Исследование структуры поверхности кремния по оптическому отражению

Герасименко, Николай Николаевич

Исследование структуры поверхности кремния по оптическому отражению тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Герасименко, Николай Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование структуры поверхности кремния по оптическому отражению»

Автореферат диссертации на тему "Исследование структуры поверхности кремния по оптическому отражению"

ииаОБ2004

На правах рукописи

ГЕРАСИМЕНКО НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПО ОПТИЧЕСКОМУ ОТРАЖЕНИЮ

01 04.10 — Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

003062004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском Институте Стали и Сплавов (ТУ) и НИИ Системных исследований РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Юрий Николаевич Пархоменко

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Виктор Наумович Мордкович

кандидат физико-математических наук, профессор, Игорь Сергеевич Смирнов

Ведущая организация: Московский Физико-Технический Институт

Защита состоится » 200?г. в_ часов на заседании диссертационного

совета при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Технологический университет МИСиС по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Московского Института Стали и Сплавов (ТУ)

Автореферат разослан « /9»Г 7 200£г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук,

профессор В.В. Гераськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Основной тенденцией развития современной полупроводниковой технологии является повышение степени интеграции компонентов (VLSI и ULSI технологии, трехмерные приборы и т.д.) и увеличение площади кристаллов.

Важнейшая задача индустрии производства приборов и компонентов заключается в снижении их стоимости при одновременном улучшении качества исполнения. Это становится возможным с применением процесса ионной имплантации. Также ионная имплантация применяется и в других областях (микромеханика, микрооптика), для модификации свойств металлов и оптических свойств материалов [1].

Развитие ионной имплантации выдвигает высокие требования к однородности и воспроизводимости эффектов, получаемых при использовании данного процесса. Появляется необходимость в разработке неразрушающих, бесконтактных, быстрых (экспресс) методик контроля параметров ионного легирования (доза, однородность дозы, энергия иона, температура пластины) [2], которые способны проводить структурные и электрофизические измерения на формируемых структурах и, в то же время, легко встраиваться в процессное оборудование для непосредственного контроля параметров во время проведения процесса и мониторинга текущей продукции.

Например, еще несколько лет назад доза легирующей примеси при ионной имплантации и неравномерность дозы по пластине почти всегда контролировалась по методике измерения слоевого сопротивления. При этом необходима процедура отжига после имплантации, что в свою очередь, требует временных и финансовых затрат, плохо согласуется с поточным производством и позволяет проводить измерения только на тестовых пластинах.

Несколько лет назад в ряде научных центров началась разработка методики, основанной на фототермических эффектах, позволяющей

исследовать свойства поверхностных и приповерхностных слоев кремния, а также пленок на его поверхности. Сейчас техника [3,4], реализующая данную методику, достигла высокого уровня развития, что дает возможность использовать ее в промышленном производстве в различных областях полупроводниковой технологии.

В настоящее время в производстве наиболее часто используется установка фирмы TERMA WAVE Inc., США, принцип работы которой основывается на модуляции коэффициента отражения.

Откалиброванная установка позволяет переводить показания прибора непосредственно в дозу имплантированной примеси. Процедура измерения полностью автоматизирована. Поэтому сразу после окончания технологического процесса можно контролировать с высокой точностью отклонения параметров имплантации (доза, энергия, угол наклона пучка относительно мишени) от заданной величины.

Мы использовали установку TWIN SC (Therma Wave Inspection System), разработанную фирмой Jenoptic Technology вместе с университетом Фридриха Шиллера в г. Йена, Германия, в которой, в отличие от американского прибора, используется повышающий чувствительность гетеродинный принцип.

Цель работы

Целью работы было определение возможностей, ограничений и особенностей применения термооптического метода для исследования структурных и электрофизических изменений поверхности кремния после технологических обработок (ионная бомбардировка, высокотемпературное окисление, травление, термическая обработка).

Научная новизна

1. Для высокочувствительного метода контроля изменения свойств

поверхности кремния после различных технологических обработок

определены особенности применения, выражающиеся в том, что в процессе измерения состояние контролируемых структурных дефектов может изменяться как за счет перезарядки, так и путем отжига.

2. Установлено, что в условиях реализации применяемого в работе метода (высокая частота модуляции возбуждающего оптического излучения -1МГц) основной вклад в измеряемый сигнал дает не нагрев образца, а изменение концентрации свободных носителей заряда (эффект Друде).

3. С помощью термооптической методики выявлены дополнительные особенности процесса ионной имплантации и последующего отжига. Основная из них состоит в том, что отжиг имплантированных слоев приводит к начальному состоянию поверхности по составу дефектов.

4. Экспериментально показано, что отжиг радиационных дефектов может происходить при комнатной температуре в течение длительного времени (до одного года и более). На любой стадии отжига он может быть активирован лазерной засветкой.

5. Показано, на примере внедрения ионов фтора в кремний, что скорость накопления радиационных дефектов может зависеть от химической природы имплантируемого иона. Сделано предположение, что этот эффект определяется возрастанием роли метастабильных пар Френкеля.

6. Ускоренное накопление радиационных дефектов при имплантации ионов фтора не приводит к ожидаемому изменению зависимости дозы аморфизации от массы иона, что связано с отсутствием пространственного разделения вакансий и междоузельных атомов для метастабильных пар Френкеля, а, следовательно, и накопления многовакансионных комплексов.

7. Установлено, что внедрение атомов фтора приводит к ускоренному спонтанному окислению имплантированных образцов во время хранения при комнатной температуре.

Практическая значимость

1. Сформулированы условия применения термооптического метода для контроля технологического процесса ионной имплантации (частота модуляции лазера, время одного измерения, интервал времени между имплантацией и измерением, предварительная обработка поверхности образца), позволяющие оптимизировать процесс измерения и устранить факторы, приводящие к дополнительной погрешности. В частности, показано, что времязависимые измерения дают возможность выявить эффекты, связанные как с отжигом дефектов во время измерения, так и с перезарядкой дефектных центров.

2. Обнаруженный эффект ускоренного накопления радиационных дефектов при имплантации в кремний ионов фтора позволяет использовать эту операцию при создании сверхмелких р-п переходов (дефекты тормозят диффузию атомов бора) вместо предлагаемой в современной литературе комплексной процедуры - аморфизация с помощью ионов германия, а затем имплантация ионов фтора.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Использование высокочувствительной методики, основанной на термооптическом эффекте, для изучения приповерхностных структурных трансформаций может приводить к изменению параметров контролируемых дефектных центров (концентрация и зарядовое состояние) в процессе измерения.

2. Отжиг радиационных дефектов в имплантированных слоях кремния наблюдается при комнатной температуре и носит длинновременной характер (год и более).

3. Скорость накопления радиационных дефектов при ионной имплантации фтора зависит не только от массы, но и химической природы бомбардирующего иона.

5. Ускоренное накопление радиационных дефектов при имплантации ионов фтора в кремний определяется вкладом метастабильных пар Френкеля в процесс дефектообразования. Этот вклад не сказывается на изменении дозы аморфизации, что связано с отсутствием пространственного разделения для этих метастабильных пар.

Личный вклад автора

Основные эксперименты были спланированы автором совместно с научным руководителем. Самостоятельно выполнялись подготовка образцов, термооптические измерения, работа с оптическим микроскопом, а также анализ результатов. Ионная имплантация производилась вед. инж. НИИСИ РАН О.И. Вылеталиной и вед. инж. А.Н. Тарасенковым. Исследования образцов дополнительными методами выполнялись в НИФТИ г. Нижний Новгород (Е.С. Питиримова) и НИИСИ РАН (А.С. Трохин, JI.B. Куликова).

Апробация работы и публикации

materials by ion beams" (SMMIB-2005, г. Кушадаси, Турция, 4-9 сентября, 2005 г.), 16-ой Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (ЭСУ-2006, г. Обнинск, Калужской обл., 6-8 июня, 2006 г.), 15-ой Международной конференции "Ion beam modification of materials" (IBMM-2006, г. Таормина, Италия, 18-22 сентября, 2006г.)

В ходе подготовки диссертационной работы была получена премия Правительства Российской Федерации 2005 года в области науки и техники для молодых ученых, 3-я премия фонда Селии Элиотт, а также стипендия Правительства РФ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 статьи в реферируемых отечественных научных журналах и 9 докладов либо тезисов на международных конференциях. Список указанных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и списка цитируемой литературы, изложена на 105 страницах, содержит 54 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 51 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении на основании общего рассмотрения состояния проблемы развития физических основ микроэлектроники и прежде всего одного из ее основных составляющих - ионная имплантация и ионный синтез, обоснована актуальность темы исследований. Кроме того, в начальной части работы изложены ее основные структурные компоненты, а именно научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о ее структуре и содержании.

Глава 1 носит обзорный характер и логически состоит из двух частей.

В первой части подробно описываются механизмы, которые лежат в основе метода термооптического детектирования, приводятся их физические модели и математические выражения. Рассматриваются особенности и принципы работы существующих на сегодняшний день установок, реализующих данный принцип измерения.

