Электрофизические и оптические свойства кремния, имплантированного ионами высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГо 00

~ 1 МАЙ 1аоо На правая- РУ"0™011

АЛЬ-БАККУР ФАВЗИ Ибн АБДУЛЛА

УДК 621.315.592

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ, ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических на>к

МИНСК - 1993

Работа выполнялась на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, старший научный сотрудник ПРОСОЛОВИЧ B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший

Защита состоится 12 марта 1993 года в 14 часов на засе дании специализированного совета Д 056.03.05 в Белорусско: государственном университете(220050, г.Минск, пр.Ф.Скоршш, 4 Белгосуниверситет, главный корпус, комната 206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорус ского государственного университета.

Автореферат разослан " " января 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета -

научный сотрудник ДУТОВ А.Г.

кандидат физико-математических наук, доцент ЛИТВИНКО А.Г.

Ведущее научно-исследовательское учревдение - Минский научно-исследовательски

институт радиоматериалов

доцент

СТЕЛЬМАХ В.Ф.

С

Белорусский государственный университет, 1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы ионная имплантация стала одним из основных методов введения примесей в полупроводниковые кристаллы. Данный метод имеет ряд преимуществ как с технологической точки зрения, так.и с точки зрения разработки электронных приборов. Наиболее важными из них являются: возможность точного контроля количества вводимых атомов примеси, управление профилем распределения внедренных атомов по глубине подложки, возможность легирования через тонкие пассивирующие слои. Новые возможности в технологии производства полупроводниковых приборов открывает високоэнергетичная ионная имплантация (ВЭИИ). Развитие втого направления позволит произвести замену трудоемкого процесса епитаксиального нарыдчвания слоев кремния для ' формирования на большой глубине изолирукдих или проводящих областей. Внедрение ВЭИИ в технологический процесс производства интегральных микросхем позволит устранить длительную высокотемпературную обработку кремниевых пластин для получения глубоких легированных областей, а также существенно повысить степень интеграции микросхем. Практическое применение высокоэнергетических заряженных частиц требует изучения механизмов образования радиационных дефектов и аморфизации, пространственного распределения примесных атомов и нарушений, закономерностей отжига облученных кристаллов.

Характер отжига облученных кристаллов также зависит от структуры первичных дефектов, пространственного распределение примесных атомов, состояния поверхности, вида термообработки (ТО). Решение указанных вопросов невозможно без детального изучения механизмов образования, взаимодействия, перестройки и отжига радиационных и термических дефектов, их природы и свойств. Эти исследования актуальны и в научном отношении, поскольку существенно углубляют и расширяют наши представления о структуре и свойствах реальных кристаллов.

Характер взаимодействия высоковнергетических ионов о ми-

3

шенью имеет ряд существенных отличий по сравнению с "обычной" ионной имплантацией /1-3/. Так при ВЭШ профили внедренных примесей, особенно легких, нельзя описывать симметричным гауссовым распределением. Имеется также ряд особенностей и в протекании процессов дефектообразования. Приповерхностные слои при высокоенергетичной ионной имплантации остаются практически не поврежденными, а основное внерговыделение на упругие процессы происходит в конце траекторий ионов. В силу указанных причин распределение как первичных, так и вторичных радиационных дефектов по глубине образцов является неоднородным.

Несмотря на то, что исследованию процессов радиационного дефектообразования при высокоенергетичной ионной имплантации посвящено значительное количество работ, ряд вопросов по-прежнему остается нерешенным. Так, например, не установлена роль электронного механизма торможения ионов в процессах генерации радиационных дефектов. В данном случае вероятно формирование точечных дефектов, что требует применения для исследований высокочувствительных спектроскопических методов таких, как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), инфракрасное поглощение, фотолюминесценция и т.п.. Необходимо также проведение совместного изучения процессов генерации как точечных дефектов, так и аморфизации. Возможность одновременного введения при высокоенергетичной ионной имплантации как легирующих примесей (элементы III или V групп Периодической системы), так и нейтральных (например, инертные газы), способных создавать внутренние геттеры, а также примесей, формирующих при больших дозах изолирующие слои (кислород, азот), требует комплексного подхода для решения поставленных задач и проведения сравнительного анализа процессов радиационного дефектообразования в зависимости от вида и анергии внедряемого иона.

