Радиационные дефекты в имплантированных слоях кремния п-типа и их воздействие на диффузию сурьмы и мышьяка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

2 1 ?"0'| ^^итамй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621,3X5.592

ОСКАР ХОСЕ АРАЖА РИБЕРА

РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЯХ КРВ/НИЯ п-ТИПА И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ДШУЗИЮ СУРЬМЫ И МЫШЬЯКА

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени' .кандидата физико-математических наук

Минск - Х983

Работа выполнялась на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник • ЧЕВДЖЖИЙ А .Р. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор ЛОМАКО В.М. кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник ИВЛЕВ Г.Д.

Ведущее научно-исследовательское учреждение -

Институт физики твердого тела и полупроводников АНБ, г.Минск

Защита состоится II июня 1993 года в 14 часов на заседании специализированного совета Д 056.03.05 в Белорусском государственном университете (220050, г.Минск, пр. Ф.Скорины, 4, Белгосуниверситет, главный корпус, комната 206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан " " 1993 года

Ученый секретарь специализированного совета

доцент В.Ф.СТЕЛШАХ

' *

Белорусский государственный университет, 1993

ОНДАЯ характержтжа работы

Актуальность темы Ионная имплантация является в настоящее время ооновяны методом легирования полупроводников. Она обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционной термоди$фузией, эпи-такоией. Этот метод отличает высокая чистота процесса, воспроизводимость по концентрации введенной пршеои и глубине ее залегания, возможность формирования гонких легированных слоев о резким распределением примеси по глубине.

Однако в процессе имплантации в слоях полупроводников . возникают в высоких концентрациях радиационные дефекты, иногда вплоть до перехода кристалла в аморфное состояние. Это требует последующей термообработки имплантированных структур. Многочисленные исследования показали, что накопленные при имплантации радиационные дефекты оказывают воздействие на процессы электрической активации и диффузии внедренной примеоа. В ионно-и^п датированных структурах кремния наблвдаютоя как аномально большие, так и аномально малые значения коэффициентов диффузии првмеоея, определяемые воздействием на процесс диффузии как вакансионных, так и меадоузельних дефектов. Наиболее хорошо исследованы структуры кремния, имплантированные ионами бора и фосфора.

При имплантации в кремний тяжелых ионов мышьяка и сурьмы образуются аморфные сдои. Электрическая активация и диффузия этих примесей идет параллельно с процессом рекристаллизации аморфного слоя. Поэтому влияние радиационных дефектов на эти процессы осталось не изученным. Не исоледовано в силу этих причин и участие примесей сурьмы и мышьяка в образовании

комплексов о радиационными дефектами при ионном внедрении и последующей термообработке. При имплантации в подогретые мишени, при имплантации с высокой плотностью тока ионов, а также в случае высокоэнергетичной ионной имплантации (энергия ионов-несколько МаВ или десятки МаВ), когда основная длина трека тяжелого иона в кремнии не является аморфной, воздействие радиационных дефектов на процессы электрической активации и диффузии представляет непосредственно практический интерео»

Помимо практической значимости, исследования взаимодействий примесей и дефектов, воздействий уровня легирования, т.е. концентрации примеси, а также зарядового состояния дефектов, на эффективность их введения, комплексообразования и накопления представляют научный интерес для физики твердого тела. Создание при ионной имплантации дефектов вакансионного и мевдоузельного тада в концентрациях, значительно превышающих термодинамически равновесную, способствует установлению механизмов диффузии примесей в кристалле.

Цель работы

Целью данной работы являлось исследование радиационного дефектообразования в слоях кремния,- легированных сурьмой и мышьяком, и установление влияния радиационных дефектов на электрическую активацию и диффузию этих примесей в ионно-имплан-тированном кремнии.

Легированные сурьмой и мышьяком слои кремния создавались предварительной имплантацией этих атомов и последущей термообработкой для рекристаллизации аморфного слоя. Затем для контролируемого введения радиационных дефектов эти структуры об-

- 5 -

с.

