Дефектообразование в напряженных структурах на кремнии при радиационно-термических обработках

Ефремов, Михаил Дмитриевич

Дефектообразование в напряженных структурах на кремнии при радиационно-термических обработках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Ефремов, Михаил Дмитриевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Дефектообразование в напряженных структурах на кремнии при радиационно-термических обработках»

Автореферат диссертации на тему "Дефектообразование в напряженных структурах на кремнии при радиационно-термических обработках"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Л ГV

На правах рукописи

Ефремов Михаил Дмитриевич

Дефектообразование в напряженных структурах на кремнии при радиадионно- термических обработках.

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск -1998

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико- математических наук

В.В.Болотов

Официальные оппоненты: доктор физико- математических наук

О.П.Пчеляков кандидат химических наук В.И.Белый

Ведущая организация: Томский политехнический университет

г.Томск

Защита состоится " 29 " декабря 1998 года в 15 часов на заседании Специализированного Совета К 003.05.01 в Институте физики полупроводников СО РАН (630090, Новосибирск, пр.ак.Лаврентьева, 13)

С диссертацией можно ознакомиться в отделении ГПНТБ СО РАН (пр.ак.Лаврентьева, 6)

Автореферат разослан " 27 " ноября 1998года

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук

А.В.Двуреченский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Современная микроэлектроника выдвигает высокие требования к чистоте используемых материалов и точности контроля над составом примесей и дефектов в кремнии. Этр обуславливает высокий интерес к научным основам управления примесно- дефектным составом приповерхностных областей кремния [1,2,3], атомарным процессам формирования комплексов дефектов [4,5,6] и механизмам взаимодействия дефектов и примесей [7,8]. Примесно- дефектный состав ключевым образом определяет свойства кремния и параметры полупроводниковых приборов на его основе, что привело к широкому применению радиационных технологий в современной микроэлектронике. Особый интерес вызывает исследование роли механических деформаций кристаллической решетки в процессах дефектообразования в кремнии [7,9,10]. Наличие дефекта в кристалле означает искажение кристаллической решетки, что определяет роль деформационного взаимодействия в качестве фундаментального взаимодействия, присущего всем дефектам. Несмотря на фундаментальный характер данной проблемы, к настоящему времени не сложилось полной картины, описывающей аспекты деформационного взаимодействия дефектов и позволяющей количественно описать вклад деформаций в процессы образования дефектов. В первую очередь это касается точечных дефектов и примесей в силу трудности теоретического описания и экспериментального обнаружения смещений атомов в непосредственной близости от дефекта. Особое значение в данной ситуации приобретает получение экспериментальных свидетельств влияния деформаций на образование точечных и протяженных дефектов в кремнии и развитие модельных представлений, позволяющих описать наблюдаемые явления.

точечных дефектов вблизи напряженных границ раздела за счет различия деформационной энергии дефектов междоузелыюй и вакансионной природы. Дрейфовая компонента может играть существенную роль в процессах захвата подвижных дефектов, и, следовательно, существенным образом влиять на кинетические коэффициенты квазихимических реакций дефектов и примесей. Существенность вклада локальных деформаций вокруг дефектов в сечение захвата определяет возможность зависимости сечений захвата дефектов от величины поля интегральных механических напряжений в структуре [4]. Во внешнем поле механических напряжений может происходить изменение локальных деформаций кристалла вокруг дефекта, а значит, изменится и величина деформационной энергии взаимодействия дефектов и, как следствие, сечение захвата. Таким образом, исследование аспектов деформационного взаимодействия дефектов и примесей является необходимой и важной составляющей для целостного понимания фундаментальных процессов дефектообразования в кремнии, что обуславливает актуальность рассматриваемой проблемы. Построение модельных представлений и получение экспериментальных свидетельств деформационного взаимодействия дефектов на примере практически важных структур на основе кремния имеет, тем самым фундаментальную и прикладную ценность для развития современных представлений о процессах комплексообразования дефектов и примесей.

Целью работы являлось исследование роли механических напряжений в процессах дефектообразования при радиационно- термических обработках гетероструктур на кремнии, для чего решались следующие задачи:

1. Исследование модификации механических напряжений в пленках кремния на сапфире при генерации точечных дефектов, вводимых ионной имплантацией.

2. Исследование взаимодействия подвижных радиационных дефектов в поле механических напряжений вблизи границы раздела 81-8(02.

3. Исследование механических напряжений при формировании преципитатов кислорода в процессе термических обработок кремния.

4. Развитие количественной модели описания деформационного взаимодействия дефектов и примесей в напряженных гетероструктурах на кремнии.

Научная новизна работы.

1. На основе измерений комбинационного рассеяния света в структурах 81-А120з обнаружено снижение механических напряжений при ионной имплантации и последующих термообработках с 8.3-108Н/м2 до 2.5-108Н/м2.

2. Достигнуто термостабильное до 1000°С снижение механических напряжений в структурах БьАЬОз при ионной имплантации Аг+, обусловленное изменением дислокационных структур на границе раздела.

3. Установлено, что уменьшение сжимающих механических напряжений при радиационно термических обработках структур кремний на сапфире, определяется тем, что границей раздела ЗнА^Оз избирательно гетгерируются подвижные дефекты вакансионного типа, эмитированные из областей разупорядочения.