Практически не исследовано поведение имплантированных слоев при высокотемпературной обработке (ВТО), которая является одним из необходимых этапов в технологическом процессе формирования полупроводниковых структур посредством внедрения ионов высоких энергий. Характерное для ВЭШ неравномерное распределение примесей и дефектов по глубине образцов должно оказывать 4

нутотвстюв влияние на процессы аннигиляции, перестройки и отжига радиационных дефектов. Значительное влияние при ВТО могут оказывать имеющиеся в объеме полупроводника технологические примеси, в первую очередь, кислород. Не изучении к моменту постановки настоящей работы являлся вопрос об особенностях быстрого термического отжига (ВТО) слоев кремния, полученных внедрением высокоенергетических ионов. Следует отметить, что данный вид обработки в последнее время приобретает все ' большую актуальность.

Цель работы

Целью данной работы являлось установление особенностей процессов аморфизации кремния и генерации точечных дефектов при ВЭИИ; исследование характера распределения точечных дефектов и кластеров дефектов по глубине образца; установление влияния вида и энергии внедряемой примеси на процессы радиационного де-фектообразования за с„лсем внедрения; определение влияния радиационных дефектов на характеристики слоев после постимплан-ционной обработки; выявление особенностей активации внедряемых примесей при высокотемпературной обработке; оптимизация режимов постимплантационной обработки с целью получения высокосовер-вершенных слоев кремния; изучение возможности снижения степени дефектности материала посредством комбинированной радиационной обработки.

Научная новизна

В процессе выполнения диссертационной работы впервые по-чены следующие данные:

- установлено, что в имплантированном слое кремния имеются две области эффективного формирования при облучении точечных радиа-онных дефектов, обусловленные двумя механизмами торможения быстрых ионов;

-- показано, что формирование скоплений дефектов, обусловлено только ядерным механизмом торможения;

- обнаружено, что при ВЭИИ фактором определящим характер распределения точечных дефектов за слоем внедрения, является вид внедряемого иона;

- выявлено, что электрофизические свойства имплантированных слоев после постимплантационной обработки в значительной степени определяются распределением точечных дефектов по глубине образца;

- установлено, что формирование при высокотемпературной обработке дефектов структуры зависит как от степени нарушенности материала, так и от содержания технологической примеси кислорода;

- показано, что при быстром термическом отжиге формирующиеся "закалочные" термодефекты оказывают существенное влияние на электрофизические характеристики слоев кремния, имплантированных высокоэнергетичными ионами.

Практическая значимость

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для раэрабоки рекомендаций по технологии изготовления полупроводниковых микроелекронных приборов. Результаты работы включены в отчет по теме "Разработать метода высокоэнергетичной ионной имплантации широкозонных полупроводников, методики функ-ональной диагностики полупроводниковых материалов микро- и оптовлектроники с целью стабилизации их парамеров в ионнофо-тонных и плазменных технологических процессах. Спектроскопически исследовать материалы твердотельной электроники, содержаще дефекты структуры и разработать неразрушаицие методы контроля их свойств. Выдать заинтересованным организациям рекомендации по практическому использованию втих результатов." Исследования выполнялись в рамках республиканской программы 27.01р (03.04), координируемой АН Беларуси.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-техни-6

ческой конференции "Перспективные материалы твердотельной електроники "(Минск,1990.г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Кремний-90" (Москва,1990г.), II Всесоюзной Конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ашхабад, 1991г.), а также на семинарах кафедры физики полупроводников Белгосуниверситета.

Положения, выносимые на защиту

1. Существование в имплантированном слое двух областей эф- • фективной генерации точечных радиационных дефектов, обусловленное наличием двух механизмов торможения высоковнергетичных ионов: электронного и ядерного.

2. Определяющее влияние вида иона на эффективность генерации точечных дефектов за слоем внедрения.

3. Неоднородность электрофизических свойств ■ имплантированных слоев, обусловленная процессами дефектно-примесного взаимодействия при постимплснтационной термообработке.

Ю

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка цитируемой литературы, состоящего из 109 наименований. Работа изложена на 134* страницах машинописного текста, включая 33 рисунка и 3 таблицы.

Методы и объекты исследований

Исследования электрофизических парамеров кремния осуществлялись с помощью измерений эффекта Холла и проводимости по стандартной методике /4/ в режимах постоянного электрического и магнитного полей в темпераурном интервале 78-350 К. Спектры ИК поглощения регистрировались по одно- и двухлученым методикам в области 1-25 мкм с помощью спектрофотометров Бреоогй 75 1й и йреооМ 61 N11* при 80 и 300 К. Для измерений использовались криостаты КРО - 5, а также стандартный криостат к спектро-

7

фотометру Speoord 75 IR. Спектры фотоЭДС регистрировались при 100 и 300 К в спектральном диапазоне 1-5 мкм на установке, основу которой составлял спектрометр ИКС-21 с призмой из LiP. Исследования ЭПР проводились на спектрометре Varían Е-112 при постоянном значении частоты излучения в X - диапазоне (частота излучения 9.5 ГГц)и изменяющемся магнитном поле при температуре 77 и 300 К.