Во второй части приведен обзор литературы, посвященный применению термооптического метода при исследовании образцов после различных видов обработок (главным образом, ионная имплантация). Показано влияние основных параметров ионной имплантации (доза, энергия, ток пучка, тип иона), а также состояния исходной подложки, в частности, наличие или отсутствие поверхностного слоя окисла, на детектируемый сигнал.

Рассмотрены особенности накопления радиационных дефектов, детектируемых термооптическим методом, в различных диапазонах доз имплантации.

На основании литературных данных обсуждается чувсвительность метода для разных дозовых диапазонов. Обращается внимание, что с помощью данной методики удалось зафиксировать эффект изменения измеряемого сигнала при хранении имплантированного образца при комнатной температуре.

Рассмотрена возможность использования термооптического метода в конкретных технологических задачах: возможность исследования мелкозалегающих р-п переходов и применение методики для детального выявления топологии интегральных схем, сформированных на пластине кремния.

В заключение главы обосновывается и формулируется направление исследований и основная цель настоящей работы.

Глава 2 посвящена анализу основных особенностей применения термооптической методики, связанных с конструкцией установки и параметрами измерения.

В разделе 2.1 рассмотрены механизмы (изменение оптических параметров за счет нагрева и вариации концентрации свободных носителей заряда), определяющих величину детектируемого с помощью термооптического метода сигнала от приповерхностных областей полупроводниковых материалов и анализу соотношения вкладов для реальных условий эксперимента (частота модуляции возбуждающих лазеров 1 МГц).

Приведены необходимые условия, позволяющие разделить компоненты в детектируемом сигнале. Рассмотрен ряд работ, в которых предпринималась попытка теоретически оценить соотношения термического эффекта и эффекта носителей заряда в отраженном детектируемом сигнале на облученных (имплантация Аг+, в диапазоне доз от Ю!0 до 1014см'2) и необлученных образцах.

Исходя из того, что во время измерений поверхность тестируемого образца не нагревается более чем на десять градусов Цельсия [3], а также, что концентрация неравновесных носителей заряда, возбуждаемых пучком лазерного излучения даже на имплантированных образцах, может изменяться на порядки величины, было высказано предположение, что основной вклад в величину измеряемого сигнала на имплантированных образцах дает компонента, связанная с механизмом Друде.

Для этого, с целью выделения термической компоненты, были проведены измерения на неимплантированных и имплантированных пластинах с косвенньм подогревом пластины во время измерения до величины 30 градусов Цельсия. В результате оказалось, что величина термооптического сигнала от нагрева изменяется слабо, показывая преобладание компоненты носителей заряда при измерении с частотой 1МГц.

В разделе 2.2 приведены результаты исследований различных образцов (облученных и необлученных), полученные с помощью оригинального (времязависимого) способа измерения с длительным воздействием лазерного света на образец (Рис.1, 2).

Время,с

с.1 Времязависимое измерение на пластине длительность измерения 20мин, период

Рис.2 Времязависимое измерение на имплантированной Р+ пластине дозой 2'1015см'2, энергия 30 кэВ, длительность измерения 20мин, период 1мин

Глава 3 посвящена исследованию возможностей применения методики термооптического детектирования для изучения состояния поверхности образцов монокристаллического кремния после различных видов обработок (кроме ионного легирования).

Для этого использовались пластины монокристаллического кремния (КДБ 10-12, КЭФ 4.5) изначально подвергнутые стандартной химико-динамической полировке.

Подробно рассматривались состояния поверхности пластин после следующих обработок:

- химическая отмывка (Оз+4НЬ), а потом хранение в течение длительного времени па воздухе;

- термический отжиг в режиме термического окисления (быстрый термический отжиг в течении 60с, при температуре 1000°С, в атмосфере азота);

- термическое окисление в тех же режимах с меняющейся толщиной окисла в пределах 50 - 150А за счет изменения времени процесса;

- снятие окисла с помощью парового травления.

В качестве основного метода исследования использовалась методика

термооптического детектирования (частота модуляции лазеров 1МГц и

1.01МГц, мощности 8мВт каждый) во времязависимом режиме, то есть многократное измерение в одной точке с интервалом времени 1мин, при этом лазеры постоянно светят на поверхность образца. Толщина окисного слоя измерялась эллипсометром с погрешностью не более 0,1 А.

Были получены следующие результаты:

Возрастание величины сигнала (рис.1), происходящие во времязависимых измерениях на образцах до любых обработок, по-видимому, связаны с перезарядкой состояний поверхности и накоплением заряда на них. Об этом свидетельствует обратимые изменения величины сигнала при повторении измерения.

- На образцах с окислом в течение времязависимых измерений происходит стабилизация и увеличение по интенсивности детектируемого сигнала. Это говорит о том, что с нарастанием естественного окисла или после проведения высокотемпературного окисления происходит образование структурных дефектов в приповерхностной области, к которым, прежде всего, следует отнести двойники и дефекты упаковки (согласно мировому стандарту SEMI М34-0299). Также термическое окисление приводит к стабилизации поверхности за счет уменьшения числа оборванных химических связей и снижения плотности поверхностных состояний.

- Доминирующая роль дефектов упаковки и двойников при окислении подтверждается экспериментами по увеличению толщины окисной пленки (рис.3). При проведении времязависимых измерений на пластинах с различной толщиной окисной пленки наблюдается увеличение начального уровня термооптического сигнала от измерения к измерению. Это изменение (рост) величины начального сигнала при окислении, когда вводятся дефекты упаковки и двойники, определяется тем, что эти центры дают существенный вклад в процессы безызлучательной рекомбинации, однако они не подвержены процессу перезарядки.

- Измерения после химической отмывки (03+4HF) приводят к снижению начальной величины сигнала. Однако со временем происходит постепенное

возрастание сигнала от измерения к измерению, в связи с нарастанием поверхностной окисной пленки.

- После снятия окисла с помощью парового травления, нестабильность (возрастание величины сигнала) в течение времязависимых измерений вновь начинает проявляться за счет небольшого травления кремния (рис.4).

- При отжиге в атмосфере азота (1000°С, 60с) начальный сигнал, в противоположность процессу окисления, уменьшается. Это свидетельствует о том, что кроме выше названных дефектов упаковки и двойников, по-видимому, изначально в приповерхностной области существуют и другие дефекты, играющие роль центров рекомбинации, которые при отжиге устраняются.

67 66 65 | 64 5? 63 62 61 60

с.З Времязависимые измерения на пластинах Рис.4 Времязависимые измерения на пластине КДЕ 13 с окислами 154А, 120А и 55А, длительность с окислом (толщина 55А) и без окисла (паровое мерения 6 мин, период 1 мин. травление), длительность измерения бмин, периол

1мин.

Глава 4 посвящена изучению термооптических эффектов на поверхности имплантированного кремния. В этих исследованиях главным образом уделялось внимание рассмотрению процессов накопления радиационных дефектов в зависимости от дозы имплантации для ионов разных масс, наиболее употребимых в технологических процессах (В+, Р+, Аэ+, Вр2+). Подробно были проанализированы результаты процессов отжига.

Толщина термического поверностного окисла 154 А

Толщина термического поверностного окисла 120 А

Толщина термического поверностного окисла 53 А

Пластана с термическим окислом толщиной 55А.

Проведено паровое травление термического окисла 55А

150 200 Врвмя.с

Были использованы стандартные пластины монокристаллического кремния (КДБ 10-12, КЭФ 4.5), изначально подвергнутые общепринятой химико-динамической полировке. Для облучения использовались ионы В+, F+, Р+, As+, BF2+ с тем, чтобы проследить зависимость процесса дефектообразования от массы иона. Параметры пучка ионов выбирались в соответствии с процессами, применяемыми на производстве интегральных схем. Термический отжиг производился при температурах в диапазоне от 300 до 1100 °С, 60с в атмосфере азота. На ряде пластин был выращен термический окисел толщиной 115А. Выбор связан с тем, что именно такая толщина используется в процессе ионного легирования согласно технологическому маршруту.

Методика термооптического детектирования (частота модуляции лазеров 1МГц и 1.01МГц, мощности 8мВт каждый, время измерения в точке ЗЗОмс) использовалась, в основном, во времязависимом режиме. При этом длительность времязависимого измерения составляла 6 или 20 мин., а период между детектированиями отраженного света 1 мин. Толщина окисного слоя измерялась эллипсометром с погрешностью 0,1 А.

В разделе 4.2.1 рассмотрены зависимости термооптического сигнала от массы иона. Из приведенных в таблице данных (Табл. 1) видно, что величина термооптического сигнала прямо связана с величиной радиационных нарушений, определяемых, при сравнимых параметрах облучения, массой бомбардирующего иона: сигнал увеличивается с увеличением массы иона (В+, Р+, As+, BF2+). Однако использование ионов F+ привело к неожиданному результату: величина термооптического сигнала при тех же параметрах облучения оказалась существенно выше, чем для более тяжелого иона Р+ и практически сравнима с величиной сигнала для наиболее тяжелого из используемых ионов As+.