4. Определено, что относительное уменьшение концентрации радиационных дефектов (дивакансия, вакансия -кислород) в кремнии пропорционально величине растягивающих механических напряжений, наблюдаемым вблизи границы раздела 81-8102, с коэффициентом пропорциональности 0.55-10'8 м2/Н.

5. Показано, что формирование кислородных преципитатов приводит к возникновению в кремнии средних механических напряжений до 0.6108Н/м2, определяемых локальной концентрацией преципитатов в области измерения.

6. Разработана модель, включающая представление о локальном тензоре, определяющем деформации вокруг взаимодействующих дефектов. На ее основе проведено количественное описание обнаруженных эффектов: появление средних механических напряжений, релаксация и компенсация механических напряжений в напряженных гетероструктурах, вклад деформаций в кинетические коэффициенты взаимодействия точечных дефектов, дрейф дефектов в поле механических напряжений.

7. Получено аналитическое решение задачи о распределении механических напряжений в гетероструктурах с неоднородным распределением дефектов на основе приближения "тонкой пластинки".

Практическая значимость работы

1 .Развит метод комбинационного рассеяния света применительно к регистрации распределения механических напряжений по глубине в неоднородных структурах, содержащих дефекты.

2.На основе полученных результатов разработана методика снижения механических напряжений в гетероструктурах, заключающаяся в их компенсации радиационными дефектами.

3.Полученные данные по зависимости дефектообразования от механических напряжений являются необходимыми при прогнозировании изменений свойств гетероструктур при радиационно-термических процессах.

Положения, выносимые на защиту.

1.Уменьшение механических напряжений в структурах БЬ-АЬОз при радиационно термических обработках обусловлено селективным геттерированием вакансионных дефектов границей раздела.

2.Формирование кислородных преципитатов обуславливает появление в кремнии растягивающих механических напряжений, определяемых локальной концентрацией преципитатов. При увеличении размера кислородных преципитатов релаксационные процессы, связанные с генерацией междоузельных атомов кремния и образованием дислокационных структур, приводят к снижению средних механических напряжений.

3.При радиационных воздействиях растягивающие механические напряжения снижают эффективность образования вакансионных комплексов вблизи границы раздела БЮг-Б!, что обусловлено увеличением вероятности аннигиляции пар Френкеля в области неустойчивости.

4. Представление о локальном тензоре напряжений вокруг дефектов позволяет описать дрейф дефектов в поле механических напряжений, рассчитать распределение механических напряжений в зависимости от распределения дефектов, оценить вклад деформационного взаимодействия дефектов в константы реакций между ними, объяснить зависимость эффективности введения дефектов от знака и величины механических напряжений.

Апробация работы

Основные результаты, полученные в работе, были представлены и обсуждены на Республиканских семинарах (Киев, 1988,1989), Всесоюзном совещании "Радиационная физика полупроводников" (Новосибирск, 1991), на международных конференциях: "Геттерирование и инженерия дефектов

в полупроводниковой технологии" (Франкфурт-Одер, 1991,1997); "Наука и технология управления дефектами в полупроводниках" (Иокогама, 1989); "Технология ионной имплантации" (Суррей, 1990); "Тенденции и новые приложения тонких пленок" (Страсбург, 1990); "Электронные материалы" (Страсбург, 1992); "Модификация материалов ионными пучками" (Гейдельберг, 1992); "Рамановская спектроскопия" (Вюрцбург, 1992); "Твердотельных приборов и материалов" (Токио, 1992), "Физика полупроводниковых приборов", (Нью Дели, 1993); на международных конференциях Общества материаловедения (Сан-Франциско, 1992,1993) в том числе Европейского (Страсбург, 1993, 1995, 1997). Результаты работы апробировались на конкурсах научных работ Института физики полупроводников, конкурсе для молодых ученых Сибирского Отделения имени выдающихся ученых: премия по физике им. Л.В.Киренского за цикл работ "Исследование методом Рамановской спектроскопии роли механических напряжений в процессах дефектообразования и зародышеобразования в кремнии" (1995г.); других конкурсах: государственная стипендия для молодых ученых РФ (1994-1996гг.), грант РФФИ 96-01-05770 ведущим ученым в рамках государственной программы поддержки ведущих научных направлений РФ (1996г.).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, приложения, выводов, заключения и библиографического списка из 131 наименования. Содержит 192 страницы текста, 41 рисунок на 41 странице, 15 таблиц.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы, приведены положения и основные результаты, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена анализу литературных данных об образовании точечных и протяженных дефектов в кремнии, о влиянии механических напряжений на дефектообразование в структурах на основе кремния. Рассмотрены имеющиеся данные о примесях и точеных дефектах в кремнии, приведена информация об уровнях дефектов в запрещенной зоне, коэффициентах диффузии и растворимости для основных примесных центров в кремнии. Рассмотрены вопросы упругого взаимодействия точечных дефектов, модели описания локальных деформаций, освещенные в работах других авторов. Приведены выражения для описания деформаций и механических напряжений в модели сферического центра

дилатации с обсуждением применимости данной модели к точечным дефектам. Рассмотрены процессы, связанные с формированием включений фазы БЮх в кремнии, причины появления механических напряжений в гетеросистемах на основе кремния. Освещены вопросы влияния механических напряжений на спектр фононных состояний и связанные с этим вопросы особенности методик контроля механических напряжений в кремнии.