Имплантация ионов бора, неона, аргона, кислорода и криптона производилась в монокристаллы кремния п- и р-типа проводимости на импульсном циклотроне ИЦ-9. Плотности ионного тока

о

варьировались в интервале от О.Э до 2.5 мкА/см . Энергии ионов составляли: бора - 5.6 и 13-6 МэВ, кислорода - 8.1 и 19.7 МэВ, аргона - 19.7 и 46.9 МэВ, неона - 26.4 МэВ, криптона - 210 МэВ. Изохронный и изотермический отжиги проводились в печи СУ0Л-0.25 в интервале температур 100-1100 °С с шагом 25 °С. Быстрый термический отжиг осуществлялся при помощи галогенных ламп накаливания.

. Результаты исследований

1. Процессы генерации радиационных дефектов в кремнии, при высокоэнергетичной имплантации.

Установлено, что при высокоенергетичной ионной имплантации, не зависимо от вида и анергии иона формируются известные радиационные дефекты. Наиболее эффективно проявляются дивакан-кансии, многовакансионные комплексы, W-центры и области раз-упорядочения. Концентрация практически всех их возрастает монотонно с увеличением дозы имплантации. Однако, при достаточно больших дозах для тяжелых ионов монотонность нарушается, что, вероятно, обусловлено разогревом образца во время облучения, а также процессами радиационного отжига. Для одних и тех же ионов увеличение их энергии приводит к возрастанию эффективности генерации радиационных дефектов вследствие увеличения количества передаваемой кристаллу энергии при торможении единичного иона.

8

Распределение радиационных дефектов в кремнии по глубине имеет слоистый характер. При птом в имплантированном слое ириоуотвуютдва максимума в распределении концентрации дивакан-сий. Более мелкий из них обусловлен формированием дивакансий вследствие ионизации электронов с глубоких оболочек атомов основного вещества о последующей Оже-рекомбинацией, имеющей место при электронном механизме торможения ионов. Второй максимум дивакансий, совпадающий о максимумом областей раз-упорядочения, обусловлен дефектообразованием при ядерном ме-. ханизме торможения ионов. Дивакансии в обеих указанных областях имплантированного слоя надежно регистрируйся по полосе ИК-пог-лощения при 1.8 мкм. Методом конденсаторной, фото- ЭДС данные центры регистрируюся только в том случае, если они не находятся в области пространственного заряда. В результате профили данных дефектов имеют при измерениях этим методом максимумы в других местах, по сравнению с оптическими данными. Регистрируюся только центры, находящиеся в дефектно-примесной оболочке областей разупорядочения.

Согласно данным ПК поглощения и ЭПР профили центров, ответстветшх за близкраевое поглощение , и парамагнитных центров, зародышей аморфной фазы имеют лишь одни максимумы в' конце пробега ионов. Исходя из вида кривых можно сделать вывод, что указанные дефекты в отличие от точечных (таких, как дивакансии) формируются лишь при ядерном механизме торможения ионов.

Электрофизические Исследования также показали наличие в имплантированном слое двух максимумов слоевого сопротивления, местоположение которых совпадает с двумя максимумами в распределении по глубине дивакансий. На основании этого можно сделать вывод, что высокое значение слоевого сопротивления обусловлено компенсирующим действием радиационных дефектов.

При внедрении аргона после слоя внедрения величина слоевого сопротивления примерно ""ответствует значению, характерному для подложки. В случае имплантации кислорода за слоем внедрения проявляется еще один максимум слоевого сопротивления, а для бора - два. Один расположен непосредственно за слоем внедрения, а другой, очень широкий, находится на расстоянии, значительно

9

превышающем глубину внедрения примеси. Формирование радиационных дефектов в запробешой области, вероятно, обусловлено диффузией компоненов пар Френкеля в подложку. Вследствие етого за областью остановки примеси возможны скопления дефектов как-ва-кансионного, так и мекдоузельного типов. Причем, из-за более высокой подвижности собственных междоузельных атомов глубина и толщина слоя, обогащенного ими будет больше, чем для вакансион-ных комплексов.