Табл.1

Начальные значения времязависимых измерений на облученных различными ионами образцах (через окисел 115А) Измеряемый сигнал К (е-9 м/Вт)

BF2+, доза 2.3-101:>см"2, энергия 60 кэВ 259

As+, доза 4.3- Ю15см"2, энергия 60 кэВ 240.2

F\ доза 2.3-101scm"2, энергия 60 кэВ 230

Р+, доза 2-1015см"2, энергия 30 кэВ 111.6

В+, доза 2-10°см"2, энергия 30 кэВ 59.3

Приведены результаты по дозовой зависимости величины термооптического сигнала для ионов, которые сравнивались с точки зрения эффективности дефектообразования, где отмечается, что характер дозовой зависимости вплоть до дозы 101бсм'2 для ионов бора резко отличается от аналогичных зависимостей для ионов фтора и фосфора.

Оказалось, что дозовые зависимости термооптического сигнала существенно различаются для разных типов ионов. Это различие обнаруживается прежде всего области, известных для исследуемых ионов, доз аморфизации: сигнал существенно увеличивается при наступлении дозы аморфизации. Такое увеличение связано с тем, что термооптические характеристики монокристалла и аморфного состояния существвенно различаются. Большее значение сигнала в области доз аморфизации для ионов бора по сравнению с ионами фосфора связано, по видимому, с тем, что аморфизированный слой при бомбардировке ионами бора шире, чем для ионов фосфора.

Все выше приведенные факты заставили в ходе исследования обратить особое внимание на процесс дефектообразования при внедрении в кремний ионов фтора и связанный с ним процесс аморфизации и провести специальный цикл исследований с применением взаимодополняющих

методов. Результаты исследования подробно обсуждаются в отдельной главе (глава 5).

В разделе 4.2.2 освещаются вопросы, связанные с отжигом радиационных дефектов. Одним из которых является отжиг при комнатной температуре. Несмотря на то, что этот эффект уже хорошо изучен, нами был отмечен, интересный по нашему мнению факт, что сам процесс засветки образца во время измерения после длительного хранения приводит к активации процесса отжига: сигнал существенно уменьшается при повторном измерении через 24 часа на образце, который измерялся через 2,5 года после имплантации.

С помощью термооптической методики был исследован процесс отжига имплантированных ионами фосфора образцов различной дозой. Показана динамика изменения величины сигнала после отжига образцов при температурах в диапазоне от 300 до 1100°С (рис.5). Здесь особо следует отметить, резкий спад кривой, соответствующей дозе 2-1015см"2 в интервале 700 - 750°С градусов, который ясно указывает на процесс рекристаллизации аморфизированного слоя.

Дополнительно были проведены исследования пластин, легированных ионами фосфора с различной дозой. Измерения проводились до отжига (при температуре 1000°С) и после него (рис.6). На малых дозах различие между данными, которые были полученны от отожженных и неотожженных образцов, практически не проявляется. Заметное расхождение происходит с набором дозы и становится отчетливо видно при достижении дозы аморфизации. Этот факт наглядно демонстрирует наступление фазового перехода аморфное состояние - монокристалл.

В разделе 4.2.3 рассматриваются вопросы влияния поверхностного слоя окисла на термооптический сигнал.

Здесь представлены два важных результата. Один из них тесно связан с предыдущим разделом (отжиг радиационных дефектов) и состоит в том, что

при проведении времязавиеимых измерений на отожженных после облучения образцах, по сравнению с облученными и исходными образцами (до процесса имплантации) динамика изменения сигнала на отожженных образцах становится аналогичной тому, что происходит на образцах до облучения: либо величина термооптического сигнала, при проведении повторного времязависимого измерения, возрастает на образцах без покрытия (окисла), либо становится стабильной для пластин с окислом.

Логарифм дозы, см1

Рис.5 Зависимость амплитуды

ермооптического сигнала от температуры

тжига кремниевых образцов, легированных онами Р+ с различной дозой.

Рис.6 Зависимость измеряемого сигнала от логарифма дозы легирования Р+ в кремний Имплантация проводилась через естественный поверхностный слой окисла.

Другой результат посвящен ускоренному, спонтанному окислению

образца, подвергнутого имплантацией ионами фтора. Действительно,

проверка показала (измерение на эллипсометре), что на образце

легированном ионами фтора (доза 2.3-1015, энергия бОкэВ) после хранения

при комнатной температуре в течение 1 года вырастает окисел толщиной

280А, тогда как на других образцах толщина естественного окисла не

превышает 50А (при тех же параметрах хранения). Это увеличение толщины

окисла при хранении образца, облученного Р+ определяется, по-видимому,

химической активностью атомов фтора. В свою очередь нарастание

термооптического сигнала на этих образцах во время длительного хранения также связано с этим "спонтанным" окислением, что приводит к введению дополнительных структурных дефектов в прилежащую область кремниевой пластины.

В разделе 4.2.4 представлены результаты, связанные и вариацией параметров времязависимого измерения:

- при использовании шторки, то есть, когда засветка лазерным светом происходит только во время измерения, получено, что в это время не происходит изменения сигнала в течение времязависимого измерения, а при постоянной подсветке между детектированиями величина сигнала уменьшается.

- повторение цикла времязависимых измерений в исследуемой точке на поверхности имплантированного образца показало необратимое изменение величины термооптического сигнала, определяемое отжигом центров в процессе измерения, в отличие от необлученных образцов, где происходит обратимое изменение, которое может быть связано с модификацией поверхности, в частности, с перезарядкой дефектных центров (Глава 3).

Глава 5 посвящена особенностям дефектообразования при имплантации в кремний ионов фтора.

Описанные раннее неожиданные эффекты: величина сигнала, соответствующая суммарному дефектообразованию, при облучении ионами фтора не совпадала с принятыми ранее представлениями о зависимости выхода радиационных дефектов от массы бомбардирующего иона, а также рост величины сигнала при длительном хранении имплантированного фтором образца (см. Глава 4), заставили провести самостоятельный цикл исследований, посвященный прямому изучению накопления радиационных дефектов и аморфизации монокристаллического кремния при имплантации ионов фтора.

Приведенный в начале главы теоретический анализ показывает, что

согласно существующим представлениям число радиационных дефектов и их

распределение зависят только от атомного номера иона, температуры, энергии, дозы и от эффекта канал ирования.

Для обнаружения радиационных дефектов был использован метод косвенного выявления остаточных дефектов с помощью окислительного теста, широко применяемого в технологии подготовки кремниевых пластин и контроля их качества по остаточным дефектам. При этом для оценки плотности дефектов в поверхностном слое кремния использовалась методика химического травления с последующим изучением в микроскопе (согласно мировому стандарту SEMI М34-0299). Для чистоты эксперимента было сделано аналогичное выявляющее травление на образцах, не подвергшихся ионной имплантации. Были сняты изображения поверхностей пластин в оптическом микроскопе Leica 1NM 300 DUV с использованием глубокого ультрафиолета (А, ~ 248нм), которые представлены на рис.7.

W* Lj JL 'w ■ v . ■■■"J^- ■ ■

m •• ,* Ч;

ШшМШШЫ^й ш^^ёж! 1

а) б) В)

Рис.7 Поверхности пластин после выявляющего травления, легированные ионами а) фосфора (D - 2.3101' см'2, 60 кэВ| б) фтора (D = 2.3'1015 см"2, 60 юВ), и в) без проведения имплантации.

Таким образом, попытка прямого наблюдения радиационных дефектов в имплантированных фтором образцах кремния по кал ала, что фтор является именно той примесью, которая меняет представление о том, что только масса налетающего иона является параметром, от которого зависит выход радиационных дефектов.

Если это так, то и процесс фазового перехода монокристалл - аморфное

состояние при облучении кремния ионами фтора также должен проявить

особенности, связанные с химической природой бомбардирующего иона. При этом вплоть до настоящей работы такой зависимости среди опубликованных в мировой литературе результатов обнаружить не удалось.

Для исследования процессов аморфизации с целью сравнения бомбардирующих ионов в широком диапазоне масс (бор, фтор, фосфор, мышьяк) был использован наиболее наглядный метод демонстрации фазового перехода, позволяющий оценить величину дозы аморфизации -дифракция быстрых электронов на отражение (электронография).

Результаты этих экспериментов позволили оценить дозу аморфизации для всех использованных ионов, которая кроме ионов фтора совпадает с приведенными и многократно проверенными опубликованными данными [5]. Хотя доза аморфизации для ионов фтора и отличается в сторону уменьшения от общей зависимости, однако это отличие не столь значительно, как можно было бы предполагать, основываясь на данных по скорости накопления радиационных дефектов.

Рассмотрена основная причина ускоренного накопления радиационных дефектов при бомбардировке ионами фтора, которой является возможность взаимодействия внедренных атомов фтора с компонентами метастабильной пары Френкеля, что уменьшает их вероятность прямой аннигиляции (рис.8). Подробно изучены результаты по аморфизации. Полученные в диссертации данные, касающиеся особенностей фазового перехода при внедрении ионов фтора в кремний объясняются с позиций накопления критической концентрации радиационных дефектов, которая стимулируется прострастранственным разделением вакансий и междоузельных атомов. С этих позиций ускоренное накопление радиационных дефектов при облученнии ионами фтора за счет связывания компонетов метастабильных пар Френкеля не дает заметного вклада в процесс аморфизации, вследствие того, что указанный выше процесс связывания замедляет пространственное разделение и образование многовакансионных комплексов (УУ-центров).

