Радиационные дефекты межузельного типа и их влияние на электрическую активацию и диффузию имплантированных примесей в кремний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

белорусский государственный университет

РГ6 од

удк 621.315.592 2 8мн йод

ЧЕЛЯДИНСКИЙ АЛЕКСЕЙ РОМАНОВИЧ

РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ МЕЖДОУЗЕЛЬНОГО ТИПА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ АКТИВАЦИЮ И ДИФФУЗИЮ ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИИ

01.04Л0 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

минск - 2000

Работа выполнена па кафедре физики полупроводников Белорчсского государственного университета

Научный консультант: член-корреспондент НДН Беларуси

доктор физико-математических наук профессор Комаров Фадей Фадеевич

Официальные оппоненты:

Оппонирующая организация: Институт физики твердого тела и

полупроводников ПАН Беларуси

Защита диссертации состоится 19 мая 2000 г. в 14 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.16 в Белорусском государственном университете (220080 Минск, пр. Ф.Скорины, 4, к. 206; тел. ученого секретаря 226 55 41)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского Iосударственного университета.

Автореферат разослан "_" апреля 2000 г.

доктор физико-математических наук профессор

Борисенко Виктор Евгеньевич

доктор физико-математических наук профессор

Доманевский Дмитрий Сергеевич

доктор физико-математических наук старший научный сотрудник Чапланов Аркадий Михайлович

В 03

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доиент

111,¿6,03 и

/

в ь 19, ляг ,03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Ионная имплантация является в настоящее время основным методом создания легированных слоев полупроводников. Она обладает рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными термодиффузией и эпитаксией. Этот метод отличает высокая чистота процесса, в том числе и изотопная, воспроизводимость по концентрации введенной примеси и глубине ее залегания, возможность формирования тонких легированных слоев с резким распределением примеси по глубине. Помимо легирования, внедрение высокоэнергетичных ионов может использоваться для синтеза новых соединений. Экстремальные условия при этом — высокий уровень ионизации внедряемых атомов и атомов решетки, возникновение областей высоких давлений внутри кристалла, могут приводить к образованию неизвестных природе соединений. Примером может служить возникновение химических связей атомов благородных газов, имплантированных в решетку кремния и алмаза.

В процессе ионного внедрения в монокристаллах возникает большое количество радиационных нарушений, которые в значительной мере определяют механические, химические, электрофизические, оптические свойства имплантированных слоев. Без знания природы дефектов, механизмов их накопления, структурной перестройки, отжига, воздействия на электрическую активацию и диффузию внедренной примеси невозможен выбор оптимальных технологических режимов изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем методом ионного легирования.

Вместе с тем, ионное внедрение, помимо важного технологического применения, способствует дальнейшему пониманию природы радиационных нарушений в кристалле, поскольку оно позволяет сравнительно легко и контролируемо вводить большие концентрации дефектов вплоть до перехода материала из кристаллического в аморфное состояние и вводить при этом любые примеси в неограниченных концентрациях. Изучение радиационных воздействий на полупроводники привнесло в физику твердого тела новые представления, например, об атермической миграции атомов в кристалле при температурах, близких к О К, стимулировало разработку квантовой подбарьерной диффузии и др.

Состояние радиационной физики полупроводников находит отражение в постоянно публикуемых обзорах и монографиях. Но это

важное направление не исчерпало себя. Новые экспериментальные факты расширяют и углубляют наши знания физики дефектов в кристалле, однако они ставят порой под сомнение казалось бы устоявшиеся представлеши или заставляют посмотреть на них с другой стороны. Например, дивакансия - основной из вакансионных дефектов в облученном тяжелыми частицами кремнии. Она изучена наиболее глубоко, тем не менее, механизм ее образования требует обсуждения. Это первичный дефект, либр образуется путем объединения вакансий?

Необходимо установить роль и место собственных междоузельных дефектов в общем объеме радиационного дефектообразования. До постановки данной работы радиационная физика кремния переживала "вакансионный период".

Не ясными оставались многие вопросы кинетики накопления радиационных дефектов в кремнии. По сути дела не объясненным оставался установленный факт возможности накопления радиационных дефектов до аморфизации лишь только в случае образования областей скоплений дефектов. Накопление, а также отжиг дефектов - не тривиальное изменение их концентраций с дозой облучения либо с температурой и временем термообработки. Это и взаимодействия дефектов с их перестройкой или аннигиляцией, участие примесей в этих процессах непосредственно и через определяемые легированием зарядовые состояния дефектов. Последнее достаточно глубоко изучено в кремнии , облученном легкими частицами: электронами, у-квантами и не рассматривалось в кремнии, облученном ионами. В этой связи интересно установление возможной специфики дефектообразования в кремнии при внедрении элементов 111 и V групп . Уже в самом процессе имплантации при комнатной температуре доля примеси в узлах решетки может достигать 70%. Впрочем, вопрос локализации внедренной примеси требует своего решения. По данным разных авторов расположение примеси в узлах решетки колеблется от 20% до 70 %, а некоторые авторы говорят о практически 100% -ом залегании примеси в узлах. Установить физические причины подобного различия представляется важным. Моделирование процесса диффузии внедренной примеси требует знания ее исходной локализации.

. Интересным эффектом в радиационной физике кремния, как и германия, является эффект Воткинса. С открытием этого эффекта встал вопрос об атермической миграции атомов кремния в решетке кремния. Существующие модели этого эффекта не отвечали всем

экспериментальным фактам. Актуальность этого вопроса определяется не только интересом к физике данного явления, но и важностью в практике ионного легирования. Процесс замещения по Воткинсу проявляется в электрической активации внедренной примеси, а значит должен проявляться и в диффузии. Требует установления возможность наблюдения эффекта не только для элементов 111 группы, как наблюдал Боткине, но и для других примесей. Представлялось, что эти исследования помогут найти определяющий параметр, отвечающий за эффект Воткинса, а значит выявить внутреншою суть эффекта, определить движущую силу миграции междоузельного атома в решетке при температуре 0,5 К.

Радиационные дефекты в кремнии существенно воздействуют на диффузию внедренных примесей. Несмотря на многочисленные исследования, не существует единого мнения относительно механизмов диффузии имплантированных примесей. Установление механизмов аномальной диффузии важно не только с познавательной точки зрения. Задача ставится, познав природу ускоренной диффузии внедренных примесей, разработать пути управления этим процессом. Этого требует необходимость миниатюризации элементов интегральной микроэлектроники. Важной задачей является разработка методов устранения упругих напряжений в структурах, причиной которых является сам процесс легирования, вне зависимости от способа создания легированных слоев, т.е. обычной термодиффузией, эпитаксией либо ионным внедрением.

Вопросы, интересные с научной точки зрения и важные с практической, определили цели и задачи исследований.

Связь работы с крупными научными программами, темами.

Исследования проводились автором с 1976 по 1999 г. в Белорусском государственном университете на кафедре физики полупроводников. Основные результаты вошли в отчеты по темам, выполнявшимся по постановлению ГКНТ СССР от 30.11.1985, N555, N гос.госрегистрации -01860022451, по темам, координируемым HAH Беларуси - программа N 4, "Кристалл", N 760035565, N 81018415, по Республиканской научно-технической программе 27.01.р (03.04), N 01890003037, по Республиканской целевой программе "Информатика", N 01910051739, по программе БГУ "Поверхность".

Цель работы

Разработка модели радиационного дефектообразования в кремнии при ионной имплантации,описывающей основные закономерности кинетики накопления дефектов, их пространственного распределения и отжига, роль и место собственных междоузельных дефектов в общем объеме дефектообразования, образование областей скоплений дефектов как условие накопления дефектов до аморфизации материала, участие примесей в радиационном дефектообразованиии, локализацию внедренной примеси.

Установление механизма атермической миграции атомов Si в кристалле кремния и вытеснения ими примесей замещения из узлов решетки.

Разработка моделей аномальной диффузии имплантированных примесей бора и фосфора в кремнии и методов управления коэффициентами их диффузии. , ,

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработь метод, позволяющий изучать процессы накопления радиационных дефектов до концентраций, соответствующих переходу материала в аморфное состояние,

- разработать неразрушающий метод построения профилей нарушений в тонких имплантированных слоях,

- разработать методику регистрации радиационных дефектов междоузельного типа и изучить их свойства в имплантированном кремнии,

- изучить радиационное дефектообразование в кремнии при имплантации различных ионов 111, IV, V групп,

- исследовать радиационное дефектообразование в сильно легированном кремнии п- и р-типа,

- исследовать процессы вытеснения примесей замещения 111, !V, V групп из узлов решетки кремния междоузельными атомами Si и установить параметры, контролирующие этот процесс,

- установить параметры процесса имплантации, определяющие локализацию внедренных примесей в кремнии,

- изучить влияние радиационных дефектов и дополнительных примесей на диффузию элементов 111 и V групп в имплантированном кремнии.

Объект и предмет исследований

В качестве объекта исследований использовался монокристаллический промышленный кремний п- и р-типа проводимости с различным исходным уровнем легирования. Исследовались процессы накоплена, пространственного распределения и отжига радиационных дефектов в кремнии, имплантированном различными ионами: В, Li, С, N, Р, Si, As, Ge, Sb. Изучено воздействие радиационных дефектов на процессы электрической активации и диффузии имплантированных примесей для установления механизмов аномальной диффузии и разработки путей снижения коэффициентов диффузии.

Методология и методы проведенного исследования

Ионная имплантация проводилась на промышленных ускорителях типа «Везувий» и на исследовательских ускорителях Dan Fizik. Радиационные дефекты в облученном кремнии исследовались рентгенодифракционным методом в режиме двухкристального спектрометра, методом электронного парамагнитного резонанса. Электрофизические характеристики ионно-легированных слоев кремния исследовались методом эффекта Холла по методике Ван-дер-Пау. Этот метод позволял изучать процессы электрической активации и диффузии внедренных примесей. Для изучения пространственного распределения ионно-внедренных примесей использовался также метод SIMS, исследования выполнены на установке Сатеса-4.

Научная новизна и значимость полученных результатов

Впервые установлено, что в кремнии при ионном внедрении образуются два типа устойчивых междоузельных комплексов в концентрациях, сравнимых с концентрациями дивакансий.

Разработана модель радиационного дефектообразования, объясняющая накопление радиационных дефектов ■ до аморфизации кремния при образовании областей скоплений дефектов, а также более высокие скорости введения и накопления радиационных дефектов в сильно легированном кремнии n-типа в сравнении с нелегиросанным как результат подавления аннигиляционных процессов вследствие возникновения зарядового барьера на областях скоплений дефектов,

препятствующего проникновению в них одноименно заряженных вакансий и междоузельных атомов.

Установлено образование в имплантированном кремнии многовакансионных комплексов, содержащих БЬ, Аб или Р, температура отжига которых на 100°С превышает температуру отжига собственных многовакансионных комплексов; многовакансионные комплексы с бором отжигаются в температурном интервале 700-900°С.

Установлено, что примеси замещения вытесняются из узлов решетки кремния междоузельными атомами Б! с эффективностью, определяемой величиной несоответствия ковалентных радиусов атомов примеси и решетки. Предложен механизм атермической миграции междоузельного атома в решетке кремния, заключающийся в его движении в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения. В процессе имплантации или отжига облученных образцов эффект Воткинса подавляется экранированием неравновесными носителями заряда электрических диполей упруго деформированной сферы кристалла, взаимодействие с которыми определяет атермическую миграцию атомов кремния.