Во второй главе описаны способы приготовления структур, методы исследования и обработки экспериментальных данных. Измерение механических напряжений осуществлялось методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) в квазиобратной геометрии рассеяния при комнатной температуре. Для анализа корреляции распределений примеси и механических напряжений по глубине были приготовлены малоугловые срезы с неоднородным распределением кислородных преципитатов БЮх. Содержание примеси кислорода в кремнии контролировалось методом инфракрасной спектроскопии, распределения мелкой ионизованной примеси и термодоноров - по данным измерений вольт- фарадных характеристик в режиме профилирования, распределения примесей и дефектов с глубокими состояниями в запрещенной зоне кремния - методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НЕСГУ), распределения протяженных дефектов -методом оптической микроскопии, в том числе с применением послойного травления. Определен вид тензора КРС в кремнии, рассмотрены выражения для анализа электрон- фононного взаимодействия. Определена методика расчета механических напряжений по данным измерений КРС. Приведены выражения для определения распределений глубоких центров по глубине в случаях одного и двух импульсов заполнения с оценкой погрешности измерений методом НЕСГУ. Для исследования процессов уменьшения механических напряжений в структурах кремний на сапфире (КНС) при радиационно- термических обработках использовалось электронное облучение с энергией электронов 3.5МэВ, дозой 4-10!6см"\ имплантация ионов Аг, В, N. Р с энергиями 8(М45кэВ при температурах 20-И550°С, термические обработки в атмосфере азота в температурном интервале 200+1000°С. В случае исследования дефектообразования вблизи границы раздела 81-8102 окисление п- и р-типа кремния с удельным сопротивлением от 1 до 10 Ом-см проводилось пиролитическим способом и термическим способом в атмосфере сухого кислорода при температурах 600И 150°С и давлениях 1-г-20атм. Электронное облучение проводилось при комнатной температуре дозой 1014-ь10|5см"2 при плотности тока 0.05мкА/см2. Формирование кислородных преципитатов и создание приповерхностной обедненной кислородом зоны осуществлялось в

образцах кремния с содержанием кислорода 6.3^8.8-1017см"2 при температурах 400+800 и 1000+1100°С соответственно. Барьеры Шотгки изготавливались при напылении золота и алюминия на поверхность кремния п- и р-типа проводимости соответственно. Омические контакты изготавливались с использованием индий галлиевой пасты.

В третьей главе приведены результаты исследования уменьшения сжимающих механических напряжений а в структурах кремний на сапфире (КНС) в условиях потока подвижных дефектов на границу раздела ЗьАЬОз при электронном, ионном облучении и термических обработках. При электронном облучении наблюдалось монотонное уменьшение а на 0.5-108Н/м2 с ростом дозы облучения до 4-1016см"2. Разупорядочение части пленки при ионной имплантации (В,ф=1016см"г; М,ф=1016см"2; Аг,ф=1014см-2; Аг,Ф=1016см-2) приводило к уменьшению а в области кремния,, оставшейся кристаллической, на 0.8-108Н/м2; 2.Ы08Н/м2; 2.5-Ю8Н/м2; 5.0-Ю8Н/м2 соответственно. Несмотря на отжиг области разупорядочения (ОР), за счет диффузии точечных дефектов из ОР происходило формирование дефектов на границе раздела, так что величины а были меньше, чем в исходных КНС структурах, на 1.0-108Н/м2, 1 ,б-108Н/м2, 4.2-108Н/м2 для доз имплантации аргона 1014см'2, 1015см"2, 1016см'2 соответственно. При термообработках выше 750-г850°С наблюдалась диссоциация дефектов на границе раздела, что приводило к восстановлению а до исходных величин за исключением случая имплантации Аг+ дозой 1016см"2, когда на границе раздела образовались дефекты с размером до Юцм, термостабильные до 1000°С, обеспечившие уменьшение а до 4.5-108Н/м2 с 8.3-108Н/м2 в исходных КНС структурах. Представление о локальном тензоре деформаций вокруг точечного дефекта, позволило решить задачу о распределении а в пленке кремния на сапфире с неоднородным распределением дефектов, используя приближение тонкой пластинки. Показано, что для компенсации сжимающих механических напряжений необходимо введение дефектов вакансионного типа, причем с точки зрения полной упругой энергии КНС структуры наиболее энергетически выгодным является образование вакансионных дефектов на границе раздела. Получено выражение для радиуса изгиба КНС структуры с дефектами в пленке кремния: л2 к« 1-уг Гл™ .лг 1-1

5ЯС=-

Л2 Е8 1-уг "Да-ЛТ

6 Лу Ег 3

,где 1г,Е$,у$, толщина, модуль Юнга, коэффициент Пуассона

подложки (пленки), ЛсМГ-термоупругий вклад, средняя концентрация дефектов в пленке, П0 - деформационный объем дефекта. Таким образом, установлено, что причиной уменьшения механических напряжений в КНС-

структурах при радиационно- термических обработках является формирование протяженных дефектов вакансионной природы на границе раздела.

