Дефектообразование и рекристаллизация в пленках кремния на сапфире при ионном облучении

Шемухин, Андрей Александрович

Дефектообразование и рекристаллизация в пленках кремния на сапфире при ионном облучении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Шемухин, Андрей Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Дефектообразование и рекристаллизация в пленках кремния на сапфире при ионном облучении»

Автореферат диссертации на тему "Дефектообразование и рекристаллизация в пленках кремния на сапфире при ионном облучении"

005533236

На правах рукописи

Шемухин Андрей Александрович

Дефектообразование и рекристаллизация в пленках кремния на сапфире при ионном облучении

Специальность 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

? 9 СЕН т

МОСКВА 2013

005533236

Работа выполнена в отделе физики атомного ядра Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова» Научный руководитель: Черныш Владимир Савельевич

доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник кафедры физической электроники физического факультета МГУ

Официальные оппоненты: Лукичев Владимир Федорович

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, ФТИАН, зам. директора по научной работе, Москва Беграмбеков Леон Богданович доктор физико-математических наук, профессор, НИЯУ МИФИ, профессор кафедры физики плазмы, Москва Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «МАТИ» - Российский

государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского

Защита состоится «f't ....\(.Q. 2013 года в*^7 '^часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, на соискание ученой степени кандидата наук Д501.001.77 на базе Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, дом 1, строение 5 («19 корпус» НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, МГУ имени М.ВЛомоносова (НИИЯФ МГУ)), ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Ломоносовский проспект 27.

Автореферат разослан « » 2013 г.

Учёный секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, на соискание ученой степени кандидатанаук Д501.001.77, доктор физико-математите

профессор / $¡"7 . у /> 4/ \- С.И. Страхова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Кремний на сапфире (КНС) рассматривается как один из перспективных материалов для изготовления высокочастотных интегральных схем (ИС) с повышенной плотностью элементов. Структуры, изготовленные по этой технологии, более долговечны, имеют высокую радиационную стойкость и потребляют меньше энергии по сравнению со структурами, изготовленными на массивном кремнии.

Обычно КНС-структуры создаются методом газофазного осаждения кремния на монокристаллические сапфировые подложки с ориентацией (1,1,0,2).

В настоящее время для производства микросхем выращиваются плёнки кремния с толщинами около 300 нм. Однако, для изготовления электронных приборов с высоким быстродействием толщина кремниевого слоя должна быть не более 100 нм. Проблема получения таких тонких слоев заключается в том, что на ранних стадиях эпитаксиального роста из-за различия параметров кристаллической решетки кремния и сапфира именно в этом слое возникает большое количество структурных дефектов. Наличие таких дефектов является существенным препятствием для производства интегральных схем на основе КНС структур.

Уменьшить плотность дефектов в переходном слое возможно за счет эпитаксиальной рекристаллизации в твёрдой фазе. На первом этапе этого процесса пленка кремния аморфизуется вблизи границы раздела с сапфиром с помощью ионной имплантации. При этом вблизи поверхности кристаллическая структура пленки кремния остается неповрежденной. В указанных публикациях установлено, что после имплантации и процедуры отжига кристаллическая структура пленки кремния на сапфире существенно улучшается. Однако анализ опубликованных к моменту начала выполнения настоящей диссертационной работы показал, что до \ .

этого не были оптимизированы параметры процессов имплантации и отжига. И, главное, не были ясны механизмы существенного улучшения кристаллического совершенства кремниевой пленки. В частности, не ясен вопрос с выбором оптимальной энергии имплантации.

Поэтому целью диссертационной работы являлось: Экспериментально изучить процессы образования дефектов в пленках кремния на сапфире под действием ионного облучения и выявить механизмы эпитаксиальной твердофазной рекристаллизации.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать методику исследования образования радиационных дефектов в пленках кремния на сапфире под действием облучения ионов высоких энергий.

2. Изучить влияние энергии, дозы и плотности потока имплантируемых частиц на степень аморфизации КНС-структур.

3. Исследовать влияния температурных режимов, при которых происходит имплантация, на степень разрушения кристаллической решетки кремниевой пленки под действием ионного облучения.

4. Провести анализ механизмов восстановления кристаллической решетки после ионного облучения и высокотемпературного отжига.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В отличие от массивного кремния, для которого аморфизация наблюдается при 5х1016 ион/см2, пленки кремния на сапфире аморфизуются при меньших критических дозах облучения (10!5 ион/см2).

2. Основным механизмом восстановления кристаллической структуры является рекристаллизация в пленке кремния от поверхностного слоя, являющегося затравкой. Оптимальная толщина затравочного слоя составляет 30 нм.

3. Для процесса реализации эпитаксиальной рекристаллизации необходимо разрушить ионным облучением сильно дефектную область плёнки кремния. Показано, что для получения пленок кремния с высоким качеством кристалличности, необходимо также разупорядочить кристаллическую структуру сапфира вблизи границы кремний-сапфир.

4. Полное разрушение сильнодефектной области зависит от энергии имплантируемых ионов и температуры. Оптимальная энергия разупорядочения сильнодефектной области при температуре жидкого азота 200 кэВ, а при комнатной температуре 230 кэВ.

Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что в работе разработаны физические основы промышленной технологии изготовления ультратонких слоев кремния на сапфире. При этом основные результаты были получены как на «лабораторных» образцах КНС, так и на КНС пластинах диаметром 150мм, используемых в промышленности для производства ИС.

Личный вклад диссертанта состоит в модернизации вакуумной камеры линии имплантации, проектировании и изготовлении дополнительных устройств, позволяющих проводить эксперименты по имплантации в широком диапазоне температур облучаемых объектов, созданию устройства для контроля однородности дозы имплантируемых ионов. Диссертантом проведены экспериментальные исследования и выполнен анализ экспериментальных результатов по исследованию влияния параметров ионного облучения на качество кристалличности пленок кремния на сапфире.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:

• Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2010, 2011, 2012, 2013);

• Научная сессия в МИФИ (Москва, 2011);

• Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва, 2011);

• ХП Межвузовская школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2011);

• International Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2012» (Russia, Zvenigorod, 2012);

• International Conference on Atomic Collisions in Solids» (Japan, Kyoto, 2012)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, список которых приведён в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа содержит 111 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 89 наименований.

Содержание диссертации

Во введении дано обоснование актуальности темы представленной работы, сформулированы цели исследования, показана новизна и значимость работы, изложены выносимые на защиту положения, а также приведены сведения об апробации работы.

В главе 1 дается обзор экспериментальных и теоретических работ по изучению влияния параметров ионного облучения и температуры мишени на дефектообразовние и рекристаллизацию в твердотельных структурах.

В обзоре приводится сравнение электрофизических параметров пленок кремния на сапфире и массивных образцов кремния. Приведена краткая история исследования КНС-структур. Показано, что улучшить качество кристалличности пленок кремния возможно с помощью ионной имплантации и последующей твердофазной эпитаксиальной рекристаллизации.

Далее рассмотрен процесс ионной имплантации и образование дефектов в твердых телах под действием ионного облучения. Дано краткое определение характеристик, используемых при описании взаимодействия ионов с веществом, рассмотрены экспериментальные и теоретические работы по изучению зависимости профиля распределения внедренных частиц и образованию дефектов в твердых телах. Показано, что образование дефектов в полупроводниках при ионном облучении зависит от типа внедренных ионов, энергии и дозы облучения, а также от температуры, при которой происходит облучение материала.

Завершается обзор обсуждением работ, в которых рассмотрено влияние различных параметров облучения на степень разупорядочения и твердофазную эпитаксиальную рекристаллизацию пленок кремния на сапфире.

В выводах к главе 1 производится постановка задачи диссертационной работы.

Во второй главе описывается аппаратура и методы исследования, используемые в работе.

В разделе 2.1 описан созданный для проведений исследований ускорительный комплекс на базе имплантатора «High Voltage Engineering Europe» на энергии ионов до 500 кэВ. Описана модернизированная экспериментальная камера с дополнительным оборудованием (систем диафрагм, систем контроля температуры образцов, и т.д.). Приведено описание систем охлаждения образцов, системы контроля температуры,

системы контроля однородности пучка. В виде блок схемы приведено разработанное программное обеспечение, позволяющее контролировать температурный режим.

Раздел 2.2 посвящен рассмотрению используемых в работе методик. Показаны сильные и слабые стороны таких методик, как методика ширины кривой качания рентгеновского луча (ШКК), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС), атомно-силовая микроскопия (АСМ).

Особое внимание уделено методике резерфордовского обратного рассеяния (POP) в сочетании с каналированием, так как в данной работе этот метод являлся основным для определения структурного совершенства пленки кремния на сапфире.

В третьей главе представлены результаты исследования образования дефектов и рекристаллизации в пленках кремния на сапфире под действием ионного облучения. Исследовано влияние параметров облучения (энергия, доза) КНС-структур ионами Si+ на качество кристаллической структуры пленки кремния после проведения твердофазной эпитаксиальной рекристаллизации.

Эксперименты проводились на КНС-структур ах с ориентацией кремниевой пленки (100), толщина которой составляла 300 нм.

Облучение КНС-структур ионами Si+ проводили на ускорителе HVEE-500. Для предотвращения эффекта каналирования пучок ионов падал на образец под углом а=7° от нормали к поверхности. Остаточное давление в камере не превышало 2-Ю"4 Па. Доза имплантации варьировалась от 1014 до 1015 ион/см2. Для предотвращения нагрева образца плотность тока во время эксперимента поддерживалась постоянной и составляла 1 мкА/см2. Равномерность имплантации обеспечивалась сканированием ионного пучка в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для точного определения дозы

имплантации использовалась система диафрагм, позволяющая подавить ток вторичных электронов. Облучение образцов производилось в диапазоне температур от комнатной до температуры жидкого азота.

Контроль кристалличности структуры приготовленных образцов проводился с помощью метода рентгеноструктурного анализа (измерения ширины кривой качания (ШКК)), а также методом резерфордовского обратного рассеяния (POP). Запись спектров POP проводилась с использованием ионов Не+ с энергией 1,5 МэВ на ускорителе HVEE AN-2500. Пучок ионов падал вдоль нормали к поверхности образца, а угол рассеяния составлял 9=120°.

