Кратковременно ускоренное испарение примесей из ионно-легированных слоев кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

российская ашдаш наук сибирское ОТДЕЛШЭДЕ институт сильноточной электроники

Г6 од

На правах рукописи

2 Ь АПР 1394 уда 539.219:537.58

Кагадей Валерий Алексеевич

кратковременно ускоренное испарение примесей 113 ионно - жгагсзАНшх слоев кршш

Специальность: 01.04.04 - физическая электроника

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фшзико - математических наук

Токск - 1ЭЭ4

Работа выполнена в Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской Академии наук, г.Томск.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: доктор физико - математических наук, профессор Цроскурозский Д-И., кандидат физико - математических наук Лебедева Н.И.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физика - математических наук, профессор Чернов И.П. (Томский политехнический университет) кандидат физико - математически наук Разов В.В.

(Институт сильноточной электроники СО РАН, г.Томск)

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Всероссийский научно - исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума.

Защита состоится 1__"______________1994 г. в__часов на

заседании специализированного соЕета Д.003.41.01 щит Институте сильноточной электроники 00 РАН (634055, г.Томск, пр.Академический, 4).

С диссертацией мошо ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан ¿ЗУ^^С^^- 15Э4 г.

Учунний секретарь специализированного совета доктор физико - математ^еских наук, профессор Д1роскуровсштй Д.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.Актуальность твш. Прогресс б твердотельной электронике невозможен без развитая коних технологий, значительное кэсто среда которых зашагают методы обработка пучками частиц. Все более широкое применение находит ионная икплантация как метод, гаран-тирукщкй получение требуемых электрофизических параметров ион-но - легированных слоев (Ю1С) кремния. Использование быстрого термического отяига (БТО), в частности при его объединении с ДРУГИМИ твхшлсгкческк.н операция?®: з единый вакуумный цикл, позволяет добиться наилучших параметров ЮТ. В процессе БТО в вакууме возможно значительное испарение принеси из ИЯС крешзкя, ври этом испарение оказывает -существенное влияние на конечные характеристики ШС.

В настоящее время шлучеш физические представления об эглгссиа призлеснах атомов из монокрясталличэскях голупроводнк-ков. Тогда как целенаправленных- исследований испарения примесэй из бале в слогшой, неравновесной система, какой является МЯО, выполнено не было. Физическая картина, константы и параметра испарения неизвестны. Поэтов исследование закономерностей испарения при БТО* в вакуукэ является актуальным как для понимания физики эмиссии пршгаашх атомов из МС, так и для целенаправленного управления параметрами ИЛО с целью достижения требуемых характеристик полупроводниковых приборов.

Далью настоящей работы является исследование закономерностей испарения примесей из исходно аморфных иенно - легированных слоев кремния во время быстрого торгяиеского отжга s-EaKyyi.se, а танке асоледованиэ' вяияшя испарения на поведение оставшейся в кремнии примеси. Для реализации цеди работы Сдли

поставлены следующие задачи: 1) исследовать закономерности испарения примеси и механизмы, их обуславливающие; 2) исследовать влияние испарения на диффузию, сегрегацию, процессы активация! и деактивации пригаси; 3) разработать физическую модель испарения примеси из ЮГО кремния.

Ня^таап^нозиБна^ I. Экспериментально обнаружено явление кратковременно ускоренного испарения примесей из исходно аморфных ионно - легированных слоев кремния в процессе быстрого терми-чэского отжига в вакууме. Исследованы температурю - временные характеристики этого процесса. Показано, что закономерности кратковременно ускоренного испарения в значительной степени определяются кинетикой откига точечных дефектов.

2. Измерена аффективная энергия активации испарения примесей. Показано, что эта энергия зависит о.т температурно - временных условий отжига и при определенных условиях может быть на порядок величкш меньше энергии активации, характерной для испарения примесей из монокристаллического кремния. •

3. Установлена взаимосвязь между кратковременно ускоренным испарением и процессами диффузии, сегрегации и деактивации пркмэ-сей. Экспериментально обнаружено, что степень замедления диффузии примаси вглубь кремния определяется скоростью испарвшя примесей.