С целью исследования взаимодействия радиационных дефектов и примесей с протяженными дефектами на границе раздела 8иА1203 была использована вторичная высокотемпературная ионная имплантация после радиационно- термических обработок КНС-структур. Для этого использовалась ионная имплантация Аг+ при температуре облучения 450°С, что ниже порога кристаллизации аморфного кремния. В процессе последующих термообработках при температурах отжига ОР наблюдалось резкое уменьшение величин <тдо 2.7-108Н/м2 за счет потока вакансий на границу раздела, где центрами их закрепления служили протяженные дефекты. Имплантация Аг+ при 650°С сопровождалась отжигом ОР непосредственно в ходе облучения, что приводило к уменьшению а до 3.5-108нум2, за счет захвата генерируемых подвижных вакансий границей раздела. Взаимодействие бора, введенного ионной имплантацией при 550°С, с протяженными дефектами на границе раздела приводило к росту их размера до 50цм, сопровождаемому уменьшением величин механических напряжений до 2.5-108Н/м2. Формируемые дефектно-примесные ассоциации оставались термостабильными до 1000°С, также как и эффект уменьшения а. В данной главе рассмотрены методические особенности регистрации механических напряжений в КНС-структурах при легировании бором. Активация бора при термообработках выше 850°С приводит к уширению линии ЬО-фонона в спектрах КРС и ее сдвигу в низкоэнергетическую область за счет электрон- фононного взаимодействия. По данным КРС и измерений Холловской концентрации показано, что за счет взаимодействия бора с вакансионными дефектами на границе раздела активация бора подавлена и сдвиг линии КРС за счет электрон- фононного взаимодействия не превышал 0.1см'1 что соответствует погрешности определения механических напряжений менее 0.25-108Н/м2. Моделирование диффузии и дрейфа вакансий в поле механических напряжений КНС структуры выявило, что именно диффузионная компонента потока вакансий из ОР определяет наблюдаемое в экспериментах уменьшение ст.

Четвертая глава посвящена исследованию образования точечных радиационных дефектов вблизи напряженной границы раздела 8ь8Ю2. Электронному облучению подвергались два образца, прошедших окислительную термообработку - с окислом и без него, что позволило разделить влияние на дефектообразование механических напряжений и примесно- дефектного состава приповерхностной области кремния, формирующегося при окислении. В отличие от исходных образцов после

окисления наблюдалось спадающее к поверхности распределение вакансионных дефектов: дивакансий (У2), комплексов вакансия - кислород (УО0. На основе измерения содержания кислорода и анализа результатов моделирования было установлено, что распределение кислорода не могло быть причиной неоднородного распределения комплекса УО;, формирующегося при облучении. Для указанного содержания кислорода в кремнии (6.8-1017см"3) и экспериментальных условий облучения накопление комплексов УО-, определялось темпом генерации вакансий и не зависело от концентрации кислорода. На основе полученных данных о скорости окисления в диапазоне температур 600-г900°С и давлениях 1-г20атм осуществлено моделирование процесса формирования кластеров междоузельных атомов при окислении. Было рассчитано, что после окисления вблизи границы раздела БьБЮг имелось спадающее в глубину распределение междоузельных атомов, концентрация которых достигала на глубинах 2цм значений 1018-г1019см'3 для использованных режимов окисления. Результаты моделирования дефектообразования при облучении позволили установить, что захват генерируемых вакансий на междоузельные кластеры позволяет объяснить спадающее к поверхности распределение вакансионных дефектов.

Экспериментально обнаружено, что растягивающие механические напряжения в системе Б^БЮг уменьшают концентрацию вакансионных (У2, УОО и междоузельных (С,0;) комплексов. Наблюдалась линейная зависимость относительного изменения концентраций вакансионных дефектов от величины механических напряжений в кремнии, наклон которой имел одинаковое значение -0.55-10"8 м2/Н, как для дивакансий, так и для комплексов вакансия- кислород. То обстоятельство, что значительная доля дивакансий образовывалась в области неустойчивости пар Френкеля и то, что скорость введения УС^ в объеме кремния определялась темпом генерации вакансий, позволило связать наблюдаемую зависимость с уменьшением вероятности разделения пар Френкеля в поле растягивающих механических напряжений. Используя понятие локального тензора деформаций, рассмотрена задача об изменении кинетических коэффициентов квазихимических реакций в поле упругих напряжений. Показано, что в приближении малых поправок, относительное изменение кинетических коэффициентов к пропорционально величине механических напряжений <тд:

■ > - ^(й ♦ 4)-,« «Г-"ГС - п.-«».)

,где II¡/го)- упругая энергия взаимодействия дефектов а и Ь на расстоянии радиуса захвата т0, g¡|,- тензор податливости для локального тензора

деформации и^ц. Моделирование кинетики накопления радиационных дефектов с учетом кулоновского и деформационного взаимодействий, считая радиус захвата равным постоянной решетки, позволило достичь согласия с экспериментальными данными.