Предложены модели диффузии имплантированных примесей бора и фосфора в кремнии. Ускоренная диффузия фосфора протекает по паре из междоузельных атомов и Р в одном междоузлии, не связанных между собой ковалентной связью. Связь обусловлена потенциальным рельефом кристалла. Модель отвечает всем особенностям диффузии внедренного фосфора: аномально большой коэффициент диффузии, его независимость от температуры отжига, сдвиг максимума распределения примеси к поверхности при термообработке.

Наблюдаемые аномалии в диффузии имплантированного бора в кремнии определяются перераспределением его по междоузелыгому и вакансионному каналам диффузии в результате взаимодействия с избыточными точечными дефектами.

Разработаны методы снижения коэффициентов диффузии имплантированных примесей бора и фосфора путем дополнительного легирования слоев кремния элементами IV группы, являющимися ловушками для междоузельных атомов 81, отвечающих за ускоренную диффузию В и Р. Введение в слои кремния электрически нейтральных элементов IV группы позволяет компенсировать упругие напряжения несоответствия, возникающие за счет легирования примесями 111 или V группы.

Экспериментальные доказательства образования в кремнии, облученном тяжелыми частицами, двух типов собственных междоузельных комплексов в концентрациях, соизмеримых с концентрациями днвакансий, и установление механизма атермической миграции междоузельных атомов кремния в кремнии являются значимым вкладом в развитие радиационной физики кремния.

Разработка моделей аномальной диффузии бора и фосфора в имплантированном кремнии и способа управления их коэффициентами диффузии, установление структуры пары из атомов фосфора и кремния, ответственной за ускоренную диффузию имплантированного фосфора, являются важным вкладом в физику ионного легирования кремния.

Практическая и экономическая значимость полученных результатов определяется их использованием в технологии ионного легирования кремния. Разработанные рентгенодифракционные неразрушающие методы контроля степени совершенства кристалла с построением профилей нарушений позволяют осуществлять постадийный контроль ионно-имплантированных структур. Метод снижения коэффициентов диффузии имплантированных примесей бора и фосфора путем дополнительного легирования слоев кремния элементами IV группы использован в технологии СБИС как средство снижения размеров их элементов. Метод двойной имплантации позволяет также компенсировать упругие напряжения в структурах и тем самым предотвращать изгиб пластин кремния в результате легирования. Результаты переданы в НИКТП "Белмикросистемы", где использованы при разработке проекта "Исследовать и разработать технологические процессы быстрой термической обработки для формирования омических контактов, активации примеси, планаризации рельефа, силицидизации контактов для создания СБИС", выполняемого в рамках государственной научно-технической программы "Белэлектроника" (акт реализации прилагается).

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные доказательства образования при ионном внедрении в кремнии двух типов устойчивых при комнатных температурах собственных междоузельных дефектов в концентрациях, сравнимых с концентрациями дивакансий.

2. Модель радиационного дефектообразования, учитывающая возникновение зарядового барьера на областях скоплений дефектов,

препятствующего проникновению в них одноименно заряженных вакансий и междоузельных атомов кремния. Модель объясняет накопление радиационных дефектов до аморфизации кремния при введении областей скоплений дефектов, а также более высокие скорости введения и накопления радиационных дефектов в сильно легированном кремнии п-типа в сравнении с нелегированным кремнием.

3. Модель атермической миграции атома 81 в решетке кремния, заключающаяся в движении атома 81 в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения.

4. Модели диффузии имплантированных примесей в кремнии, согласно которым:

модель диффузии имплантированного фосфора учитывает образование диффузионной пары из атомов Р и в одном междоузлии, не связанных между собой ковалентной связью. Модель описывает установленные особенности диффузии имплантированного фосфора: аномально большой коэффициент диффузии и его уменьшение с увеличением длительности отжига, независимость коэффициента диффузга! от температуры процесса, сдвиг максимума распределения примеси к поверхности при термообработке;

модель диффузии имплантированного бора учитывает перераспределение бора по междоузельному и вакансионному каналам диффузии в результате взаимодействия с избыточными точечными дефектами и описывает ускорение диффузии при быстром термическом (ламповом) отжиге и замедление при термоотжиге в печи.

5. Метод снижения коэффициентов диффузии имплантированных примесей бора и фосфора в кремнии, заключающийся в дополнительном легировании слоев примесями IV группы, являющимися ловушками для междоузельных атомов 81, обеспечивающих ускоренную диффузию бора и фосфора.

Личный вклад соискателя. Диссертация является обобщением результатов НИР, выполненных лично автором или под его руководством. В совместных работах автору принадлежат: обоснование и постановка задач, непосредственное планирование и проведение экспериментов, обработка и интерпретация результатов, построение физических моделей и разработка рекомендаций. Соавторы осуществляли подготовку образцов, облучение, технологические операции, часть физических измерений,

участвовали в обсуждении результатов в рамках отдельных фрагментов НИР, а также их кандидатских работ.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на Всесоюзном симпозиуме "Радиационные дефекты в полупроводниках", Севастополь, 1976 ; Всесоюзной конференции "Радиационные эффекты в твердых телах", Ашхабад, 1977; V, VI, Vil, VI11 Всесоюзных конференциях "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом", Минск, 1978, 1981, 1984, Москва 1987; 111 Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках", Новосибирск, 1978; Всесоюзном совещании по радиационной физике твердого тела, Звенигород, 1981; 7 Международной конференции "Ионная имплантация в полупроводниках и других материалах", Вильнюс, 1983; Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники", Минск, 1985; 2 Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводников, Кишинев, 1986; Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов, Черноголовка, 1987; Международной конференции по модификации материалов энергетическими импульсами и частицами, Дрезден, 1987; XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике, Тбилиси, 1987; Международной конференции по ионной имплантации в полупроводники и другие материалы, Люблин, 1988; Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования технологии полупроводниковых и диэлектрических материалов электронной техники", Одесса, 1988; 3 Международной конференции по модификации материалов электрическими импульсами и частицами, Дрезден, 1989; Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов", Каунас, 1989; Международной конференции по ионной имплантации и ионно-лучевому оборудованию, Болгария, 1990; VII Международной конференции по микроэлектронике, Минск, 1990; Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Киев, 1990; XXII Совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1992; 8 Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов, Хейделберг, 1992; Совещании " MRS", Бостон, 1993; X Международной конференции по технологии ионной имплантации, Катанья-Италия, 1994; Конференции Германского физического общества, Регенсбург, 1996; Первой Всероссийской конференции "Кремний-96", Москва, 1996; Международном симпозиуме "Ионная имплантация в науке и технологии", Люблин, 1997; 2 Международной конференции

"Взаимодействие излучений с твердым телом", Минск, 1997; 2 Международном симпозиуме "Ионная имплантация и другие применения ионов и электронов", Дойлид, Польша, 1998; Европейском совещании "MRS", Страсбург, 1998.

Опубликованностъ. Основные результаты диссертации отражены в 48 статьях и 35 тезисах конференций. Общее количество страниц опубликованных материалов - 506 с.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы, содержащего 312 наименований. Работа изложена на 256 страницах, включая 95 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ГЛАВЕ 1 представлены основные данные литературы по радиационному дефектообразованию в имплантированном кремнии и диффузии внедренных примесей.

К моменту постановки данной работы различными методами шли интенсивные исследования процессов дефектообразования в кремнии при имплантации. Установлению структуры дефектов радиационная физика кремния обязана прежде всего методу ЭПР. Необходимо отметить, что, основные успехи в этом направлении были достигнуты еще в работах с кремнием, облученном реакторными нейтронами, электронами, у-квантами. Была установлена структура целого ряда как простых дефектов (дивакансий, А-центров, Е-центров), так и сложных комплексов (трех-, четырех- и пяти-вакансионных). К устойчивым при комнатной температуре дефектам междоузельного типа были отнесены парамагнитные центры Si-P6, Si-B3, Si-A5, Si-02. Но концентрации этих центров были на два-три порядка ниже концентраций дивакансий, которые рассматривались как основные из вакансионных радиационных дефектов в кремнии, облученном реакторными нейтронами, ионами. В результате в радиационной физике кремния сложился и долгое время существовал "вакансионный" период. Однако число парамагнитных центров в кристаллах с сильно неоднородным распределением структурных нарушений, какое имеет место в кремнии, облученном тяжелыми частицами, далеко не полностью может отражать истинное число дефектов. Поэтому разработка методов, чувствительных к дефектам междоузельного типа вне зависимости от их парамагнетизма, локальной

концентрации, и исследования этих нарушений представлялись актуальными. Процессы накопления, структурной перестройки, отжига радиационных дефектов исследовались методом ЭПР, оптическими методами, электрическими, обратного рассеяния ионов, фотопроводимости и др. Методы, привязанные к энергетике дефектов, имеют ряд ограничений, связанных с зарядовым состоянием дефектов, их концентрацией (ненаблюдаемость при высоких концентрациях вследствие их взаимодействий), наличием неспаренных электронов в ЭПР исследованиях и др. В радиационной физике кремния интересным, но не получившим объяснения оставался установленный факт возможности накопления дефектов вплоть до аморфизации только при облучении кремния тяжелыми частицами. В случае легких частиц концентрация дефектов выходит на насыщение с ростом дозы облучения, и аморфизация не достигается. Влияние уровня легирования кремния электрически активными примесями на дозу аморфизации представлялось интересным не только с точки зрения образования комплексов радиационных дефектов с этими примесями, но и с точки зрения зарядового состояния дефектов. В этой же связи интересно установление возможной специфики дефектообразования в кремнии при внедрении элементов 111 и V групп. Ведь уже в самом процессе имплантации при комнатной температуре примесь может располагаться в узлах решетки до 70%. Впрочем, вопрос локализации примеси при внедрении также требует своего решения. По данным разных авторов расположение примеси в узлах колеблется от 20 до 70%, а некоторые авторы говорят о почти 100%-ом залегании внедренной примеси в узлах сразу после имплантации без разогрева подложки. Анализ экспериментальных процедур и интерпретации результатов не дают оснований наблюдаемые столь существенные различия связать только с некоторыми неточностями. Необходимо искать физические причины таких расхождений.

Весьма интересным в радиационной физике кремния, а также и германия, является эффект Воткинса, заключающийся в вытеснении примесей замещения из узлов в междоузлия междоузельными атомами кремния (германия). Этот эффект Боткине наблюдал при температуре 4,2 К, позже другими авторами - при еще более низких температурах. В литературе возникло представление об атермической миграции атомов кремния в кремнии. Существующие модели этого эффекта представляются неадекватными всем экспериментальным фактам. Актуальность вопроса определяется не только интересом к физике данного неординарного явления, но и важностью в практике ионного легирования. Процесс

замещения проявляется в электрической активации внедренных примесей в кремнии, а значит может проявляться и в диффузии. Требует установления возможность наблюдения эффекта не только для элементов 111 группы, и для других примесей. Это интересно не только с точки зрения накопления информации. Представлялось, что эти исследования помогут найти определяющий параметр элемента, ответственный за эффект Воткинса, а значит выявить внутреннюю суть эффекта, определить движущую силу миграции атома кремния в решетке кремния при температуре 0,5 К. Это подразумевает, что мы будем пытаться найти причину миграции атомов кремния не только в самих атомах кремния, как это делалось до сих пор, но и в атомах примесей, которые вытесняются в эффекте Воткинса.

