Рентгенодифракционные исследования приповерхностных слоев совершенных и имплантированных бором монокристаллов кремния, подвергнутых миллисекундуному лазерному облучению тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

iíOCKOBCiU'Ü ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УШ!ВКРСИ'Ш им, М.В.ЛОМОНОСОВА

Ф;ШЧШШ МКУЛЫЙ

fia правах рукописи УДК 548.7^2

... Ш'РАКОБ Анатолий Павлович

РШТгаюда^РАКЦМОШШ ИССЛДЦОМШ . nP;iüO£KPHiüüribX сло£в СОВЕРШЕННЫХ И'ИтШШРОЕАШЩ ', БОРОЙ ¡¿ШОРИС'ШНОВ хСРЫШИ, ПОДВЕРШТЫХ • mjim:&üim.Qi£/ ЛАЗЕРНОМУ' ОЕЛУШИЮ"

•101.04.0? - фззика твёрдого тала) .

Автореферат диссертация на соискание учёной степени кандидата физако-катеиатЕческих. наук

Москва - I9S2

г.-; roe;

. . Работа вшшшеаа т кафздрв фиаяяя твёрдого.тела фазичес-кого (¿акудьтата Московского государственного университета ш. Ц.В.Домоноеова

¡м^чние руководители: доктор (¿изако-ыатеаатичеоках наук Б.А.^адев

каадад&т фазако-катематачеехш. наук Н.А.Тихенов

Офшдальше оппоненты: доктор фазяхо-иатематачесши нау к ' Ы.В.Ковалвчук

кандидат фазико-математдчесюис наук CvВ.Пономарев

Ведущая организация: Физидо-твхнлчаскай институт ш. А.Л.Иоффе РАН

Защита состоится й)?ШилЯ 199а г, в чао, на заседание Саешадааировакного совета * I Отделения фгзиха твердого тала Ш (К 05S.03.I9; по адресу: ПЭ893, ГСП» ¡¿ооква, Лешшокие гори, ИГУ, физический факультет, аудитория

СФА .

С дкссертаадвЙ можно ознакомиться в библиотеке фиваче^Укого фахуяьтэтбДО

Автореферат разослан ' Уб * ЯМ^СгЬЛ I99B г» Учёшй секретарь

Сяеадалвзарованного совете Л I GWI

доктор (¿изшсо-матеиатаческшс наук .А.ййуев

ОБЩ ШАЯТЗРЯСТШ РАБОТЫ

Актуальность теми. Фундаментальные исследования па физике •вёрдого тем позволил* создать различные матер! алы твврдотвль-ой микроэлектроники на основе высокосовервэнних монокристаллов, олупроводниковие приборы изготавливается легированием тонких риповерхностных олоёв монокристаллов с помочь» термической диф-узия примеси их ионной им плантации. Изменение элементного cóclea вызывает изменение электрофизических свойств вблизи поввра-оста, а таив приводит к возникновение дефорицаа арасталличе-ноз ревётки вследствие различия ковалентных радиусов легирувщих основных атомов. При имплантации возникает больное количество эфектов, а имплантированные ионы занимает в основном мвждуузель-ае положения, тогда как электрически активными они является в «ах реиётки. Для восстановления кристаллической структуры с ле-ipyoneft прамэсьа в узлах решётка используется,как правило, терм-юкая обработка. В последнее время всё больнее внимание уделяет-i импульсному лазерному отжигу, поскольку он характеризуется ка-м временным интервалом (от наносекунд до миллисекунд)в рэзуль-те чего асклечавтся нагревание всего кристалла и диффузия примера значительную глубину. Кроме того, лазерный опят характера-ется высокой локальностьв i позволяет создавать ионцентраци» кмеси вблизи поверхности выше равновесного предела растворимос-. Параметры лазерного отжига существенным, образом зависят от ■тельноста импульса, плотности энергии к длины волны излучения.

Таким образом, ионная имплантация а лазерный о тлит- сопровож->тся изменениями в кристаллической структуре приповерхностных зёв, контролируя которуо можно пая об рать оптимальные условия здания полупроводников. Для этой цели а основном используется »ктро$изячеекие а элехтроиномикроскопхческие методы. Среда мно-шсленаих метадов прямого исследования структуры кристаллов налов информативным является методы,' основанные яа анализе диф-циониого отражения рентгеновских лучей. В частности, двух- я хкриоталькая рентгеновская дафрактометрия позволяет ксслвдо- \ ь приповерхтостные слоя в широком дяапазове толсти от дооятхое рометров до едчяиц нанометров.