В пятой главе рассмотрены вопросы установления взаимосвязи механических напряжений и процессов коагуляции примеси кислорода в кремнии. Установлена корреляция распределений растягивающих механических напряжений и кислородных преципитатов по глубине, на основе измерений КРС, проводимых на малоугловых срезах термообработанного кремния. Наибольший вклад в деформацию кристалла дают включения SiOx малого размера, не окруженные дислокационными петлями. Максимальные наблюдаемые механические напряжения растяжения достигали 0.6-108Н/м2. Кислородные преципитаты являются центрами зарождения протяженных дефектов междоузельного типа -скоплений дислокационных петель и дефектов упаковки, что подтверждается установленной корреляцией между концентрацией протяженных дефектов и содержанием кислорода в кремнии. При увеличении размера кислородного преципитата вследствие эмиссии междоузельных атомов кремния и наличия вокруг включений SiOx растягивающих механических напряжений формируется дислокационное окружение преципитата, что приводит к уменьшению локальных деформаций вокруг него. В приближении тонкой пластинки было получено, что величины механических напряжений и соответствующий сдвиг линии КРС определяются локальной концентрацией кислородных преципитатов. Получено выражение для радиуса изгиба пластины 91с с неоднородным распределением центров обладающих

деформационным объемом Д>:

3 ail0 h2 _hn

Осуществлен расчет эпюр механических напряжений в кремнии с неоднородным распределением кислородных преципитатов, распределения сдвига линии КРС, соответствующего наблюдаемому в эксперименте. В области формирования мелких включений SiOx обнаружен уход примеси золота из электрически активного состояния. Это объясняется тем, что растягивающие механические напряжения вокруг преципитатов стимулируют геттерирование примеси, имеющей больший, чем у кремния, ковалентный радиус.

Основные результаты и выводы.

1. Показано, что генерация подвижных точечных дефектов из областей разупорядочения, создаваемых ионной имплантацией, обуславливает формирование протяженных дефектов вакансионной природы на границе раздела З^АЬОз, что сопровождается уменьшением сжимающих механических напряжений в пленке кремния с 8.3-10* до 4.5-108Па.

2. Установлено, что взаимодействие протяженных вакансионных дефектов с атомами бора, введенными при высокотемпературной ионной имплантации, приводит к формированию на границе раздела БьАЬОз дефектных скоплений с размерами до 50цм и снижению величин механических напряжений до 2.5-108Н/м2.

3. В приближении "тонкой пластинки" решена задача о распределении сжимающих механических напряжений в гетероструктуре БГА^Оз с неоднородным распределением дефектов и показано что, формирование вакансионных дефектов на границе раздела является наиболее выгодным с точки зрения минимизации упругой энергии структуры.

4. На основании измерений БЬТБ и модельных расчетов показано, что уменьшение эффективности введения радиационных вакансионных дефектов (вакансия кислород, дивакансия) вблизи границы раздела Б^йЮг происходит в силу следующих причин:

а) вследствие захвата первичных вакансий на дефекты междоузельного типа, которые формируются вблизи границы раздела йьБЮг при окислении.

б) вследствие увеличения вероятности аннигиляции пар Френкеля в области неустойчивости, что приводит к уменьшению концентрации вакансионных комплексов пропорционально растягивающим механическим напряжениям в кремнии с коэффициентом пропорциональности 0.55-10'8 м2/Н.

5. Формирование кислородных преципитатов приводит к возникновению в кремнии средних механических напряжений до 0.6-108Н/м2, определяемых локальной концентрацией преципитатов в области измерения. С ростом размера преципитата механические напряжения уменьшаются вследствие релаксационных процессов, связанных с эмиссией междоузельных атомов кремния и формированием дислокационного окружения.

6. Получено аналитическое выражение для радиуса изгиба пластины с неоднородным распределением дефектов и рассчитаны эпюры механических напряжении. Показано, что радиус изгиба пластины обратно пропорционален центроиду распределения дефектов по глубине.

7. Разработана модель для описания деформаций кристалла с дефектами, основанная на введении тензора локальных деформаций вокруг

точечного дефекта. В рамках модели проведено количественное описанш обнаруженных эффектов: появление средних механических напряжений компенсация механических напряжений в напряженных гетерострукгурах дрейф дефектов в поле механических напряжений, изменен» кинетических коэффициентов реакций точечных дефектов в пол< механических напряжений.

Основные результаты по теме диссертации отражены в 19 публикациях (и: них 6 статей, 3 расширенных доклада в материалах конференций):

1. Болотов В.В. , Ефремов М.Д., Карпов А.В., СтучинскийВ.А. Рол; дефектов, возникающих при окислении, в формировании распределени! радиационных нарушений вблизи границы раздела Si-Si02. Поверхность. Физика. Химия. Механика. 1990, №3, с. 137-141.

2. Bolotov V.V., Efremov M.D., Emeksuzyan V.M., Stuchinsky V.A., Schmal; К. Defect formation and impurity redistribution near interfaces in silicon.- Ii Proceedings of the International Conference on the Science and Technology о Defect Control in Semiconductors, Yokohama, Japan, 1989, v.l, p.399-406.

3. Bolotov V.V., Efremov M.D., Karavaev V.V. Investigation of mechanica stress relaxation in ion-implanted SOS-structures by means of Ramai spectroscopy.- In abstracts of International Conference "Ion Implantatioi Technology", Surrey, England, 1990, p.E83.

4. Bolotov V.V., Efremov M.D., Emeksuzyan V.M., Schmalz K. Defects am impurities in multi layer structures on Si: The role of mechanical stresses ii gettering of defects and impurities by intrinsic and extrinsic grain boundaries. Solid State Phenomena, 1991, v.19, p.13-26.

5. Bolotov V.V., Efremov M.D., Karavaev V.V., Volodin V.A., Golomedo' A.V. Study of stress relaxation in implanted silicon on sapphire structure: using Raman spectroscopy.- Thin Solid Films, 1992, v.208, N2, p.217-223.