После имплантации проводился двухстадийный отжиг образцов в атмосфере азота при температурах 600-950° С.

Раздел 3.1 посвящен анализу исходных КНС-стуктур. На рис. 1 представлено ПЭМ изображение, на котором видно образование несовершенств кристаллической структуры эпитаксиально выращенной пленки кремния на сапфировой подложке.

Рис. 1 .ПЭМ изображение. Во всех образцах в пленке кремния обнаружены дефекты в виде двойников. Плотность проникающих дислокаций в образцах сравнительно

низка. В местах выклинивания двойников присутствуют двойникующие дислокации. После объединения «островков» большая часть дефектов упаковки исчезла, однако небольшая часть все же присутствует вплоть до поверхности. Поэтому для получения пленок кремния на сапфире с высоким качеством кристаллического совершенства необходимо полностью разрушать кристаллическую структуру кремниевой пленки для того, чтобы кристаллическая структура пленки кремния не восстанавливалась по этим дефектам двойникам.

Измерение высоты пиков вторичных ионов основных элементов исходной изучаемой структуры 27А1+, 28Si+ показало, что граница раздела кремний-сапфир достаточно резкая.

Для оценки кристалличности напылённой плёнки спектры POP записывались для двух направлений ориентирования кристалла относительно зондирующего пучка: в направлении, содержащем открытые каналы («align» или в режиме каналирования), и в направлении, не содержащем открытые каналы («random»). Сравнительная картина спектров для этих направлений показана на рис. 2.

¡5 soo-

600

номер канала

Рис. 2. Спектры POP для исходной структуры кремний на сапфире. Моделирование, выполненное с помощью программных пакетов RUMP и SIMNRA, показало, что толщина плёнки кремния на сапфире

составляет 300 нм, что согласуется с результатами, полученными методом ВИМС.

В разделе 3.2 обсуждаются результаты экспериментов по исследованию механизмов образования дефектов и твердофазной рекристаллизации при ионном облучении. С помощью программного обеспечения SRIM 2010 рассчитаны теоретические профили залегания имплантируемых ионов.

Первый этап работ представлял собой изучение рекристаллизации от сапфировой подложки. Одним из вариантов ее активации было проведение высокодозного облучения (дозами свыше 5х1015 ион/см2). При этом имплантация производилась с энергиями недостаточными для проникновения внедренных ионов в сильнодефектный переходный слой.

Результаты исследования КНС-структур с помощью методики POP представлены на рис. 3. Выход обратнорассеянных ионов Не+ вблизи границы раздела меньше, чем вблизи поверхности. Это говорит о том, что восстановление кристаллической структуры идет от сапфировой подложки. Однако после твердофазной эпитаксиальной рекристаллизации качество кристалличности кремниевой пленки заметно не улучшилось. После проведения повторного отжига при 1100° С наблюдается некоторое улучшение, по-видимому, связанное с тем, что часть дефектов все же отжигается.

Й I

ю о X

х X Ъ X 2000 8 -

В 1

га а. ю о 3 о а)

450

. С

■^'Ф^М-...

500

номер канала

Рис. 3. Энергетический спектр обратнорассеянных ионов Не*. В (канал): после имплантации 160 кэВ, 5х1015 ион/см2 и высокотемпературной обработки; С (канал): исходная КНС-структура; £> - после обработки 110СРС; А — направление, в котором канал отсутствует. Пленка 300 нм.

Другой возможный вариант активации рекристаллизации от сапфировой подложки - это имплантация в две стадии с разными энергиями. При этом разрушение структуры происходит на разной глубине. Таким образом, варьируя энергию и дозу облучения, можно разупорядочить необходимую толщину кремниевой пленки.

Из представленных на рис. 4 РОР-спектров видно, что высокотемпературный отжиг не приводит к заметному улучшению кристаллической структуры кремниевой пленки. Ступеньки на кривой говорят о том, что при использовании двойной имплантации в пленке кремния разупорядочение происходило неравномерно. Между профилями распределения внедренных ионов есть буферный слой, где структура была не полностью разупорядочена. Это говорит о том, что при проведении двойной имплантации в пленке кремния, на «стыке» профилей распределения внедренных ионов могут оставаться не разрушенные облучением области, по которым может происходить восстановление структурных дефектов. Обнаружено также, что дальнейшее увеличение

температуры и времени отжига приводит к внедрению алюминия в кремниевую подложку.

о 2000

т 550 600 650

номер канала

Рис. 4 Энергетический спектр обратнорассеянных ионов НеВ (канал) -после двойной имплантации: 130 кэВ, 5х1015 ион/см2 + 65 кэВ, 5х1015 ион/см2 и высокотемпературной обработки; С (канал): исходная КНС-структура; А - направление, в котором канал отсутствует. Пленка 250 нм.

Таким образом, наши исследования не подтверждают выводы работ, в которых утверждается, что затравкой в процессе твердофазной эпитаксиальной рекристаллизации является поверхность сапфира. Отметим, что в указанных работах для исследования кристалличности КНС-структур применялась методика ШКК, которая даёт интегральную по толщине плёнки информацию. Авторы установили, что степень кристалличности улучшается в 1,5 раза. Некоторое улучшение кристалличности КНС-струюур, наблюдавшееся авторами, связано, на наш взгляд, с тем, что после имплантации и высокотемпературного отжига происходит отжиг дефектов в верхней части плёнки, тогда как кристаллическая структура сильно нарушенного слоя вблизи границы раздела кремний-сапфир не изменяется.