Рис.8 Схематическое представление процессов дефектообразования, происходящих в кремниевой подложке при облучении ионами фтора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. При использовании термооптической методики выяснилось, что:

- для более подробного анализа полученных с помощью термоволновой методики данных необходимо учитывать соотношение вкладов физических механизмов (изменение оптических параметров за счет нагрева и вариации концентрации свободных носителей заряда), определяющих величину детектируемого сигнала от приповерхностных областей полупроводниковых материалов. В нашем случае (мы использовали частоту модуляции 1МГц) было показано, что в измеряемом отклике доминирует "плазменная" компонента;

измеряемого сигнала в процессе измерения, но и демонстрирует разный характер такого изменения для разных типов обработки поверхности;

2. Результаты, связанные с накоплением и отжигом различных типов

дефектов (в том числе и радиационных).

- При проведении времязависимых измерений выяснилось, что:

а) В зависимости от характера поверхностной обработки может наблюдаться как обратимый эффект изменения величины детектируемого сигнала (что по-видимому связано с процессом перезарядки поверхностных дефектных центров), так и необратимое уменьшение, свидетельствующее об отжиге радиационных дефектов;

б) Возрастание начального значения измеряемого сигнала в результате окисления поверхности кремния связано с накоплением в приповерхностной области дефектов типа двойников и дефектов упаковки. Эти структурные дефекты не подвержены при лазерном облучении ни перезарядке ни отжигу, поэтому сигнал во времязависимых измерениях не изменяется. Этот факт указывает на то, что дефекты, образующиеся при окислении, определяют процессы, детектируемые термооптической методикой;

в) После отжига облученных образцов характер изменения величины сигнала в процессе времязавимых измерений становится аналогичным тому, что наблюдается на необлученных образцах. Это говорит о том, что радиационные дефекты отжигаются, а центры, присутствующие на поверхности до облучения вновь определяют динамику изменения сигнала (через перезарядку);

- Термооптическая методика позволяет не только контролировать процесс накопления дефектов, но также и наблюдать фазовый переход аморфное состояние - монокристалл;

- Наблюдаемый с помощью термооптической методики процесс отжига при комнатной температуре может ускоряться лазерным воздействием

от измерительной установки через любое продолжительное время (например, от 0.5 года и более);

- При определении скорости дефектообразования с помощью термоволновой методики получено, что для ионов с разной массой известная зависимость увеличения скорости с ростом массы сохраняется за исключением случая облучения ионами фтора: эта скорость для легкого иона фтора практически аналогична скорости для тяжелого иона мышьяка. Это позволило заключить, что в данном случае (бомбардировка ионами Б+) на скорость дефектообразования влияет не только масса бомбардирующего иона, но и его химическая природа;

3. Ранее неизвестные эффекты, обнаруженные при имплантации ионов

фтора в кремний.

- С помощью дополнительных методик (выявляющее травление, оптическая микроскопия, электронография) подтверждено, что при облучении кремния ионами фтора происходит аномальное ускоренное дефектообразование. Это, по нашему мнению, происходит благодаря подавлению прямой аннигиляции метастабильных пар Френкеля и созданию химических связей с атомами фтора;

- Показано, что бомбардировка ионами фтора приводит к "спонтанному" окислению поверхности образца во время хранения при комнатной температуре, что ведет к дополнительному увеличению концентрации дефектов;

- Проверка зависимости дозы аморфизации от массы ионов не показала аномального значения для случая облучения ионами фтора. Это указывает на то, что вовлечение в процесс дефектообразования близких пар Френкеля не приводит к изменению дозы аморфизации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

AI. H.H. Герасименко (мл.), H.H. Герасименко, В.Ю. Троицкий, Ю.Н. Пархоменко. Термооптический контроль состояния поверхности кремния // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2004. -№4.-С. 57-60.

А2. H.H. Герасименко (мл.). Термооптический метод исследования структуры поверхности // Известия вузов. Электроника.

A3. H.H. Герасименко (мл.), H.H. Герасименко, Ю.Н. Пархоменко, А.Н. Тарасенков, В.Ю. Троицкий. Особенности использования термооптического метода для исследования радиационных дефектов в имплантированном кремнии // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2006. - №1. - С. 35-40.

A4. H.H. Герасименко, A.A. Жуков, H.H. Герасименко (мл.), А.Н. Тарасенков, И.В. Ловягин. Аномальное дефектообразование в монокристаллическом кремнии при имплантации ионов фтора // Известия вузов. Электроника. - 2005. - №4-5. - С. 185-187.

А5. H.H. Герасименко, H.H. Герасименко (мл.), В.Ю. Троицкий, Ю.Н. Пархоменко. Долгоживущие радиационные дефекты в имплантированном кремнии // Тезисы 5-го Международного семинара "Радиационная физика металлов и сплавов". Снежинск. — 2003. - С. 116.

А6. H.H. Герасименко, H.H. Герасименко (мл.), В.Ю. Троицкий, А.Н. Тарасенков. Термооптические эффекты на имплантированном кремнии // Тезисы 7-го Всероссийского семинара "Физические и физико-химические основы ионной имплантации". Нижний Новгород. - 2005. -С. 73.

А7. H.H. Герасименко, H.H. Герасименко (мл.), В.Ю. Троицкий, Ю.Н. Пархоменко. Термооптические эффекты, связанные с поверхностными структурными нарушениями на кремнии // Тезисы 6-го Международного семинара "Радиационная физика металлов и сплавов". Снежинск. - 2005. -С. 127.

А8. N.N. Gerasimenko, N.N. Gerasimenko (jr.), V.Yu Troitskiy. Long-existing radiation defects in implanted silicon // Proceedings of the V International conference "Ion implantation and other applications of ions and electrons". Kazimerz Dolny. Poland. - 2004. - P. 93.

A9. H.H. Герасименко, H.H. Герасименко (мл.), В.Ю. Троицкий, Ю.Н. Пархоменко. Термооптические эффекты, связанные с поверхностными структурными нарушениями на кремнии // Тезисы 8-ой Международной конференции "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий". Обнинск. - 2005. - С. 81.

А10. Н.Н. Герасименко, Н.Н. Герасименко (мл.), В.Ю. Троицкий, Ю.Н. Пархоменко. Термооптические эффекты, связанные с поверхностными структурными нарушениями на кремнии // Тезисы 17-ой Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью". Звенигород. - 2005. - С. 149.

All. N.N. Gerasimenko, N.N. Gerasimenko (jr.), V.Yu Troitskiy, Yu.N. Parkhomenko. Thermooptical effects on radiation defects in implanted silicon // Proceedings of the XIV International conference "Surface modification of materials by ion beams". Kushadasi. Turkey. - 2005. - P. 20.

A12. H.H. Герасименко, H.H. Герасименко (мл.). Термооптические методы для исследования радиационных дефектов // Тезисы 16-ой Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям. Обнинск. - 2006. - С. 170.

А13. N.N. Gerasimenko, A.N. Tarasenkov, N.N. Gerasimenko (jr.), I.N. Loviagin, S.A. Aprelov. Why the F+ ion implantation can stop boron diffusion in Si? // Proceedings of the XV International Conference on Ion Beam Modification of Materials. Taormina. Italy. - 2006. - P. 365.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Proceedings of the International Conference on Ion Implantation Technology.

2. M.I. Current et. al. // Handbook of Ion Implantation Technology - P.647 / Ed. By J.F. Ziegler - Amsterdam: North-Holland, 1992.

3. W. Smith, A. Rosencwaig, D. Willenborg. Ion implant monitoring with Thermal Wave Technology // Applied Physics Letters. - 1985. - Vol. 47(6). -P. 584-586.

4. M. Wagner, H.D. Geiler. Single-beam thermowave analysis of ion implanted and laser annealed semiconductors // Meas. Sci. Technol. - 1991. - Vol. 2. -P.1088-1093.

5. L.Pelaz, L.Marques, J.Barbolla. Ion-beam induced amorphization and recryctallization in silicon // Applied physics review. - 2004. - Vol. 96. - No 11.-P. 5947-5976.

Подписано в печать 07.02.2007 Формат 60x90 1/16 Гарнитура Тайме Печать офсетная Бумага тип. Усл.печ.л.7 Тираж 100 экз. Заказ № 4127

Отпечатано в типографии ООО «Мультипринт» 121360, г. Москва, ул. Верейская, д. 29. Тел.: 237-17-60; 518-76-24; 411-96-97

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Герасименко, Николай Николаевич

Перечень сокращений и условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1 Физические основы метода.

1.2 Проникновение лазерного луча.

1.3 Термическая волна и волна носителей заряда.