лучались различными дозами ионов кремния.

Для достижения поставленной цели в.работе проводились параллельно структурные исследования по накоплению и отжигу дефектов и электрофизические по изучению электрической активация и диффузии примесей..

Научная новизна

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем. Впервые исследовано радиационное дефектообра зование при имплантации в слоях кремния, легированных примесями сурьмы и мышьяка. Обнаружено более эффективное введение и накопление •радиационных дефектов в этих структурах по сравнению с нелегированным кремнием. Установлено, что примеси сурьма и мышьяк входят в состав многовакансионных комплексов, повышая температуру их отжига на 100° С по сравнению с собственными. Предложен механизм радиационного дефектообразования в сильно легированном кремнии п-типа. Впервые изучено воздействие радиационных дефектов на электрическую активацию и диффузию сурьмы и мышьяка в имплантированном кремнии. Из полученных результатов следует, что сурьма диффундирует в кремнии по вакансиояному механизму. Диффузия мышьяка идет по двум каналам: вакансионно-му и мевдоузельному; при этом скорость диффузии по междоузли-' ям выше,'чем по вакансиям.

Практическая значимость

Результаты исследований радиационного дефектообразования в сильно легированных слоях кремния п-типа и воздействия радиационных дефектов на электрическую активацию и диффузию сурьмы и мышьяка могут быть использованы.при совершенствова-.

вания технологии полупроводниковой микроэлектроники.

Исследования выполнялись в рамках госбюджетной НИР кафед-• ры физики полупроводников Белгосуниверситета "Разработка новых,

физических и технологических принципов создания и контроля ■ свойств полупроводниковых структур и. элементов микро- и опто-электроники", № гос. регистрации 01910051739.

Апробация работы Основные результаты докладывались ка Всесоюзной конференции "Взаимодействие заряженных частиц с твердым телом", Москва, МГУ, 1992 г., а также на научных семинарах кафедры полупроводников.

Положения, выносимые на защиту

- разработанная модель радиационного дефектообразования в сильно легированном кремнии п-типа, согласно которой более высокая скорость введения и накопления устойчивых дефектов обусловлена подавлением аннигиляционных процессов вследствие возникновения кулоновского барьера для аннигиляции одноименно заряженных подвижных вакансий и мевдоузельных атомов с одной стороны

в устойчивых дефектов, преимущественно в облаотях скоплений, с другой;

- образование в имплантированном кремнии многовакансяонных комплексов, сЬдержащих 56 и А5 , температура отжига кото-

о

рых на 100 С превышает температуру отжига собственных много-вакансионных комплексов;

- установленные закономерности диффузии и ЙБ в ионно-

внедренном кремнии, заключающиеся в аномально больших коэ;7фи-56

циентах ДИ'фузш^при ламповом и термическом отжиге, обусловлен-

шх диффузией сурьми по избыточным вакансиям и замедленной ' диффузией мышьяка за счет захвата на вакансии. Из полученных результатов следует вакансионный'механизм диффузии сурьмы и

I .

/ диффузия мышьяка по двум каналам: меэдоузельному и вакансион-ному, при этом скорость диффузии ло междоузлиям выше, чем по вакансиям.

Структура'и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных ' выводов и списка цитируемой литературы, включающего 131 наименование, Работа изложена на 105страницах машинописного текста, включая 23 рисуякя и 4 таблицы.

Метода и объекты исследований

Накопление и отжиг радиационных дефектов в имплантированном кремнии исследованы рентгенодифракционным методом в режиме двухкристального спектрометра на излучения , Изу-

чалась дифракция от плоскостей (I I I) в четвергом порядке отражения^ & ~ 79°). В качестве параметра нарушенности'им- , планированных слоев использовалась величина изменения пери- , ода решетки. В предположении, что величина смещений атомов в области превалирующих дефектов составляет 0,2 1 по измерение-, му значению изменения периода решетки оценивалась концентрация дефектов. .