На втором этапе работы изучалась возможность реализации рекристаллизации с двумя центрами. В этих экспериментах имплантация производилась с энергией, недостаточной для полного разрушения сильнодефектной области, а доза подбиралась таким образом, чтобы вблизи поверхности остался слой кремния, не разрушенного ионным облучением.

Для изучения влияния энергии имплантируемых частиц был проведен следующий эксперимент: образцы с толщиной кремниевой пленки в ЗООнм облучались с энергиями 150-180 кэВ. Доза имплантации на всех образцах 5х1014 ион/см2. После проведения отжига были получены спектры POP образцов. На рис. 5 показаны параметры кристалличности, полученные с помощью методики POP. Заметного улучшения структуры в исследуемом диапазоне не происходит. Вероятнее всего, восстановление кристаллической структуры идет по не разрушенным ионной имплантацией центрам в сильнодефектной области.

0,5 г

та

001-1---1---1---1-'-1---

140 150 160 170 180

Энергия, кэВ

Рис. 5. Зависимость качества кристалличности кремниевой пленки от энергии облучения. 1 -у границы раздела, 2-у поверхности.

Для изучения влияния дозы облучения при определенной энергии на

процесс рекристаллизации была проведена следующая серия

экспериментов. В образцы с толщиной пленки кремния 250 нм была проведена имплантация при энергии 140 кэВ. Набранные дозы варьировались от 2.5х1014 ион/см2 до 1015 ион/см2. После проведения отжига были получены спектры POP образцов. Как видно из рис. 6, с увеличением дозы облучения заметного изменения кристаллической структуры не происходит. Наилучшая кристалличность была достигнута при дозе облучения 7,5х1014 ион/см2.

0,7

0,6

8 0.5

х у

§ 0,4

| 0,2

0,1

0.0

4 6 8

доза, 10" ион/см2

Рис.6. Влияния дозы облучения на процесс твердофазной эпитаксиальной кристаллизации. 1 -у границы раздела, 2—у поверхности.

В проведенных экспериментах не было установлено однозначного влияния параметров ионного облучения на твердофазную рекристаллизацию.

И наконец, исследовалась возможность рекристаллизации от внешней поверхности кремниевой пленки. В работе показано, что при температурах жидкого азота требуются меньшие дозы аморфизации. Поэтому дальнейшие эксперименты были проведены при температурах жидкого азота.

В таблице I представлены результаты изучения кристаллической структуры кремниевой пленки с помощью POP и ШКК после имплантации ионов кремния с энергией 200 кэВ различными дозами и последующего высокотемпературного отжига, В столбце 3 указаны параметры кристалличности, полученные с помощью методики POP. Величины рассчитаны как отношение максимума сигнала обратнорассеянных ионов Не+ в направлении каналирования к сигналу в направлении, не содержащем открытых каналов. Из представленных данных в таблице I видно, что точность определения оптимальной дозы облучения выше при использовании метода POP.

Таблица I.

Доза имплантации, ион/см2 Параметр кристалличности по ШКК, град Параметр кристалличности по POP

1-10" 0,43 0,46

2-Ю'4 0,42 0,46

4-Ю14 0,37 0.41

6-Ю14 0,36 0.31

8-1014 0,38 0.45

10-10" 0,67 0,48

исходная 0,40 0,46

Наибольшее улучшение кристаллической структуры достигнуто при облучении ионами 81+ с дозой 6-Ю14 ион/см2. При указанных параметрах эксперимента толщина приповерхностной монокристаллической пленки кремния, служащей «затравкой», составляет около 30 нм. При уменьшении толщины этой области (то есть при увеличении дозы имплантированных ионов) качество кристалличности структуры падает. Имплантация с меньшими дозами не приводит к разрушению сильнодефектного слоя вблизи границы раздела. В этом случае центрами кристаллизации кроме верхнего «затравочного» слоя являются и недостаточно разрушенные облучением области. При имплантации с дозами выше 6-1014 ион/см2 происходит полное разрушение кристаллической структуры затравочного

слоя. Восстановление кристаллической структуры при отжиге, по всей видимости, идет в этом случае от кристаллического слоя, оставшегося у границы раздела кремний-сапфир, не до конца разрушенного ионной имплантацией.

Из представленного спектра POP (рис. 7) видно, что после имплантации в исходной структуре осталась узкая область кристаллического кремния порядка 30 нм вблизи поверхности. Остальная часть пленки кремния полностью разупорядочена. Тонкая монокристаллическая область вблизи поверхности кремния является центром кристаллизации для аморфной части. Остальные возможные центры рекристаллизации, находящиеся в сильнодефектной области у границы раздела «кремний-сапфир», были разрушены ионным облучением. После проведения высокотемпературной обработки качество кристаллической структуры улучшилось более чем в два раза, а после утонения с последующим отжигом остаточных дефектов оно улучшилось в четыре раза по сравнению с исходной структурой. Отметим также, что в отличие от метода ШКК, дающего интегральную по толщине кремниевой пленки информацию, методика POP в режиме каналирования позволяет определить распределение степени дефектности по глубине.