4. Предложена феноменологическая модель испарения примесей из йопяо - легированных слоев кремния. Модель учитывает процессы диффузии и аннигиляции дефектов, диффузии примеси, процессы образования молекул из атомов пригласи на поверхности кремния, а также десорбции атомов и молекул.

Практическая^епкдсть^ I. Результата исследований вносят вклад

t>

в понимание закономерностей испарения пригласи из ионно - легировании* слоев кремния и связанных с ним процессов а самом ионно - легированном слое, представляющем собой сугубо неравновесную систему.

2. Полученные научные результаты позволяют учитывать аффект испарения примеси при получении ионно - легированных слоев кремния с требуемыми элвктро - физическими параметрами и создают возможность для проведения ВТО в едином вакуумном цикле с другики технологическими операциями, вклтенными в мэрпрут изготовления полупроводникового прибора.

3. Эффект гамвдлеакя дифЗузш примеси вглубь нрэнния позволяет получать легированные слои с малой глуйикой залегания примеси, lía основе данного эффекта предложен и запущен авторски?-! свидетельством способ получения областей легирования с различной глубиной залегания п; гм -х:л.

1. Существует явление кратковременно ускоренного испарения примеси из исходно auopiiimz ионно - легированных слоев кремния при быстром термическом отетге в вакууме. Это явление заключается в том, что в г&рвкэ моменты отаига скорость испарения прииесп на один - два порядк.а ввлгчанн превышает значение, которое устанавливается при 1фодолкаицейся термообработке, а гшшэ значение, характерное для ксяврвнкя при,гаси из монокрйстзлличеекоге

lilj'z l-rI1V я.

2. Температурное звзшашсютя скорости испарения прямее» ив ионно - лвггфовашшх слоев в вакуум шит два характерных участка, ОТЛ5Ч8ЩЙХСЯ энергией активации испарения. На визкотешератур-ном участке энергия активация испарения (0,3 - 1,0 эВ) в 3 - о рзз меньпе? чем на высокотемпературном (1,0 - 3,5 зВ) и в 4 -

10 раз меньше энергии активации испарения из монокристалла. Энергия активации на низкотемпературном участке 'характеризует энергию активации на этапе ускоренного испарения примеси.

3. Точечные дефекты являются фактором, ответственным за существовали э яапекия кратковременно ускоренного испарения. Направленный к поверхности шток точечных дефектов увеличивает диффузионный поток атомов примэси к поверхности и уменьшает энергию вктявации испарения. Уменьшение концентрации точечных дефектов в процессе откига приводит к снижению скорости испарения примеси от аномально высоких значений до значений, соответствующих испарению из монокристалла.

4. Испарение■■ пригаси из ионно - легированных слоев качественно описывается на основе модели, учитывающей диффузию и аннигиляцию дефектов, диффузию примеси, образование молекул примеси на поверхности, а также десорбцию атомов и молекул примеси. Принципиально важной в модели является зависимость коэффициента диффузии примеси от концентрации дефектов.

5. Существует взаимосвязь между кратковременно ускоренным испарением примеси и процессами ее диффузии, сегрегации и деактивации в ионно - легированных слоях.

Основные результаты диссертационной работы докладывались v обсуждались на VI Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (г.Новосибирск, 1986), на II Международной конференции по электронно - лучевым технологиям ЭЛТ - Е8 (FojirapHfl, Г.Варна, 1988), IV отраслевой научно - технической конференции по промышленной технологии и оборудованию для ионной имплантации (г.Нальчик, 1388), на II и III Международной конференции по -модификации материалов импульсами энергии и нуч-кьми частиц (ГДР, г.Дрезден, 1937, 1935), на VII международ ной

конфэренцта? по микроэлектронике (СССР, г.Минск, 1ЭЭ0), на VII Международной конференции по технологии ионной имплантации (Англия, Суррей, I99G), на Международном симпозиуме по взаимодействии» лучков с твердым телом (США, г.Восток, 1992)

результатам. исследований, выполненных по теме диссертации, опубликованно 19 печатных работ, получено одно авторское свидетельство на изобретение и одно авторское свидетельство на патент.