6. Bolotov V.V., Efremov M.D., Volodin V.A. Investigation of mechanica stress relaxation in ion-implanted SOS-structures by means of Ramai spectroscopy.- In proceedings of International Conference "Trends and nev Applications in Thin Films", Strasbourg, France, 1991, p.265-271.

7. Bolotov V.V., Efremov M.D., Volodin V.A. Raman spectroscopy testing о mechanical stress relaxation and boron activation in ion-implanted SOS structures. Abstracts of International Conference on Ion Beam Modification о Material, Heidelberg, Germany, 1992, p.P185.

8. Bolotov V.V., Efremov M.D., Babanskaya I., Schmalz K. Study of th< stresses influences on oxygen precipitation in silicon using Ramai spectroscopy.- In Abstracts of Material Research Society Conference, Sai Francisco, USA, 1992, p.E6.51.

9. Bolotov V.V., Efremov M.D., Volodin V.A. Ion beam modification of stresses and interfacial defects in SOS structures. - In Abstracts of Material Research Society Conference, San Francisco, USA, 1992, p.K6.5.

10.Bolotov V.V., Efremov M.D. Raman study of stresses caused by intrinsic getters distribution in device structures. - In Abstracts of International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, Japan, 1992, p.L245.

11 .Болотов B.B., Ефремов М.Д., Караваев B.B., Володин В.А., Голомедов А.В. Изучение радиационно- термических релаксаций механических напряжений в КНС структурах с использованием Рамановской спектроскопии.- В сборнике "Полупроводники", Новосибирск, ВО "Наука", 1993,240с.

12.Bolotov V.V., Efremov M.D., Babanskaya I., Schmalz К. Raman study of mechanical stresses in processes of oxygen precipitation in silicon.- Material Science & Engineering, 1993, v.B21, p.49-54.

13.Bolotov V.V., Efremov M.D., Volodin V.A. Defect stimulated mechanical stress relaxation in double ion implanted SOS-structures. - In abstracts of Spring Meeting of European Material Research Society, Strasbourg, France, 1993, p.G- Ш.9.

14.Bolotov V.V., Efremov M.D. Raman investigation of mechanical stresses in oxygen precipitation processes in silicon.- In Abstract of Vllth International Workshop on physics of Semiconductor Devices, New Delhi, India, 1993, p.C39.

15.Bolotov V.V., Efremov M.D., Volodin V.A. Mechanical stress relaxation in ion implanted SOS-structures.- Thin Solid Films, 1994, v. 248, №2, p.212-219.

16.Болотов B.B., Ефремов М.Д., Володин В.А. Релаксация механических напряжений в ионно - имплантированных КНС структурах,- В сборнике "Полупроводники", Новосибирск, ИФП, 1996, 240с.

17.Bolotov V.V., Efremov M.D., Volodin V.A. The role of stresses in interaction of defects for radiation and precipitation processes. - In abstracts of Spring Meeting of European Material Research Society, Strasbourg, France, 1995, N-V/P17, p.N-10.

18.Bolotov V.V., Efremov M.D., Volodin V.A., Fedina. L.I. The influence of impurities and stresses on kinetics of phase transition a-Si->poly-Si and on orientation of nuclei. - In Proceedings of 6th International Conference on Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology, Wulkov, Germany, 1995, pE5-9.

19.Efremov M.D. Deformation interaction of defects in crystal: concept of evaluation. - Solid State Phenomena 1997, v.57-58, p.319-326.

Цитируемая литература

1. В.С.Вавилов, В.Ф.Киселев, Б.Н.Мукашев. Дефекты в кремнии и на его поверхности. - М.:Науха, Физматлит, 1990,- 216с.

2. Физические процессы в облученных полупроводниках / Под ред. Л.С.Смирнова. -Новосибирск: Наука, 1977. -256с.

3 Романов С.И., Смирнов JI.C. О взаимодействии точечных дефектов с границей раздела Si02-Si.- ФТП, 1976, т. 10, №5, с.876-880.

4. Емцев В.В., Машовец Т.В., Михнович В.В., Пары Френкеля в германии и кремнии. - ФТП, т.26, №1, 1992, с.22-44.

5. Бургуэн Ж., Ланно М. Точечные дефекты в полупроводниках. Экспериментальные аспекты. - М.: Мир, 1985. - 305с.

6. Корбетт Д., Бургуэн Ж. Точечные дефекты в полупроводниках/ Под ред. Болтакса Б.И., Машовец Т.В., Орлова А.Н.- М.Мир, 1979. - 278с.

7. Теодосиу К. Упругие модели дефектов в кристаллах. - М.:Мир, 1985.-352с.

8. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. - М.: Радио и связь, 1981. -248с.

9. Болдырев С.Н., Виленкин А.Я., Мордкович В.Н., Омельяновская Н.М., Саакян А.А. Влияние силовых полей на образование радиационных дефектов в кремнии при электронном облучении структур БЮг-Бк-ФТП, 1990, т.24, №2,300-304.

10. Aleksandrov L.N. Simulation of the influence of mechanical stresses on the kinetics of crystallization of ion- implanted silicon layers under pulse heating-Phys.Stat.Sol.(a), 1985, v.89, p.443-449.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ефремов, Михаил Дмитриевич, Новосибирск

/ "У

О!