.100 пт 200 100 О

backscattered energy (KeV)

Рис. 7 Энергетический спектр обратнорассеянных ионов Не+ с энергией 1,5 МэВ для угла рассеяния 120 градусов. 1 (канал): после имплантации 200 кэВ, 6x1014 Si/см2; А (канал): исходная КНС-структура; В (канал): имплантирован Si + высокотемпературная обработка; С (канал): после всех стадий обработки; R - направление, в котором канал отсутствует.

Результаты исследования КНС-структур после проведения ионного облучения и активации твердофазной рекристаллизации с применением методики ПЭМ подтверждают данные измерений POP. Представленная на рис. 8 зависимость показывает распределение структурных дефектов по толщине кремниевой пленки. Видно, что в области толщиной 100 нм вблизи границы раздела кремний-сапфир в исходной пленке имеется большое количество дефектов двойникования. После облучения двойники практически исчезают, что говорит о рекристаллизации кремниевой пленки также и вблизи границы раздела. Сравнение кристалличности образца после имплантации и термической обработки с исходным состоянием показывает, что концентрация двойников значительно падает. Это хорошо согласуется с данными POP в режиме каналирования. Отчетливо видно наличие высокой концентрации двойников в исходной структуре (рис. 46, вставка а) и их отсутствие после ионной имплантации Si+ и последующей термической обработки (рис. 8, вставка Ь).

~1-1-Г"

150 200

йерИп, пт

Рис. 8 Зависимость концентрации двойников от расстояния, отсчитываемого от границы раздела «кремний-сапфир»: ■ - исходная КНС-структура; • - после имплантации 5г+ с энергией 200 кэВ, дозой 6x10 ион/см; Л- после имплантации 57+ и высокотемпературной обработки.

- ПЭМ изображение «КНС»- структур: а - до модификации; Ь - после модификации.

Далее в этой главе обсуждаются результаты исследования влияния температуры мишени при облучении на степень разупорядочения пленки кремния. На рис. 9 представлены результаты сравнения экспериментальных данных с расчетами по модели, учитывающей каскадный механизм столкновений. Видно, что рассчитанные данные хорошо согласуются с экспериментальными. При указанных параметрах имплантации, когда каждый дефект как бы «вморожен», наблюдается практически полная аморфизация. При увеличении температуры мишени подвижность дефектов увеличивается и наблюдается частичный самоотжиг дефектов. Чем выше температура, тем ниже плотность радиационных дефектов.

Моделирование производили с помощью программы 8К1М, где мишень предполагается неупорядоченной и гладкой на атомарном уровне.

Тепловые колебания решетки не учитываются, то есть фактически можно считать, что мишень находится при 0° К.

1,0-

ъ <а »s 3 X

А я В *

........J «v* If | J

2 CL

0.5-

0,0-

—1—

—,— 100

—,— 120

—т~

глубина, hm

Рис. 9. Сравнение экспериментальных данных с расчетами. А - TRIM; В -при -l(f С; С- при 0°C;D - при22,50С.

В конце раздела обсуждаются результаты исследования дефектообразования и рекристаллизации при различных энергиях облучения. На рис 10 представлены POP спектры КНС структур после облучения с энергией 200 кэВ, 215 кэВ и 230 кэВ. Доза имплантации составляла 1015 ион/см2. Облучение происходило при 0° С. При облучении ионами с энергией 200 кэВ и проведения температурной обработки наблюдается небольшое улучшение кристалличности. Из спектра видно, что в случае имплантации с энергией 215 кэВ количество структурных дефектов на глубинах соответствующих каналам 400-425 заметно уменьшилось. А при энергии 230 кэВ качество кристалличности сильнодефектной области улучшается в еще большей степени.

4000

3000

2000

1000

"ф,^- fZ.

300

400

500

номер канала

Рис. 10 Энергетический спектр обратнорассеянных ионов Не+ с энергией 1,5 МэВ для угла рассеяния 120 градусов. I (канал): после имплантации 200 кэВ, 1015 ион/см2; В (канал): исходная КНС-структура; С (канал): имплантирован Si +, 200 кэВ высокотемпературная обработка; D (канал): Si+ 215кэВ; (Е) (канал): Si+, 230кэВ; А - направление, в котором канал отсутствует.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Список публикаций по теме диссертации

1. А.А. Шемухин, Ю.В. Балакшин, B.C. Черныш А.С., Патракеев, С.А. Голубков, Н.Н. Егоров, А.И. Сидоров, Б.А. Малюков, В.Н.Стаценко, В.Д. Чумак. Формирование ультратонких слоев кремния на сапфире. Письма в ЖТФ, т. 38, вып. 19, стр. 83-89,2012.

2. А.А. Шемухин, Ю.В. Балакшин, П.Н. Черных, B.C. Черныш. Спектроскопия рассеяния ионов средних энергий: изучение аморфизации германия под действием ионного облучения. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, №4, стр. 1-4,2013.