Электрофизические параметры ионно-легированных структур кремния исследовались методом измеренийэффекта Холла и проводимости по методике Ван-дер-Па'у при контролируемом снятии слоев.

Ионно-легированные слои кремния л-гипа создавались им- -

плантацией сурьмы либо мышьяка с последующей термообработкой для рекристаллизации аморфных слоев. Затем в эти слои проводилась имплантация ионов ¿1 + различными дозами для контроля- . руемого введения радиационных дефектов.

Имплантация ионов St? и /¡S проводилась в кремиий р-ти-па с удельным сопротивленцем 10 Ом*см. Для рентгеноструктурных исследований в образцах кремния имплантированных Sb ж (¡S с энергией 90 кэВ, выполнялась разгонка примесей при термообработке на глубину 0,8 X. Затем эти структуры облучались ионами с энергией 160 кэВ. В исследованиях диффузии примесей использовались пластины кремния, имплантированные ионами Si? и с энергией 90 и 250 кэВ, которые после рекристаллизации облучались ионами с энергиями 60 и 160 кэВ.

Диффузия примесей исследовалась при термоотжиге в вакуу-мированных кварцевых ампулах, а также при ламповом отжиге с использованием галогеновых ламп накаливания.

Результаты исследований

I. Радиационное дефектообразование в имплантированных слоях кремния п-типа.

Накопление дефектов в слоях кремния п-типа при имплантации ионов i>i сравнивалось с дефект ообразованием в специально нелегированном кремнии р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом»см. Эти процессы исследовались рентгенодЕфракционным методом по изменению периода решетки && в слоях в результате

' „ ТА

облучения, В нелегированном кремнии до дозы ионов Si 1*10 -2

см дефекты вводятся линейно с дозой облучения. При более вы-

сокой дозе тонов имеет место сублинейный характер на-

копления радиационных нарушении. Сублинейный участок А&(Ф) связывается с повышенной аннигиляцией дефектов при перекрытии каскадов смещений с ранее введенными областями скоплений дефектов. Начало амортизация сопровождается релаксацией упругих напряжений в имплантированных структурах; в зависимости наблвдается загиб при дозе ионов £с * 6 «10 ^ см ^ .. Построение распределения иеперекрытнх, двавди, трижды и т.д. перекрытых областей скоплений дефектов (распределения Пуассона) и сопоставление их с экспериментальной зависимостью позволило заключить, что аморфизация нелегированного кремния начинается при наложении трех областей скоплений дефектов.

В слоях кремния, силёно легированных сурьмой и мышьяком ■ 19 -3

( И л» Ю . см ), накопление дефектов идет более интенсивно, чем в' специально нелегированном материале, и концентрация дефектов тем выше, чем выше уровень легирования. В слоях, ле- -тированных мышьяком, дефекты накапливаются более интенсивно, чем в слоях, содержащих сурьму. Важно отметить, что избыточные концентрации дефектов могут на порядок превышать концентрацию легирующих примесей. Из этого следует, что наблвдаемое явление не может быть связано с дополнительным образованием комплексов радиационных дефектов с примесями (типа Е-центров).

Согласно разработанной модели радиационного дефектообра-зования в сильно легированном кремнии п-типа более высокая скорость накопления дефектов в нем обусловлена подавлением анш.гиляционных процессов. Причина этого заключена в возникновении кулоновского барьера для аннигиляции одноименно заря-

аешшх (отрицательно) первичных подвишшх вакансий и меадо-узельных атомов St , с одной стороны, с вводимыми и ранее введенными устойчивыми дефектами,с другой. Источником носителей, заряда являются как неравновесные электроны за счет неупругих потерь ионов, так и равновесные за счет легирования. Наиболее эффективно блокируется аннигиляция дефектов, сосредого- ■ ченных в областях скоплений. В этом случае нет необходимости каждому устойчивому дефекту захватывать электрон, Захват электронов из матрицы кристалла только на дефекты внешней облочки -скоплений достаточен для образования барьера для проникновения в них отрицательно заряженных вакансий и мевдоузельных атомов

5t .