С^2ктща_и_о0Ъ0м_^ссбстациил Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка датируемой литературы из 124 наименования. Работа содержит 117 страниц машинописного текста, 45 рисунков на 35 страницах, 2 таблицы.

СОДЁКШЖ РАБОТЫ.

^¿L^äSS-üSy обосновывается актуальность теш, формулируется цель исследований, кратко излагается содержат« глав, отмечается научная новизна и практическая ценность, приводятся положения. выносимые нз зениту.

?_первой_главе приведено краткое изложение состояния исследований процессов, происходящих в объеме и на поверхности иояно - легированного слоя кремния при ВТО.

Первый раздел посвящен рассмотрению процессов в ИЛС во время БТО, когда испарение примеси из кремния не реализуется. Рассмотрена твердофазная кристаллизация аморфного МО и последующий отжиг точечных и структурных дефектов. Рассмотрена активация примеси, а также механизма, ответственные sa ее последующую деактивации." Проанализированы механизмы даффуиии примеси в ЮТ 31, подробно рассмотрено явление кратковременно ускоренной

б

диффузии«'

Во второй раздел© содержится анализ литературных данных по испарению примесей из слаболегарованнык. (Н « 1018ск-2) монокристаллических полупроводников, а также из ШГС 31 при отжиге. Скорость испарения атомов примеси из одноро делегированного кристалла ограничена приповерхностным потенциальным барьером, высота которого близка к значению энергии активации дивфузш (в случае 51, легированного Р, Аз к 5Ь, значение Е^« 4 эВ). Модель испарения примеси из монокристалла учитывает диффузию примеси к поверхности, описываемую классическим уравнением дифЬуьии. А испарение примеси учитывается записью грани'щого условия в следующем виде: ,

к к( о,г ) = б с <щ )/<тж=0 , (1)

где И - коэффициент диффузии, К - концентрация примеси. Поток испаряющихся атомов, с одной стороны, определяется поверхностной концентрацией Н(оД> и хоф&щиентом испарения К, а с другой - равен потоку даф&'ндофущих к поверхности атомов. Коэффициента диффузии и испарения записывались в следущем виде: В Б0ехр(-Е1)/(кТ)), К = К0ехр(-ЕК/(И)), (2)

где Ек - анергия активации испарения. Испарение примеси из однороднолегированного кристалла приводит к тому, что непосредственно у поверхности формируется область, обедненная примвсью. Распределение концентрации при этом описывается функцией ошибок.

Из анализа литературных дашмх по испарению примеси из ИЛС Б1 следует, что пр:1 откиге возможно испарение целого ряда нри-

1гаш1епг епсЬапсей <Ш1иэ1оп

месзй - F, Аз, Sb, Ga, In. Однако цвленаправленнвх исследований закономерностей испарения примеси из Ш!С выполнено не было. Обнаружено влияние испарения на электрические характеристики и диффузии примеси в ИЛС, однако закономерности и механизмы денных явлений не исследованы.

В конце первой главы сформулированы выводы и основные задачи работы'.

®0_BT0pgi|j?.naB9 подробно описанн методики подготовки образцов я проведения экспериментов, а такие используемые аналитические методы анализа параметров ШЖ.

Получение аморфных легированных слоев осуществлялось имплантацией ионов в\ As"1", Р"1", Sb+(энергия ионов Е «■ 30 - 100 кэВ, дозе имплантации Д (0,1 - 2) 101бсм""?) в поАлоггки SI с ориентацией 11001, [1103, И121, 111 П. БТО проводился с помощью плазменного источника электронов, формирующего пучок большого поперечного сечэния, в следующих режимах: температура отнята ?*= 700 - 1350 С, время выдержки при максимальной'температуре t = 0 - 25 с, скорость нагрева до максимальной температуры - 50 - 350 С с""1.