3. A. Shemukhin, Yu. Balakshin, V.S. Chernysh. Mechanisms of improvement of the silicon layer crystal structure. Book of abstracts

«International Conference on Atomic Collisions in Solids» Japan, Kyoto, October 21-25, 2012 (ICACS-25). P. 202

4. Ю.В. Балакшин, C.A. Голубков, H.H. Егоров, A.C. Патракеев, B.C. Черныш, A.A. Шемухин. Формирование и исследование ультратонких слоев кремния на сапфировой подложке с помощью ионной имплантации. Тезисы докладов международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Россия, Москва, 2012 (PCI-2012). стр. 147

5. А.С. Патракеев, B.C. Черныш, Ю.В. Балакшин, С.А. Голубков, Н.Н. Егоров, И.А. Иванов, Д.В. Петров, АЛ.Шемухин. Модификация свойств структуры «кремний-на-сапфире» методом ионной имплантации. Труды ХП Межвузовской школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Россия, Москва, 21-22 ноября 2011, стр. 210-212.

6. N.G. Chechenin, P.N. Chemykh, V.S. Chernysh, A.A. Shemukhin, A.A. Andreev, B.A. Bedulin, Yu.A. Ermakov, A.S. Patrakeev. Accelerator of heavy ions up to 500 keV. Proceedings of 40-th international conference on physics of interaction charged particles with crystals. Russia, Moscow, May 25-May 27,2010 (PCI-2010). P. 142.

7. V.Chernysh, A. Shemukhin, Yu. Balakshin et. al. On a way to fabrication technology of ultra thin Si on sapphire. Proceedings of International Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2012» Russia, Zvenigorod, October 1st - 5th, 2012 (ICMNE-2012). P. 03-37.

8. A.A. Шемухин, B.C. Черныш, П.Н. Черных, A.B. Назаров. Ускорительный комплекс на энергии ионов до 500 кэВ. Труды ХП Межвузовской школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». Россия, Москва, 21-22 ноября 2011, стр. 213-217.

9. Шемухин А.А., Черных П.Н., Черныш B.C., Балакшин Ю.В., Назаров А.В. Ионно-пучковые методики ускорительного комплекса HVEE-500 НИИЯФМГУ. Сборник трудов 11 всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». Россия, Москва, 2013, стр. 149-152.

10. А.А. Шемухин, B.C. Черныш, Ю.В. Балакшин. Механизмы улучшения качества кристалличности слоев кремния. Тезисы докладов 43 международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Россия, Москва, 28-30 мая 2013, (МКФВЗЧК -2013). с. 137.

Отпечатано в типографии МГУ 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские Горы, д.1, стр.15 Заказ № 0906. Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шемухин, Андрей Александрович, Москва

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»

04201361971

На правах рукописи

иг*?

Шемухин Андрей Александрович

Дефектообразование и рекристаллизация в пленках кремния на сапфире при ионном облучении

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук, профессор В.С. Черныш

МОСКВА 2013

Введение...................................................................................................................5

Глава 1. Эпитаксиальная рекристаллизация в твердой фазе в КНС-структурах (обзор литературы)..................................................................................................9

1.1. Сравнение пленок кремния на сапфире и объемного кремния................9

1.2. Краткая история развития исследований структур кремний на сапфире

..............................................................................................................................10

1.3 Ионная имплантация....................................................................................15

1.3.1. Общие сведения....................................................................................15

1.3.2 Образование дефектов под действием ионного облучения..............19

1.3.2.1 Общие сведения..................................................................................19

1.3.2.2. Влияние дозы облучения.................................................................22

1.3.2.3. Влияние типа бомбардирующих ионов...........................................23

1.3.2.4. Влияние энергия ионов.....................................................................24

1.3.2.5. Влияние температуры мишени.........................................................25

1.3.3. Улучшение качества кристалличности структур кремний на сапфире............................................................................................................28

1.3.3.1. Зависимость от энергии....................................................................29

1.3.3.2. Доза имплантации..............................................................................33

1.3.3.3. Зависимость температуры подложки..............................................34

1.3.3.4. Зависимость от типа бомбардирующих ионов...............................35

1.4. Выводы.........................................................................................................37

Глава 2. Аппаратура и методы исследования.....................................................38

2.1. Установка для проведения экспериментов по имплантации..................38

2.1.1. Ускорительный комплекс...................................................................38

2.1.2. Линия имплантации..............................................................................41

2.1.3. Экспериментальная камера линии имплантации..............................42

2.3. Методы исследования КНС-структур.......................................................51

2.3.1. Метод ширины кривой качания..........................................................51

2.3.2. Методика резерфордовского обратного рассеяния...........................51

2.3.3. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения ...........................................................................................................................61

2.3.4. Масс-спектрометрия вторичных ионов..............................................61

2.3.5. Методы изучения топографии поверхности КНС-структур............62

Глава 3. Результаты и обсуждения......................................................................63

3.1. Исследование исходных КНС структур....................................................63

3.1.1. Топографии поверхности исходных КНС-структур и сапфировой подложки..........................................................................................................63

3.1.2. Исследование исходной КНС-структуры с помощью ПЭМ............64

3.1.3 Анализ состава исходных структур кремния на сапфире с помощью методики вторичной ионной масс-спектрометрии.....................................65