В связи о »там представляется актуальными рентгенодафракто-рические вослед оваккя соверпаяства структуры п рхп овв рхиосткшс, 5в совврэенных и имплантированных кояами монокристаллов, под-?нутах импульсному лазерному облучении. К настоящему времени ю публикаций ва эту тему не так велико, кроме того, кздостп-

точное внимание уделялось миллисекундному рейху лазерного облучения, который имеет ряд преимуществ пере« каносвкувдным. Ранее также практически не исследовалось влияние на структуру поверхности многократного лазерного облучения.

Целы» диссертационной работа является экспериментальное исследование методами двух- и трахкркстельной рентгеновской дифракто-метрии изменений структуры приповерхностных сло§в совершенных и имплантированных бором монок¡металлов кремния при облучении поверхности одиночными и многократными импульсами рубинового лазера миллисекундной длительности, в том числе:

1. Создание экспериментальной установки для осуществления лазерного отжига с различной плотность» энергии и проведения прецизионных дифрактометрических исследований.

2. Определение толщины, деформации и степени аморфизеция приповерхностных слоев, возникающие в результате имплантации и лазерного облучения.

- 3. Установление зависимости типа дефектов и рельефа поверхности от плотности энергии лазерного импульс«.

Исследование изменений структуры пршоверхностных слоев * при многократном лазерном облучении.

Научная новизна:

1. Впервые ка базе дафрактомвтра'ДРСК-ЛИ и рубинового лазера ГОР-ЮОМ собрана экспериментальная установка для проведения двух* трбхкрясталышх дифрактоме*ричесхкх исследований, влияния импульсного лагерного облучения на структуру приповерхностных слоев монокристаллов. ,?

2. Впервые проведены рентгенедифрактомегрические исследования зависимости изменений структуры приповерхностных слоев толщиной 0,1-1,5 мкм совэраенных и имплантированных бором монокристаллов кремния от энэ£гки миллисекувдных лазерных импульсов.

3. Преддсиэн простоя метод определения плотности дислокаций на основе анализа угловой зависимости иирины главного пика яа спектрах трёхкрижцьной рентгеновской дифрактокетрии.

4. Исследована зависимость величины дефо{ыации решётки, типа дефектов я степени дефектности приповерхностной области от плотности энергии миллисекундного лазерного импульсе. Показано, что при анер-ши киже порога плавления сбразуэтся кластер» точечных дефек-гсэ и двслотационные петли мездуузельного типа, а при энергии выше порога » дислокации. Показана предпочтительность лазерного откига

л г.тоткссть» энергии 20 Дд/см^.

5. Рентгенодкфрактонетрическиии методаии в сочетании с послойным травлением показано, что при отанге лазерными импульсами миллисекундной длительности с сптимальноД энергией распределение имплантированной прмеси приближается к равномерному в слое толщиной 0,3 ню*.

5. Впервые проведены рентгенодифракционныэ исследования изменения структуры приповерхностных слоев при .многократном импульсном лазерном облучения. Показано, что с-возрастанием числа импульсов происходят пешодическое изменение дефортацми и дефектности реаётки как в сторону увеличения, так и уиеныетая.

Научная и практическая значимость.

X. Результаты исследований структуры приповерхностных слоев совершенных и имплантированных борем монокристаллов кремния, подвергнутых хиллисэкундному лазерному облучении, могут быть яспзль-зованы для диагностики поверхности и оптимизации параметров ион.чой имплантации и лазерного отжига при создании полупроводниковых материалов, а также дЬя изучения влияния лазерного излучения на стоуктулу твёрдых тел.

2. Разгаботан простой в эксплуатации трёхкристальный рентгеновский дифрактометр, который макет быть собран на основе серийного отечественного оборудования и позволяет с высокой чувствн-теяьностье и точностью исследовать структуру приповерхностных . слоев монокристаллов»

3. Разработанный и использованный рентгенодифракциониый метод исследования дефектности структуры на основе анализа пиряяы главного пика на трёхкристальных спектрах иоасет Сыть применён для определения плотности дислокаций в тонких приповерхностных слоях монокристаллов.

4. Экспериментально определена оптимальная плотность энергии 20 Лж/см^ импуль:ного лазерного откига, что позволяет получать практически равномерное распределение имплантированного бора в слое толщиной 0,3 икм пои минимальном количестве дефектов.

Основные положения, выносимые на завщту:

1. Методика исследования дислокационной структуры тонких приповерхностных смёз монокристаллов на основе анализа уширеник главного пика на спектрах трёхкристальной рентгеновской дифрактомегрии.