Исследование ' совершенства кристаллической' cTpj.<TypH Si проводилось с поморю обратного резерфордовского рассеяния (0FP) и дифракции быстрых алектронов на отреяинкв. Измерение слоевой концентрации примеси, а такие распределение кояцонтрз-ции примеси по глубине Si производилось с почокью методов 0FP, вторично - конной масс - спектрометрии, Оже-электронной и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии б комбинации о послойным травлением, рентгеноспоктрэльного мнкроанзлигз и нейтронно-акпзационного анализа. Исследовзш» локализация атомов примеси в решетке Si проводилось методом ОРР, Погрешность измерения в наиболее ответственных экспериментах не превысила 5 %. Злектро-

физические параметры измерялись методом Холла в комбинации с послойным снятием тонких слоев Si.

?_2Е92ьей_г\лаве приводятся и анализируются результаты исследований закономерностей испарения ?, As, Sb из исходно аморфных ИЛС Si при быстром электронно - лучевом отлейте, а также результаты исследований факторов, обуславливающих наблюдаемые закономерности.

Зависимости слоевой концентрации примеси К , оставшейся в ИЛС после отжига, от длительности выдержки при максимальной температуре т, приведенные на рис.1., позволяют проследить эволюцию процесса испарения во времени. Из анализа этих, а также других экспериментальных данных, можно сделать вывод, что в первые моменты отжига существует этап ускоренного испарения примеси, когда скорость испарения примеси. (W K<* 1 1015см~гс~1, Т*= 1200 С) на один - два порядка величины превышает значение, которое устанавливается при продолжающейся термообработке Сравн" 6 Ю^см^с-1, Т*= 1200 С). Скорость испарения примеси определялась из отношения: . - ■

W = ( Д - ГГа)/ t =. Q / t, (3)

где Q - количество испарившейся примеси, t - время «спврения. По окончании этапа ускоренного испарения скорость испарения

, см'1 * to's

Рис.1. Зависимости слое-еой концентрации примеси, оставшейся в ИЛС, от длительности выдержки при максимальной температуре (Е = -10 кэБ): 1,2 - Sb+, Д = 5 Т0,&см"*2; 3 - Р+, Д = 3,7 Т015см~г,1 - Т* = 500 С; 2,3 - Т* = 1200 с.

_!__!_

I I I I_1_

2 £ S 8 Ю 12 14 1S 78 20 Г,:

уменыаается вплоть до значений, характернее для испарения из моннокркстзлла.

Длительность отапа ускоренного испарения составляет около 3 с при Т*= 900 С (см. рис.1.) и сильно уменьшается с ростом температура. Таге, при Т*= 1200 С ускоренное испарение заканчивается еце на стадии нагрева до максимальной температуры.

Построение зависимостей .скорости испарения от температуры отжига в координатах уравнения Арреииуса позволяет из наклона прямых определить энергию активации испарения ЕА. Полученные экспериментальные точки (см. рис.2.), мокно аппроксимировать

35 34 33 32 31 30

елм

Рис.2, Температурные зависимости скорости испарения в случае имплантации Р (1) и БЬ (2-3), Е = 40 кэВ: 1 - Д = 2 - Д = 5

3,7 1015см

0,9зВ 0,5 з В

101 3 - Д = 5 101 эсм

15„„-2

5 7 8 3 !/Т~,К~'*1(Г*

двумя отрезка?.® прямых, имеющих на шкале температур общув точку - Т*. Граничная температура Т* разбивает исследованный диапазон температур на 2 характерных интервала. Значения граничных температур различаются для использованных примесей, и составляют для 5Ъ - Т* « 1000 0, для Аз - '.Г* " 1100 С, для Р - I* « 1150 О, Эффективные значения энергии активации испарения, вычисленные для обнзруиэккш: интервалов тешвратур, приведены з таблице.