1.4 Схемы и принципы работы установок TWIN SC и Therma Probe.

1.4.1 Принцип работы установки TWIN SC.

1.4.2 Принцип работы установки Therma Probe.

1.5 Обзор литературы по исследованию имплантированной поверхности кремния.

1.5.1 Материал подложки.

1.5.2 Влияние параметров ионной имплантации на детектируемый сигнал.

1.5.2.1 Зависимость от типа иона.

1.5.2.2 Зависимость от энергии иона.

1.5.2.3 Влияние имплантации на коэффициент отражения R.

1.5.2.4 Зависимость от тока пучка ионов.

1.5.3 Влияние дозы имплантации на контролируемые параметры.

1.5.3.1 Измерение при малых дозах (1010 до 1012см"2).

1.5.3.2 Измерение при средних (от 10 см" до порога аморфи-зации) и больших дозах (Q>Qa).

1.5.4 Чувствительность и калибровка.

1.5.5 Зависимость величины измеряемого отклика от времени после имплантации.

1.5.6 Измерение на образцах со структурой.

1.5.7 Использование термоволнового метода для исследования мелкозалегающих р-n переходов.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование структуры поверхности кремния по оптическому отражению"

Актуальность темы

Основной тенденцией развития современной полупроводниковой технологии является повышение степени интеграции компонентов (VLSI и ULSI технологии, трехмерные приборы и т.д.) и увеличение площади кристаллов.

Развитие ионной имплантации выдвигает высокие требования к однородности и воспроизводимости эффектов, получаемых при использовании данного процесса. Появляется необходимость в разработке неразрушающих, бесконтактных, быстрых (экспресс) методик контроля параметров ионного легирования (доза, однородность дозы, энергия иона, температура пластины) [4], которые способны проводить структурные и электрофизические измерения на формируемых структурах и, в то же время, легко встраиваться в процессное оборудование для непосредственного контроля параметров во время проведения процесса и мониторинга текущей продукции.

Например, еще несколько лет назад доза легирующей примеси при ионной имплантации и неравномерность дозы по пластине почти всегда контролировалась по методике измерения слоевого сопротивления [4,5]. При этом необходима процедура отжига после имплантации, что в свою очередь, требует временных и финансовых затрат, плохо согласуется 'с поточным производством и позволяет проводить измерения только на тестовых пластинах.

Несколько лет назад в ряде научных центров началась разработка методики, основанной на фототермических эффектах, позволяющей исследовать свойства поверхностных и приповерхностных слоев кремния, а также пленок на его поверхности. Сейчас техника [6,7], реализующая данную методику, достигла высокого уровня развития, что дает возможность использовать ее в промышленном производстве в различных областях полупроводниковой технологии.

В настоящее время в производстве наиболее часто используется установка фирмы TERMA WAVE Inc., США [8,9], принцип работы которой основывается на модуляции коэффициента отражения.

Откалиброванная установка позволяет переводить сигнал отклика непосредственно в дозу или толщину поверхностной пленки. Процедура измерения полностью автоматизирована. Поэтому сразу после технологического процесса можно визуализировать микро и макро неравномерности с высокой чувствительностью.

В свою очередь, мы использовали установку TWIN SC (Therma Wave Inspection System) [10,11], разработанную фирмой Jenoptic Technology вместе с университетом Фридриха Шиллера в г. Йена, Германия, в которой, в отличие от американского прибора, используется повышающий чувствительность гетеродинный принцип [10].

Цель работы

Целыо работы было определение возможностей, ограничений и особенностей применения термооптического метода для исследования структурных и электрофизических изменений поверхности кремния после технологических обработок (ионная бомбардировка, высокотемпературное окисление, травление, термическая обработка).

Научная новизна

1. Для высокочувствительного метода контроля изменения свойств поверхности кремния после различных технологических обработок определены особенности применения, выражающиеся в том, что в процессе измерения состояние контролируемых структурных дефектов может изменяться как за счет перезарядки, так и путем отжига.

Практическая значимость

2. Обнаруженный эффект ускоренного накопления радиационных дефектов при имплантации в кремний ионов фтора позволяет использовать эту операцию при создании сверхмелких р-n переходов (дефекты тормозят диффузию атомов бора) вместо предлагаемой в современной литературе комплексной процедуры - аморфизация с помощью ионов германия, а затем имплантация ионов фтора.

Основные положения, выносимые на защиту

4. Ускоренное накопление радиационных дефектов при имплантации ионов фтора в кремний определяется вкладом метастабильных пар Френкеля в процесс дефектообразования. Этот вклад не сказывается на изменении дозы аморфизации, что связано с отсутствием пространственного разделения для этих метастабильных пар.

Апробация работы и публикации

Результаты работы были доложены и обсуждены на 5-ом Всероссийском семинаре "Радиационная физика металлов и сплавов" (г. Снежинск, Челябинской обл., 23 февраля по 1 марта, 2003 г.), 5-ой Международной конференции "Ion implantation and other applications of ions and electrons" (ION-2004, г. Казимерж Дольный, Польша, 14-17 июня, 2004 г.), 7-ом Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (ФФХОИИ-2004, Нижний Новгород, 26-29 октября, 2004 г.), 6-ом Всероссийском семинаре "Радиационная физика металлов и сплавов" (г. Снежинск, Челябинской обл., 20-26 февраля, 2005 г.), 8-й Международной конференции "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (г. Обнинск, Калужской обл., 14-18 июня, 2005 г.), 17-ой Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ISI-2005, г. Звенигород, Московской обл., 25-29 августа, 2005 г.), 14-ой Международной конференции "Surface modification of materials by ion beams" (SMMIB-2005, г. Кушадаси, Турция, 4-9 сентября, 2005 г.), 16-ой Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (ЭСУ-2006, г. Обнинск, Калужской обл., 6-8 июня, 2006 г.), 15-ой Международной конференции "Ion beam modification of materials" (IBMM-2006, г. Таормина, Италия, 18-22 сентября, 2006г.), 8-ом Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (ФФХОИИ-2004, Нижний Новгород, 22-27 октября, 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в реферируемых отечественных научных журналах и 10 докладов либо тезисов на международных конференциях. Список указанных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и списка цитируемой литературы, изложена на 106 страницах, содержит 54 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 51 наименования.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

4.3 Заключение

В заключение следует отметить:

- термооптическая методика контроля состояния поверхности и приповерхностных слоев оказалась высокоэффективной для многих направлений, хотя главным образом используется для контроля радиационных дефектов после ионной имплантации (в том числе и при малых дозах);

- с ее помощью обнаружены ранее неизвестные явления, такие, например, как отжиг радиационных дефектов при комнатной температуре в течение длительного времени;

- было сделано важное утверждение: на скорость дефектообразования влияет не только масса бомбардирующего иона, но и его химическая природа;

- воздействие лазерного луча во время измерения может приводить к частично обратимому изменению величины измеряемого сигнала. При проведении серии времязависимых измерений характер изменений зависит от того, сохраняется или нет засветка образца между измерениями;

- используемая методика не дает возможности идентифицировать дефекты, определяющие величину измеряемого сигнала, а также выявить причины влияния подсветки на эту величину. Однако уже сейчас можно сделать заключение о выделении ряда дефектов (двойники, дефекты упаковки), которые также оказывают влияние на измеряемую величину, но отличаются от радиационных дефектов;

Глава 5. Особенности дефектообразования при имплантации в кремний ионов фтора [А4].

Применение термоволновой методики для исследования дефектообразования и фазовых переходов монокристалл - аморфное состояние и обратно привело, кроме получения дополнительной информации об особенностях исследуемого процесса, к ранее неизвестным результатам, существенно изменяющим общую картину структурных перестроек в имплантированном кремнии. Именно при использовании этого метода был обнаружен неожиданный эффект возрастания величины сигнала, соответствующий суммарному дефектообразованию, при облучении ионами фтора, что не совпадало с принятыми ранее представлениями о зависимости выхода радиационных дефектов от массы бомбардирующего иона. Этот результат наряду с не менее удивительным результатом роста величины сигнала при длительном хранении имплантированного фтором образца (см. Глава 4) заставил провести самостоятельный цикл исследований, посвященный прямому изучению накопления радиационных дефектов и аморфизации монокристаллического кремния при имплантации ионов фтора.

Число радиационных дефектов и их распределение зависят от атомного номера иона, температуры, энергии, дозы и от эффекта каналлирования. Концентрацию радиационных дефектов оценивают либо по доле энергии, передаваемой твердому телу в ядерных столкновениях, либо по числу образованных вакансий. Простейшие дефекты - дефекты Френкеля создаются при смещении решетки в междоузлие. При этом возникают вакансия и междоузельный атом.

Известно [5], что число N(t,p смещенных атомов на один падающий ион при первичном столкновении рассчитывают по формуле Кинчина-Пиза:

5*° где Е - энергия иона, а Ед - эффективная пороговая энергия смещения атома решетки. Для кремния Ej = 20,4 эВ [37]. Уравнение (5-1) справедливо, если энергия Е падающей частицы меньше критического значения Ел, определяемого выражением

EA=2ERZ,Z2{Zr+Zl>r*-^^ (5-2) м2 где Er = 13,6эВ (энергия Ридберга), Mi и М2 - масса иона и мишени соответственно, Z| - порядковый номер иона, Z2 - порядковый номер мишени.

