Воздействие радиационных дефектов на диффузию фосфора в имплантированном кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.315.592

ХАКИ ИСМАИЛЬ ХАКИ ТАХЕР

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАДИАЩОННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ДИФФУЗИЮ ФОСФОРА'В ИМПЛАНТИРОВАННОМ КРЕМНИИ

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск -

1993

Работа выполнялась на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник

. . чшдаский А.Р.. . ... ■

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор БОРИСЕНКО В.Е. кандидат физико-математических наук : старший научный сотрудник

. поклонамй h.a.

Ведущее научно-исследовательское учреждение -Белорусская политехническая академия, г.Минск

Защита состоится 8 октября 1993 года в 14 часов на заседании специализированного Совета Д С56.03.05 в Белорусском государственном университете (220050, г.Минск, пр.Ф.Скорины, 4, Белгосуниверситет, главный корпус, комната 206 ), -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан " сентября 1993 года

Ученый секретарь специализированного Совета

доцент '• В.Ф.Стельмах

Белорусский государственный университет, 1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш

Ионная имплантация в настоящее время является основный технологическим приемом легирования полупроводников. Этому методу присущи высокая, в том числе и изотопная, чистота процесса, воспроизводимость по глубине и уровню легирования. Ионная имплантация позволяет создавать тонкие легированные слои с резким распределением примеси.

В процессе ионного внедрения в монокристаллах возникает большое количество радиационных дефектов. Они воздействуют на механические, химические, электрофизические, оптические свойства ионно-имплактированных слоев полупроводников. Оптимальный выбор технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем не возможен без знания природы вводимых дефектов, механизмов их накопления и отжига. Накопление и отжиг дефектов - не тривиальное изменение их концентраций с дозой облучения либо с температурой и временем термообработки. Это и взаимодействие дефектов с их перестройкой или аннигиляцией, участие примесей в этих процессах непосредственно как химических элементов и, с другой стороны, через определяемые ими зарядовые состояьия дефектов. Это важные проблемы физики твердого тела. Изучение радиационных воздействий на полупроводники привнесло в физику твердого тела принципиально новые представления, например, об атермической миграции атомов в кристалле при температурах, близких к О К, стимулировало разработку механизмов.квантовой подбарьерной диффузии и др.

Многообразие радиационных дефектов и зависимость эффективности их введения от ряда определяющих факторов ( тип иона, плотность тока ионов, температура процесса, исходное совершенство материала и др.) затрудняет теоретическое описание процессов взаимодействия иона с веществом и формирования примерно-дефектной структуры в кристалле и требуют целенаправ-Яврных экспериментов.

Важными являются исследования воздействия радиационных дефектов на электрическую активацию и диффузию внедренной примеси. Несмотря на многочисленные исследования до сих пор нет б$ррч§тельной ясности в механизмах диффузии фосфора в кремнии. Общепринятая двухпоточная (по вакансиям и междоузлиям) модель диффузии работает только при низких концентрациях при обычной термодиффузии. При высоких поверхностных концентрациях фосфора, о также б лонно-имплантированных слоях наблюдаемые аномалия не находят полного понимания. Помимо двухпоточной диффузии предлагаются механизмы парной диффузии в виде комплексов фосфора с вакансией, либо в виде комплексов примеси с междо-узельным атомом кремния. Однозначного выбора между этими механизмами не сделано. Однако очевидно, что как в случае высоко концентрационной терлодиффузии, так и в случае диффузии имплантированного фосфора за наблюдаемые аномалии ответственны избыточные точечные дефекты.

Цель работы

Целью данной работы являлось исследование воздействия радиационных дефектов на диффузию фосфора в имплантированном

кремнии при ламповом и термооткиге в печи.

Для достижения поставленной цели концентрации радиационных дефектов в исследуемых структурах кремния, имплантированного фосфором, варьировались путем предварительного их частичного отжига, а также путем дополнительного облучения ионами кремния. Прежде, чем исследовать воздействие дефектов на диффузии, были предварительно изучены закономерности накопления радиационных дефектов в слоях кремния, имплантированного фосфором, а также при их дополнительном облучении ионами кремния.