2. Наличие отрицательной деформации в приповерхностных слоях совершенных ■ имплантированных бором монокристаллов кремяия, облу- . чённых лазерными импульсами миллисекунд«ой длительности с плотно-' стьв энергии 10-50 Дж/см^. Деформация сжатия объясняется пркмесьо

замещения атомов кислорода из окисной плёнка ■ имплантированного бора. Величина деформации дЛ/Л - -ИГ3 к толщина елея 0,1-1,5 мкм зависят от плотности анергии импульса.

3. Вывод о равномериом распределении имплантированной примеси бора в слое талцнной 0,3 мкм и его наименьаей дефектности при импульсном лазерном отжиге с оптимальной плотность« энергии 20 Дж/смг.

А. При энергии лазерного облучения ниже порога плававши поверхности образуется кластеры точечных дефектов а дислокационные петли меыуузельного типа, а при энергия выше порога - дислокации.

5. Возникновение крупиомасатабного рельефа на поверхности при импульсном лазерном облучении с плотностьв энергии более 10 Дк/см^, об у сломе иного появлением областей локального шавдеккя при энергии ниже порога плавления поверхности. Величина рельефа составляет десятки угловых минут и растёт с энергией импульса до 20 Дж/см^, оставаясь в дальнейшем постоянной.

6. Возможность периодической генерации и отжига дефектов в приповерхностном слое монокристаллов кремния при многократном импульсном лазерном облучении.

Апробация работы. Основные результаты диссертации декладыва-лнсь и обсухдалнсь иа следуоинх конференциях, совещаниях и семинарах: II Республиканской научно-практической конференции молодых • учёных н специалистов "Разработка и внедрение средств автоматизации в сферу науки, производства и управления" (Сыктывкар, 1968), б Всосоязнои совещании по межвузовской комплексной программе "Рентген" (Черновцы, 1989), Все с он зи ом научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 1990), У Всесоюзном совещании по когерентному взаимодействие излучения с ) веществом (Алупта, 1990), II конференции по динамическому рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах с динамическими н статическими 'искажениями (Кацивали, 1990), 17 Национальной конференцией "Лазеры - 90" (Пловдив. 1990).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх Глав, основных результатов и выводов и сп*ом ця-пруемой литературы. Обяий объём диссертационной работы составляет 134 страницы маиинопненого текста, вывчая 83 стр. основного текста. 30 рисуихов, 2 таблицы и список цитируемой литературы нз 194 наименована!.

- s -

КРАТКОЕ ССДтаАНИВ ДИССЕРТАЦИИ

Во-введении обоснована актуальность темы, сформулирован« )влж работы и основные положения, выносимые на заяиту.

В первой главе, носяцей обзорный характер, описаны возможности рентгенодифрактометрического определения структура диффузл-5нных я имплантированных слоев монокристаллов. Дай сравнительный кнализ термического и импульсного отжигов имплантированных повер-:коотеЯ. Значительное внимание уделено рассмотрении особенностей ипульсного лазерного отжига о точки зрения структурных изменения'.

Во второй главе описаны условия и методика проведения экспериментов, даны основные характеристики экспериментальной ус-ановки, представлены результаты рентгенодифрактометрических сследований структуры приповерхностных слоев соверзенных моно-рясталлов кремния, облучённых одиночными лазерными импульсах».

Исследования проводились на соверпенкых монокристаллах крайня ВДБ-Ю толадиоЯ 500 мкм. Поверхность (III) облучалась руби-овым лазером ГОР-Ю®, работавшим в режиме свободной генерации, гительность импульса ~0,5 мс. Излучение падало нормально на по-зркность монокристалла, ограниченнув специальной маской с отвергаем 5x5 мм^. На выходе лазера имелась линза с фокусным расстоянием 50 см. Аяя более равномерного распределения энэргяи по 5лучаемой поверхности образец помечался яа 5 см далые фокусно-з расстояния.'С этой же цельп перед образцом устанавливалось ма-»вое стекло с коэффициентом пропускания 0,8. Энергия импульса 1ксировалась по напряжение накачки. Сооткояение между ними -оп->делялось перед каждой серией экспериментов измерением энергии ■ импульсе прибором ИНО-2. В качестве энергетической харвктерис-1ки импульса использовалась плотность энергии, определяемая от-иением полной энергии импульса к облучаемой плочади образца, чность плотности энергии составляет