Российская Академия Наук Сибирское Отделение ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

На правах рукописи

Ефремов Михаил Дмитриевич

ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ В НАПРЯЖЕННЫХ СТРУКТУРАХ НА КРЕМНИИ ПРИ РАДИАЦИОННО- ТЕРМИЧЕСКИХ

ОБРАБОТКАХ.

01.04.10. Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук

Научный руководитель-д.ф.-м.н., профессор В.В.Болотов

Новосибирск-199 8

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание.............................................................................................................................2

Введение....................................................................................................................................4

Научная новизна работы................................................................................................6

Практическая значимость работы................................................................................7

Положения и основные результаты, выносимые на защиту.......................................8

Содержание диссертации...............................................................................................8

Глава I. формирование дефектов и деформирование кристаллической

решетки кремния,.................................................................................................................. 9

§1.1. Точечные дефекты и примеси в кремнии, влияние механических напряжений.

.................................................................................................................................................9

Примеси в кремнии.........................................................................................................10

Дефекты в кремнии.......................................................................................................15

Взаимодействие дефектов............................................................................................22

§1.2. Механические напряжения в кремнии при преципитации кислорода.............26

§1.3. Механические напряжения вблизи границ раздела в структурах на основе

кремния................................................................................................................................32

Уравнения упругости.....................................................................................................33

Структурные и термоупругие напряжения в гетеросистемах 81-А120з, Зг-ЗЮг......35

§ 1.4. Влияние механических напряжений на спектр фононов в кристалле............38

Глава П. Экспериментальные методики...................................................................45

§2.1. Спектроскопия комбинационного рассеяния света..........................................45

Законы сохранения и правша отбора..........................................................................47

Форма линий КРС..........................................................................................................48

Определение величин механических напряжений.........................................................49

Схема регистрации........................................................................................................50

§2.2. Метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней для определения концентрации дефектов с "глубокими" состояниями в запрещенной зоне кремния

...............................................................................................................................................51

§2.3.. Метод инфракрасной спектроскопии..................................................................58

§2.4. Методики электрофизических измерений (метод Ван дер Пау, эффект Холла,

вольт фарадные измерения)..............................................................................................60

Измерение объемной концентрации основных носителей и удельного сопротивления.

........................................................................................................................................60

Измерения вольт- фарадных характеристик..............................................................63

§2.5. Методика приготовления и обработок образцов..................................................63

КНС структуры.............................................................................................................64

Структуры 5Ю2/51........................................................................................................65

Структуры с кислородными преципитатами.............................................................66

Глава Ш. Модификация механических напряжений в гетерострукгурах при формировании дефектно- примесных ассоциаций на границе раздела........71

§3.1. Уравнения упругости в среде с дефектами...........................................................72

§3.2. Характеризация механических напряжений в структурах кремний на

сапфире................................................................................................................................76

Анализ изменений механических напряжений при технологических обработках КНС-структурах....................................................................................................................76

§3.3. Модификация механических напряжений в КНС структурах при

электронном, ионном облучении и термических обработках....................................77

Влияние электронного облучения на величины механических напряжений в КНС

структурах....................................................................................................................77

Ионная имплантация и термические обработки.........................................................78

Имплантация ионов фосфора.......................................................................................79

Имплантация ионов бора..............................................................................................80

Имплантация ионов азота............................................................................................82

Имплантация ионов аргона...........................................................................................82

§3.5. Взаимодействие точечных дефектов и примесей, введенных

высокотемпературной имплантацией, с дефектами границы раздела....................89

Ионная имплантация Аг+ при 450°С............................................................................90

Ионная имплантация Аг+ при 65О?С............................................................................91

Ионная имплантация В+ при 550°С..............................................................................93

Микроскопический анализ.............................................................................................96

§3.4. Теоретическое рассмотрение процесса перераспределения дефектов в поле

механических напряжений КНС структур.....................................................................97

§3.6. Расчет эпюр механических напряжений в КНС-структуре с неоднородным

распределением вакансионных дефектов в пленке кремния...................................102

Глава IV. Влияние механических напряжений на дефектообразование

вблизи границы раздела 81-8102.....................................................................................127

§4.1. Генерация междоузельных атомов кремния при окислении...........................128

§4.2. Роль окислительных дефектов в радиационном дефектообразовании вблизи

границы раздела 81-8ю2..................................................................................................131

Высокотемпературное окисление..............................................................................134

Окисление при повышенном давлении.........................................................................136

§4.3. Влияние механических напряжений на формирование вторичных

радиационных дефектов.................................................................................................141

§4.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ ВБЛИЗИ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА 81-8Ю2.................................................................................................................................145

Глава V. Роль механических напряжений в процессе преципитации кислорода в кремнии........................................................................................................165

§5.1. Модификация механических напряжений в кремнии при формировании

преципитатов кислорода................................................................................................166

§5.2. расчет эпюр механических напряжений в пластине кремния с неоднородным по глубине распределением преципитатов кислорода..............................................170

Приложение. Оценка влияния поля механических напряжений на

кинетические коэффициенты комплексообразования.____________________________________186

Основные результаты и выводы.................................................................................187

Заключение.........................................................................................................................189

Литература...........................................................................................................................193

ВВЕДЕНИЕ.