При более высоких энергиях смещение атомов лишь частично обусловлено упругими столкновениями и доминирующим в процессе торможения ионов становится электронное торможение. В этой области энергий важны два предельных значения энергий: Ев, Ее. Для Ев справедливо выражение

Е (53) (А/, + М2) Ed где Ее - энергия, при которой сечения ядерного (S„) и электронного торможения (Se) - величины одного порядка (S„e = —(dE/dx\n). Полное число N смещенных атомов на один, падающий ион для области с энергиями, превышающими Ев, Ес, равно = Р(Е-ЕС) + ЬЕС (54) где Р = 10-3, Ь= 1/2 для Ев> Ее и b = 1/4 для Ец < Ес. Если Ев » Ес, что в общем случае выполняется для кремния, то уравнение (5-3) всегда справедливо для Е > Ее

Если доза ионов, а, следовательно, и плотность радиационных дефектов достаточна высока, кластеры радиационных дефектов перекрываются и образуется аморфный слой. Самую простую оценку дозы аморфизации получим из (5-1) для числа смещенных атомов: где N - плотность атомов подложки, (dE/dx)n - потери энергии в ядерном столкновении на единицу длины. Уравнение (5-5) позволяет оценить дозу аморфизации почти для всех ионов. Видно, что количество накапливаемых дефектов после ионной имплантации имеет монотонную массовую зависимость.

Для оценки плотности дефектов в поверхностном слое кремния использовалась методика химического травления с последующим изучением в микроскопе (согласно мировому стандарту SEMI М34-0299). Для чистоты эксперимента было сделано аналогичное выявляющее травление на образцах, не подвергшихся ионной имплантации. Были сняты изображения поверхностей пластин в оптическом микроскопе Leica INM 300 DUV с использованием глубокого ультрафиолета ("к = 248нм), которые представлены на рис.5-1, 5-2, 5-3 и 5-4.

Представленные на рис.5-4 результаты показывают, что накопление и трансформация радиационных дефектов в кремнии, имплантированном ионами фтора, происходит во время всех представленных на рисунках имплантациях. То есть сам по себе окислительный тест выявляет дефекты, проникающие глубоко за область пробега ионов. Это обстоятельство требует по видимому дополнительной расшифровки процесса, поскольку если сам эффект по ускоренному накоплению дефектов связан с активизацией метастабильных пар Френкеля, то глубокое проникновение казалось бы должно быть ограничено процессом связывания компонентов метастабильных пар атомами фтора.

Таким образом, попытка прямого наблюдения радиационных дефектов в имплантированных фтором образцах кремния показала, что фтор является именно той примесью, которая меняет представление о том, что только масса

Рис.5-1 Образец, легированный ионами Р+ (D = 2.3ТО см" , 60 кэВ).

--- +— -- ■ — —Г=- ' • -Г

Рис.5-2 Образец, легированный ионами F (D = 2.3ТО см" , 60 кэВ).

Рис.5-3 Неимплантированный образец.

- , - 1 1 С • ' 1 V - -1 1 '-1 • ' - -- ' " ' -г • --" . - . : . | ( *

• • . " ■

I — 1 . . - 1 ; - ,• , - ' - 1 , . | • ' , - ' 1 | f ■ i., • > i i I i :; . - - . -т1 >

1 ■ 1 ~ •1 * I.-*' *■ " • —, • ■ - ~ и — '-1 100tim а t!.: -, | | | 1J т • . ■ ;. , . . . . г - 1 - 1 •! . 1 г

- - V

1 - 1

1 1 ' 1 Г 1 ' 'L 1 ~~~ ~ "Г " L - • •<'," ' ' , ~1 / | 1 — 1 г-.' • 1 ",.<■ 1 «Орт b — 1 ' 1 „ I ■ 1 'т " -■ I.I W 1 ■ Т — '. г1--'''.'«----,г Оп * : й, -г-' - ^ - 1 - w—1 -V I.- V- —J'^-V 1 L -" i L ■ т i. Vi »r-? Mt- j • L-L <" I--Г ■ < -id-, . 'U 'i > , •*— I 1 » '"I - < I-' 1 ■ , ' - ■--' •» , -,"„ - 1 -», J— 1-П - „ - 1. -'-I -4 Г, 1,- T-jn -- J, J "i-^., , 41 -M-1 1,. п!-; „-J , - i . - . 'fl -г-- A.ci in- . 1 Ль г;гг- ■ -у. , т. 1 -V, -■ C^x'-ij v - 7- --J r- r, J--T I- --<<'-- !• 1 , Г"- 1—3 I." 11 . J ,' . 1 1 Г' И -1 L I- I1 r. ' с

Рис.5-4 Образцы, легированные ионами F+ по следующей схеме (выделенный сегмент равен 100 мкм): a) этап 1 = имплантация (D = 2.18*101:>см"2, бОкэВ) +окислительный тест; b) этап 2 = этап 1 + имплантация (D = 2.18-1015см'2, бОкэВ) + окислительный тест; c) этап 3 = этап 2 + имплантация (D = 2.18-1015см"2, бОкэВ) + окислительный тест; налетающего иона является параметром, от которого зависит выход радиационных дефектов. Если это так, то и процесс фазового перехода монокристалл - аморфное состояние также должен проявить особенности связанные с химической природой бомбардирующего иона. Подчеркнем, что вплоть до настоящей работы такой зависимости среди опубликованных в мировой литературе результатов нам обнаружить не удалось.

Для исследования процессов аморфизации с целыо сравнения бомбардирующих ионов в широком диапазоне масс (бор, фтор, фосфор, мышьяк) был использован наиболее наглядный метод демонстрации фазового перехода, позволяющий оценить величину дозы аморфизации -дифракция быстрых электронов на отражение (электронография).

Результаты этих экспериментов, приведенные на рис.5-5, позволяют оценить дозу аморфизации для использованных ионов, которая кроме ионов фтора совпадает с приведенными и многократно проверенными опубликованными данными (см. подробный обзор по аморфизации кремния при ионной имплантации [38] и рис.5-6).

Если теперь сопоставить величины дозы аморфизации с массой бомбардирующего иона, что наиболее наглядно иллюстрируется результатами работы Барановой и др. (рис.5-7) [39] и с нашими результатами по дозе аморфизации при бомбардировке ионами фтора (Табл.5-1), которые также нанесены на этот рисунок, то окажется, что величина дозы аморфизации для фтора выпадает из общей зависимости, т.е. меньше чем для более тяжелых ионов неона.

Здесь необходимо отметить, что эта разница в величинах дозы аморфизации для ионов неона и фтора хотя и укладывается в те особенности накопления дефектов при облучении ионами фтора, но она не столь велика как в результатах по обнаружению собственно дефектов.

Чтобы понять возможности такого расхождения следует, по нашему мнению, подробно рассмотреть существующие в литературе механизмы аморфизации частично представленные в обзоре [38]. Основной причиной

B\ D= 5-10I5cm"2, 40 кэВ (до дозы аморфизации)

В+, D= 9.3-1015см"2, 40 кэВ (после наступления дозы аморфизации)

Р+, D= М014см"2, 40 кэВ (до дозы аморфизации)

Р+, D= 5-1015см"2, 40 кэВ (после наступления дозы аморфизации)

F\ D= 5-10,4см2, 40 кэВ (до дозы аморфизации)

F+, D= 6.25*1014см"2,40 кэВ (после наступления дозы аморфизации)

Рис.5-5 Результаты электронографических исследований по определению критической дозы аморфизации.

Табл.5-1 Дозы аморфизации для различных типов ионов.

Тип иона Масса 2 Доза, см" Ссылка

Sb+ 121 9T01J 2T014 [5] [39,40]

As+ 74 2T014 [5]

Ar+ 40 MO14 [39]

Р+ 31 3T014 5T014 [5,40] [A 13]

Ne+ 20 MO1" [39]

F+ 19 5T014 [A 13]

C+ 12 3-1015 [39]

B+ 11 2T0'° MO17 [39,A13] [5,40] см2

10" В I Sb

10" - 0

10" 7/ + Bi

1015 -J Уд

70" A —•"x

10" I— I I I I I I I I

О 200 400 600 Тобл,К экспериментальные значения: • А ■ - Кроуде о □ - Уэстмореленда ДХ+ -Мейера -Эриксона

10" 10"1 и и <0 о к. о

10п

10й

В о

Sb ffl f I I I I I I I IIL

01 23456789 10 1000/T.K' a) 6)

Рис.5-6 Ранее опубликованные данные по определению температурной зависимости критической дозы аморфизации № кремния ионами бора, мышьяка, висмута, сурьмы и фосфора (а - [5]; б - [40]).