Следовательно, за слоем внедренной примеси, вообще говоря, может быть два слоя радиационных дефектов, обусловленных диффузией из области генерации вакансий и собственных междоузельных атомов. Однако, при возрастании массы бомбардирующих частиц увеличивается вероятность формирования сложных комплексов, являющихся ловушками для компонентов пар Френкеля. В этом случае одна из выше упомянутых областей, либо сразу обе, могут отсутствовать, по крайней мере их регистрация будет затруднена вследствие низкой концентрации соответствующих дефектов.

Таким образом, картина при высокоэнергетичном внедрении ионов выглядит следующим образом. По степени нарушенное™ кристалл можно условно разделить на четыре области: 1 - высокая концентрация точечшх дефектов, преимущественно дивакансий, генерирующихся при електронном торможении ионов; 2 - сильно нарушенная область, содержащая области разупорядочения и зародыши аморфной фазы» а расположенная на глубине (0.8-0.9) йр{ 3 - область, содержащая радиационные дефекты вакансионного типа, формирующиеся вследствие диффузии вакансий из области генерации, расположена непосредственно за слоем внедрения; 4 - широкая область, обогащенная дефектами мездоузельного типа, продиффундировавшими из имплантированного слоя. Внедренная примесь расположена в основном между слоем областей раз-упорядочения и слоем вакансиесодержащих дефектов. Припо-верхростная область является практически не нарушенной. Такая слоистая структура€нарушений при высокоэнергетичной ионной импланации, существенно отличается от "низкоэнергетичного" внедрения, когда основные дефекты располагаются на глубине 10

(0.6-0.8) R .

2. Термообработка слоев, подвергнутых выеоковвергетичной ионной имплантации.

Установлено, что кинетики отжига радиационных дефектов после внедрения ионов высоких энергий достаточно хорошо согласуются с данными низкоэнергетичной имплантации. Уменьшение удельной энергии иона приводит к смещению стадии отжига дивакансий в область более низких температур. Это обусловлено уменьшением длины проецированного пробега и страгглингя примеси и, соответственно, сужением области максимальной дефектности кристалла. Следствием является снижение величины расстояния, необходимого для миграции дивакансий на .центры аннигиляции или стоки. Характерным отличием высокоенергетично-го внедрения по сравнению с низкоэнергетичной имплантацией является увеличение температуры откига центра S1-P1 (пентавакан-сия) до 625 °С. Термическая стабильность данных ценров и ш- ' рина соответствующих им линий ЭПР свидетельствуют о налички протяженного "рыхлого" дефектного слоя, в котором сконцентрированы включения аморфной фазы.

После высокотемпературного отжига слой внедрения имеет области повышенного сопротивления, которые совпадают с максимумами эффективности генерации дивакансий в процессе облучения. Анализ зависимости величины сопротивления в указанных слоях от вида и дозы внедряемой примеси, а также от типа проводимости кремниевой подложки позволил заключить, что данный эффект обусловлен формированием во. время высокотемпературного прогрева мелких донорных ценров. Ими, по всей вероятности, являются кислородосодержащие так называемые "избыточные доноры", образующиеся в результате адсорбции собственных радиационных дефектов (например, дивакансий) на электрически активных кислородных кластерах /5/. Структурные нарушения типа дислокационных петель также оказывают влияние на слоевое сопротивление имплантированных слоев, однако» оно сравнительно не велико, поскольку в данном случае изменяется лишь подвяяность основных

11

носителей заряда.

Выявлено, что проведение быстрого термического отжига позволяет существенно снизить генерацию "избыточных доноров" и создать слои с электрофизическими параметрами близкими к профилю распределения внедренной влекрически активной примеси. Однако, в данном случае оцрвделсную роль, особенно при низких дозах имплантации, играет компенсация материала закалочными термодефектвми, которые могут быть удалены кратковременным прогревом при 300 °С.

Проведение последовательной высокоенергетичной имплантации _ бора и низковнергетичной ( ~ 100 МеВ) имплантации ионов кремния приводит к снижению дефектности решетки, в том числе и в области максимальной эффективности генерации дивакансий при облучении. Вероятно, это обусловлено действием сильно нарушенного внедрением кремния приповерхностного слоя как стока для радиационных и термических дефектов. На основе выше сказанного можно заключить, что проведение двойной имплантации является наиболее предпочтительным для получения легированных слоев с заранее заданными свойствами.

Основные вывода

1. Установлено, что при высокоэнергетичной ионной имплантации слой внедрения имеет две области эффективной генерации точечных радиационных дефектов. Первая, обусловленная ядерным механизме»! торможения, находится в конце пробега ионов. Вторая, расположенная на меньшей глубине, определяется электронным механизмом торможения.