Примесь Условия имплантации ЕД,(Т*<Т* ),эВ ЕА2(Т*>Т*),зВ

Р Д= 3,7 1015см-г, Е=40 кэВ, 0,9 3,9

Аз Д - 5 Ю,5см~г Е=100 кэВ, I 1,4

Д=6,25 1015см~г, Е=60 каВ, - 1,4

Д=1,25 101бсм"г, Е=60 кэВ, 0,35 1,5

ЗЪ Д = 5 Ю,4с:,Гг, Е=40 кэВ, 0,5 1,3

Д = 5 Ю15см"2, £ 40 кэв, 0,3 0,8

Видно, что Бвличина энергии активации Е, полученная для интервала температур Т*< ?*, всегда тлеет з 3 - Б раз меньшее ,значение, чем для интервала температур Т*> Т*, к в 4 - 10 раз меньшее значение, чем энергия активации испарения из монокристалла ( Ед" 3,7 - 4 зВ). Наблвдаамыэ аномально еизкиэ значения энергии активации обуславливает существование этапа ускоренного испарения примеси.

Экспериментально установленные закономерности испарения примеси из МО не характерны для случая ее яспаропия из монокристалла. Отклонения в еаконошрностях испарения примеси свя-ЗЭ1Ш с отличиями параметров 1Ш5 от параметров монокристалла. В качестве первого отличатзльного признака иожяо назвать высокую неравновесную концентрацию собственных точечных дефектов, которая сохраняется в ЙЛС посла твердофазной кристаллизации. Вторым отличительным признаком является наличие в ЙЯС примеей в концентрации, превышающей равновесный продел электрической активации, а часто й твордофязной растворимости. Эксперимента позволит установить, что при шешпошж концентрации примеси в кона-кристалляческом Я1 вплоть до значений, равных пределу олоктра-чоской активации, испарение по - ярепгому описывается известным механизмом транспорта атомов прккс-си из кристалла в вакуум.

С целью обнаругэния влияния точечных дефектов, бгшз провалено исследование гспарекая из образцов, отжчангршгя только исходной степень® дефектности. Результата дввваг эксеттмоятоз приведена на рзс.З. Вядпэ, что 23 образцов, яаэЕ^ах ншйшшауэ

Рио.З. Зависимости сяоввой конеззйт-рацян ПрКМЗСЯ, ССТСЕПЭЙСЯ 3 ii~0, от температура оякага для образцов S1 Цз* 2 « im zoB, Д » 5 10,5сГ2}: I - бездзфзктшй крзстзля, 2 - ягру-иевшЗ кр-лсгапл, 3 - ©етр^ннй ХТО, и образцов Si {Аз*, 2 » Ш яэВ, Д = 6,25 î0,5ca*2>: 4 - еаорфана ило. •

£й7 даг 7*0, с

степень дефектности, во геем температурном дгззгзонэ шшарлетсн наименьшее"количество прамеси. При низких текпэратурах отжтпга, когда длительность этапа ускоренного испарения еэггка, бомгзээ количество пришей испаряется из аморфаых образцов, Еря высоких температурах больнее количество примеси испаряется кз образцов с сильно разупорядочешой структурой. Это объясняется более длительным существовавшем неравновесной концентрации точспнзх дефектов е кристалле с разупорядоченной структурой.

Подтверждением существенного влияния точечных дефектов на испарение примеси является обнаруженная зависимость мекду скоростью испарения и скоростью нагрева образца до максимальной температуры. Установлено, что увеличение скорости нагрева от БО до ЗБО 0 с-' приводит к значительному росту скорости испарения. Данная зависимость может быть объяснена на основе известного

эффекта увеличения неравновесной, концентрации собственных дефектов, остающихся в ИЛС, при увеличении скорости нагрева.

Еде одним косвенным подтверждением влияния эволюции точечных дефектов на закономерности испарения является абсолютная временная корреляция между процессами испарения примеси из КЛС . и ее ускоренной диффузии. На сегодняшний день считается установленным, что именно процесс эволюции неравновесной концентрата собственных дефектов ответственен за явление ускоренной диффузии примеси, наблюдаемое в перше моменты отжига КЛС. Теянм образом кокно утверждать, что именно наличие неравновесной концентрации точечных дефектов в ИЛС является тем фактором, который несет ответственность за существование явления ускоренного испарения.