Несмотря на многочисленные исследования до сих пор не существует единого мнения по механизмам аномальной диффузии имплантированных примесей в кремнии. Ускоренную диффузию внедренных примесей бора и фосфора связывали с диффузией по избыточным вакансиям. Вместе с тем замедленную диффузию имплантированного бора при термоотжиге в печи также связывали с избыточными вакансиями. Для описания диффузии ионно-внедренных примесей привлекались также комплексы атомов примесей либо с вакансией, либо с междоузельным атомом кремния. Состояние вопроса таково, что необходимы дальнейшие исследования и для доказательства, что диффузия идет по паре, и для определения вида пары. А если это междоузельная пара, тогда что она из себя представляет. Радиационной физике до сих пор не известны какие-либо междоузельные комплексы из собственных атомов и атомов примесей. Установление механизмов аномальной диффузии важно не только с познавательной точки зрения. Задача ставится, познав природу ускоренной диффузии внедренных примесей, разработать пути управления этим процессом. Этого требует необходимость миниатюризации элементов интегральной микроэлектроники. Важной задачей в практическом отношении является создание полупроводниковых структур, не содержащих упругих напряжений, причиной которых является несовпадение периодов решеток в подложке и легированном слое. Упругие напряжения приводят к изгибу пластин, а также к генерации дислокаций несоответствия в структурах при термообработках. Решение этой проблемы видится в двойной ионной имплантации. Решение указанных вопросов, интересных с научной точки зрения и важных с практической, и определили цели и задачи исследований.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлены основные методики исследований радиационных нарушений в имплантированном кремнии и методики изучения электрофизических параметров ионно-легированных слоев. Радиационные нарушения исследовались рентгенодифракционным методом в режиме двухкристалыюго рентгеновского спектрометра, методом ЭПР. Остаточные нарушения в ионно-легированных слоях кремния изучались методом просвечивающей электронной микроскопии. Профили нарушений строились по методу определения скорости анодного окисления имплантированного слоя. Диффузия имплантированных примесей в процессе лампового отжига и термоотжига в печи исследовалась электрическим методом путем измерения распределения носителей заряда по глубине слоя. Концентрация носителей заряда определялась из измерений эффекта Холла, используя Ван-дер-Пау конфигурацию структур при контролируемом удалении тонких слоев путем анодного окисления и последующего стравливания. Профили диффузии примесей изучались также методом SIMS на установке Самеса-4.

В ГЛАВЕ 3 рассмотрено пространственное распределение, накопление и отжиг радиационных дефектов в кремнии, имплантированном различными ионами. Основные исследования выполнены рентгенодифракционным методом в режиме двухкристалыюго спектрометра. Изложена разработанная методика построения из кривых дифракции рентгеновского излучения (кривые качания) профилей деформаций и нарушений. Прямая задача построения профилей не решается. Необходимо задать профиль деформаций и нарушений, рассчитать интерференционную картину и сравнить ее с экспериментом, т.е. задача решается методом оптимизации. В известных ранее методах число оптимизируемых параметров определяется числом тонких слоев, на которые разбивается весь профиль нарушений, с последующим суммированием интенсивностей отражения от каждого тонкого слоя с учетом фазовых соотношений. В предложенном нами подходе профиль деформаций (нарушений) задается аналитически, что существенно снижает число оптимизируемых параметров и делает возможным широкое практическое использование данного бесконтактного неразрущающего метода. Профиль задается в виде двух полугауссиан, при этом программа оптимизации предполагает изменение показателя гауссиан в некоторой окрестности номинального значения 2. Вариация параметров гауссиан позволяет моделировать любые реальные профили нарушений и

деформаций в имплантированных структурах. Выполнены исследования профилей деформаций и нарушений в кремнии, имплантированном различными ионами. Установлено, что с ростом дозы облучения наблюдается уширение нарушенных слоев. Это обусловлено характером накопления радиационных дефектов по профилю. С ростом дозы облучения переход от линейного с дозой закона накопления дефектов к сублинейному как результат аннигиляции дефектов наступает прежде всего в максимуме их распределения, тогда как на "хвостах" еще работает линейный закон. При термообработке радиационные дефекты раньше отжигаются в приповерхностной области ионно-внедрешюго слоя. Для оперативного изучения процессов накопления и отжига дефектов использовался такой интегральный параметр нарушенности кристалла, как величина изменения его периода решетки Аа. По измеренному значению Да, исходя из величины смещений атомов в области превалирующих дефектов, можно оценить концентрацию дефектов.

При внедрении в кремний ионов средних масс (БГ, Р+) до дозы 1.1014 см"2 имеет место линейный характер накопления дефектов в виде изолированных областей скоплений. С ростом дозы ионов в результате перекрытия областей скоплений дефектов повышается их аннигиляция, что определяет сублинейный характер накопления дефектов. Распределения изолированных областей скоплений дефектов и п-кратно перекрытых задавались распределениями вероятностей Пуассона. Анализ кинетики накопления дефектов позволил заключить, что аморфизация кремния при внедрении ионов средних масс ^Г", Р*) происходит в результате трехкратного наложения областей скоплений дефектов; в случае легких ионов В критическая концентрация дефектов достигается при пятикратном перекрытии областей скоплений.

Оценки показали, что концентрации дефектов в областях скоплений, создаваемых в кремнии при внедрении ионов БГ с энергией 200 кэВ составляют 4.1020 см"3. По данным Ченга в кремнии, облученном реакторными нейтронами, которые создают атомы отдачи с близкими энергиями, концентрации дивакапсий в областях скоплений составляют порядка 1.1020 см"3. Нами установлено (глава 4), что помимо дивакансий как основных радиационных дефектов в имплантированном кремнии образуются два типа междоузельных комплексов в концентрациях, сравнимых с концентрациями дивакансий. Принимая это во внимание, согласие в оценках концентраций дефектов представляется удовлетворительным.

Установлено, что в кремнии, легированном элементами V группы (Р, БЬ, Аб) и облученном ионами БГ, образуются многовакансионные комплексы с этими примесями с температурами отжига на 100 °С превышающими температуру отжига собственных многовакансионных комплексов.

Экспериментами по отжигу радиационных дефектов в кремнии, имплантированном ионами 1л+, установлено, что дивакансии увеличивают период решетки кристалла. Атомы 1л при 80 °С становятся подвижными и образуют комплексы с дивакансиями. В результате вместо стадии восстановления периода решетки с отжигом дивакансии (100-280 °С) регистрируется более высокотемпературная стадия отжига комплексов дивакансии с литием. Эти эксперименты показали, что сам факт увеличения периода решетки кремния в результате облучения не может быть доказательством преимущественного образования дефектов междоузельного типа, как это предполагалось рядом авторов. В кремнии, в отличие от металлов, оборванные связи в области вакансионного дефекта замыкаются, образуя "дефектную молекулу". Электронная конфигурация этого дефекта и определяет направление смещений атомов во внутрь дефекта или из него.

Установлено, что поверхность является стоком для радиационных дефектов и продуктов их распада. Это определяет более интенсивный отжиг дефектов в приповерхностных областях имплантированных слоев, а также в кремнии, облученном реакторными нейтронами.

Проанализировано введение и накопление дивакансии в кремнии, облученном тяжелыми частицами (ионами, нейтронами). Сделано заключение, что дивакансии являются первичными дефектами, а не дообразуются путем объединения моновакансий. Увеличение концентрации дивакансий с повышением температуры облученного кремния от температуры жидкого гелия до комнатной связано не с дообразованием, а с проявлением их индивидуальных свойств при отжиге вакансий.

В ГЛАВЕ 4 рассматриваются результаты исследований собственных междоузельных комплексов в имплантированном кремнии. Актуальность вопроса определялась тем, что к моменту выполнения работы в радиационной физике все еще существовал "вакансионный период". Вместе с тем, объяснения некоторых явлений (эксперименты по внутреннему трению в облученном кремнии, аномалии в диффузии внедренных примесей) требовали существования междоузельных

дефектов. Основным же дефектом в кремнии, облученном тяжелыми частицами (нейтронами, ионами), представлялась дивакансия. Концентрации парамагнитных центров Si-P6, Si-ВЗ, Si-A5, Si-02, идентифицированных как междоузельные комплексы, были на два-три порядка ниже концентраций дивакансий. Структура первых двух была известна. Это расщепленные димеждоузлия, из них Si-ВЗ имеет более высокосимметричную конфигурацию. Парамагнитный дефект Si-A5 представлялся как два расщепленных междоузельных комплекса, разнесенных на 9 Ä, но в результате диполь-дипольного взаимодействия формирующих единый центр. Структура центра Si-02 не установлена, но данные ЭПР спектроскопии говорили в пользу его междоузельной природы.

В изучении междоузельных дефектов нами эксплуатировалось известное явление Воткинса - вытеснение примесей 111 группы из узлов решетки кремния междоузельными атомами Si. Это явление Боткине наблюдал непосредственно в процессе облучения. Нами предполагалось, что если в облученном кремнии существуют в заметных концентрациях устойчивые междоузельные комплексы и при отжиге будут освобождать междоузельные атомы Si, то последние должны вытеснять из узлов решетки примеси замещения. Это явление может легко регистрироваться рентгенодифракционным методом по изменению периода решетки кристалла. Кремний, легированный бором, имеет период решетки меньше, чем нелегированный. Это является результатом несовпадения ковалентных радиусов атомов бора (0,8 Ä) и атомов решетки кремния (1,175 Ä). При вытеснении бора из узлов в междоузлия период решетки увеличивается. По величине периода решетки кремния рассчитывается концентрация бора в узлах и, соответственно, вытесненного из узлов.

Для изучения процесса замещения использовались кристаллы кремния, сильно легированные бором (Si:B) с удельным сопротивлением 0,005 Ом.см (концентрация дырок 4.1019 см"3). Кристаллы облучались различными ионами: В+, N4, Si+, Р1. Установлено, что непосредственно при имплантации из узлов вытесняется незначительная доля бора, и причиной этого является высокий уровень ионизации. На физической сути этого явления мы остановимся ниже. На кривые восстановления периода решетки облученного Si:B накладываются две стадии "обратного" отжига, обусловленные вытеснением бора из узлов. В случае ионов В+ или Si+ стадии вытеснения бора совпадают со стадиями отжига междоузельных центров Si-Рб (центр стадии при 120 °С) и Si-ВЗ (480 °С). В случае ионов Р1" стадии "обратного" отжига лежат при более высоких температурах и

совпадают со стадиями отжига центров 81-Л5 (160 °С) и 81-02 (560 °С). Исходя из концентраций вытесненного бора следовало, что концентрации междоузельных комплексов не ниже концентраций дивакансий. Поскольку ранее мы установили, что полная концентрация дефектов в областях скоплений в 4 раза превышает концентрации дивакансий, то очевидна близость, и не только по порядку величины, концентраций дивакансий и двух типов междоузельных комплексов.