Установленный в работе факт более интенсивного дефектооб-разования в слоях-кремния, легировашых мышьяком, по сравнению, со слоями, содержащими сурьму, находится в согласии с предло-йеяной моделью. Электрические исследования показали, что атомы сурьмы могут вытесняться из узлов междоузельными атомами \ Si по механизму Воткинса, известному ранее для атомов III группы. Для мышьяка такое явление не обнаружено. Вытеснение атомов.сурьмы в ходе облучения из узлов решетки уменьшает концентрацию доноров,а следовательно, понижает эффективность блокировки аннтшяционшк процессов.

, В слоях кремния, легированных большими дозами мши яка (I'IO^ см"2 ) начало процесса аморфизации, установленное по появлению в спектрах ЭПР линии с ^ -фактором 2,0055, имеет

+ то О

место при дозе ионов Si 6• Кг см , т.е. на порядок ниже, чем для нелегированного кремния. Однако накопление центров

О 5

аморфной фазы вдет по сублинейному закону ~ ф ' ) и

при дозе ионов 4-10"^ см""** аморфизация еще не является

сплошной. Сублинейный характер процесса аморфизации может быть связан с истощением о ростом дозы облучения концентрации носителей заряда, обеспечивающих подавление аннлгиляционных процессов,

Изученле изохронного (15 мил) отжига показало, что вос-. становление периода решетки облученного ионами 51 кремния происходит на двух основных стадиях. Для нелегированного кремния первая стадия лежит в интервале 100-280 вторая - 380-о

600 С. В слоях кремшя, легированных сурьмой и мышьяком, вторая стадия сдвинута на 100° 0 в сторону больших температур. ■ На первой стадии отжигаются преимущественно дивакансии, на 'второй - многовакансиошше комплексы. Ранее установлено,'что в имплантированном кремнии существуют два типа устойчивых меж-доузельных комплексов в концентрациях, соизмеримых с концентрациями дивакансий. Однако в кривых восстановления периода решетки они практически не проявляются.

В слоях кремния п-гила примеси и 45 входят в

состав многовакансионных комплексов,• повышая их термостабильность. Сопоставление полученных результатов с имеющимися в литературе данными позволяет заключить, что атомы сурьмы входят' в состав многовакансионных комплексов в узловом положении.

2. Воздействие радиационных дефектов на диффузию сурьмы и мышьяка

Диффузия сурьмы из тонкого слоя кремния исследовалась при различных концентрациях радиационных дефектов. Дефекты создавались облучением легированных слоев ионами раз-

личными дозами. При термооткиге (1100° С, 15 минут) и ламповом отжиге (1200° С, 10 сек) коэффициенты диффузии сурьмы возрастают с увеличением концентрации радиационных дефектов в имплантированном слое. При максимальной концентрации радиациок-20

ных дефектов (2,1*10 см ) коэффициенты диффузии превышали собственное значение^ 5-6 раз. Это имело место как при термообработке, так и при ламповом отжиге. Увеличение коэффициентов диффузии связывается.с диффузией атомов сурьмы по избыточным вакансиям. Исходя из вакансионного механизма диффузии, можно было ожидать более значительного увеличения коэффициента диффузии .сурьмы. Отношение концентраций вакансионных дефектов в

имплантированном слое и концентрациям термодинамически равно-

5 -6

.весных вакансий составляло 10-10 . Из этого следует, что только незначительная часть избыточных вакансий участвует в диффузии сурьмы. Основная их часть в силу высокой подвижности мигрирует за пределы имплантированного слоя.

Диффузия мышьяка носит более сложный характер. Вначале о

■ ростом концентрации радиационных дефектов в сл^ое коэффициент

о.™"14 г, „."К " 2 -1

диффузии уменьшается от 3*10 до 7»10 . см с при тем- .

