Введение к работе
Актуальность темы
Ионная имплантация в настоящее время является основнш технологическим приемом легирования полупроводников. Этому методу присущи высокая, в том числе и изотопная, чистота процесса, воспроизводимость по глубине и уровню легирования. Ионная имплантация позволяет создавать тонкие легированные слои с резким распределением примеси.
В процессе ионного внедрения в монокристаллах возникает большое количество радиационных дефектов. Они воздействуют на механические, химические, электрофизические, оптические свойства ионно-имплантированных слоев полупроводников. Оптимальный выбор технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем не возможен без знания природы вводимых дёфектбв, механизмов их накопления и отжига. Накопление и отжиг дефектов - не тривиальное изменение их концентраций с дозой облучения либо с температурой и временем термообработки. Это и взаимодействие дефектов с их перестройкой или аннигиляцией, участие примесей в этих процессах непосредственно как химических элементов и, с другой стороны, через определяемые ими зарядовые состояьия дефектов. Это важные проблемы физики твердого тела. Изучение радиационных воздействий на полупроводники привнесло в физику твердого тела принципиально новые представления, например, об атермической миграции атомов в кристалле при температурах, близких к О К, стимулировало разработку механизмов.квантовой подбарьерной диффузии и др.
- 3 -'
Многообразие радиационных дефектов и зависимость эффективности их введения от ряда определяющих факторов ( тип иона, плотность тока ионов, температура процесса, исходное совершенство материала и др.) затрудняют теоретическое описание процессов взаимодействия иона с веществом и формирования примерно-дефектной структуры в кристалле и требуют целенаправленных экспериментов.
Важными являются исследования воздействия радиационных дефектов на электрическую активацию и диффузию внедренной примеси. Несмотря на многочисленные исследования до сих пор нет ййрнчательной ясности в механизмах диффузии фосфора в кремнии. Общепринятая двухпоточная (по вакансиям и междоузлиям) модель диффузии работает только при низких концентрациях при обычной термодиффуэии. При высоких поверхностных концентрациях фосфора, а также d ионно-имплантированных слоях наблюдаемые аномалии не находят полного понимания. Помимо двухпоточной диффузии предлагаются механизмы парной диффузии в виде комплексов фосфора с вакансией, либо в виде комплексов примеси с междо-узельным атомом кремния. Однозначного выбора между этими механизмами не сделано. Однако очевидно, что как в случае высоко концентрационной термодиффузии, так и в случае диффузии имплантированного фосфора за наблюдаемые аномалии ответственны избыточные точечные дефекты.
Цель работы
Целью данной работы являлось исследование воздействия радиационных дефектов на диффузию фосфора в имплантированном
кремнии при ламповом и терыоотжиге в печи.
Для достижения поставленной цели концентрации радиационных дефектов в исследуемых структурах кремния, имплантированного фосфорои, варьировались путем предварительного их частичного отжига, а также путем дополнительного облучения ионами кремния. Прежде, чем исследовать воздействие дефектов на диффузию, были предварительно изучены закономерности накопления радиационных дефектов в слоях кремния, имплантированного фосфором, а также при их дополнительном облучении ионами кремния.
Научная новизна
Научная новизна полученных результатов состоит в следующей: Установлено, что в кремнии при имплантации ионов фосфора имеет место более интенсивное введение и накопление радиационных дефектов, чем в кремнии, имплантируемом близкими по массе ионами кремния. Из анализа результатов следует, что наблюдаемое явление не может быть связано только с образованием комплексов радиационных дефектов с фосфором; оно объясняется различиями в эффективности аннигиляционных процессов.
Установлено, что аномальная диффузия фосфора в имплантированном кремнии обусловлена диффузией комплекса, содержащего атои фосфора и междоузельный атом кремния.
Объяснено наблвдаемое постоянство коэффициента диффузии имплантированного фосфора в кремнии в широком интервале температур близостьо энергий активации диффузии и отжига комп-
лексов,ответственных за аномальную диффузию.
Установлено, что при термообработке часть имплантированного фосфора захватывается на избыточные вакансии, что определяет смещение максимума распределения примеси к поверхности.
" Практическая значимость
Результаты исследования радиационного дефектообразования в кремнии, имплантированном ионами фосфора, и воздействия радиационных дефектов на диффузию фосфора могут быть использованы для совершенствования технологии ионного легирования кремния.
Исследования выполнялись в рамках госбюджетной НИР кафедры физики полупроводников Белгосуниверситета "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и оптоэлектроникия, гос. регистрации OI9I008I739.
Апробация работы
Основные результаты докладывались на Всесоюзной конференции "Взаимодействие заряаешшх частиц с твердым телом", Москва, МГУ, 1992 г., а также на научных семинарах кафедры физики полупроводников Белгосуниверситета.
Положения, выносимые на защиту
- установленное более эффективное введение и накопление радиационных дефектов в кремнии, имплантированном ионами фос-форв-оо сравнению с кремнием,'имплантированным ионами Si ,
что обусловлено различиями в эффективности аннигиляционных процессов;
экспериментальное подтверждение, что аномальная диффузия фосфора обусловлена его диффузией в комплексе с мевдоузель-ным атомом кремния;
установленные закономерности формирования диффузионных профилей имплантированного фосфора, заключающиеся в захвате части примеси на избыточные вакансии, что приводит к сдвигу распределения примеси к поверхности и в ускоренной диффузии другой части примеси в виде комплекса с ыеадоузельным дефектом.
Структура и объем работы