Структура поверхности исследовалась на двухкристальном рен-еновском дифрахтометре в бездисперсаонной геометрии (л, -г-) и трехкристальном дифрактаиетре по схеме (.п, -п., п.) на Си Кл -лучении. Экспериментальная установка (ряс.1) представляет собой ^автоматизированный кояялеко, позволявший реализовать три ме-еики без перенастройки спектрометра:

- метод кривых дифракционного отражения (ВДО), то есть гхкристальная дяфреистометрия;

- метод трехкриотальной рентгеновсхой дифрактометрии (ТРД)

- б -

Рис.1. Двух- и трёхкриотальный дифрактометр. I - кристалл-моно-х рома тор, 2 - образец, 3 - кристалл-анализатор, 4 ^ рентгеново-кая трубка БСВ-29, 5 - специальные рентгеновские камеры, б - го» ниометр ГУР-6, 7 - детектор ЩС-6, 8 - вертикальные цеди (0,05 ми), 9 - горизонтальная цель (4 им), 10 - коллиматоры, II - держатели кристаллов, 12 - прецизионные дстировочные устройства, 13 - понижавцнЯ редуктор, I* - иаговый двигатель ДШРМ, 15 - держатель детектора, 16 - блок регистрации рентгеновского излучения БР-1, 17 - вычислительный комплекс ИИРА-12^6, 18 - самописец ЛКС-4, 19 - рентгеновские пучок, 20 - линия регистра«» углового поворота образца и анализатора.

и асимптотической брэгговскои дифракции с возможность» работы в схемах ы. - сканирование (вращение образца), В - сканирование (врг.яение анализатора) и 6/29 - сканирования;

- снятие кривых диффузного рассеяния по заданному оеченив обратного пространства и построение контуров равной интенсивно«*

В исследованиях также использовалась рентгеновская топографическая установка, прои звонящая съёмку поверсност* по методу Берга-Баретта, и растровый электронный микроскоп МЯ1-5, фиксиру-сдий изображение во вторичных низкоэнергетическях электронах.

Влияние лазерного облучения на структуру приповерхностного сдоя монокристаллов кремния изучалось на воздухе при комнатной температуре в вирокои интервале плотности лазерной энергии

а

• . .7 [

к

1

(0 -10 -м 20 40

от I Ю ПО ¡ж/с*2. Кривые дифракционного отражения облучённых кряоталлов отичаятся от совервеиных уманывянем пиковой интенсивности и появлением "хвостов" (же.2). Изменение ВДО после облучения визваяо появлением дефектов I деформацией кристаллической сеяктп а пршовешйоспой области. Наличие дефектов

Ряс.2. Изменение форы ДО монокристалла кремния, облучённого л&зеркнм импульсом в плотность» анергия ■ 27 Дж/см-. I -1Ц0 сова роенного кристалла, 2 -облученного лазерным импульсом.

подтверждается появлением даф» фузного пика на спектрах ГРД облучённых кристаллов (рис.3). О деформация реаётхи свидетельствует присутствие макемнуха на функции приведённой интенсивности главного пика Р - Грд/, построенной по даинФ трёхкрше-тальяих спектров .(ряс.4).

Рис.Э. Спектры ТРД монокристалла кремняя, облучённого лазерным импульсом о 27 Дж/см2: а - • 72", <5 - 4. - -72й. ГП - главный пик, ПЛ - псеадо- • пик, ДГ1 - диффузный пик.

Наличие максимума функции ' (*) в облаогк положительных углов свидетельствует о появлении отрицательных деформаций а приповерхностном слое. Из рис.4 следует, что о увеличением от 2а до 26 Дж/см2 средняя деформация возрастает по абсолвтной величине

?ио.4. Зависимость приведенной интенсивности главного пика от плотности эноргии лазерных ям-пульсов У (Лж/см2): I - 20, 2 - 23.

1 ■ ¿ + ч /1

1

---г ' ——'— '

I -Я

50 ПО

150

от £,d /i « -9.ICT* до -I.4.I0"3. Спадание кривых Ри) с увеличением Ж говорит о частичной амортизации в приповерхностном слое образцов, подвергнутых лазерному облучению.