пературе отжига 1070° 0 в течение 15 минут. Однако при макси-

гу"\ О

мальной концентрации дефектов (I,8*10 см ■ ) коэффициент

-14

диффузии принимает несколько большее значение - 1,5*10 2 -1

см ♦ с , Наблюдаемые закономерности в диффузии мышьяка объясняются в предположении, что он диффундирует по двум каналам - вакансионному и мевдоузельному. При этом скорость миграции его по междоузлиям выше, чем по вакансиям. Захват атомов мышьяка на избыточные вакансии как на ловушки уменьшает долю атомов мышьяка в быстром междоузельном канале диффузии,. .

и коэффициент диффузии уменьшается. Когда концентрация вакансий очень велика, он может ди!фундировать по избыточным вакансиям, и коэффициент диффузии несколько увеличивается. Но ой остается меньше собственного значения. Меяэдоузельные атомы кремния, возникающие при распаде междоузельных комплексов, как

■ уже отмечалось, не вытесняют мышьяк из узлов решетки. Поэтому они не участвуют в перераспределении атомов примеси по двум каналам диффузии..

Вытекащие из полученных экспериментальных результатов • механизмы диффузии мышьяка и сурьмы находятся в согласии с известными в литературе данными по диффузии этих примесей в'

■ условиях термического наращивания на поверхности кремния окис-'ных и нитридных пленок.

вывода

1. Рентгенодиф$?акционным методом установлена более высокая скорость введения и накопления радиационных дефектов в слоях кремния, сильно легированного сурьмой и мышьяком, по сравнению с нелегированным кремнием. При этом избыточная концентрация дефектов может на порядок превышать концентрацию легирующих примесей.

2. Разработана модель радиационного дефектообразования в им-плансированном кремнии, согласно которой более высокая скорость введения и накопления радиационных дефектов в кремнии п-типа обусловлена подавлением аннкгиляциониых процессов в результате возникновения кулоновского барьера ддя аннигиляции одноименно'заряженных подвижных вакансий и междоузельных атомов с устойчивыми дефектами.

3. Установлено образование в имплантированном кремнии много-вакансионных комплексов, содержащих сурьму и мышьяк, температура отжига которых на 100° 0 превышает температуру отжига собственных многовакансионн'ых комплексов.

4. Установлено, что радиационные дефекты ускоряют диффузию сурьмы в кремнии, что определяется миграцией атомов примеси по избыточным вакансиям.

б. Коэффициент диффузии мышьяка в кремнии уменьшается с ростом концентрации радиационных дефектов, что связано с перераспре- . делением примеси из междоузельного канала диффузии в ваканси-онный.

Содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Хосе Ривера Араика, В.А.Дравин, Ю.Р.Супрун-Белевич, А.РЛе-1 лддинокий. Радиационные дефекты ^электрические параметры имплантированных слоев кремния, содержащих сурьмы и мышьяк. Тезисы докладов XXII Совещания ло физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, МГУ, 1992, с. 86.

2. Хосе Ривера Араика, В.А.Дравил, Ю.Р.Супрун-Белевич, А.Р.Че-лдцинский. Радиационные дéфeкгы и электрические параметры 1 имплантированных слоев кремния, содержащих сурьму и мышьяк. Материалы XXII Сшвешения по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 1993.

3. O.J. Araika Rivera, A.R.Ch&lyadinakii, V.A.Dravin,

Yu. R.Suprun-Belevioh, V.P.Tolstikh. Radiation Defects and Electrisical Properties of Silicon Layers Containing БЪ and Аа Implanted with Si+ Ions. Nuol. Instr. Meth. Phys. Res.B, 1993, 73, N 4, 503-506.

Подписано к печати£Р,С&93н. Формат 60x84/16. Бумага тип. №3

Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,86. Уел.краскоот.I,86 Уч.-изд.л.1,6

Тираж 100 экз. Заказ № 2.^0 Бесплатно.

Белгосуниверситет, 220050, Минск, пр.Ф.Скарыны, 4.

Отпечатано на ротапринте Белгосуниверситета.

220050, Минск, Бобруйская,7.