3.1.4. Анализ состава исходных структур кремния на сапфире с помощью методики резерфордовского обратного рассеяния.....................................67

3.1.5. Исследование границы раздела «кремний- алюминий» с помощью методики резерфордовского обратного рассеяния.....................................69

3.2. Исследование механизмов образования дефектов и твердофазной рекристаллизации при ионном облучении......................................................71

3.2.1. Постановка экспериментов по имплантации.....................................71

3.2.2. Поиск оптимальных параметров имплантации с помощью программного обеспечения............................................................................72

3.2.3. Сравнение дефектообразования в пленках и массивных образцах кремния под действием ионного облучения................................................74

3.2.2. Исследование возможности рекристаллизации от сапфировой подложки..........................................................................................................76

3.2.3. Исследование возможности реализации рекристаллизации с обеих сторон кремниевой пленки............................................................................78

3.2.4. Исследование возможности рекристаллизация от поверхности

кремния............................................................................................................82

3.2.4.1. Исследование влияния плотности тока...........................................87

3.2.4.2. Исследование влияния температуры высокотемпературного отжига на твердофазную рекристаллизацию КНС-структур.....................88

3.2.4.3. Получение 100 нм пленки кремния на сапфире с высоким качеством кристалличности...........................................................................90

3.2.4.4. Исследование дефектообразования в КНС-структурах после

облучения при температурах вблизи 0°С.....................................................92

3.2.5. Исследование границы раздела «кремний- алюминий» с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии.....................................................100

Заключение...........................................................................................................102

Список литературы..............................................................................................103

Введение

Актуальность проблемы

Кремний на сапфире (КНС) рассматривается как один из перспективных материалов для изготовления высокочастотных интегральных схем (ИС) с повышенной плотностью элементов [1-3]. Структуры, изготовленные по этой технологии, более долговечны, имеют высокую радиационную стойкость и потребляют меньше энергии по сравнению со структурами, изготовленными на массивном кремнии.

Обычно КНС-структуры создаются методом газофазного осаждения кремния на монокристаллические сапфировые подложки с ориентацией (1,10,2).

В настоящее время, для производства микросхем выращиваются плёнки кремния с толщинами около 300 нм. Однако, для изготовления электронных приборов с высоким быстродействием толщина кремниевого слоя должна быть не более 100 нм. Проблема получения таких тонких слоев заключается в том, что на ранних стадиях эпитаксиального роста из-за различия параметров кристаллической решетки кремния и сапфира именно в этом слое возникает большое количество структурных дефектов. Наличие таких дефектов является существенным препятствием для производства интегральных схем на основе КНС структур.

В ряде работ [4-8] была продемонстрирована возможность уменьшения плотности таких дефектов за счет эпитаксиальной рекристаллизации в твёрдой фазе. На первом этапе этого процесса пленка кремния аморфизуется вблизи границы раздела с сапфиром с помощью ионной имплантации. При этом кристаллическая структура пленки кремния вблизи поверхности остается неповрежденной. В указанных публикациях установлено, что после процедуры отжига кристаллическая структура пленки кремния на сапфире существенно улучшается. Однако анализ опубликованных к моменту начала

выполнения настоящей диссертационной работы показал, что до нее были оптимизированы параметры процессов имплантации и отжига. И, главное, не были ясны механизмы существенного улучшения кристаллического совершенства кремниевой пленки. В частности, не ясен вопрос с выбором оптимальной энергии имплантации [4-15].

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

2. Изучить влияния энергии, дозы и плотности потока имплантируемых частиц на степень аморфизации КНС-структур.

Научная новизна

1. Получены новые экспериментальные данные о дефектообразовании в пленках кремния на сапфире под действием ионного облучения с различными энергиями.

2. Изучено влияние дозы и плотности тока имплантируемых частиц на степень аморфизации кремниевой пленки.

3. Изучено влияние температуры имплантации на формирование дефектов в пленке кремния.

4. Выявлен механизм, по которому происходит восстановление кристаллической структуры пленки кремния после ионного облучения и высокотемпературного отжига.

Научная и практическая ценность

1. Разработаны физические основы промышленной технологии изготовления ультратонких слоев кремния на сапфире.

2. Обнаруженное влияние температурных режимов на параметры ионного облучения показало необходимость учета этого фактора для полного разрушения сильно дефектного слоя вблизи границы раздела кремний-сапфир.

3. Исследование процесса эпитаксиальной твердофазной рекристаллизации пленки кремния на сапфире показало, что регулируя параметры облучения и температуру КНС структуры, можно эффективно регулировать этот процесс.

4. Выявлен механизм восстановления кристалличности слоя кремния на сапфире после проведения ионного облучения и рекристалллизационного отжига.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В отличие от массивного кремния, для которого аморфизация наблюдается при 5х 1016 ион/см2, пленки кремния на сапфире аморфизуются при меньших критических дозах облучения (1015 ион/см2).

Апробация работы

• Научная сессия в МИФИ (Москва, 2011);

• Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва, 2011);

• XII Межвузовская школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2011);

• International Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2012» (Russia, Zvenigorod, 2012);

• International Conference on Atomic Collisions in Solids» (Japan, Kyoto, 2012)

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа содержит 111 страницы машинописного текста, 58 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 89 наименований.