В кристаллах кремния, сильно легированных бором и облученных ионами В либо 81+, дефекты находились в положительном зарядовом состоянии. Концентрации дырок в исходных образцах приблизительно равны концентрации введенных дефектов. Соответственно стадии вытеснения бора совпадают со стадиями отжига междоузельных дефектов в положительном зарядовом состоянии: Б^Рб и БьВЗ. В кристаллах 8кВ, облученных ионами Р+, дефекты находились в нейтральном зарядовом состоянии вследствие того, что значительная доля фосфора (порядка 70%) находилась в узлах решетки уже при имплантации. В результате имела место компенсация зарядов, и стадии вытеснения бора совпадают с температурами отжига парамагнитных центров в нейтральном зарядовом состоянии 81-А5 и 81-02. Подтверждением того, что различия в температурах отжига междоузельных дефектов обусловлены только их зарядовыми состояниями явился эксперимент по изучению вытеснения бора в БиВ, облученных ионами 81", в процессе изохронного отжига с одновременной подсветкой низкоэнергетичными электронами (10 кэВ). При плотности тока электронного пучка 2 мкА.см"2 на этих образцах наблюдались такие же стадии отжига междоузельных дефектов, как и в случае ионов Р+. Перезарядка дефектов при этом осуществлялась путем захвата центрами 51-Рб и БьВЗ неравновесных электронов с переходом в состояния 81-А5 и 81-02 соответственно.

При имплантации кристаллов 81 :В ионами М4" первая стадия вытеснения бора лежит при 160 °С, как в случае ионов Р+ (нейтральное состояние дефекта 81-А5); вторая стадия - при 480 °С, как в случае ионов В+ или БГ (положительное состояние дефекта 81-ВЗ). Это является результатом того, что атомы азота при имплантации располагаются преимущественно в узлах решетки, т.е. проявляют донорные свойства. В результате имеет место компенсация зарядов и низкотемпературный междоузельный комплекс наблюдается в нейтральном зарядовом состоянии. Но при температуре 430 °С, как это следует из данных ЭПР, все атомы азота покидают узлы решетки и при более высоких температурах в узлы не возвращаются. В результате высокотемпературные

междоузельные дефекты отжигаются в положительном зарядовом состоянии БьВЗ.

Из наших экспериментов следовало, что при изохронном отжиге междоузельные комплексы Б^Рб преимущественно перестраиваются в комплексы БьВЗ, и это согласуется с данными ЭПР. Но в нейтральном зарядовом состоянии по нашим данным дефекты БьА5 при отжиге преимущественно разрушаются с освобождением междоузельных атомов 81. Высокотемпературные междоузельные комплексы 81-ВЗ (81-02) образуются не только в результате перестройки из 8!-Р6 , но и непосредственно при облучении.

Таким образом, из полученных результатов следовало, что в имплантированном кремнии существуют не 4, как это полагалось ранее, а только 2 типа собственных междоузельных комплексов: в положительном зарядовом состоянии - это Б1-Р6 и 81-ВЗ центры, а в нейтральном зарядовом состоянии эти же дефекты проявляются как парамагнитные центры 8ьА5 и 81-02. И самое главное - концентрации собственных междоузельных комплексов сравнимы с концентрациями дивакансий.

В ГЛАВЕ 5 рассмотрено радиационное дефектообразование при имплантации в сильно легированном кремнии. Воздействие зарядового состояния первичных дефектов на эффективность введения стабильных комплексов ранее было изучено на кремнии п- и р-типа, облученном легкими частицами (у-квантами, электронами). В случае имплантации было показано, что присутствие бора при его концентрациях до Ю20 см"3 не оказывает заметного влияния на эффективность дефектообразования. При концентрации примесей 111 и V группы 4.1021 см'3 наблюдалось снижение дозы аморфизации кремния. Однако при такой концентрации примесей возможные концентрации комплексов дефектов с ними сравнимы с предельной концентрацией дефектов, соответствующей переходу кремния в аморфное состояние. Нами изучено влияние примесей V группы на эффективность дефектообразования в кремнии при имплантации ионов 8Г при концентрациях примесей порядка 1019 и Ю20 см0. Установлены более высокие скорости введения и накопления дефектов в слоях кремния, предварительно легированных Р, 8Ь или Аэ по сравнению с нелегированным кремнием. При этом избыточные концентрации дефектов значительно превышали концентрации примеси, т.е. возможные концентрации Е-центров. Несмотря на более высокие скорости введения стабильных дефектов, доза аморфизации кремния п-типа не меняется, и аморфизация происходит при трех-кратном наложении областей

скоплений дефектов, как и в нелегированном материале. Более высокая эффективность дефектообразования в слоях кремния п-типа объясняется захватом электронов проводимости на внешнюю оболочку областей скоплений дефектов и возникновением зарядового барьера, препятствующего проникновению в них не только носителей заряда (модель Госсика), но и одноименно заряженных вакансий и междоузельных атомов кремния. Этот зарядовый барьер препятствует аннигиляции первичных дефектов, разбегающихся из каскадов и субкаскадов смещений, с устойчивыми дефектами в них. В результате в кремнии п-типа области скоплений имеют несколько большие размеры и несколько большие концентрации дефектов в них, преимущественно на периферии. В центральной же части областей скоплений концентрации дефектов изменяются не столь существенно, чтобы изменить число перекрытий, т.е. уменьшить дозу аморфизации. Из примесей V группы Р, БЬ, Аэ наибольший эффект в повышении эффективности дефектообразования в кремнии при имплантации оказывает мышьяк. Это связано с тем, что в процессе имплантации примеси Р и БЬ частично вытесняются из узлов решетки по механизму Воткинса; мышьяк же из узлов не вытесняется. Детально на этом процессе мы остановимся в следующей главе.

При более высоком уровне легирования слоев кремния мышьяком (Ю20 см"3) его аморфизация начинается при меньших дозах ионов БГ при наложении только двух областей скоплений. Однако концентрация аморфных включений С (парамагнитных центров с §-фактором 2,0055) растет сублинейно с дозой имплантации Ф (С ~ Ф0,5) до дозы ионов Б! 4.10 см"". Это связано с тем, что число областей с повышенной концентрацией дефектов не растет линейно с дозой облучения. С ростом дозы имплантации концентрация носителей заряда, образующих барьер, истощается.

Предложенная модель позволяет объяснить известный ранее факт возможности аморфизации кремния только в случае введения областей скоплений дефектов. В образовании барьера участвуют не только равновесные электроны, как в сильно легированном кремнии п-типа, но и неравновесные электроны, создаваемые за счет электронных потерь внедряемых ионов. Это менее эффективно, чем в кристаллах п-типа, но достаточно, чтобы снизить аннигиляцию дефектов в областях скоплений. В случае облучения легкими частицами, когда области скоплений дефектов не образуются, необходимо перезарядить каждый из изолированных простых дефектов в отдельности, что не реализуется. В

результате вследствие аннигиляции концентрация точечных дефектов выходит на насыщение, и аморфизация не достигается.

Предлагаемый механизм может быть одним из факторов, повышающих скорость введения стабильных радиационных дефектов с увеличением плотности потока ионов.

В ГЛАВЕ 6 излагаются результаты исследований эффекта Воткинса, т.е. вытеснения примесей замещения из узлов решетки кремния междоузельными атомами 81. Этот эффект имеет место непосредственно при облучении, а также при отжиге облученных образцов при температурах распада междоузельных комплексов. Эффект наблюдается не только в рентгенодифракционных исследованиях, но и в электрических измерениях процесса электрической активации внедренных примесей. Боткине наблюдал эффект замещения при температуре 4.2 К, позже этот эффект фиксировался при более низких температурах: 1,6 и 0,5 К. Встал вопрос об атермической миграции междоузелыюго атома в решетке. Наиболее признанной моделью атермической миграции является модель Бургуэна. В модели Бургуэна междоузельный атом перемещается из тетраэдрического междоузлия в гексагональное и так далее при смене его зарядового состояния. Близкой этой модели является модель движения гантельной междоузельной конфигурации при смене ее зарядового состояния, разработанная А.Герасимовым с сотрудниками. Известные модели предполагают случайную миграцию междоузельного атома. В опытах же Воткинса число вытесненных элементов 111 группы из узлов решетки равнялось числу вакансий. Эти результаты ставят под сомнение ранее принятые модели.

Нами было показано, что при термообоаботке имплантированного кремния при температурах отжига междоузельных комплексов (500°С) вытесняются примеси не только III группы, как было установлено ранее, но и примеси IV и V групп. Интенсивность вытеснения растет с ростом концентраций радиационных дефектов и примесей замещения. Интенсивность процесса замещения атомов бора снижается при введении в слой дополнительных примесей германия и углерода. Это обусловлено тем, что эти примеси сами являются ловушками для междоузельных атомов 81 через механизм Воткинса. Создание неравновесных носителей заряда путем облучения имплантированных структур кремния низкоэнергетичными (10 кэВ) электронами не увеличивает эффективность процесса замещения при термообработке, как того требует модель Бургуэна, а подавляет его. Исследования показали, что эффективность

процесса замещения определяется соотношением ковалентных радиусов атомов примесей и атома решетки. Делается вывод, что атермическая миграция междоузельного атома в кристалле кремния обусловлена его направленным движением в поле упругих деформаций, создаваемых атомом примеси. Это движение на атомном уровне можно представить следующим образом. Атомы решетки, смещенные из равновесных положений в . первой координационной сфере относительно атома замещения и во все меньшей степени в последующих сферах (затухание) поляризуются , т.е. на каждом из них образуется электрический диполь. Под влиянием диполя смещенного атома решетки на междоузельном атоме 81 наводится индуцированный дипольный момент. В результате диполь-дипольного взаимодействия междоузельный атом притягивается к поляризованному атому решетки. Поскольку величина дипольного момента на смещенных атомах решетки круто нарастает к источнику деформации, то междоузельный атом движется к атому замещения. Определены радиусы сфер вытеснения для примесей замещения III, IV, V групп.

В отсутствие атомов примесей, деформирующих решетку, междоузельные атомы 81 могут быть неподвижными и накапливаться в кремнии, облучаемом высокоэнергетичными частицами при низких температурах.

В ГЛАВЕ 7 рассмотрена диффузия имплантированного фосфора в кремнии. Изучалась диффузия при быстром термическом отжиге (ламповом) и при термообработке в печи при различных температурах и длительностях. Исследовано воздействие радиационных дефектов на диффузию имплантированного фосфора; концентрации дефектов в слое варьировались путем дополнительного облучения ионами 81+. Изучалась также диффузия в образцах кремния, предварительно отожженных в течение 15 минут при низких температурах: 160, 300, 400, 500, 600 °С. Исследована диффузия фосфора в слоях кремния, предварительно легированных примесями IV группы Се или С. В результате выполненных исследований установлены следующие особенности: Эффективный коэффициент диффузии имплантированного фосфора значительно (при температуре 900 °С в 1000 раз) превышает собственное значение. Аномальная диффузия имеет место только при ограниченных длительностях отжига. С увеличением длительности термообработки коэффициент диффузии имплантированного фосфора стремится к собственному значению. Коэффициент диффузии имплантированного

фосфора не зависит от температуры лампового отжига. В процессе отжига происходит сдвиг максимума распределения фосфора к поверхности. Этот эффект отсутствует в слоях, предварительно легированных Ое или С. В слоях, легированных Се или С, коэффициент диффузии фосфора значительно ниже (на порядок), чем в контрольных образцах.

