Свойства дефектов и процессы дефектообразования в ионно-имплантированных структурах Si-SiO2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 537.311.33, 621.382

МАЛЯВКА Лариса Васильевна

свойства дефектов и процессы

дефектообразования в ионно-имплатированных структурах

ЗьБЮг.

Специальность 01.04.10 — Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физ.-мат.наук, профессор Барабан А.П.

Санкт-Петер бург 1999

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 6

1 ИМПЛАНТАЦИЯ ИОНОВ В ТВЕРДЫЕ ТЕЛА. 10

1.1 ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ............................... 10

1.2 МЕХАНИЗМЫ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ ПРИ

ТОРМОЖЕНИИ ИМПЛАНТИРУЕМЫХ ИОНОВ И

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВНЕДРЕННЫХ АТОМОВ ПО

ГЛУБИНЕ............................. 14

1.2.1 Потери энергии имплантируемых ионов на ядерную подсистему...... ................ 16

1.2.2 Потери энергии имплантируемых ионов на электронную подсистему.................. . 18

1.2.3 Распределение пробегов имплантированных ионов

в веществе.........................20

1.2.4 Каналирование и краудионы...............21

1.3 ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ В ИОННО- ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ............21

1.3.1 Образование дефектов, обусловленное взаимодействием имплантированных ионов с ядерной подсистемой твердого тела.................22

1.3.2 Образование дефектов, обусловленное взаимодействием имплантированных ионов с электронной подсистемой твердого тела...............23

1.4 ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ МИШЕНИ........................ 25

1.4.1 Распыление.........................25

1.4.2 Фазовые переходы и структурные перестройки в подвергнутых имплантации материалах.......26

1.5 ЭФФЕКТ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ....... . .......28

1.6 ПОСТИМПЛАНТАЦИОННЫЙ ОТЖИГ..........29

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1........................30

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА. 32

2.1 СИСТЕМА ЭЛЕКТРОЛИТ- ДИЭЛЕКТРИК- ПОЛУПРОВОДНИК И ЕЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ В СТРУКТУРАХ ЯьвЮа.......32

2.2 МЕТОД ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОЛИТ- ДИЭЛЕКТРИК- ПОЛУПРОВОДНИК.............................. 35

2.2.1 Исследование ионно- имплантированных структур 5г-5г02 люминесцентными методами......35

2.2.2 Экспериментальная техника и аппаратура...... 36

2.3 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУР ЗьЭЮз В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРО-

ЛИТ- ДИЭЛЕКТРИК- ПОЛУПРОВОДНИК.......38

2.4 ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ.................44

3 ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ИОННО- ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР вьвЮг. 46

3.1 ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ИСХОДНЫХ СТРУКТУР Э^кь в СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОЛИТ-ДИЭЛЕКТРИК- ПОЛУПРОВОДНИК...........46

3.2 ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СТРУКТУР Б^Юг, ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ИОНАМИ Аг.......... 52

3.3 ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СТРУКТУР, СФОРМИРОВАННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ЭШОХ.......72

3.4 ВЛИЯНИЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА ВИД СПЕКТРАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СТРУКТУР Б^Юз.........76

3.4.1 Природа дефектов, ответственных за полосу 1.9 эВ в спектрах ионно- имплантированных структур Зг-вЮъ..............................76

3.4.2 Природа дефектов, ответственных за полосы 2.7 и 4-4 эВ в спектрах ионно- имплантированных структур 5г-5г*02...................... 79

3.4.3 Механизм образования в исходных структурах Бг-

центров, ответственных за полосу ЭЛ 2.7 эВ

и полосы УФ- области спектра..................90

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3........................93

4 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИОННО- ИМ-

ПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР 81-8102. 95

4.1 изменение зарядового состояния структур 8ь&02 под действием имплантации ионов Аг и последующих воздействий...............................95

4.1.1 Влияние ионной имплантации на зарядовое состояние структур 5г-5г02..................95

4.1.2 Влияние отжига на зарядовое состояние имплантированных ионами Аг структур 5г-5гс>2.......97

4.1.3 Влияние БУФ- облучения на зарядовое состояние ионно- имплантированных структур 5г-5г02. .... 112

4.2 влияние ионной имплантации и последующих менее энергетичных воздействий на характер протекающих в структурах эьэюг электронных процессов.....114