Отрицательные деформации объяснены наличием принеси замещения с ковалентним радиусом атомов примеси меньиим, чем у атомов матрицы. Такими примесными атомами в нашем случае является атоми кислорода, вошедшие в матрицу из окисной плёнки на поверхности в результате её плавления. В случае \х/ • 20 Дж/см* толвдиа нарушенного слоя составляет 2 мм. При плотности энергии импульса ме-ньае порога плавления'поверхности (Vq ■ 18 Дж/см^) отрицательная деформация вызвана образованием включения 5i0

На спектрах ТРД зафиксировано увеличение ширины главного пака с увеличением угла поворота образца . Это указывает на то, что облучение вызывает появление крупномасштабного рельефа ва поверхности, который характеризуется среднеквадратичным значением углов дф между поверхность» кристалла в различных его точх&х и отражавцими плоскостями:

= 7wT Г дбгпг^) - деГЛ fo)} , • (i)

где л 8 рд(0) - получается в результате аппроксимации дирииы главного пика д 0 pflC*) при стремлении JL к нули. Величина лФ зависит от V и составляет десятки угловых минут. Рельеф поверхности обусловлен областями локального расплава при плотности зкартин лазерных импульсов ниже порога плавления и характерной, поверхностной структурой в случае превышения порога. Стравливание поверхности ва глубину.. 0,5 мкм н больве полностью устраняет' рельеф.

Ширина главного пика уменьшается с увеличением глубины травления, однако превосходит 'соответствующую яиряну для идеального кристалла. Это независящее от d. уширение можно объшнить наличием в приповерхностной области достаточно больших динамически jec-сеивавщих блоков мозаики, раэориентированных относительно друг друга в результате скоплений дислокаций на границах блоков. С учетом этого предположения для углового распределения интенсивности в методе ТРД получим

■ где Rj, коэффициенты дифракционного оражения от ио-

иохроматора, образца и анализатора соответственно, W Of) - функция углового мозаичного распределения.

В области главного пика (л8 = 2л) прв повороте образца |<с| » Л в Б; глв ~ аиР1П;а брэгговского отражения, плаию

менявщувся функдав Я 2 в (2) мояйо вынеотя за знаке внтегралов. В итоге угловое распределение интенсивности главного пика определяется свёрткой ВДО ионскроматора, анализатора и фукхг&а мозаичного распределения. В случав гауссовокой функции \0/ (Ю для варины глазного пхка аз (2) получим

где А ц - аирина мозаичного распределения.

Используя С2), по изнерэнной виряне главного пика ыакно определить Дц, а также оценить размер блоков Г» Ь/Ац, где (> -модуль вектора Еергерса, и плотность дислокаций Из

экспериментальных данных следует, что угол разориентачгя блоков составляет-угловые секунды, плотность дислокаций от 10^ до 10"* см"^, а размер блоков десятки микроз. С увеличением глубанн травления угол разориентацйи и плотность дислокация уненьамтся, а размер блоков увеличивается. Наличие блоков и их размер подтверждается данными электронной микроскопии и рентгеновской топографии.

Известно, что с помощьв трёхкри стальной дифрактометрии возможно экспериментальное определение типа дефектов. В том случав, когда дефектами является хаотически распределённые дислокация, пиковая интенсивность некогерентаого (диффузного) рассеяния ела-> дает по закону 1/А^. Подчинение этому закону изменения пиковой интенсивности диффузного рассеяния в навем случае также говорят о наличии дислокаций в образце. Уменьшение плотности дислокаций, по глубине стравливаемого слоя совпадает О уменьвеннем внтенеяв-ности диффузного пика. Образованна блоков и'дислокаций обнаружено при облучении импульсами о V > Волн плотность- энергия ниже пороговой, то образуется кластеры точечных дефектов,

В третьей главе исследовано изменение структуры совершенных монокристаллов кремния при многократно! лазерном облученхи. Многократное облучение с плотностьв энэ{гик ниже порога плавления увеличивает время тер«ичэской обработки по сравнение с Ъд ног ратным облучением. Вследствие этого возрастает число вивчекий й Более сложное изменение кристаллической структуры происходят лрз плавлении поверхности с последувцея кристаллизацией. ;

После первого облучения с плотностьв энергия

V- УЗ Лх/ея*

на К50 появляется пъедестал, интенсивность которого со стороны ' больиях углов выае (рис.5). Причина такого изменения КДО обьяо- , кястся генерацией дефектов а диффузией кислорода аз окисной пленки

Т. Ю. -

Рже. 5. Зависимость формы ВДО от количества лазерных импульсов с плотности энергии W • 3D Дж/си2, Р-не облучён, I - облучён один {«з, 2 - два, 3 - три, * - четыре, 5 - пять.

в приповерхноотну» область. По данный ТРД деформация рвиётки в приповерхностной области ииве(т отрицательный знак и равна td/i ■ - 1,5.10"'.