В результате всиериментальных исследований установлено, что скорость испарения примеси зависит от типа имплантируемого иона. Наиболее интенсивно испаряется 8Ъ, затем Аз и Р. испарение В нефиксированно на было. Скорость испарения возрастает с увеличением дозы и уменьшением энергии имплантации, что, по -видимому, связано с ростом концентрации примеси в приповерхностном слое. Количество испаренной примеси, при прочих равных условиях, завксат 'от типа подложки и возрастает в следующем ряду ^ориентация: Г1001, И101, 11121, 11113. Это мокет быть обусловлено различной плотностью оборванных связей атомов 31 нэ поверхности, в также различны;,! значением неравновесной концентрации' точечных дефектов после твердофазной кристаллизации е образцах с различной ориентацией.

приводятся и внелкзируются результаты исследование. взаимосвязи испарения и процессов диффузии, сегрегации и дэсктквацки прикэсв. Исследования диффузии позволили установить, что нопаренаэ примеси приводит к существенному за-

медленно ее диффузии вглубь. Степень замедления возрастает о увеличением схорости испврения и наиболее значительна для тех типов принеси; которые более интенсивна испаряется ггз 31. Так, в случав образцов, имплантированных ионами ЗЬ"5" (см. ргз.4.)» диффузия вглубь всобгдэ' нэ наблюдается. Весь дайузгокшй шток направлен к поверхности и толщина легированного слоя уменьшается с ростом времени отката. Эффект замедления деффу-зии, по - видимому, связан с значительным увеличением потока примеси, направленного к поверхности 51, по сравнении с потоком, направленным вглубь. Это реализуется благодаря тому, что поверхность служит стоком как для дефектов, так я для вттазв примеси.

На рис.5. приведены распределения концентрации фосфора по . _ Рис.4. Профили распределения

концентрации БЬ: 1' - после имплантации ( Д = 5 Е = 40- коВ

10'

10

Ш,5см~а,

11

га

); 2 - 4 - после отжига при Т* = 1200 С; ; т = йс; 3 - т =» 9с;

ад хчпп 4 - х = 2Сс- ' Рис.5. Профили"распределения концентрации Р: 1 - после имплантации ( Л = 8,45 1015см"2, Е = 40 кэВ

); 2-5 послэ отжига при т » 3 с; 2 -,Т*= 1050 С; 3 - Т**> ИБО О ; 4 - 1200 С; б -Т*= 12Б0 С.

40 ао 120 'ВО 200 240 ¿30 а, ни

и

глубине 51. Ввдэд, что при низких температурах в приповерхностной области образуется сегрегированный слой. При высоких температурах сегрегированный слой не наблюдается и на его месте фиксируется обедненная область. Исследования показали, что сегрегированный слой образуется в первые моменты отжига на этапе ускоренного испарения пршеси. В вто время, благодаря ускоренной дайузии, поток атомов пршеси, направленный к поверхности превышает шток испаряющихся атомов.

Широкий спектр проведенных экспериментов позволил определить оютазалънае ранимы отжига ИЛС 31 в вакууме, а также установить взаимосвязь испарения и деактивации примеси. Установлено, что "в определенных условиях умэньщенке концентрации электрических носителей при увеличении температуры обусловлено испарением примеси.