В связи с развитием современной микроэлектроники, сопровождающемся повышением степени интеграции, уменьшением размеров полупроводниковых элементов, повышением мощности силовых полупроводниковых приборов, возрастают требования к чистоте используемых материалов и точности контроля над составом примесей и дефектов в кремнии. Примеси и дефекты в значительной степени определяют свойства кремния и параметры полупроводниковых приборов на его основе. Это обуславливает высокий интерес к научным основам управления примесно- дефектным составом приповерхностных областей кремния, атомарным процессам формирования комплексов дефектов, механизмам взаимодействия дефектов и примесей. Развитие исследований в этой области привело к широкому применению радиационных технологий [1] в современной микроэлектронике. Особый интерес вызывает исследование роли механических деформаций кристаллической решетки в процессах дефектообразования в кремнии [2,3]. Наличие дефекта в кристалле означает искажение кристаллической решетки, что определяет роль деформационного взаимодействия в качестве фундаментального взаимодействия, присущего всем дефектам. Несмотря на фундаментальный характер данной проблемы, к настоящему времени не сложилось полной картины, позволяющей количественно описать вклад деформаций в процессы образования дефектов. В первую очередь это касается точечных дефектов и примесей в силу трудности теоретического описания и экспериментального обнаружения смещений атомов в непосредственной близости от дефекта. Особое значение в данной ситуации приобретает получение экспериментальных свидетельств влияния деформаций на образование точечных и протяженных дефектов в кремнии и развитие модельных представлений, позволяющих описать наблюдаемые явления в рамках единого подхода.

Прямым доказательством взаимодействия дефектов с полем механических напряжений может являться обнаружение средних механических напряжений в кристалле, коррелированно с концентрацией дефектов и примесей. Появление механических напряжений при образовании дефектов служит основой для проведения исследования возможности управления величинами механических напряжений в гетероструктурах при введении дефектов. Поскольку процесс комплексообразования неразрывно связан с миграционной способностью подвижных точечных дефектов, то наличие неоднородного поля деформаций может приводить к необходимости учета дрейфа дефектов в поле механических напряжений, а также избирательности встраивания точечных дефектов вблизи напряженных границ раздела за счет различия деформационной энергии дефектов междоузельной и вакансионной природы. Дрейфовая компонента может играть существенную роль в процессах захвата подвижных дефектов, и, следовательно, существенным образом определять кинетические коэффициенты квазихимических реакций дефектов и примесей. Существенность вклада локальных деформаций вокруг дефектов в сечение их захвата определяет возможность зависимости сечений захвата дефектов от величины поля интегральных механических напряжений в структуре. Во внешнем поле механических напряжений может происходить изменение локальных деформаций кристалла вокруг дефекта, а значит, изменится и величина деформационной энергии взаимодействия дефектов и, как следствие, сечение захвата. Таким образом, исследование аспектов деформационного взаимодействия дефектов и примесей является необходимой и важной составляющей для целостного понимания процессов дефектообразования в кремнии, что обуславливает актуальность рассматриваемой проблемы. Построение модельных представлений и получение экспериментальных свидетельств деформационного взаимодействия дефектов на примере практически важных структур на основе кремния имеет,

тем самым научную ценность для получения новых данных о процессах комплексообразования дефектов и примесей.

2. Исследование взаимодействия подвижных радиационных дефектов в поле механических напряжений вблизи границы раздела 81-8102.

Научная новизна работы.

1. На основе измерений комбинационного рассеяния света в структурах 8ьА120з обнаружено снижение механических напряжений при ионной имплантации и последующих термообработках с 8.3-108Н/м2 до 2.5-108НУм2.

2. Достигнуто термостабильное до 1000°С снижение механических напряжений в структурах 81-А120з при ионной имплантации Аг+, обусловленное изменением дислокационных структур на границе раздела.

3. Установлено, что уменьшение сжимающих механических напряжений при радиационно термических обработках структур кремний на сапфире, определяется тем, что границей раздела 8ьА120з избирательно геттерируются подвижные дефекты вакансионного типа, эмитированные из областей разупорядочения.

5. Показано, что формирование кислородных преципитатов приводит к возникновению в кремнии средних механических напряжений до 0.6-108НУм2, определяемых локальной концентрацией преципитатов в области измерения.

Практическая значимость работы.

Положения и основные результаты, выносимые на защиту.

1.Уменьшение механических напряжений в структурах 8ьА1203 при радиационно термических обработках обусловлено селективным геттерированием вакансионных дефектов границей раздела.

3.При радиационных воздействиях растягивающие механические напряжения снижают эффективность образования вакансионных комплексов вблизи границы раздела 8Ю2-81, что обусловлено увеличением вероятности аннигиляции пар Френкеля в области неустойчивости.

Содержание диссертации

ГЛАВА I. ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ И ДЕФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ КРЕМНИЯ.

§1.1. Точечные дефекты н примесн в кремнии, влияние механических

напряжений.

К настоящему времени получено большое количество экспериментальных и теоретических данных о свойствах точечных дефектов в кремнии [3,4,5]. Вопросы радиационного образования дефектов освещены в ряде монографий [6,7]. В результате проведенных исследований определены параметры основных дефектов в кремнии, и на основе полученных экспериментальных данных и теоретических расчетов определена структура точечных дефектов в кремнии. Основные дефекты в кремнии идентифицированы по данным различных методик: электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), инфракрасной (ИК) спектроскопии, фотолюминесценции (ФЛ), нестационарной спектроскопии глубоких уровней (БЬТ8), Холловских измерений, спектроскопии комбинационного рассеяния света и друг