2. Показано, что при електронном механизме торможения быстрых ионов не происходит формирования структурных нарушений типа областей разупорядочения. Эффективная генерация данных де- • фектов имеет место только в конце пробега-, когда ядерный механизм торможения играет доминирующую роль.

3. За слоем внушения обнаружены точечные радиационные дефекты, образование которых обусловлено диффузией в подложку генерирующихся облучением компонентов пар Френкеля. При уве-

12

личении массы бомбардирующих ионов эффективность процесса формирования данник центров в запробекной области падает вследствие возрастания концентрации сложных структурных нарушений, являющихся ловушками для вакансий и мевдоузельных атомов.

4. Показано, что электрофизические свойства имплантированных слоев после постимлантационной обработки в значительной степени определяются характерным распределением по глубине кок точечных дефектов, так и их скоплений, имеющих радиационное происхождение. В насыщенных ими областях формируются "избыточные доноры", которые при термообработке р - кремния определяют появление высокоомных областей. Их локальные электрофизические параметры зависят как от степени нарушенности кристаллической решетки, так и от содержания примеси кислорода ■

5. Установлено, что проведение быстрого термического отжига позволяет значительно снизить концентрацию "избыточных доноров" и ослабить негативные эффекты, обусловленные их присутствием. Однако, в процессе остывания кристаллов в данном случае формируются "закалочные" термодефекты, оказывающие заметное влияние на изменение электрофизических параметров.

6. Показано, что для оптимизации элекрофизических параметров имплантированных слоев перспективным является сочетание сысокоэнерготичного внедрения ионов и последующего облучения ионами кремния с энергией ~ 100 кэВ. Формирующийся при 'атом приповерхностный нарушенный слой является эффективным стоком для радиационных и термических дефектов.

Содержание работы отражено в следующих публикациях :

1. Дидык А.Ю., Козлов И.П., Оджаев В.В., Просолович B.C., Сохацкий A.C., Аль-Баккур Ф. Особенности дефектообразования при высокоэнергетичной ионной имплантации. // В сб. материалов научно-технической конференции "Перспективные материалы твердотельной электроники", Минск.-1990,ч.1.-С.32-33.

2. Козлов И.П., Оджаев В.Б., Просолович B.C., Толстых В.П., Аль-Баккур Ф. Отжиг слоев, кремния, созданных высокоэнергетичной ионной имплантацией.//В сб. материалов научно-техпичской конференции "Перспективные материалы твердотельной

13

электроники", Минск. -1990,4.1.-С.34-35.

3. Аль-Баккур Ф., Козлов И.П., Одкаев В.Б., Просолович B.C., Попок В.Н. Фотоэлектрические свойства кремния, имплантированного высокоенергетичными ионами.//В сб. тезисов докладов II Всесоюзной научной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках", Ашхабад,-1991.-С.139-140.

4. Аль-Баккур Ф., Дидык А.Ю., Козлов И.П., Оджаев В.Б., Просолович B.C., Сохацкий A.C. Свойства слоев кремния, созданных имплантацией ионов высоких энергий.//Материалы электронной техники. -1991,сер.6, N6(260).-С.39-40.

5. Аль-Баккур Ф., Дидык А.Ю., Козлов И.II., Одааев В.Б., Просолович B.C., Сохацкий A.C., Толстых В.П. Отжиг радиационных дефектов в кремнии, облученных ионами с анергией 1 МэВ/нуклон. //Материалы электронной техники.-1991г.сер.6,N 6(2bO).-С.34-35.

6. Аль-Баккур Ф., Дидык А.Ю., Козлов И.П., Оджаев В.Б., Петров В.В., Просолович B.C., Сохацкий A.C. Особенности де-фектообразования в кремнии при выоокоэнергетичной ионной имплантации бора.//Физ. и техн. полупр.-1991.-T.25.N 10. -С.1841 -1844.

Цитированная литература

1. Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Соловьев B.C., Ширяев С.Ю. Дефекты структуры в ионоимплантированном кремнии. Минск, Университетское,-1990.-320 С.

2. Шешуга М. Damage formation and annealing of ion implantation in Si.//Mater.Sci.Repts.-1991,-V.6, N 4-5.-P.141-214.

'3. Риссел X., Руге И. Ионная имплантация.//M.: "Наука" -19Q3. -360С.

4. Кучис Е.В. Методы исследования еффекта Холла.-М: Советское радио,-1974.328 С.

5. Акулович Н.И., Мороховец М.А., Об избыточных донорах в траномутяционно-легированном кремнии, выращенном но методу Чохральского.// Фрз. и техн. полупр.-1984-~Т.18,N 9.-С.1642-1646.