В пятой главе рассматривается модель кратковременно ускоренного испарения примеси. Подробно анализируется роль собственных дефектов в процессе испарения примеси, которая заключается в тон, что шток дефектов направленный к. поверхности, во - первых, усиливают диффузию атомов аримеси к поверхности к, во - вторых, приводят к сгаташш- вкергии активации испарения. При низки* температурах отнята неравновесная концентрация дефектов' сохраняется более длительное время, поэтому значение ввергли -активации Е^, минимально, а длительность этапа ускоренного испарения максимальна именно для атого температурного интервала. Процесс аннигиляции точечных дефектов на поверхности приводит к тому, что поверхностные атомы и атомы, находящееся в приповерхностных слоях, • постоянно перестраиваются. В результате втого процесса атом примеси, находящийся в поверхностном или приповерхностном слое, кокет дополнительно уменьшить число своих связей с решеткой кристалла. А аю монет при-

вести к уменьшении внергяи связи атома примесй 0 твердым толом и, следовательно, энергии активащсс йспарэнйя.

Ограничение скорости испарения примеси на этапа ускоренного испарения может быть связано с ди>£фузионшгм переходе?.? атокоз з поверхностных слоях 31, характеризующимся пониженным потенциальным барьером, или с процессом перехода атома примеси а адсорбированное состояние, либо с процессом десорбции атомарных и/или молекулярных частиц в вакуум.

Установленные основные закономерности испарения примеси из ■ ШГС, а также факторы их обуславливающие, позволили разработать феноменологическую модель испарения примеси пз ЙЯС. Модель испарения учитывает процессы диффузии и аннигиляции дефектов, диффузии примеси, процессы образования молекул из атомов примеси на поверхности кремния, а также десорбции атомов и молекул. Принципиально важной в модели является зависимость коэффициента диффузии примеси от концентрации дефектов. Численный анализ системы уравнений, выполненный для случая безрамерных переменных и параметров процесса испарения, подтвердил, что экспериментально установленные факторы могут являться физическими условиями реализации ускоренного испарения примеси.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ,

I. Обнаружено, что в первые моменты НТО существует явление кратковременно ускоренного испарения. Скорость испарения примеси на этапе ускоренного испарения на один - два порядка величя-

?

Модель разработана совместно с д.ф,- м.я. Весниным Л.М.

на больш, чем значение, которое усташшваетя при продолжвгадем-ся пагревэ. Скорость испарения по окончании этапа ускоренного испарения уиэньшаетя вплоть до значения, характерного для случая испарения кз конокриствлического кремния. Длительность про-цэсса кратковременно ускоренного испарения определяется характерным временем отжига точечных дефектов, захваченных в 'ЛЯС в процессе твердофазной кристаллизации.. Для каждого типа примеси существует свое значение температуры отжига Т*, при котором происходит резкое увеличение скорости испарения. Показано, что увеличение скорости нагрева приводит к росту скорости-испарения принеси.

2. Точечные дефекты являются фактором, ответственным за существование в первые моменты БТО явления кратковременно ускоренного испарения Уменьшение концентрации точечных дефектов в процессе от&кга приводит к оникешш скорости испарения примесей от аномально высоких значений до значений, соответствующих испаре-шш п монокристалла. Поток дефектов, направленный к поверхности и вннигапирупций на ней , о одной стороны, значительно увеличивает количество примеси, диффундирующей к поверхности, с другой - уменьшает потенциальный барьер, который необходимо преодолеть атому.примеси, чтобы выйти на поверхность.

3. Испарениэ примеси характеризуется двумя температурными интервалами, каждому из которых соответствует свое эффективное значение энергии активации испарения Е и Ъ . При Т*' < Т*

.испарение определяется значением Е , которое в 3 - 5 раз меньше, чем значение Е^, соответствующее Т* > Т*, и в 4 - 10 раз меньше значения энергии активации испарения примеси из «монокристалла. Такое соотношение энергий активаций, обусловлено кинэтккой откнга точечных дефектов, длительность существования которых максимальна при Т*' < Т*.

4, Испарение пришей из МО приводит к заадлешго ее даМузии вглубь кремния. Эффект замедления усиливается с возрастанием скорости испарения и связал, с перарасарзделением атомов пригаси мезду потоками, направленными к поверхности и вглубь кристалла. Поток, направленный к поверхности, увеличивается ш сравнении с потокси, направленным Еглубь, что и вызывает замедление дяффу-

ЗЕИ.