Dose(cm')

Рис.5-7 Зависимость коэффициента преломления от дозы налетающего иона различной массы (красными прерывистыми линиями показаны дозы аморфизации для Sb+, Ar+, Р+, F+, Ne+, С+, В+). ускоренного накопления радиационных дефектов при бомбардировке ионами фтора является то, как мы уже отмечали, что существует возможность взаимодействия внедренных атомов фтора с компонентами метастабильной пары Френкеля, которая уменьшает их вероятность прямой аннигиляции (рис.5-8). Такой процесс прямой аннигиляции в принципе упоминается практически при любом рассмотрении, стимулированного ионной бомбардировкой, фазового перехода. Однако прямых экспериментальных данных на этот счет не существует. В качестве подтверждения существования такой прямой аннигиляции можно привлечь данные [5] показывающие, что измеряемое экспериментально количество дефектов, рождаемое ионом соответствующей массы, отличается в меньшую сторону от расчетной величины в несколько раз.

Значительно большее внимание аннигиляции метастабильных (с малым пространственным разделением) пар Френкеля уделено исследователями при изучении процессов дефектообразования в случае электронного облучения [41,42]. В этом случае процесс аннигиляции рассматривается с точки зрения возможности перезарядки компонент аннигилирующей пары, которая, по мнению авторов, является основным параметром, определяющим вероятность аннигиляции. Этому вопросу для случая ионной бомбардировки посвящена работа [43]. Основной вывод этой работы состоит в том, что вероятность аннигиляции, которой способствует перезарядка иона, возрастает с его массой. Однако и в этом случае никакого влияния химической природы бомбардирующего иона не замечено.

Обнаруженный нами эффект ускоренного дефектообразования при бомбардировке кремния ионами фтора связан, по нашему мнению, с максимальной химической активностью этого элемента, которая определяет многие особенности взаимодействия фторсодержащих веществ как при обработки ими поверхности образцов, так и при взаимодействии атомов внутри кристалла, что в частности сказывается на процессах диффузии в присутствии атомов фтора. стабильная пара Френкеля

Рис.5-8 Схематическое представление процессов дефектообразования, происходящих в кремниевой подложке при облучении ионами фтора.

В этой связи следует упомянуть работы, посвященные созданию сверхмелких слоев и р-n переходов. Неоднократно указывалось [44,45], что внедрение ионов фтора тормозит диффузию ионов бора при создании таких р-n переходов. Однако сам по себе процесс создания сверхмелких р-п переходов связывался не только с присутствием ионов фтора, но и с дополнительной бомбардировкой ионами германия [46,47]. Нам представляется такое усложнение процесса излишним: достаточно внедрение ионов фтора, чтобы получить желаемый результат.

Теперь рассмотрим результаты по аморфизации подробнее. Изучение процесса аморфизации кремния при ионной бомбардировке, включая физические механизмы и модели, проводилось уже в течение более тридцати лет. В качестве суммирующего, накопленный материал обзора можно было бы рассматривать сравнительно недавнюю работу [38], если бы не одно обстоятельство. В ней, работы советских и российских авторов, которые внесли большой вклад, как в накопление экспериментального материала, так и в создание модельных представлений о процессе аморфизации, практически не упоминаются. Это приводит, по крайней, мере, к двум отрицательным последствиям. Во-первых, при описании экспериментальных методов процесса не рассматриваются результаты, полученные с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [48,49,50]. Этими работами установлено, что фазовый переход наступает при накоплении вакансионных многочастичных кластеров (VV - центров) до критической концентрации 2Т020см"3, а также подробно исследованы возможности достижения этой концентрации как за счет перекрытия отдельных треков ионов (для легких ионов и ионов средних масс), так и возможность аморфизации (создание аморфизированных областей) в отдельных треках ионов при бомбардировке тяжелыми ионами [51]. Во-вторых, эти работы привели к заключению, что накопление ионов одного типа до критической концентрации возможно за счет пространственного разделения дефектов вакансионного и междоузельного типа как за счет разной подвижности генерируемых компонент пар Френкеля (вакансий и междоузлий), так и за счет преимущественного накопления дефектов одного типа в областях, обладающих преимущественными условиями для такого накопления (электрические поля и поля упругих напряжений).

Если объединять все известные модели аморфизации, включая упомянутые в обзоре [38] и рассмотренные выше представления, можно в качестве основного утверждения принять то, что к аморфизации приводит накопление радиационных дефектов до критической концентрации. Однако наблюдаемый для случая бомбардировки ионами фтора эффект следует интерпретировать по нашему мнению как с учетом подавления реакции аннигиляции метастабильных пар (с малым пространственным разделением) с одной стороны. Это в частности может приводить к увеличению числа рождаемых на один ион радиационных дефектов. С другой стороны взаимодействие подвижных точечных дефектов с атомами фтора может тормозить процесс их разделения по типу (вакансионных и междоузельных). Оба этих эффекта, работая на встречу друг другу, могут определять конечный результат в случае аморфизации при бомбардировке ионами фтора.

Глава 6. Основные результаты и выводы. При использовании термооптической методики выяснилось, что:

- применение времязависимого метода измерения (с длительным лазерным воздействием на образец) открывает дополнительные возможности по исследованию дефектов, вводимых в приповерхностную область после различных обработок (окисление, отжиг, ионная имплантация), поскольку обнаруживает не только изменения величины измеряемого сигнала в процессе измерения, но и демонстрирует разный характер такого изменения для разных типов обработки поверхности;

2. Результаты, связанные с накоплением и отжигом различных типов дефектов (в том числе и радиационных).

- При проведении времязависимых измерений выяснилось, что: В зависимости от характера поверхностной обработки может наблюдаться как обратимый эффект изменения величины детектируемого сигнала (что по-видимому связано с процессом перезарядки поверхностных дефектных центров), так и необратимое уменьшение, свидетельствующее об отжиге радиационных дефектов; Возрастание начального значения измеряемого сигнала в результате окисления поверхности кремния связано с накоплением в приповерхностной области дефектов типа двойников и дефектов упаковки. Эти структурные дефекты не подвержены при лазерном облучении ни перезарядке ни отжигу, поэтому сигнал во времязависимых измерениях не изменяется. Этот факт указывает на то, что дефекты, образующиеся при окислении, определяют процессы, детектируемые термооптической методикой; После отжига облученных образцов характер изменения величины сигнала в процессе времязавимых измерений становится аналогичным тому, что наблюдается на необлученных образцах. Это говорит о том, что радиационные дефекты отжигаются, а центры, присутствующие на поверхности до облучения вновь определяют динамику изменения сигнала (через перезарядку);

- Наблюдаемый с помощью термооптической методики процесс отжига при комнатной температуре может ускоряться лазерным воздействием от измерительной установки через любое продолжительное время (например, от 0.5 года и более);

- При определении скорости дефектообразования с помощью термоволновой методики получено, что для ионов с разной массой известная зависимость увеличения скорости с ростом массы сохраняется за исключением случая облучения ионами фтора: эта скорость для легкого иона фтора практически аналогична скорости для тяжелого иона мышьяка. Это позволило заключить, что в данном случае (бомбардировка ионами F+) на скорость дефектообразования влияет не только масса бомбардирующего иона, но и его химическая природа;

3. Ранее неизвестные эффекты, обнаруженные при имплантации ионов фтора в кремний.

Благодарности

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю - проф. Ю.Н. Пархоменко, а также проф. Н.Н. Герасименко за постановку настоящей работы и помощь в анализе результатов. Высказывается искренняя признательность сотрудникам НИИСИ РАН, НТК "Технологический Центр", НИФТИ (г. Нижний Новгород): зав. СТИ В.Ю. Троицкому за техническое обеспечение работы; О.И. Вылеталиной и А.Н. Тарасенкову за помощь в проведении ионной имплантации; А.Г. Пшенникову за помощь в проведении механико-химической обработки образцов; Т.Ф. Деминой и А.А. Столярову за предоставление образцов с выращенными слоями диоксида кремния; А.С. Трохину, Л.В. Куликовой за помощь в проведении измерений на эллипсометре; Е.С. Питиримовой за помощь в проведении электронографических измерений.

Автор также высказывает благодарность проф. Д.И. Тетельбауму и проф. Ф.Ф. Комарову за интерес к работе и ее результатам.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Герасименко, Николай Николаевич, Москва

1. Proceedings of the International Conference on Ion Implantation Technology.

2. Proceedings of the International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams.

3. J.F. Ziegler. Handbook of Ion Implantation Technology Amsterdam: North-Holland, 1992.

4. M.I. Current et. al. // Handbook of Ion Implantation Technology P.647 / Ed. By J.F. Ziegler - Amsterdam: North-Holland, 1992.

5. X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация. Москва: Наука, 1983.

6. R. Martini, С. Whichard, W. L. Smith, M.W. Taylor. Yield improvement by Product Wafer Inspection of Ion Implant // Solid State Technology. 1986. -May. - P.89-91.

7. W.L. Smith, A. Rosencwaig, D.L. Willenborg, J. Opsal, M.W. Taylor. Ion implant monitoring with thermal wave technology // Nuclear Instruments and Methods. Res. B. 1987. - Vol. 21. - P.537-541.