Из экспериментально установленного факта независимости коэффициента диффузии фосфора от температуры следует, что аномальная диффузия идет по комплексу атома фосфора с дефектом. Анализ показывает, что для этого комплекса энергия активации диффузии равна энергии активации отжига (развала) комплекса. Результаты диффузии фосфора в слоях кремния с примесями IV группы, которые являются ловушками для междоузельных атомов Бг, говорят в пользу комплекса в виде пары: атом фосфора-междоузельный атом кремния (Р1). Комплекс образуется при попадании атомов Р и в одно междоузлие. Атомы фосфора и кремния не связаны между собой химической ковалентной связью. Связь определяется только потенциальным рельефом кристалла. Для этой пары энергетический барьер для миграции меньше, чем для отдельного атома фосфора. Это определяет ее более высокую подвижность, а значит и более высокое значение коэффициента диффузии фосфора в паре по сравнению с изолированным атомом фосфора. Для этой пары выполняется вытекающее из эксперимента равенство энергий активации диффузии и развала комплекса. Когда пара Р1 получает энергию выше барьера, она может прыгать в соседнее междоузлие как целое либо атомы фосфора и кремния прыгают в разные междоузлия (разрушение комплекса). Пары образуются в заметных концентрациях до тех пор, пока существует избыточная концентрация междоузельных атомов 81. С их отжигом концентрация пар Р1 падает, и коэффициент диффузии стремится к собственному значению.

Установлено, что предварительный отжиг образцов кремния, имплантированных фосфором, при низких температурах (300, 500, 600 °С) не приводит к последующему снижению коэффициента диффузии фосфора при высокотемпературной диффузии. Это связано с тем что уже при предварительном отжиге идет заметная диффузия примеси. Это означает, что технологический прием снижения коэффициента диффузии внедренной примеси путем предварительного отжига радиационных дефектов не годится в случае имплантированного фосфора.

Для математического моделирования процессов диффузии ионно-внедренного фосфора была записана следующая система уравнений:

ееj _ 32сj s

~8F-DI -^T + KpirCPI-KpifCpCrKvflCV~KPsrCpCI

dt dx

PCpl dx

+ KpsfCPCV ~ KpsrCpCi ~KpSfp

(1) (2)

ddp ; d^O s

~dT = DP ~Qx2~ + KpirCPI - KpifCPCI+ Kpsrcpc/-KpsfCpCv + KpsiCp (3)

dC,„ „ дгс,

dt dQ

Dv

dx

pirPI pif P I psr^-p^f psJ~ P - KpirCP! + KpifCpCj

32c,

^ = °V l^~~KviCICv + KpsiCP ~ KpsfCPCv

(4)

(5)

где Cj- концентрация собственных междоузельных атомов, Ср' - концентрация атомов Р в междоузлиях, CPS- концентрация фосфора в узлах решетки, СР1 - концентрация пар PI, Cv - концентрация вакансий,

Dj - коэффициент диффузии междоузельных атомов Si,

Dpv - коэффициент диффузии фосфора по вакансиям,

Dp' - коэффициент диффузии фосфора по междоузлиям,

Dpi - коэффициент диффузии пар PI,

Dv - коэффициент диффузии вакансий,

Kpsf- сечение захвата междоузельных атомов Р на вакансии;

Кр51 - сечение замещения по Воткинсу;

Kpsi - сечение теплового выброса атома Р из узлов решетки;

Kv, - сечение аннигиляции собственных точечных дефектов,

Kpif,- сечение образования пар PI,

Kpir - сечение распада пар PI.

Исходные профили концентраций примеси задавались ассиметричными распределениями с учетом скошенности Sk. Профили дефектов строились методом Монте-Карло. Численное решение уравнений (1)-(5) позволило построить профили диффузии фосфора, согласующиеся с экспериментом. Смещения максимумов экспериментальных и рсчетных профилей к поверхности обусловлено видом распределений по глубине междоузельных атомов кремния. Во время отжига в результате диффузии устанавливается распределение междоузельных атомов Si с плавным изменением их концентрации вглубь кристалла и с резким падением ее у поверхности. Причиной этого является то, что поверхность является

стоком для точечных дефектов, а также прямая аннигиляция точечных дефектов и их аннигиляция посредством эффекта Воткинса. Пары Р1 диффундируют вглубь кристалла и к поверхности, разрушаясь и дообразуясь в соответствие с сечениями этих процессов и концентрациями компонентов. Поскольку у поверхности имеет место резкое падение концентрации междоузельных атомов 81, здесь происходит разрушение пар с накоплением фосфора, что и определяет наблюдаемый сдвиг профиля примеси. В образовании пар участвуют не только атомы фосфора, локализованные в междоузлиях при имплантации. Во время отжига узловые атомы фосфора вытесняются в междоузлия междоузельными атомами 81 по механизму Воткинса.

Выполненные исследования позволили установить механизм диффузии фосфора в имплантированном кремнии и описать все аномалии в его диффузии.

В ГЛАВЕ 8 рассмотрена диффузия имплантированного бора в кремнии. В литературе не было единого мнения относительно механизмов, определяющих аномалии в его диффузии. При быстром термическом отжиге наблюдаемая ускоренная диффузия бора связывалась с диффузией по избыточным вакансиям. С другой стороны, с захватом примеси на избыточные вакансии связывали низкие значения коэффициента диффузии имплантированного бора при термоотжиге в печи. Некоторые авторы объясняли снижение коэффициента диффузии внедренного бора относительно собственного значения взаимодействием бора с остаточными дефектами типа дефектов упаковки обоих типов, стержнеобразными дефектами и др. По мнению ряда авторов ускоренная диффузия обусловлена диффузией примеси по линиям дислокаций, возникающих в результате пластической деформации из-за несовпадения периодов кристаллической решетки матрицы и легированного слоя.

Прежде всего представлялось необходимым детально исследовать воздействие радиационных дефектов на диффузию бора как в процессе лампового отжига, так и термоотжига в печи. Концентрация дефектов в имплантированном слое варьировалась путем дополнительного облучения ионами БГ. Чтобы прояснить роль определенного типа дефектов, изучалась диффузия бора в слоях кремния, предварительно легированных примесями IV группы (ве, С), являющихся ловушками для междоузельных атомов 81. Необходимо было изучить изменение коэффициента диффузии бора от времени отжига с тем, чтобы выделить вклады различных механизмов в наблюдаемые аномалии. Эти

исследования были направлены не только на установление природы аномалий в диффузии бора в кремнии. Необходимо было разработать методы управления коэффициентом диффузии ионно-внедренного бора, прежде всего его снижения, что важно для практики создания СБИС. Необходимо было также разработать метод компенсации упругих напряжений в ионно-легированных структурах, причиной которых является сам процесс легирования. Упругие напряжения приводят к изгибу ионно-легированных структур кремния и к пластической деформации при высокотемпературном отжиге. Результаты экспериментальных исследований диффузии имплантированного бора в кремнии в основном сводятся к следующему: При ламповом отжиге при 1050 °С длительностью 7 секунд коэффициент диффузии бора в 10 раз превышает собственное значение. С увеличением длительности лампового отжига коэффициент диффузии падает и при длительностях более 17 секунд становится ниже собственного значения. При увеличении длительности термоотжига в печи до 1 часа коэффициент диффузии стремится к собственному значению. Увеличение концентрации радиационных дефектов в имплантированном слое путем облучения ионами приводит к росту коэффициента диффузии бора при ламповом отжиге. Этот эффект хорошо проявляется в образцах, облученных низкими дозами ионов В (6.10ь см'2). При больших дозах ионов бора (3,7.1015 см"2) дополнительное облучение ионами не приводит к росту коэффициента диффузии примеси. Однако только с ростом дозы ионов В+ от 6.1013 до 3,7.1015 см"2 коэффициент диффузии бора возрастает в 10 раз.

При термоотжиге в печи длительностью 15 минут коэффициент диффузии бора имеет аномально низкие значения. Дополнительное облучение ионами 81+ приводит к росту коэффициента диффузии бора. Это доказывает, что наблюдаемые аномально низкие значения коэффициента диффузии имплантированного бора в кремнии при термоотжиге в печи не могут быть связаны с взаимодействием примеси с остаточными дефектами (дефекты упаковки обоих типов, стержнеобразные дефекты и др.), как это ранее полагалось. При дополнительном облучении слоев кремния ионами кремния концентрация остаточных нарушений растет. Это подтверждено выполненными электронномикроскопическими исследованиями. Однако коэффициент диффузии бора не падает с ростом концентрации дефектов, а, наоборот, увеличивается.

Выполненные исследования диффузии бора в слоях кремния, легированных примесями IV группы (германий, углерод), которые являются ловушками для междоузельных атомов кремния, показали, что

ускоренная диффузия бора при быстром термическом отжиге обусловлена перераспределением его в "быстрый" междоузельный канал диффузии через эффект Воткинса. С течением времени концентрация избыточных междоузельных атомов Б! истощается, и атомы бора захватываются на избыточные вакансии как на ловушки, и коэффициент диффузии бора падает ниже собственного значения. Состояние преимущественного расположения бора в узлах решетки за счет захвата на избыточные вакансии живет достаточно долго. Только при длительностях отжига порядка 1 часа распределение бора по узлам и междоузлиям устанавливается равновесным, и коэффициент диффузии стремится к собственному значению.

Выполнены рентгенодифракционные исследования упругих напряжений в ионно-легированных структурах кремния. Напряжения несоответствия особенно велики в структурах кремния, легированных бором, в силу значительного несовпадения ковалентных радиусов атомов В и Бь Дополнительная имплантация в слои атомов германия при соответствующем выборе энергий и доз ионов В+ и йе+ позволяет компенсировать упругие напряжения несоответствия. Это предотвращает изгиб пластин кремния, а также снижает концентрацию дислокаций в легированных слоях кремния, что подтверждено данными электронной микроскопии.

Для математического моделирования диффузии имплантированного бора в кремнии записаны уравнения диффузии такие же, как и для фосфора, но не предполагающие образования пар: атом примеси -междоузельный атом кремния. Рассчитанные кривые диффузии в предположении взаимодействий атомов бора с вакансиями и междоузельными атомами соответствуют экспериментальным

профилям. Математическое моделирование показало невозможность описания ускоренной диффузии только за счет атомов бора, локализованных в междоузлиях в процессе имплантации, без учета взаимодействий примеси с избыточными точечными дефектами, что предполагалось рядом авторов. Моделирование показало, что при концентрациях радиационных дефектов в слоях кремния намного превышающих концентрацию внедренной примеси (дополнительное введение дефектов облучением ионами БГ) ускорение диффузии обязано не только процессу вытеснения бора в междоузельный канал диффузии, но и диффузией его по избыточным вакансиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования радиационных дефектов в имплантированном

кремнии и их воздействия на электрическую активацию и диффузию

внедренных примесей позволили сделать следующие выводы:

1. Разработана модель радиационного дефекгообразования, учитывающая возникновение зарядового барьера на областях скоплений дефектов, препятствующего проникновению в них одноименно заряженных вакансий и междоузелышх атомов кремния. Модель объясняет накопление радиационных дефектов до аморфизации кремния при образовании областей скоплений дефектов, а также более высокие скорости введения и накопления радиационных дефектов в сильно легированном кремнии п-типа в сравнении с нелегированным кремнием [28, 32,45, 47, 53, 79].

