примесей для установления механизмов аномальной диффузии и разработки путей снижения коэффициентов диффузии.
Методология и методы проведенного исследования
Ионная иміглантация проводилась на промышленных ускорителях типа «Везувий» и на исследовательских ускорителях Dan Fizik. Радиационные дефекты в облученном кремнии исследовались рентгенодифракционным методом в режиме двухкристалыюго спектрометра, методом электронного парамагнитного резонанса. Электрофизические характеристики ионно-легированных слоев кремния исследовались методом эффекта Холла по методике Ван-дер-Пау. Этот метод позволял изучать процессы электрической активации и диффузии внедренных примесей. Для изучения пространственного распределения ионно-внедренных примесей использовался также метод SIMS, исследования выполнены на установке Сатеса-4.
Научная новизна и значимость полученных результатов
Впервые установлено, что в кремнии при ионном внедрении образуются два типа устойчивых междоузельных комплексов в концентрациях, сравнимых с концентрациями дивакансий.
Разработана модель радиационного дефектообразования, объясняющая накопление радиационных дефектов до аморфизации кремния при образовании областей скоплений дефектов, а также более высокие скорости введения и накопления радиационных дефектов в сильно легированном кремнии n-типа в сравнении с нелегированным как результат подавления аннигиляционных процессов вследствие возникновения зарядового барьера на областях скоплений дефектов,
препятствующего проникновению в них одноименно заряженных вакансий и междоузельных атомов.
Установлено образование в имплантированном кремнии многовакансионных комплексов, содержащих Sb, As или Р, температура отжига которых на 100С превышает температуру отжига собственных многовакансионных комплексов; многовакансионные комплексы с бором отжигаются в температурном интервале 700-900С.
Установлено, что примеси замещения вытесняются из узлов решетки кремния междоузельными атомами Si с эффективностью, определяемой величиной несоответствия ковалентных радиусов атомов примеси и решетки. Предложен механизм атермической миграции междоузельного атома Si в решетке кремния, заключающийся в его движении в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения. В процессе имплантации или отжига облученных образцов эффект Воткинса подавляется экранированием неравновесными носителями заряда электрических диполей упруго деформированной сферы кристалла, взаимодействие с которыми определяет атермическую миграцию атомов кремния.
Предложены модели диффузии имплантированных примесей бора и фосфора в кремнии. Ускоренная диффузия фосфора протекает по паре из междоузельных атомов Si и Р в одном междоузлии, не связанных между собой ковалентной связью. Связь обусловлена потенциальным рельефом кристалла. Модель отвечает всем особенностям диффузии внедренного фосфора: аномально большой коэффициент диффузии, его независимость от температуры отжига, сдвиг максимума распределения примеси к поверхности при термообработке.
Наблюдаемые аномалии в диффузии имплантированного бора в кремнии определяются перераспределением его по междоузелыюму и вакансионному каналам диффузии в результате взаимодействия с избыточными точечными дефектами.
Разработаны методы снижения коэффициентов диффузии имплантированных примесей бора и фосфора путем дополнительного легирования слоев кремния элементами IV группы, являющимися ловушками для междоузельных атомов Si, отвечающих за ускоренную диффузию В и Р. Введение в слои кремния электрически нейтральных элементов IV группы позволяет компенсировать упругие напряжения несоответствия, возникающие за счет легирования примесями 111 или V группы.
Экспериментальные доказательства образования в кремнии, облученном тяжелыми частицами, двух типов собственных междоузельных комплексов в концентрациях, соизмеримых с концентрациями днвакансий, и установление механизма атермической миграции междоузельных атомов кремния в кремнии являются значимым вкладом в развитие радиационной физики кремния.
Разработка моделей аномальной диффузии бора и фосфора в имплантированном кремнии и способа управления их коэффициентами диффузии, установление структуры пары из атомов фосфора и кремния, ответственной за ускоренную диффузию имплантированного фосфора, являются важным вкладом в физику ионного легирования кремния.
Практическая и экономическая значимость полученных результатов определяется их использованием в технологии ионного легирования кремния. Разработанные рентгенодифракционные неразрушающие методы контроля степени совершенства кристалла с построением профилей нарушений позволяют осуществлять постадийный контроль ионно-имплантированных структур. Метод снижения коэффициентов диффузии имплантированных примесей бора и фосфора путем дополнительного легирования слоев кремния элементами IV группы использован в технологии СБИС как средство снижения размеров их элементов. Метод двойной имплантации позволяет также компенсировать упругие напряжения в структурах и тем самым предотвращать изгиб пластин кремния в результате легирования. Результаты переданы в НИКТП "Белмикросистемы", где использованы при разработке проекта "Исследовать и разработать технологические процессы быстрой термической обработки для формирования омических контактов, активации примеси, планаризации рельефа, силицидизации контактов для создания СБИС", выполняемого в рамках государственной научно-технической программы "Белэлектроника" (акт реализации прилагается).