4.2.1 Влияние ионной имплантации на характер протекающих в структурах 5г-5г02 электронных процессов. ............................. 114

4.2.2 Влияние ионной имплантации и постимпланта-ционного отжига на характер протекающих в

структурах 5г-5г"02 электронных процессов.....119

4.3 электрически активные центры, образующихся в ^ог вследствие ионной имплантации в окисный слой структур вь эюг..................................135

4.3.1 Природа электрически активных центров, образующихся во внешней области 5гОг вследствие ионной имплантации в окисный слой структур 5г-5г02.136

4.3.2 Электрически активные центры, образующиеся в 5гОг вблизи границы с £г вследствие ионной имплантации в окисный слой структур .....137

выводы к главе 4........................139

5 ПРИРОДА, СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ, СОЗДАЮЩИХСЯ В СТРУКТУ-

PAX Si-Si02 В РЕЗУЛЬТАТЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ. 141

5.1 МЕХАНИЗМЫ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В Si02 ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В ОКИСНЫЙ СЛОЙ СТРУКТУР Si-Si02...................141

5.2 ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В Si02 ВБЛИЗИ ГРАНИЦЫ С Si ВСЛЕДСТВИЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

В ОКИСНЫЙ СЛОЙ СТРУКТУР Si-Si02.........143

5.2.1 Природа электрически активных центров, ответственных за отрицательный заряд в окисле. .... 143

5.2.2 Природа электрически активных центров, ответственных за положительный заряд в окисле.....145

5.3 СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ В ОКИСНОМ СЛОЕ ИОННО- ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР Si-Si02.............................148

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5........................150

ВЫВОДЫ 152

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154

ВВЕДЕНИЕ»

Актуальность темы.

Структуры вьвЮг и создаваемые на их основе структуры металл-диэлектрик- полупроводник (МДП) являются основой элементной базы современной микро- и твердотельной электроники. Это обусловлено прежде всего совершенством границы раздела 81-8502, что позволяет создавать структуры с необходимыми параметрами и изготавливать на их основе дискретные приборы и интегральные схемы широкого функционального назначения. В связи с этим изучение свойств структур БьвЮг представляет большой научный и практический интерес.

Эффекты связанные с радиационным воздействием на них изучаются на протяжении многих лет и с различными целями. Один из методов радиационного воздействия - метод ионной имплантации (ИИ) - основан на внедрении (имплантации) в твердое тело ускоренных в электрическом поле ионизированных атомов или молекул [1-3]. При этом в любое твердое тело могут быть имплантированы любые заряженные частицы, вне зависимости от пределов химической растворимости, температуры в процессе имплантации и концентрации материала примеси на поверхности мишени. Концентрация внедренных атомов примеси имеет распределение по глубине, которое в общем случае может быть описано гауссовым распределением [1,3]. Помимо внедрения имплантантов, за счет диссипации энергии ионов при прохождении сквозь тормозящее вещество, в облучаемом твердом теле образуются структурные нарушения [1-4]. Таким образом, в результате ИИ происходит изменение характеристик облучаемых объектов, к которым относятся состав подверженного ИИ материала (за счет внедрения имплантантов), и его структура (за счет диссипации энергии ионов). С помощью ИИ, изменяя параметры облучения и облучаемых объектов, в структурах БьвЮг можно создавать локальные области с заранее заданными свойствами, что находит широкое применение в различных областях науки и техники. С другой стороны, образование электрически активных дефектов в структурах БьЭЮг вследствие ИИ приводит к нежелательному изменению в работе приборов и схем, созданных на основе данных структур. В связи с чем изучение влияния ИИ на структуры БьвЮг представляет интерес в плане прогнозирования поведения приборов и схем в условиях облучения.

Дефекты, образующиеся в структурах БьБЮг вследствие ионного внедрения аналогичны дефектам создающимся при других радиационных воздействиях. Специфика дефектообразования при ИИ заключается в том, что помимо формирования широкого спектра разнообразных нарушений, оно происходит гораздо интенсивнее, чем при воздействии любого другого вида радиации, так как при ионной бомбардировке доминируют потери энергии, обусловленные упругими соударениями с ядрами или атомами тормозящего вещества. При этом необходимо понимать каким именно образом изменяется структура ЭЮг в результате ИИ, какие типы дефектов возникают, и ка-

кие температурные обработки необходимо использовать для восстановления подверженной данному воздействию структуре. Несмотря на многочисленные исследования ионно- имплантированных структур БьБЮг с использованием разнообразных методик, остается много не ясных вопросов о свойствах, природе и механизмах образования таких дефектов.