2. Установлено, что аморфизация кремния при внедрении ионов средних масс ( 81, Р ) происходит при трехкратном перекрытии областей скоплений дефектов, при внедрении легких ионов ( В ) - при пятикратном [4, 6, 28, 32].'

3. Установлено, что в кремнии при ионном внедрении образуются два типа устойчивых при комнатных температурах собственных междоузельных комплексов в концентрациях, сравнимых с концентрациями дивакансий. В положительном зарядовом состоянии междоузельные комплексы отжигаются при 120 и 480 °С и отвечают 8ьР6 и Б1-В3 парамагнитным центрам соответственно. В нейтральном зарядовом состоянии эти дефекты отжигаются при 160 и 560 °С и соответствуют Б1-А5 и 81-02 центрам [12, 13, 31, 38, 72, 80].

4. Установлено, что в кремнии, сильно легированном элементами V группы, в результате имплантации образуются многовакансионные комплексы, содержащие атомы Р, Аб или 8Ь, с температурами отжига на 100 °С превышающими температуру отжига собственных много-вакансионных комплексов. Многовакансионные комплексы с бором отжигаются на стадии 700-900 °С [4, 6, 8, 10, 28, 39,45, 67].

5. Предложен механизм атермической миграции междоузельного атома 81 в решетке кремния, заключающийся в его движении в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения. Определены радиусы сфер искажения решетки атомами 111, IV, V групп, попадая в которые междоузельные атомы 81 направленно движутся к источнику деформаций. Установлено, что в процессе имплантации

или термообработки облученного кремния эффект Воткинса подавляется за счет экранирования неравновесными носителями заряда электрических диполей упруго деформированной сферы кристалла, взаимодействие с которыми междоузельных атомов определяет их атермическую миграцию [25, 27,32, 63,66].

6. Установлено, что концентрация примеси, локализованной в узлах решетки в процессе имплантации, повышается с ростом плотности тока имплантации, что обеспечивается повышением мгновенной плотности вакансий и подавлением эффекта Воткинса [25, 32].

7. Разработана модель диффузии имплантированного фосфора в кремнии, учитывающая образование диффузионной пары из атомов фосфора и кремния, расположенных в одном междоузлии и не связанных между собой ковалентной связью. Модель описывает установленные особенности диффузии имплантированного фосфора: аномально большой коэффициент диффузии и его уменьшение с увеличением длительности отжига, независимость коэффициента диффузии от температуры процесса, сдвиг максимума распределения примеси к поверхности при термообработке [29,36,46, 65, 81-83].

8. Разработана модель диффузии имплантированного бора в кремнии, учитывающая перераспределение бора по междоузельному и вакансионному каналам диффузии в результате взаимодействия с избыточными точечными дефектами междоузельного и вакансионного типа и описывающая ускорение диффузии при быстром термическом (ламповом) отжиге и замедление при термоотжиге в печи [16,18-21,23, 24, 40-43, 56, 61].

9. Разработан метод снижения коэффициентов диффузии имплантированных примесей бора и фосфора в кремнии, заключающийся в дополнительном легировании слоев примесями IV группы, являющимися ловушками для междоузельных атомов 81, обеспечивающих ускоренную диффузию бора и фосфора [20, 23, 24 57,73].

10. Разработан метод построения ирофилей деформаций тонких слоев монокристаллов из рентгенодифракционных кривых качания, отличающийся аналитическим заданием моделируемого профиля, что снижает число оптимизируемых параметров [11, 15].

Содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Челядинский А.Р. Изменение периода решетки кремния при нейтронном облучении // Физика твердого тела. -1976, - Т. 18, N.3.-С.878-880.

2. Стельмах В.Ф., Челядинский А.Р. Изменение периода решетки облученного нейтронами арсенида галлия в процессе отжига // Физика и техника полупроводников. -1976, - Т. 10, N.10.-C.1996-1997.

3. Стельмах В.Ф., Челядинский А.Р. Периоды решеток арсенида галлия, легированного теллуром, оловом, цинком, и совершенство эпитаксиальных структур // Электронная техника. Материалы. -1977, -N.1.-C. 52-56.

4. Стельмах В. Ф., Ткачев В. Д. Челядинский А.Р. Рентгенодифракционное исследование кремния, имплантированного ионами бора // Физика твердого тела.-1978. - Т 20, N 7. -С.2196-2200.

5. Стельмах В. Ф., Челядинский А. Р. Влияние легирования на период решетки арсенида галлия // Изв.АН БССР, сер. Физ-мат. Наук. - 1978, N.1.-C.118-120.

6. Стельмах В. Ф., Ткачев В. Д., Челядинский А. Р. Накопление радиационных дефектов и аморфизация кремния при внедрении ионов бора // Физика и техника полупроводников. - 1978, Т.12, В.10. -С.2076-2080.

7. Люминесценция на дислокациях в кремнии / Н.А.Дроздов, А.А.Патрин, В.Д.Ткачев, А.Р.Челядинский // Журнал прикладной спектроскопии. -1977.- T.XXV11 ,N.2. - С. 248-252.

8. Стельмах В.Ф., Ткачев В.Д., Челядинский АР. Дифракция рентгеновских лучей на ионно-внедренных слоях кремния // Электронная техника. Материалы. - 1979. - N.5. -С. 23-28.

9. Стельмах В.Ф., Челядинский А.Р. Отжиг радиационных дефектов в облученном нейтронами кремнии // Электронная техника. Материалы. -

1980.-N.7, -С. 77-79.

10. Бережное Н.И. СтельмахВ.Ф., Челядинский А.Р. Пространственное распределение, накопление и отжиг радиационных дефектов в кремнии, облученном ионами фосфора // Вопросы атомной науки и техники. -

1981.-N.3(17).-С.25-27.

П.Ткачев В.Д., Хельцер Г., Челядинский А.Р. Профили деформаций и нарушений тонких приповерхностных слоев // Доклады АН БССР. -

1982. - T.XXV1, N.11.- С.977-979.

12.Berezhnov N.L, Stelmakh V.F.,Chelyadinskii A.R. Interstitial type defects in ion-implanted silicon // Phys. Stat. Sol. (a) -1983. - Vol.78, N 2. -P.121-125.

13. Бережное Н.И., Стельмах В.Ф., Челядинский A.P. Дефекты междоузельного типа в имплантированном кремнии // Изв. Вузов. Физика. -1984. - N 7. - С.76-80.

14. Бережное Н.И., Стельмах В.Ф., Челядинский А.Р. Характер воздействия радиационных дефектов на период решетки кремния // Электронная техника. Материалы. - 1983. - N.12. -С.17-19.

15.Tkachev V.D., Holzer G., Chelyadinskii A.R. Damage profiles in ion-implanted silicon // Phys.Stat.Sol. (a) -1984. - Vol.85, N 1. -C.43-46.

16. Механизмы диффузии ионно-внедренного бора в кремнии / В.Ф.Стельмах, Ю.Р. Супрун-Белевич, В.Д.Ткачев, А.Р.Челядинский // Физика и техника полупроводников. -1985. - Т. 19, N.4. - С.739-742.

17. Челядинский А.Р. Рентгеноструктурные исследования дефектов в полупроводниках // Актуальные проблемы современной физики. -Минск: Из-о Университетское, 1985. - С. 67-74.

18.Diffusion of boron implanted into silicon / V.F.Stelmakh, Yu.R.Suprun-Belevich, V.D. Tkachev, A.R. Chelyadinskii // Phys. Stat. Sol. (a) - 1985. -Vol.89, N 2 -P. K45-49.

19. Влияние радиационных дефектов на диффузию ионно-внедренного бора в кремнии / Ю.Р.Супрун-Белевич, А.Р.Челядинский. БГУ. -Минск, 1987. - 8с. - Деп. ЦНИИ "Электроника" - 1987. N Р4425 // Реферат депон.рукописей. Сер.РТ. - 1987. -N 26

20. Стельмах В.Ф., Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Влияние радиационных дефектов и упругих напряжений несоответствия на диффузию ионно-внедренного бора в кремнии при импульсном отжиге // Изв. Вузов. Физика. - 1987. - N 9. - С. 114-116.

21. Stelmakh V.F., Suprun-Belevich Yu.R., Chelyadinskii A.R. Time dependence of boron diffusivity during pulse annealing of ion-implanted silicon // Physical Research. - 1988. - Vol.8.- P.228-290.

22. Comparative analysis by the X-ray diffraction method of pulse and thermal annealed ion-implanted silicon / N.I.Berezhnov., A.R.Chelyadinskii, Yu.R.Suprun-Belevich, N.L.Prokhorenko, A.K.Polonin, N.T.Kvasov // Phys.Research. -1988. - Vol.8. -P.291-293.

23.Стельмах В.Ф., Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р.Влияние упругих напряжений несоответствия на электрическую активацию и диффузию бора в ионно-внедренных слоях кремния // Поверхность. Физика.-1989.-N 10. - С.123-127.

24.Stelmakh V.F., Suprun-Belevich Yu.R., Chelyadinskii A.R. Effect of radiation defects and elastic incompatibility stresses on the electrical activation and diffusion of boron in ion-implanted silicon // Phys. Stat. Sol. (a) -1989. - Vol.112, N1. - P. 381-384.

25. Зарядовые состояния собственных междоузельных дефектов и замещение ими атомов бора в решетке кремния / Н.И.Бережнов, Ю.Р.Супрун-Белевич, А.Р. Челядинский, Хаки Исмаиль Хаки Тахер // Извест.Вузов. Физика. - 1991. - N 4. - С.55-59.

26. Пространственное распределение, накопление и отжиг радиационных дефектов в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами аргона и никеля / В.С.Вариченко, А.М.Зайцев, Н.А.Куделевич, А.Р.Челядинский // Физика твердого тела,- 1991. - Т.ЗЗ, N 12. - С.3552-3555.

27. On the problem of Watkins substitution and migration of silicon atoms in silicon / N.I.Berezhnov, A.R. Chelyadinskii, M. Jadan, Yu.R. Suprun-Belevich // Nuci.Instr.Meth.B-1993. - Vol.73, N 3. - P.357-363.

28. Radiation defects and electrical properties of silicon layers containing Sb and As implanted with Si.ions / H.R.Araika, A.R.Chelyadinskii, V.A.Dravin, Yu.R.Suprun-Belevich, V.P.Tolstihk//Nucl.Instr. Meth. B. - 1993. - Vol.73, N 4. - P.503-506.

29.Chelyadinskii A.R., Haki Taher H.I. Diffusion of ion-implanted phosphorus in silicon // Phys. Stat. Sol. (a) -1994 - Vol.142, N 2. - P.331-338.

30.Defects in silicon implanted with high energy ions / V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev, J.K.N.Lindner, R.Domres, N.M.Penina, D.P.Erchak, A.R.Chelyadinskii, V.A.Martinovich // Nuci.Instr.Meth.B. - 1994. - Vol.94, N 1 - P.240-244.

31. Jadan M., Berezhnov N.I., Chelyadinskii A.R. Charge states of interstitial defects in implanted silicon and their annealing temperatures // Phys. Stat. Sol. (b)- 1995.-Vol.189,N l.-P. Kl-4.

32.Вавилов B.C., Челядинский А.Р. Ионная имплантация примесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения II Успехи физических наук. - 1995. - N 3. - Р. 347-358.