8. W.L. Smith, A. Rosencwaig, D.L. Willenborg, J. Opsal, M.W. Taylor. Ion Implant Monitoring with Thermal Wave Technology // Solid State Technology. 1986. -January. - P. 85-92.

9. Therma Probe 400 XP. Users manual.

10. M. Wagner, H.D. Geiler. Single-beam thermowave analysis of ion implanted and laser annealed semiconductors // Meas. Sci. Technol. 1991. - Vol. 2. -P.1088-1093.11. TWIN SC2. Users manual.

11. R. Wagner, A. Mandelis. A generalized calculation of the temperature and Drude photo-modulated optical reflectance coefficients in semiconductors // J. Phys. Chem. Solids. 1991. - Vol. 52. - № 9. - C. 1061-1070.

12. A. Rosencwaig. Thermal Wave characterization and inspection of semiconductor materials and devices // Photoacoustic and Thermal Wave Phenomena in Semiconductors chapt. 5. - P. 97-135 / Ed. by A. Mandelis. -New York: North-Holland, 1987.

13. Ф. Зейтц. Современная теория твердого тела. ГИТТЛ, 1949.

14. Т. Tomita, Т. Kinosada, Т. Yamashida, М. Shiota, Т. Sakurai. A new non-contact method to measure temperature of the surface of semiconductor wafers // Japan. J. Appl. Phys. -1986. Vol. 25. - P. L925-927.

15. A. Salnik,. L. Nicolaides, J. Opsal. Combining thermal waves and a signal-processing algorithm to characterize USJs // Micro. 2002. -August/September. - P.51-57.

16. F. Buchmann, H.D. Geiler. Surface characterization of semiconductors with plasma and thermal waves analysis // Nuclear Instruments and Methods. Res. В. 1995.-Vol. 96.-P.l 13-117.

17. A. Rosencwaig // Non-Destructive Evaluation. Progress in Photothermal and Photoacoustic Science and Technology Series Vol. II - Chapt 4 / Ed. by A. Mandelis. - Englewood Cliffs. NJ: PTR Prentice Hall, 1994.

18. B.J Kirby, L.A. Larson, Ru-Yu Liang. Thermal-Wave measurements of ion implanted silicon // Nuclear Instruments and Methods. Res. B. 1987. - Vol. 21.-P.550-553.

19. T. Hagihara, K. Matsumito, M. Kuribara. Enchanced thermal wave monitoring of high dose implantation // Proceedings of the X International Conference on Ion Implantation Technology. Catania. Italy. 1994. P. 651655.

20. M. Wagner, S. Kapplinger, H.D. Geiler. Photothermal response of ion implanted silicon // Proceedings of the X International Conference on Ion Implantation Technology. Catania. Italy. 1994. P.642-645.

21. D. Kamenitsa, W. McCoy, L. Ostrom, L. Zhou. Long term time dependent variations in Thermal Wave monitor wafers // Proceedings of the XII International Conference on Ion Implantation Technology. Kyoto. Japan. -1998. P.529-532.

22. S. Falk, R. Callahan, P. Lundquist Accurate dose matching measurements between different implanters // Proceedings of the XI International Conference on Ion Implantation Technology. Austin, TX. USA. 1996. -P.255-261.

23. M.J. Markett, D.S. Perloff, E. Lee // ECS Extend Abstracts. 1983. - Vol. 83-1.-P.613.

24. M. Nestoros, et al. Photothermal reflection versus temperature: quantitative analysis // Physical Review. B. 1995. - Vol. 51. - P.l4115-14123.

25. A. Salnik, J. Opsal. Dynamics of the plasma and thermal waves in surface-modified semiconductors (invited) // Review of scientific Instruments. 2003. -Vol. 74.-№ l.-P. 545-549.

26. W. Smith, A. Rosencwaig, D. Willenborg. Ion implant monitoring with Thermal Wave Technology // Applied Physics Letters. 1985. - Vol. 47(6). -P. 584-586.

27. Н.Н. Герасименко, К.К. Джаманбалин, Н.А. Медетов. Самоорганизованные наноразмерные структуры на поврехности и в объеме полупроводников. Алматы: LEM, 2002.

28. L. Zhou et al. Use of a New Thermal Wave Technology for Ultra-Shallow Junction Implant Monitoring// IEEE. 1999. P. 578-581.

29. S. Kapplinger, F. Buchmann, H.D. Geiler. Measurement of surfacerecombination of excess carriers by use of the double modulation technique // Journal de Physique IV. 1994. - Vol.4. - P. 145.

30. N. E. B. Cowern, B. Colombeau, J. Benson, A. J. Smith, W. Lerch, S. Paul, T. Graf, F. Cristiano, X. Hebras, D.Bolze. Mechanisms of В deactivation control by F co-implantation // Applied physics letters. 2005. - Vol. 86. - No 10. -art. 101905

31. G. Impellizzeri, J. H. R. dos Santos, S. Mirabella, F. Priolo, E. Napolitani and A. Camera. Role of fluorine in suppressing boron transient enhanced diffusion in preamorphized Si // Applied physics letters. 2004. - Vol. 84. - No 11.-P. 1862-1864.

32. Н.Н. Герасименко, A.B. Двуреченский, В.И. Панов, JI.С. Смирнов. О пороговой энергии образования радиационных дефектов в кремнии, облученном электронами // ФТП. 1972. - Т.5. - Вып.8. - С. 991.

33. L.Pelaz, L.Marques, J.Barbolla. Ion-beam induced amorphization and recryctallization in silicon // Applied physics review. 2004. - Vol. 96. - No 11.-P. 5947-5976.

34. E.C. Baranova, V.M. Gusev, Y.V. Martynenko, C.V. Starinin, I.B. Haibullin. Amorphization of silicon by ions with different masses // Radiation Effects. -1973.-Vol. 18.-P. 21.

35. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. Москва: Мир, 1986.

36. В.В. Емцев, Т.В. Машовец, В.В. Михнович. Пары Френкеля в германии и кремнии // Физика и техника полупроводников. 1992. - Т. 26. - Вып. 1. - С. 22-44.

37. В.В. Емцев, Т.В. Машовец. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. Москва: Радио и связь, 1981.

38. A.M. Иванов, Н.Б. Строкан. К вопросу о генерации радиационных дефектов ускоренными ионами в кремнии // Письма в ЖТФ. 1998. -Том 24. - №20. - С. 12-19

39. L.S. Robertson, P.N. Wanes, M.E. Law, K.S. Jones, D.F. Downey, J. Liu. The role of fluorine on reducing TED in boron implanted silicon // IEEE. 2002. -P. 171-174.

40. B.J. Pawlak, R. Lindsay, R. Surdeanu, P. Stolk, К. Maex, X. Pages. Optimizing p-type ultra-shallow junctions for the 65 nm CMOS technology node//IEEE.-2002.-P. 21-24.

41. H.H. Герасименко, А.В. Двуреченский, JI.C. Смирнов. Исследование дефектообразования в облученном ионами кремнии методом ЭПР // Физика и техника полупроводников. 1971. - Т. 5. - Вып. 9. - С. 17001705.

42. Н.Н. Герасименко, А.В. Двуреченский, JI.C. Смирнов. О парамагнитных центрах, образующихся при облучении кремния ионами // Физика и техника полупроводников. 1972. - Т. 6. - Вып. 6. - С. 1111-1114.

43. Н.Б. Придачин, Л.С. Смирнов. Особенности накопления радиационных дефектов при бомбардировке кристаллов ионами // Физика и техника полупроводников. 1971. - Т. 5. - Вып. 1. - С. 166-168.

44. В.Н. Гаштольд, Н.Н. Герасименко, А.В. Двуреченский. Профили дефектов при имплантации ионов в кремний // Физика и техника полупроводников. 1975. - Т. 9. - Вып. 5. - С. 835-839.

45. Список публикаций по теме диссертации

46. Al. Н.Н. Герасименко (мл.), Н.Н. Герасименко, В.Ю. Троицкий, Ю.Н. Пархоменко. Термооптический контроль состояния поверхности кремния // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2004. -№4. - С. 57-60.

47. А2. Н.Н. Герасименко (мл.). Термооптический метод исследования структуры поверхности // Известия вузов. Электроника.

48. А4. Н.Н. Герасименко, А.А. Жуков, Н.Н. Герасименко (мл.), А.Н. Тарасенков, И.В. Ловягин. Аномальное дефектообразование в монокристаллическом кремнии при имплантации ионов фтора // Известия вузов. Электроника. 2005. -№4-5. - С. 185-187.

49. А5. Н.Н. Герасименко, Н.Н. Герасименко (мл.), В.Ю. Троицкий, Ю.Н. Пархоменко. Долгоживущие радиационные дефекты в имплантированном кремнии // Тезисы 5-го Международного семинара "Радиационная физика металлов и сплавов". Снежинск. 2003. - С. 116.

50. A12. Н.Н. Герасименко, Н.Н. Герасименко (мл.). Термооптические методы для исследования радиационных дефектов // Тезисы 16-ой Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям. Обнинск. 2006. - С. 170.