Второе облучение приводит х увеличение пьедестала КДО. Форма ЦДО становится более симметричной (рис.5). Уменьозние асимме- . трии означает, что величина отрицательной деформация уменьшилась по абсолвтной величине. Величина деформации, оценённая по углово и,у полевения максимума функции Р (*■)» равна iJ /& • - 1,12.10"'. Изменение деформации можно объяснить диффузией примесного кислорода'в глубь кристалла при повторном облучении на воздухе. Увеличение падестала КЯО связано о ростом концентрации дефектов. Третье облучение вызывает уманьаекие пьедестала ВДО, что свидетельствует об отжиге дефектов. При данном облучении имеет место ливь частичный отжиг, так какгаедестал полностм не исчез. Последуете облучения сопровождаются периодическим увеличением и /неимением пъоМстала, что указывает на периодичеокув генерацив и отжиг де-^¡«тов а праповерхчосгном слое при возрастании количества лазер-!;« ияпудьсов.

В четвёртой глава представлены исследования импульсного лазерного отжига монокристаллов кремния, имплантированных ионами (Sopa. Поверхность (ill) кремнии марки К2Б-Ю имплантировалась ионами В* с энв{гией 25 кэВ и дозой В • 6.25.I015 ион/см2. Имплантация проводилась при комнатной температуре я условиях, исклв-чаоцих квитирование и явление самоотжяга. Пластины имплантированного кремния отжигались в атмосфере азота при температуре 700ЧС в течение 10 мин, а затем облучались лазерам. Предварительная низкотемпературная стационарная телеобработка применялась для довивания эффективности лазерного отжига.

Из «да НЛО С рис. б) оледует, что ионная имплантация приводит к образованию вблизи поверхности слоя с параметром решётки, большим по сравнение с соверпенным монокристалл ом в объёме, так как в

Рис.6. Зависимость КЛО от глубины травления Ъ при облучении поверхности образца о \Х/ " 20 Дж/см2. I - К50 необлучёаного имплантированного кремния, i (мкм): 2-0, 3 - 0,1, 4 - 0,2, 5 -0,3, б - 0,4, 7 - ИО совершенного монокристалла кремния., 10 ■ Ю5 имп/с.

процессе имплантации и данного "мягкого" режима термического обжига значительная часть атомов бора и выбитых ионами атомов кремния находится в мекдуузалиях. Средняя деформация растяжения, определённая по положение дополнительного аяка с максимумом -'1*0", составляет /</ » 2,68.ГО"3 (см.таблицу). 5ффективгиг„'я толвина нарушенного слоя £ , оценённая г.о расстояние Л

-ÍI

«i.i/ÍA-í

между двумя дополнительными пиками; второй из которых связан о интерференцией волн,отражённых от слоя и от объёма,составляет 0.07мкм.

Эффективную толщину нарушенного слоя можно оценить также по ■величине максимума интенсивности дополнительного пика ВДО !?(«(,)-*.■ (f А )2, где R0 - ВДО совершенного кристалла. ¿0 - угловое полевение максимума, Л - глубина экстяюсции, f - статический фактор Дебая-Валлера (считается, что I «Л); по интенсивности пика на функции приведённой интенсивности:

методом интегральных характеристик:

= RmJJJ* , (5)

с

а также по экспериментально измеренным полуширинам аАэ функции ■ приведённой интенсивности: ¿j, * 1,4 Д. /2%äJ.,ccs 0g. где

(б)

Величины /ida определяится из условияР(А0

) - 0,5fUo).

Форма пика отражения от елок аппроксимируется лорЗнцевской функцией с вкриной 2 ä«t/Q. Соответствующие резужгаты приведены в табл.

Метод интегральных характеристик весьма критичен к выбору пределов интегрирования. В таблице для сравнения приведены расчётные данные для случаев, когда в (5) исклпчается центральная область углов |*i| i, 50, 40 и 30" соответственно.

, Таблица .

Зависимость параметров нонно-имплантированного слоя, подвергнутого лазерному облучение с V » 20Дж/см2, от толщины травления i ; id/4 - средняя деформация, ¿ц , ¿р , t\ (Iii) и tj_ - эффективные толщины слоя (в мкм), оценённые различными способами, $■ -средний фактор аморфизации.