Актуальность настоящей работы, включающей в себя исследование ионно- имплантированных структур БьБЮг, заключается в том, что она выполнена совместно методами основанными на измерении высокочастотных вольт- фарадных характеристик (ВЧ ВФХ) и методом электролюминесценции (ЭЛ). Это позволило не только выяснить природу, свойства и пространственное распределение как электрически активных, так; и электрически неактивных (люминесцентных) центров, образующихся в результате ИИ в структурах 81-8102, но и установить их связь с механизмами дефектообразования.

Цель работы.

Цель данной работы заключалась в установлении связи природы, свойств и механизмов формирования дефектов, образующихся в структурах 81-8102 в результате ИИ. Реализация данной цели предполагала решение следующих задач:

1. Изучение свойств центров люминесценции и механизмов их образования в ионно- имплантированных структурах БьЭЮг методом ЭЛ в системе электролит- диэлектрик- полупроводник (ЭДП). Выявление зависимости их концентрации от дозы имплантации, температуры постимплантационного быстрого термического отжига (БТО) и облучения светом из области ближнего ультрафиолета (БУФ- облучение).

2. Изучение электрофизических свойств ионно- имплантированных структур ЭьвЮг (в системе ЭДП). Выявление зависимости концентрации электрически активных дефектов от дозы имплантации, температуры БТО и воздействия БУФ- светом.

3. Исследование влияния дефектов, образующихся в ионно- имплантированных структурах БьЭЮг, на характер протекающих в них электронных процессов.

4. Разработка модели дефектообразования в результате ИИ в структурах ЭьЭЮг.

Научная новизна работы.

В данной работе:

1. Впервые совместно методами ЭЛ и методами основанными на измерении ВЧ ВФХ исследовано влияние ионной имплантации и последующих менее энергетичных воздействий на электрофизические свойства структур вьЭЮг. Выявлено влияние дефектов, образующихся в ионно- имплантированных структурах 81-8Ю2, на характер протекающих в них электронных процессов.

2. Показано, что в диапазоне 250-800 нм спектры ЭЛ структур вьвЮг, имплантированных ионами Аг, содержат три характеристические полосы излучения: 1.9, 2.7 и 4.4 эВ, а спектры ЭЛ структур БьвЮг, сформированных по технологии БШОХ - две: 2.7 и 4.4 эВ. Получены зависимости интенсивностей названных полос ЭЛ от дозы имплантации, температуры постимплантационного быстрого термического отжига (ВТО) и облучения светом из области ближнего ультрафиолета (БУФ- облучение) (в случае структур имплантированных ионами Аг), и от толщины маскирующего окисного слоя, выращенного на кремнии до начала имплантации ионов О (в случае формирования ЭШОХ- структур). Определены пространственные распределения центров, ответственных за данные полосы ЭЛ, в окисном слое имплантированных структур.

3. Установлено, что имплантация ионов Аг приводит к увеличению концентрации электронных ловушек во внешнем окисном слое структур 8ь8Ю2 и плотности поверхностных состояний (ПС) на межфазовой границе (МФГ) Э^ЭЮг, к образованию в окисном слое вблизи границы с как центров, ответственных за положительный заряд, так и центров, ответственных за отрицательный заряд и являющихся дырочными ловушками, заполняемыми в электрическом поле. Получены зависимости величин этих зарядов, концентраций ловушек и плотности ПС от дозы имплантации, температуры ВТО и БУФ- облучения.

4. Обнаружен и исследован эффект перезарядки при облучении БУФ- светом амфотерных центров в окисном слое структур ЗД-ЗЮэ, образующихся вследствие ИИ в положительно заряженном состоянии.

5. Предложена модель, объясняющая природу и пространственное расположение образующихся вследствие ИИ в окисном слое структур БьЗЮг дефектов. Согласно этой модели, природа этих дефектов тесно связала с особенностями процессов дефектообразования при ИИ, в частности, с формированием в результате таких процессов в окисле пространственно разделенных нестехиометрических слоев Э1МОХ сж>2иж<2.