Глава 1. Эпитаксиальная рекристаллизация в твердой фазе в КНС-структурах (обзор литературы)

1.1. Сравнение пленок кремния на сапфире и объемного кремния

Кремний является основным материалом современной микроэлектроники. Как дискретные компоненты, так и сверхсложные интегральные схемы (ИС) изготавливаются на его основе.

В результате уменьшения размеров элементов интегральных микросхем увеличилось влияние паразитных эффектов: возросли токи утечки, уменьшились напряжения пробоя. Возникают трудности с теплоотводом от элементов ИС. Для уменьшения влияния паразитных эффектов была предложена технология создания транзисторов с диэлектрическим слоем, так называемых «кремний-на-изоляторе» структур. Так как сапфир обладает высокой теплопроводностью при высоких диэлектрических характеристиках, его чаще всего используют в качестве изолирующего слоя. Это приводит к снижению тепловыделения на элементах ИС. Структуры, созданные по технологии «кремний на сапфире», за счет малых размеров кремниевого слоя имеют меньшую паразитную емкость. Это позволяет значительно увеличить быстродействие системы. Необходимо также отметить, что уменьшение паразитных емкостей приводит к уменьшению рассеиваемой мощности. Использование наноразмерных пленок кремния в качестве активного слоя приводит к увеличению радиационной стойкости приборов, являющейся важным фактором надежности приборов космического направления. На рис. 1 (а, б) представлен полевой транзистор, созданный по КНС технологии (1а) и на массивном кремнии (16).

Рис. 1 Полевой транзистор: а - на массивном кремнии, б - с изолирующим слоем.

1.2. Краткая история развития исследований структур кремний на сапфире

Идея о создании структуры кремний на сапфире была впервые предложена в 1963 году в Североамериканской авиационной компании (настоящее название «Боинг») [15].

В конце 1970-х и в 1980-е годы фирмой Hewlett-Packard КНС-структуры успешно использовались при производстве калькуляторов вследствие низкого расхода энергии. Однако вскоре пластины массивного кремния захватили рынок слаботочной электроники. Это связано с тем, что высокий уровень дефектов в кремниевой пленке являлся существенным барьером для успешного применения КНС структур.

С одной стороны дефекты вызывают токи утечки, когда транзистор выключен. А с другой стороны - уменьшают подвижность носителей. Необходимо отметить при этом, что подвижность определяет, как быстро заряды могут ускориться в полупроводнике, или косвенно, максимальную частоту транзистора.

Дальнейшие успехи в развитии КНС технологии стали возможны благодаря достижениям в развитии таких методов анализа твердотельных структур, как спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния (POP) и высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Именно благодаря использованию последней методики было наглядно продемонстрировано, что образование дефектов в рабочем слое кремния связано с несовпадением постоянных решеток кремния и сапфира (рис. 2). При этом нарушаются условия эпитаксиального роста пленки кремния на сапфировой подложке. Поскольку сапфир имеет гексагонально-гранецентрированную структуру, при создании КНС-структур для лучшего согласования типа и параметров кристаллических решеток сапфира и кремния используется грань с ориентацией (1, I ,0,2) по расположению атомов аналогичную монокристаллу кремния.

О атом А! атом Si

60%

несоответствие параметров решетки кремния и сапфира

Решетка сапфира

Рис. 2. Параметры решеток кремния и сапфира.

На начальных стадиях осаждения пленки кремния в переходном слое пленка-сапфир в эпитаксиальной пленке кремния образуется большое количество дефектов. Любое нарушение регулярности на поверхности подложки служит причиной нарушения упаковки атомов в должном порядке. Когда сходятся границы правильно или неправильно упакованных участков, образуется разрыв кристаллографической структуры. Даже если дальнейшие

слои будут идти с правильной упаковкой, то слои атомов над плоскостями, которые начали расти неправильно, не будут согласованы со слоями, образовавшимися над правильными центрами кристаллизации [16]. Вследствие этого в кремниевой пленке возникают упругие напряжения и последующее образование большого количества структурных несовершенств (рис. 3).

Рис. 3. Пленка кремния, выращенная на сапфире. Изображение получено с помощью просвечивающей электронной микроскопии тонкого среза КНС структуры.

Рост эпитаксиальных слоев кремния на сапфировой подложке начинается с роста «островков» с ориентаций <111> и <110>. Данные направления наиболее схожи с выбранным кристаллографическим направлением подложки сапфира. В тот момент, когда «островки» становятся настолько большими, что идет их перекрывание, начинается рост кремниевой пленки с более плотной упаковкой в кристаллографическом направлении <100>. В местах, где происходит перекрывание островков, образуются дефекты в виде двойников.

Однако в 1979 году ученым Калифорнийского Института Технологии и исследователям из компании Hewlett Packard удалось совершить прорыв в разработке технологии усовершенствования КНС структур [18]. В этой работе был предложен процесс улучшения кристаллической структуры

подложка сапфира

кристаллический кремний

структурные дефекты

пленки кремния на сапфире за счет эпитаксиальной рекристаллизации в твердой фазе (Solid Phase Epitaxial Regrowth).

Впосле