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
-
Экспериментальные доказательства образования при ионном внедрении в кремнии двух типов устойчивых при комнатных температурах собственных междоузельных дефектов в концентрациях, сравнимых с концентрациями дивакансий.
-
Модель радиационного дефектообразования, учитывающая возникновение зарядового барьера на областях скоплений дефектов,
препятствующего проникновению в них одноименно заряженных вакансий и междоузельных атомов кремния. Модель объясняет накопление радиационных дефектов до аморфизации кремния при введении областей скоплений дефектов, а также более высокие скорости введения и накопления радиационных дефектов в сильно легированном кремнии п-типа в сравнении с нелегированным кремнием.
-
Модель атермической миграции атома Si в решетке кремния, заключающаяся в движении атома Si в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения.
-
Модели диффузии имплантированных примесей в кремнии, согласно которым:
модель диффузии имплантированного фосфора учитывает образование диффузионной пары из атомов Р и Si в одном междоузлии, не связанных между собой ковалентной связью. Модель описывает установленные особенности диффузии имплантированного фосфора: аномально большой коэффициент диффузии и его уменьшение с увеличением длительности отжига, независимость коэффициента диффузші от температуры процесса, сдвиг максимума распределения примеси к поверхности при термообработке;
модель диффузии имплантированного бора учитывает перераспределение бора по междоузельному и вакансионному каналам диффузии в результате взаимодействия с избыточными точечными дефектами и описывает ускорение диффузии при быстром термическом (ламповом) отжиге и замедление при термоотжиге в печи.
5. Метод снижения коэффициентов диффузии имплантированных
примесей бора и фосфора в кремнии, заключающийся в
дополнительном легировании слоев примесями IV группы,
являющимися ловушками для междоузельных атомов Si,
обеспечивающих ускоренную диффузию бора и фосфора.
Личный вклад соискателя. Диссертация является обобщением результатов НИР, выполненных лично автором или под его руководством. В совместных работах автору принадлежат: обоснование и постановка задач, непосредственное планирование и проведение экспериментов, обработка и интерпретация результатов, построение физических моделей и разработка рекомендаций. Соавторы осуществляли подготовку образцов, облучение, технологические операции, часть физических измерений,
участвовали в обсуждении результатов в рамках отдельных фрагментов НИР, а также их кандидатских работ.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на Всесоюзном симпозиуме "Радиационные дефекты в полупроводниках", Севастополь, 1976 ; Всесоюзной конференции "Радиационные эффекты в твердых телах", Ашхабад, 1977; V, VI, VII, VI11 Всесоюзных конференциях "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом", Минск, 1978, 1981, 1984, Москва 1987; 111 Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках", Новосибирск, 1978; Всесоюзном совещании по радиационной физике твердого тела, Звенигород, 1981; 7 Международной конференции "Ионная имплантация в полупроводниках и других материалах", Вильнюс, 1983; Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники", Минск, 1985; 2 Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводников, Кишинев, 1986; Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов, Черноголовка, 1987; Международной конференции по модификации материалов энергетическими импульсами и частицами, Дрезден, 1987; XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике, Тбилиси, 1987; Международной конференции по ионной имплантации в полупроводники и другие материалы, Люблин, 1988; Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования технологии полупроводниковых и диэлектрических материалов электронной техники", Одесса, 1988; 3 Международной конференции по модификации материалов электрическими импульсами и частицами, Дрезден, 1989; Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов", Каунас, 1989; Международной конференции по ионной имплантации и ионно-лучевому оборудованию, Болгария, 1990; VII Международной конференции по микроэлектронике, Минск, 1990; Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Киев, 1990; ХХ11 Совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1992; 8 Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов, Хейделберг, 1992; Совещании " MRS", Бостон, 1993; X Международной конференции по технологии ионной имплантации, Катанья-Италия, 1994; Конференции Германского физического общества, Регенсбург, 1996; Первой Всероссийской конференции "Кремний-96", Москва, 1996; Международном симпозиуме "Ионная имплантация в науке и технологии", Люблин, 1997; 2 Международной конференции
"Взаимодействие излучений с твердым телом", Минск, 1997; 2 Международном симпозиуме "Ионная имплантация и другие применения ионов и электронов", Дойлид, Польша, 1998; Европейском совещании "MRS", Страсбург, 1998.
Опубликованностъ. Основные результаты диссертации отражены в 48 статьях и 35 тезисах конференций. Общее количество страниц опубликованных материалов - 506 с.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы, содержащего 312 наименований. Работа изложена на 256 страницах, включая 95 рисунков и 8 таблиц.