33.Defect production in silicon irradiated with 5,68 Gev Xe ions / V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev, N.M.Kazutchits, A.R.Chelyadinskii, N.M.Penina, V.A.Martinovich, Ya.I.Latushko, W.R.Fahnner // Nucl. Instr. Meth. В.-1996,- Vol.107, N 1 P.268-272.

34.Deformation of porous silicon lattice caused by absorption / desorption processes/ A.R.Chelyadinskii, A.M.Dorofeev, N.M.Kazuchits, Sandro La monica, S.K.Lazarouk, Gabriella Maiello, G.Mazini, N.M.Penina,

V.F.Stelmakh, V.P.Bondarenko, Aldo Ferrari // J.Electrochem. Soc. -1997. -Vol.144, N4.-P. 1463-1468.

35.Челядинский A.P., Вариченко B.C., Зайцев A.M. Пространственное распределение, накопление и отжиг радиационных дефектов в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами криптона и ксенона '// Физика твердого тела- 1998. Т. 40, N 9. - С.1627-1630.

Зб.Челядинский А.Р., Буренков В.А. Модель пары: атом фосфора -междоузельный атом кремния // Физика твердого тела. - 1998. - Т. 40, N 11.-С. 1995-1998.

37.Челядинский А.Р. Рентгеноструктурные исследования арсенида галлия, облученного нейтронами / Радиационные эффекты в полупроводниковых соединениях. - Киев, 1976.- С. 18-19

38.Стельмах В.Ф., Ткачев В.Д. ,Челядинский А.Р. Рентгеноструктурные исследования ионнолегированных слоев кремния II Взаимодействие атомных частиц с твердым телом: Мат. 5 Всесоюзн. Конф., Минск, 1978г./МРТИ.-Минск, 1978-4.2.-С. 101-104.

39.Рентгенодифракционные исследования радиационных нарушений в ионно-имплаитированных слоях кремния/ С.А. Болотов, Н.И.Бережнов, В.Ф.Стельмах, Челядинский А.Р // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом: Мат. VI Всесоюзной конф., Минск, 1981г. // МРТИ. -Минск, 1981. -С.171-173.

40. Ткачев В.Д., Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Влияние размерного эффекта на процессы диффузии ионно-внедренных примесей в кристаллах кремния // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом: Мат.7 Всесоюзн.конф., Минск, 1984. / МРТИ. - Минск, 1984.-С.11-12, ч.З.

41. Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Зависимость коэффициента диффузии ионно-внедренного бора в кремнии от длительности импульсного отжига // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом: Мат. VI11 Всесоюзн. Конф., Москва, 1987г. / МГУ. - М., 1987. -4.2. - С.109-110.

42.Peculiarities of defect formation and impurity behavior in silicon implanted with high energy ions. A.R.Chelyadinskii, N.A.Kudelevich, Yu.R.Suprun-Belevich, V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev // Ion implantation and ion beam equipment: Procc.Intern.Conf.,Elenite, 1990 / Sofija university. - Sofija, 1990. - P.152-157.

43.Диффузия имплантированного бора в кремнии, облученном высокоэнергетичными ионами аргона. В.С.Вариченко, А.Ю.Дидык, А.М.Зайцев, Н.М.Казючиц, Н.А.Куделевич, А.Р.Челядинский // Физика

взаимодействия заряженных частиц с кристаллами: Матер. XXII Межнационального совещания, Москва, 1992 г. // Изд. МГУ. - М.,1993. - С.87-89.

44.Накопление радиационных дефектов в кремнии при высокоэнергетичной ионной имплантации. В.С.Варичнко, А.Ю.Дидык, А.М.Зайцев, Н.М.Казючиц,А.А.Мельников, В.А.Скуратов,

A.Р.Челядинский // Физика взаимодействий заряженных частиц с кристаллами: Мат. XXII Междун. сов., Москва, 1992г. / Изд.МГУ. -

! М., 1993.-С. 90-92.

45.Радиационные дефекты и электрические параметры имплантированных слоев кремния, содержащих сурьму и мышьяк Араика Х.Р.,

B.А.Дравин, Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский // Физика взаимодействий заряженных частиц с кристаллами: Мат.ХХН Межд. Сов.,Москва, 1992г./Изд. МГУ.-М, 1993.-С. 105-107.

46.Burenkov V.A., Jadan М., Chelyadinskii A.R. On the model of ion-implanted phosphorus diffusion in silicon // Ion implantation of science and technology: Procc. Intern.conf., Naleczow, 1997 / Lublin Technical university. - Lublin, 1997 - P. 108-113.

47. Chelyadinskii A.R., Jadan M., Haki Taher H.I. Efficiency of formation of radiation defects in silicon upon implantation of silicon and phosphorus ions // Ion implantation of science and technology: Procc.Intern.Conf., Naleczow, 1997 / Lublin Technical University. - Lublin, 1997 - P.l 14-118.

48. Permittivity of silicon with radiation defects. P.Zukowski, A.R.Chelyadinskii, J. Partyka, P.Wegierek // Ion implantation of science and technology: Procc. Intern.Conf., Naleczow, 1997 / Lublin Technical University.-Lublin, 1997 -P.181-185.

49. Челядинский A.P., Марченко Г.М. Рентгенодифракционное исследование радиационных дефектов в ионно-имплантированном кремнии // Радиационные эффекты в твердых телах: Тез. Всесоюзн. Конф., Ашхабад, 1977г. / Туркменский гос. университет. - Ашхабад. 1977. -С.156-157.

50.Милащенко Е.Г.,Челядинский А.Р. Влияние радиационных дефектов на активацию имплантированого бора в кремнии //Сборник докладов 5 Республиканской конференции, посвяшенной 60 - летию образования БССР. Минск: ИФ ТТиП АН БССР, 1978. -С. 133.

51.Стельмах В.Ф., Ткачев В.Д., Челядинский А.Р. Рентгенодифракционное исследование накопления и отжига радиационных дефектов в кремнии, облученном ионами бора // Дефекты структуры в полупроводниках:

Тез. Ill Всесоюзного Сов., Новосибирск, 1978г./ Сибирское отделениеАН СССР. - Новосибирск, 1978 - 4.2. - С.189.

52.Стельмах В. Ф., ЧелядинскийА.Р. Структура превалирующих радиационных дефектов в ионно-легированном кремнии // Актуальные проблемы естественных наук., Минск, 1982г. / Вышэйшая школа -Минск, - С. 97.

53.Толстых В.П., Челядинский А.Р. Накопление радиационных дефектов в кремнии при ионном внедрении // Ионная имплантация в полупроводниках и других материалах: Тез. 7 Междун. Конф., Вильнюс, 1983г. / Вильнюский гос. университет. - 1983 - С.74-75.

54.Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Влияние упругих напряжений несоответствия на электрическую активацию ионно-внедренного бора в кремнии // Состояние и перспективы развития микроэлектронной технологии: Тез. Всесоюзн. Конф., Минск, 1985г./ МРТИ. - Минск,

1985.-С. 15.

55.Стельмах В.Ф., Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Влияние упругих напряжений несоответствия на диффузию ионно-внедренного бора в кремнии // Состояние и перспективы развития микроэлектронной технологии: Тез. Всесоюзн.конф.,Минск, 1985г. / МРТИ,- 1985.-С.20.

56.Stelmakh V.F., Suprun-Belevich Yu.R. Chelyadinskii A.R. Diffusion of boron ion-implanted into silicon during pulse annealing // Ion implantation in semiconductors and other materials and ion beam devices: Working meeting,Balatonliga, 1985 /Balatonliga,Hungary, 1985 -P.85-86.

57. Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Улучшение структурных и электрофизических параметров ионно-легированного кремния путем компенсации упругих напряжений несоответствия // Физические основы надежности и деградации полупроводников: Тез. 2 Всесоюзн. Конф'., Кишинев, 1986г. / Молдавский гос. университет. - Кишинев,

1986,-4.2.-С.71.

58.Стельмах В.Ф., Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Влияние упругих напряжений несоответствие на электрическую активацию и диффузию ионно-имплантированной примеси в кремнии // Ионно-лучевая модификация материалов: Тез. Всесоюзн. Конф., Черноголовка, 1987г. / Инст. Твердого Тела АН СССР. Черноголовка, 1987 - С. 124.

59. Stelmakh V.F., Suprun-Belevich Yu.R., Chelyadinskii A.R. Time dependence of boron diffusivity during pulse annealing of ion-implanted silicon // Int.conf. on Energy pulse and particle beam modification of

materials:Intern.Conf., - Dresden, 1987 / Dresden University. - Dresden, 1987 -P.4.16.

60. Comparative analyses by the X-ray diffraction method of pulse and therma-1 annealed ion-implanted silicon. N.I.Berezhnov, A.R.Chelyadinskii, Yu.R.Suprun-Belevich, N.L.Prokhorenko, A.K.Polonin, N.T.Kvasov // Energy pulse and particle beam modification of materials: Intern. Conf., Dresden 1987. / Dresden university. - Dresden, 1987 - p.4.17.

61.Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский A.P. Диффузия и электрическая активация ионно-внедренного бора в кремнии при импульсном отжиге // XII Всесоюзн.конф. по микроэлектронике: Тез. научн. Конф., Тбилиси, 1987г./ Грузинский гос. университет. - Тбилиси, 1987. -Т.VII, -С. 179-180.

62. Prokhorenko N.L., Suprun-Belevich Yu.R., Chelyadinskii A.R. Comparative analysis of the electrical activation of ion implanted impurity in silicon during pulse and thermal annealing // Intern. Conf. on Ion implantation in semiconductors: Abstr.scient. conf., Ludlin, 1988 / Maria Curie-Sklodovska University. - Lublin, 1988 -P.140.

63. Suprun-Belevich Yu.R., Prokhorenko N.L., Chelyadinskii A.R. Effect of displacement of electrically active dopant atoms from lattice sites during pulse annealing of ion-implanted silicon // Intern. Conf. Energy pulse and particle beam modification of materials: Abstr. Scient.Conference, Dresden,

. 1989. / Academic-Verlag. - Dresden, 1989. -P.3.14.

64. Peculiarities of defect formation and impurity behavior in silicon implanted with high energy ions. A.R.Chelyadinskii, N.A.Kudelevich, Yu.R.Suprun-Belevich, V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev // Ion implantation and ion beam equipment: Abstr. Intern.Conf., Elenite, 1990 / Sofia University. - Sofia, 1990.-P.b2.

65.Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский A.P., Прохоренко Н.Л. Роль радиационных дефектов междоузельного типа в аномальной диффузии ионно-имплантированной примеси в кремнии при импульсном отжиге // 7 Междун. Конф. по микроэлектронике: Тез. научн. конф.,Минск, 1990г./МРТИ,-Минск, 1990. -Т.1.-С.96.

66.Бережнов Н.И., Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. К вопросу замещения по Воткинсу и миграции атомов кремния в кремнии при низких температурах // Всесоюзн.Конф. по физике полупроводников:Тез. научн. Конф., Киев, 1990г./ Институт полупров. АН УССР. - Киев, 1990. - Ч. 1. - С.274.