5. На начально?,I этапе кратковременно ускоренного испарения примеси в тонком приповерхностном слое кремния образуется сегрегированный слой примеси. Образование и исчезновзнне сегрегированного слоя контролируется двумя конкурирувдши процессами: подходом атомов примеси из более глубоких слоев к поверхности 2 испарением атомов примеси. Количественное соотношение мезду двумя этими потоками и определяет концентрации примеси в приповерхностном слое.

Б. В определенных условиях уменьшение концентрации электрических носителей с ростом температуры отжига обусловлено испарением примеси из ШГО, при этом оставшаяся в ШО примесь практически полностью активирована. Источником испаряющихся атомов примеси является, по-видимому, область с максимальной концентрацией примеси Н^). Деактивация примеси в а той области . когет быть тем процессом, который обеспечивает поставку испаряшцихся атомов пригласи и отвечает за набладаемуп трансформацию профилей распределения ее концентрации.

?. Явление кратковременно ускоренного испарения примеси мелет быть описано феноменологической моделью, учитывающей процессы диффузии и анигиляции дефектов, диффузии примеси, процессы об-расс-заная молекул на поверхности кремния и десорбции. Принципиально вашей в модели является ¡зависимость коэффициента диффузии пригласи от концентрации дефектов. . •

8. Лкинтирудай стадией кратковременно ускоренного испарения припаса из МС шыт являться один кз следующих процессов: прэ-цзоо перехода атома аримэси в адсорбированное состояние, десорбция атомарных к/пли молекулярных частиц с поверхности, либо диффузионный переход втоков в поверхностных слоях кре.\пшя, ха-рактерпзуззвдйся значительно ггониеэншм потокцкзлънкм барьеров.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ГДБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПС ТШ2 ДИССЕРТАЦИИ.

1. Алексеев А,П., Запорокченко В.И., Кагадей В.А. и др. Поведение фосфора в ионно- легированном слое кремния в условиях его испарения при Систром нагреве в вакууме. - Поверхность. Физика, хиг,шя, механика. 1393. N3. о.85 - 95.

2. Кагадей В.А., Лебедева Н.К., Проскуровский Д.И., Яковлева Л.В. Испарение Р, Аз к 5Ъ из аморфных иошю - легированных слоев 51 при быстром электронно - лучевом отжиге. - Поверхность, ©изике, химия, механика. 1993. N5. с.70 - 81.

3.-* Кагадей В.А.., Лебедева Н.И., Проскуровский Д.К., Яковлева Л.В. Влияние степени дефектности иовно - легированного слоя кремния на процесс испарения мышьяка при быстром электронно -

• лучевом отг-лге. - Поверхность. Физика, химия, механика". 1993. Кв. с.60 - 66.

4. Алексеев А.П.. Згпороачанко В.й., Квгздой В.А. н. др. Диффузия к сегрегация имплантированного з крвьний фосфора з условиях его испарения при быстром электронно - лучевом откате - Поверхность. Физика, химия, механика. 1.993. N11, с.85 - 93.

. 5. Кагадей В.А., Лебедева "Н.К., Проскуровский Д.К., Яковлева Л.В. Влияние ориентации подложки Б1 на испарение прикэси кз КЛС при быстром электронно - лучевом стккгв. - Поверхность. 4изика, химия, механика. 1993. N12. с.43 - 50.

G. Grotzehel H., Kagadey 7.À., Lebedeva ti.I. et. ail. Sublfaa-ticn and diffusion of arsenic implanted Into silicon at rapid electron beam annealing. - IJucl. Inatr. and "eth. in- Phy3. Heo. 1991. B. T.55. p.573 - 5T5.

7. Kagaley V.A., Lebedeva îi.I, froalcirPOTSXy D.I., Yatovleva 1.7. The enohanced outdiffuslon and ita influens on the Impurity behavior in the implanted Si at rapid electron team annealing. - Beam - Solid Interaction - Fundamentals and Application. Proc. KRS - 92 Meeting, ',993. vol.279, p.234 - 241.