i "', к» после имплантации и термического отжига 0,0 0,1 0,2 0,3 0.4

GW) до? 2,68 -4,21 -4,02. -3.63 -3,25 -2,77

И. .0,077 0,13 0,12 0,11 0,10 0,05

ytf ■ 0,060 0.064 0,060 0,052 0,049 0,033

¿¡(50) 0.067 0,31 0,23 0,24 0,20 0,19

1\Ш 0,100 0,39 0,26 0.27 0,24 0,23

*Сэо) .. 0,23 0,53 0,36 0,37 0,32 0,32

е*. ; 0,25 0.16 0,11 0,0В 0,06 0,035

t ' 0,24 0,41 1 0,64 0.62 0,94

Из таблицы видно, что значения толцин слоя, оцененные по данный ОД), в 2-3 раза превыиает соответствуввие значения, полученные из спектров ТРД. Это превышение объясняется суммарным вкладом интенсивности диффузного рассеяния в двухкристальнне ?СД0, поскольку в результате многочисленных вторичных столкновений при имплантация образуется больвое количество точечных дефектов. В да-льнейие* пря термическом и лазарном отжиге могут образовываться кластеры и дислокационные петли, а упругие ■ термческие напряжения, связанные с введением примесных атомов и с градиентом температуры, генерирует дислокации. С другой стороны, аморфизация приходят к занижение измеряемой тол фиш слоя по сравнении с истинной (см.(5)). Более надёжные данные получается из анагиза яяряяы функции Р («О, поскольку, согласно кинематически теории, яирина отражения тонким слоем зависит лишь от его толщины,-тогда как интенсивность пропорциональна Величина фактора амортизации оценивалась в приближении lf .

Наличие дефектов структуры приводит к частичной ялу полно» аморфизации приповерхностного слоя. Согласно нодифицировлнноя каскадной теории столкновений Кинчина и Пиза в процессе рассматриваемой имплантации примерно 20? всех атомов крайняя смещены, что близко к критической концентрации и свидетельствует о высокой степени аморфизации слоя. Эта оценка подтвврсдается получонтш нами малым значением фактора аморфизации f • 0,24.

В процессе лазерного отжига ионы бора-начинает занимать электрически активные положения в узлах кристаллической геяёткя, приводя к отрицательной дефорюшш ( aJ/J ■ 2.10"'при W .■ 20 Дж/см^), что подтверсдается ttiiww и полагенжаи максимума на кривых JCJ0 (ряс.б) я Р (ti в-области полоххтелькых углов. Сжатие реяётки вызвано тем, что тет'раэдрический ковалентннй радиус боре меньше, чем кремния.

Травление поверхности уменьшает толщину декодированного

сдоя, что подтверждается уменьееввем китеясявностя пика отражения от слоя ({жс.6). Медленная зависимость деформции ad'/J от толщины стравленного слоя (см. таблицу) свидетельствует о том, что в результате лазерного отжига функция распределения атомов бора приближается к ступенчатой, тогда как при обычном термическом отжиге профиль Од (г) остается горбообразным, расплываясь в обе стороны эт положения максимума. Это свидетельствует о преимувестве лазерного отжига по сравнение с термическим для создания более раЕ.чсмврного распределения легируощей промеси.

По величине наклона пряных на рис.7 сделан вывод, что преи-еуцестЕенным типом дефектов при облучении с плотность» энергии 10 и 20 Дж/см- яшяотся дислокационные петли междуузельного типа.

Рис.7. Логарифмическая зависимость интенсивности диффузного пика от угла поворота образца. \х/ (Дк/ск^) : I - 10, 2 - 20, 3 - 27, А - 35.

а с повышением энергии до 27 Дж/сн^ дислокации. При плотности энергии 20 Дж/см~, когда реализуется полное плавление облучаемой поверхности, образуется наименее дефектный слой. Минимальная плотность энергии лазерного отжига составляет 10 Дж/см2.

3,5 « *Ь5 5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На базе дифрактометра ДРСВ-УН1 и рубинового лазера ГОР-ЮОМ разработав и собран трёхкри стольный рентгеновский спектрометр для проведения дифрактометрических исследований влияния импульсного лазерного облучения на структуру пршоверхноствых слоев монокристаллов.

2. Впервые методами двух- "и трёх костальной рентгеновской ' дифрактомегрия в сочетании с послойным травлением проведены исследования зависимости изменений структуры приповерхностных ело-, ёв толщиной 0,1-10 мкм совершенных и имплантированных бором монокристаллов кремния от плотности энергии лазерных импульсов милли-секундной длительности.

3. Показано, что в приповерхностной области ней*плантированного кремния возникает отрицательная деформация кристаллической

решётки лЛ/6 ~ -(7+10).10~'4, которая объясняется образованием вклвчениЯ 5)02 при облучении с плотность» энергии ниже порога плавления поверхности, равной 18 Дж/см2, и замещением атомов кремния в ушах реиётси примесных кислородом при облучении с энергией

♦ ¿I.