Практическая ценность работы.

1. Обнаруженный в данной работе эффект перезаряжения при БУФ-облучении образованных вследствие ЙИ положительно заряженных центров может быть использован при разработке датчиков для регистрации БУФ- облучения на основе ионно- имплантированных структур Зг-ЭЮа, а также для выделения областей ЭЮ2, подвергнутых ИИ.

2. Выявлена нестабильность в электрических полях зарядового состояния ионно- имплантированных структур БьвЮг, связанная с тем, что образующиеся в БЮг вблизи границы с в результате ИИ центры, ответственные за отрицательный заряд, являются дырочными ловушками, заполняемыми в электрическом поле.

3. С помощью метода ЭЛ установлено отсутствие силанольных групп в окисном слое структур вьвЮг, сформированных по технологии БШОХ.

На защиту выносятся:

1. Закономерности образования и трансформации электрически активных и электрически неактивных (люминесцентных) центров в структурах Si-SiC>2 вследствие ионной имплантации и последующих воздействий (таких как, постимплантационный отжиг, облучение светом из области ближнего ультрафиолета с hi/ = 4 — 6 эВ, воздействие электрическим полем).

2. Способ выделения участков исследуемых образцов, подверженных ионной имплантации, путем БУФ- облучения и способ регистрации излучения в области ближнего ультрафиолета с помощью заряжения структур, подверженных ИИ.

3. Модельные представления о природе, пространственном распределении дефектов и механизмах их образования, в структурах Si-Si02 под воздействием ионной имплантации, позволяющие объяснить совокупность полученных экспериментальных результатов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на VI Международной Школе Физики Юнеско "Condensed Matter and Materials Physics" (Санкт-Петербург, 1996) и на Международной Конференции " Лиэ лектрики-97" (Санкт-Петербург, 1997). По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и содержание работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы и содержит 165 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 58 рисунков и 232 библиографические ссылки.

В первой главе приведен обзор литературы, посвященный ионной имплантации.

Во второй главе описаны изучаемые ионно- имплантированные структуры Si-Si02, экспериментальные установки и методы исследования, использованные в данной работе.

В третьей главе диссертации приведены результаты исследований ионно- имплантированных структур Si-SiC^, проведенных с помощью метода ЭЛ.

Четвертая глава содержит результаты исследований электрически активных центров, образующихся в структурах Si-SiCb в результате ИИ, методами основанными на измерении ВЧ ВФХ.

В пятой главе обобщены полученные результаты и изложены модельные представления о природе дефектов и процессах их образования при ИИ, позволяющие объяснить совокупность полученных экспериментальных результатов.

ГЛАВА 1

ИМПЛАНТАЦИЯ ИОНОВ В ТВЕРДЫЕ ТЕЛА.

1.1 ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ.

При взаимодействии налетающих частиц с твердым телом возникает целый комплекс процессов, часто противоположного характера: внедрение бомбардирующих частиц и эрозия поверхности, напыление пленки на поверхность и очистка поверхности от примесей, образование и отжиг дефектов, перемешивание компонент и их сегрегация [23]. Основные процессы, происходящие при взаимодействии ускоренных ионов с веществом представлены на рис.1.1 [17].

Явления, происходящие в структурах при ионной имплантации (ИИ) можно разбить на два класса: динамические и нединамические [2]. Динамические, столкновительные процессы (в том числе процессы потери энергии ионами, атомные и электронные возбуждения в твердых телах и образование радиационных дефектов) по своей природе сравнительно малочувствительны к детальной структуре любого данного материала (кинетическая энергия ионов намного больше энергии связи атомов в твердом теле); поэтому оказывается возможным построить общую теорию процессов, хорошо согласующуюся с экспериментом в подавляющем большинстве случаев. Нединамические эффекты ИИ (эффекты, вызванные присутствием и свойствами имплантированных атомов и радиационных дефектов после того, как ионы пришли практически в состояние покоя) сильно зависят от природы имплантированных атомов и самого твердого тела, и общие закономерности для данного случая отсутствуют.

В физике и технике полупроводников актуальной является задача создания определенного про