67.Хосе Ривера Араика, Супрун-Белевич Ю.Р., Челядинский А.Р. Радиационные дефекты и электрические параметры имплантированных

слоев кремния, содержащих сурьму и мышьяк // XX11 Совещание по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами: Тез. Докл. Научн.конф., Москва, 1992г. / МГУ. -М.,1992. -С.25.

68. Накопление радиационных дефектов в кремнии при высокоэнергетичной ионнной имплантации Вариченко B.C., Дидык А.Ю., Зайцев A.M., Казючиц Н.М., В.А.Скуратов, Челядинский А.Р. // XXII Совещание по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами: Тез. докл. Научн. Конф., Москва, 1992 г./ МГУ. - М,1992. - С.27.

69. Диффузия имплантированного бора в кремнии, облученном высокоэнергетичными ионами аргона В.С.Вариченко, А.Ю.Дидык, А.М.Зайцев, Н.М.Казючиц, Н.М.Куделевич, А.Р.Челядинский // XXII Совещание по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами: Тез. докл. Научн. Конф., Москва, 1992 г. / МГУ. -М.,1992. — С.30.

70.MeV-implantation of inert gases in silicon A.R.Chelyadinskii, N.M.Kazyuchits, A.A.Melnikov,V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev, J.K.lindner, E.H. te Kaat, A.Yu.Didyk, V.A.Skuratov // 8 Intern.Conf. on Ion beam modification of materials: Abstr. Scient. Conf., Heidelberg, 1992 / Germany Phys.Soc. - Heidelberg - P.50.

71.Chelyadinskii A.R., Haki Taher, Suprun-Belevich Yu.R. Diffusion of ion-implanted phosphorus in silicon // Fall meeting MRS: Abstr. Scient. Conf., Boston, 1993./Boston, 1993.-P.J.35.

72.Berezhnov N.I., Chelyadinskii A.R., Jadan M. Charge states of interstitial defects in implanted silicon and their annealing temperatures // X Intern. Conf. on Ion implantation Technology: Abstr. Scient. Conf., Catania, 1994. / Catania-Italy, 1994-P. 3.84.

73. Jadan M., Chelyadinskii A.R. On the mechanism of enhanced diffusion of implanted воЬогоп in silicon // Abstr. X Intern.Conf. on Ion implantation technology: Abstr. Scient. Conf., Catania- 1994. / Catania-Italy, 1994 -P.3.85.

74. Radiation damage in silicon irradiated with 210 MeV Kr ions. V.A.Martinovich, A.R.Chelyadinskii, V.S.Varichenko, N.M.Penina, E.N.Drozdova, A.M.Zaitsev, W.R.Fahnner // Conf. German Phys.Soc.: Abstr. Scient.Conf., Regensburg, 1996 / German Phys. Soc. - Regensburg, 1996.-P.HL 30.42.

75.Ion track channeling effect during high energy ion implantation. V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev, A.A.Melnikov, S.A.Fedotov, A.R.Chelyadinskii, W.R.Fahnner // Conf. German Phys. Soc.: Abstr. Scient.

Conf., Regensburg, 1996 / German Phys.Soc. - Regensburg, 1996. - P.HL 30.41.

76. Структурные исследования пористого кремния. А.РЧелядинский, ШУШенина, Н.М.Казючиц, В.Ф.Стельмах, А.М.Дорофеев, В.П.Бондаренко // 1 Всероссийская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния (Кремний -96): Тез. докл. Научн.конф., Москва,

1996 г. /МИСИ. -М., 1996 -С.169.

77.Буренков В.А., Джадан М., Челядинский А.Р. К модели диффузии имплантированного фосфора в кремнии // Междун. симпоз. Ионная имплантация в науке и технологии: Тез. докл. Научн. Конф., Налечов, 1997. / Люблинский технический университет. - Люблин, 1997.- - С.38.

78. Жуковский П., Челядинский А.Р., Вегерек П. К вопросу высокой диэлектрической проницаемости кремния с радиационными дефектами // Межд. симпоз. Ионная имплантация в науке и технологии: Тез. докл. Научн. Конф.,Налечов, 1997 г. / Люблинский технический, университет. -Люблин, 1997.-С. 39.

79. Челядинский А.Р., Джадан М., Хаки И. Хаки Тахер. Эффективность дефектообразования в кремнии при имплантации ионов кремния и фосфора // Межд. Конф. Ионная имплантация в науке и технологии: Тез. докл. Научн. Конф., Налечов, 1997 г. / Люблинский техн. университет. - Люблин, 1997. - С.40.

80. Челядинский А.Р., Буренков В. А., Якубеня С.Н. Собственные междоузельные дефекты в имплантированном кремнии // Взаимодействие излучений с твердым телом: Тез. 11 Междун. Конф., Минск, 1997г. / БГУ. - Минск, - 1997. - С.72.

81. Челядинский А.Р., Буренков В.А. Механизм аномальной диффузии имплантированного фосфора в кремнии // Взаимодействие излучений с твердым телом: Тез. 11 Межд. Конф., Минск, 1997 г. / БГУ. - Минск,

1997 - С.111.

82. Chelyadinskii A.R., Burenkov V.A. Model of the P atom - Si atom pair diffusion // 11 Intern. Conf. Ion implantation and other applications of ions and electrons: Kazimierz Dolny, 1998 / Maria Curie-Sklodovska University. -Lublin, 1998.-P. 43-44.

83.Chelyadinskii A.R., Burenkov V.A. Mechanism of anomalous diffusion of ion-implanted phosphorus in silicon // Conf. E- MRS, Strasbourg, 1998. / Abstr. Scient. Conf., Strasbourg, 1998 / Strasbourg, 1998. - P. J-V11/P4.

РЕЗЮМЕ Чслядинский Алексей Романович

Радиационные дефекты междоузельного типа и их влияние на электрическую активацию и диффузию имплантированных примесей в

кремнии.

Ключевые слова: кремний, ионная имплантация, радиационные дефекты, диффузия, эффект Воткинса.

Объекты исследований. Исследовалось радиационное дефекто-образование при ионном внедрении в кремнии, выращенном по методу Чохральского. Имплантация проводилась ионами и, В, N. С, 81, Р, Ав, Се, БЬ. Изучалась диффузия бора и фосфора в имплантированных слоях кремния.

Цель работы. Разработка модели радиационного дефектообразования в кремнии при ионной имплантации, описывающей основные закономерности кинетики накопления дефектов, их пространственного распределения и отжига, роль и место собственных междоузельных дефектов в общем объеме дефектообразования, образование областей скоплений дефектов как условие накопления дефектов до аморфизации материала, участие примесей в радиационном дефектообразовании, локализацию внедренных примесей. Установление механизма атермической миграции атомов 81 в кристалле кремния и вытеснения ими примесей замещения из узлов решетки. Разработка моделей аномальной диффузии имплантированных примесей бора и фосфора в кремнии и методов управления коэффициентами их диффузии.

Методами рентгенодифракционного анализа, электронного парамагнитного резонанса, электронной микроскопии исследованы процессы накопления, пространственного распределения и отжига радиационных дефектов в имплантированном кремнии. Установлено образование при имплантации двух типов междоузельных комплексов в концентрациях, соизмеримых с концентрациями дивакансий, изучены их свойства. Предложен механизм атермической миграции междоузельного атома Б1 в решетке кремния. Разработаны модели аномальной диффузии имплантированных примесей бора и фосфора в кремнии, обоснована возможность активного управления коэффициентами их диффузии.

Область применения результатов: радиационная физика полупроводников и технология полупроводниковой электроники.

РЭЗЮМЕ Чэлядзшсш Аляксей Раманав1ч Радыяцыйныя дэфекты м1жвузлавога тыпу i ix уздзеянне на электрычную актывацыю i дыфузш 1мплантаваных прымесяу у крэмнп.

Ключавыя словы: крэмтй, ¡снная ¡мплантащя, радыяцыйныя дэфекты, дыфуз1я, эфект Вотюнеа.

Аб'екты даследвання. Даследавалася радыяцыйнае дэфектаутварэнне пры ¡еннай ¡мплантацц у крэмнп, вырашчаным па метаду Чахральскага. Гмплантацыя праводшася ieHaMH Li, В, N, С, Si, Р, Ge, Sb. Вывучалася дыфуз1я бору i фосфару у ¡мнлантаваных слаях крэмтю.

Мэта даследванняу. ' Распрацоука мадэл1 радыяцыйнага дэфекта-утварэння у крэмнп пры ieimañ ¡мплантацьп, якая anicBae асноуныя заканамернасщ кшетыы накаплепня дэфектау, ix размеркаванне па глыб!-hí, адпалу, ролю i месца уласных межЬузлавых дэфектау у агульным памеры дэфектаутварэння, утварэнне вобласцей скаплення дэфектау як умова накаплення дэфектау да амарф1зацьп матэрыялу, удзел дамешкау у радыяцыйным дэфектаутварэнш', лакал1защю ¡мплантаваных дамешкау. Устанауленне мехашзму атэрм1чпай Mirpauii атамау Si у крэмнй i выцяснення ímí дамешкау замяшчэння з вузлоу рашотю. Распрацоука мадэляу анамальнай дыфузп ¡мплантаваных дамешкау бору i фосфару у крэмнй i метадау уздзеяняя на казфйценты ix дыфузй.

Метадам! рэнтгенадз1фракшйнага анал1зу, электроннага napaMaraiTHara рэзанансу, электроннай MiKpacKanii даследаваны працэсы накаплення, размеркавання па rabi6íhí i адпалу радыяцыйных дэфектау у крэмнй. Вызначана узшкненне пры ¿мплантацьп двух тыпау м!жвузлавых комплексау у канцэнтрацыях, сувымяральных з канцэнтрацыямп дываканай, даследаваны ix уласщвасщ. Прапанаваны мехашзм aT3pMÍ4Hañ Mirpa4bii м!жвузлавога атама Si у рашотцы крэмшю. Распрацаваны мадэдп анамальнай дыфузй {мплантаваных прымесяу бору i фосфару у крэмнп, , абгрунтавана магчымасць актыунага юравання каэфщыентам1 ix дыфузй.

Галша выкарыстання вышкау: радыяцыйная ф{зжа пауправадшкоу i тэхналопя пауправадшковай электрошкь

SUMMARY Chelyadinskii Aleksei Romanovich Interstitial radiation defects and their influence on electrical activation and diffusion of implanted impurities in silicon.

Key words: silicon, ion implantation, radiation defects, diffusion, Watkins

effect.

Subject of research. Radiation defect formation and diffusion were studied in Chochralsky silicon implanted with ions: Li, B, C, Si, P, As, Ge, Sb.

Purpose of the work. The purpose of the work is to develop models of radiation defect formation, kinetic of defect accumulation to amorphization of silicon, athermal migration of interstitial silicon atom in silicon crystal, localization of the inserted impurities, diffusion of impurities in implanted silicon.

Methods of X-ray diffraction, electron paramagnetic resonance, transmission electron microscopy have been used for studying of accumulation, distribution and annealing of radiation defects in implanted silicon. The effect of two type of interstitial complexes generation in implanted silicon has been discovered and investigated. The mechanism of athermal migration of silicon atom in silicon crystal has been proposed at a microscopic level. The models of anomalous diffusion of implanted boron and phosphorus in silicon were developed; the method of influence on diffusion coefficient was proposed.

The fields of application are: radiation physics of semiconductors and technique of a semiconductor electronics engineering.