ыае порога плавления. С увеличение* плотности лазерной энергии «личина деформации возрастает вследствие вытеснения кислорода к оверхности при перекртсталлизацим.

4. в «и рок ом диапазона плотностей энергии 1-35 Дж/см2 иссле-ован импульсный лазерный отжиг монокр«сталлов кремния, импланти-юваннах нояани бора с энергией 25 кэВ и дозой б.Ю15 см-2. Пока-а-,о, что приоблучении с плотность» энер-ии 10 Дж/см2 ниже порога давления происходит твердофазная перекристаллизация, а результате оторой основная часть имплантированной примеси занимает места в • злах реяётки. При этом положительная деформация /и) /4 - 2,7. КГ3 <эняется дефор»ацией сжатия о ЛИ • -4.10"^ а слое толаиной

,3 икм. Установлено, что наиболее предпочтительным является ла-ерный отжиг с оптимальной плотность» энергии 20 Дж/см2, при кото-ом образуется наименее дефектный слой толцккоа 0,3 мкм с близким равномерному распределением имплантированного бора.

5. Предложен простой метод исследования дислокационной струк-гры поверхностных слоев монокристаллов на основе анализа упирекия (авного пика на спектрах трёхкрястадьной рентгеновской дяфрггто-¡урия. По данным диффузного рассеяния установлена зависимость -

)еимущественного типа дефектов от энергии лазерного импульса. Погано, что в неимплантировгшном кремнии образуется кластеры точных дефектов при энергии ниже порога плавления, превыаенке косого вызывает дислокации с плотность» 4.10* см"2; в имплантиро-1ННОМ кремнии появляется соответственно дислокационные петли ме-уузельного типа и хаотически распределённые дислокации с плот-стъа 4.10^ см"2. С увеличением энеггии лазерного облучения пло-ость дислокаций и угловая разориентация динамически рвссеяваячих оков растут, а их размера уменьшается.

6. По данным трёхкристальной рентгеновской дифрактометрия ус-новхено появление крупиомаситабного рельефа на поверхности крис-ллов, облучённых с плотность» энергии > 10 Дж/см2. Величина льефа больпе для имплантированных кристаллов, составляет досяг-

угловах минут я растёт с плотноотьо энергии лазерного импуль-' до 20 Дж/см , оставаясь в дальнейвем постоянной. Сделан выгод» о рельеф обусловлен областями локального расплава при эязрг*к ня-порога плавления поверхность я характерной поверхностной стру- ' урой в случае превышения порога плавления.

7. Впервые обнаружено к исследовано явление периодической г.г~ рацвд и отжига дефектов в приповерхностном сдое монохрзсталгоэ шяия яри возрастании количества импульсов лазерного облучднгтя.

По материалам диссертационной работа опубликовано 14 печатям рш5от. Основою результаты диссертации представлены в следу-

вцжх роботах:

' I. Петраков А.П.» Буиуев В.А. Двух- и трвхкри стальная рентгеновская дифрактоиетрая материалов, подвергнутых импульсной лазерной обработке (обзор). В кн.: Труди II конференции по динамическому рассеянна рентгеновских лучей в кристаллах о динамическими и статическими а сидениями. Кацнвела. 1990. С.62-90.

2. Петраков А.П., Пунегов В.И., Тихонов В.А. Isyxxpiстальная рентгеновская диагностика наруаеняых приповерхностных слоев кремния, подвергнутых лазерному воздействие. Ц Поверхность. 1991. * II. C.46-5I.

3. Бунуев В.А., Петраков А.П. Рентгеновская дифрахтоиетрия изменений структуры приповерхностных слоев хонно-имплактированного кремния пооле импульсного лазерного отжига. // Письма в 17$. 1992. Т. Ю. В. 8. С. 77-81.

4. Петраков А.П., Тихонов H.A. Двух- я трёхкристальная рентгенов екая дафрактомвтрия монокристаллов кремния, надвернутых мил-лисекундиому лазерному воздействие. Деп. ВИНИТИ. 1992. » I07I--B92. 3I о.

5. Карсов В.П., Петраков А.П., Тихонов H.A., Четвериков Д.В. Рентгеновская днфрвктоиетрия наружвнних лазерным излучением моко-. кристаллов кремния. // IT*. 1992. Т. 62. В. II. С. 89-97.

6. Буиуев З.А., Петраков А.П. Исследование методом трёхкрястальяой рентгеновской днфрактометрин структуры. приповерхностных сл<$в монокристаллов кремния, подвергнутых миллисекундному импульсному лазерному облучении. // Поверхность. 1992. * 9. С. 64-70.