Научная новизна

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: Установлено, что в кремнии при имплантации ионов фосфора имеет место более интенсивное введение и накопление радиационных дефектов, чем в кремнии, имплантируемом близкими по массе ионами кремния. Из анализа результатов следует, что наблюдаемое явление не мохет быть связано только с образованием комплексов радиационных дефектов с фосфором; оно объясняется различиями в эффективности аннигиляционных процессов.

Установлено, что аномальная диффузия фосфора в имплантированном кремнии обусловлена диффузией комплекса, содержащего атои фосфора и мендоузельный атом кремния.

Объяснено наблвдаемое постоянство коэффициента диффузии имплантированного фосфора в кремнии в широком интервале температур близость» энергий активации диффузии и отжига комп-

лексов, ответственных за аномальную диффузию.

Установлено, что при термообработке часть имплантированного фосфора захватывается на избыточные вакансии, что определяет смещение максимума распределения примеси к поверхности.

" Практическая значимость

Результаты исследования радиационного дефектообразования в кремнии, имплантированном ионами фосфора, и воздействия радиационных дефектов на диффузию фосфора могут быть использованы для совершенствования технологии ионного легирования кремния.

Исследования выпоотялись в рамках госбюджетной НИР кафедра физики полупроводников Белгосуниверситета "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и оптоэлектроники", 8> гос. регистрации 01910081739.

Апробация работы

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

Положения, выносимые на защиту

- установленное более эффективное введение и накопление радиационных дефектов в кремнии, имплантированном ионами фос-фора-по сравнению с кремнием,'имплантированным ионами ,

что обусловлено различиями в эффективности аннигиляционных процессов;

- экспериментальное подтверждение, что аномальная диффузия фосфора обусловлена его диффузией в комплексе с мевдоузель-ным атомом кремния;

- установленные закономерности формирования диффузионных профилей имплантированного фосфора, заключающиеся в захвате части примеси на избыточные вакансии, что приводит к сдвигу распределения примеси к поверхности и в ускоренной диффузии другой части примеси в виде комплекса с ыеадоузельныы дефектом.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основ-■ ных выводов и списка цитируемой литературы, включающего 119 наименований. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков и.2 таблицы.

Методы и объекты исследований

Накопление и отжиг радиационных дефектов в имплантированных слоях кремния исследованы рентгеноднфракционныа методом в ренше двухкристального спектрометра на излучении СиК^ Исследовалась дифракция рентгеновских лучей от плоскостей (I I I) в четвертом порядка отражения 79°). В качестве параметра нарушенное™ имплантированных слоев использовалась величина изменения периода решетки. Принимая за величину смещений атомов в области превалирующих дефектов 0,2 8, по измеренному значении изменения периода решетки оценивалась кон- 7 -

центрация дефектов.

Электрофизические параметры ионно-легированных структур кремния исследовались методом измерений эффекта Холла и проводимости по методике Ван-дер-Пау при контролируемом снятии слоев.

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

Результаты исследований

Накопление радиационных дефектов в кремнии при имплантации ионов Р+ сравнивалось с дефектообразованием при внедрении в кремний близких по массе ионов & До дозы ионов I. Ю^см"^ в обоих случаях имеет место линейный характер накопления дефектов (4о~Ф). При этом скорость введения устойчивых дефектов в случае ионов Р+ в~2 раза выше, чем в случае ионов Ещэ более интенсивно вводятся устойчивые дефекты при имплантации ионов + в слои кремния, предварительно легированные

фосфором. В слоях кремния, легированных фосфором, при концен-

Т9 Ч

трации носителей заряда см скорость введения радиа-

ционных дефектов в. ~ 4 раза выше, чем в нелегированном материале (ВДБ-10). Оценки показали, что избыточные концентрации дефектов могут на порядок превышать концентрации фосфора. Из этого следует, что более высокие концентрации дефектов не могут быть объяснены образованием комплексов радиационных дефектов с фосфором (Е-центров)..

На основе полученных экспериментальных результатов

2. Диффузия имплантированного фосфора в кремнии

Диффузия имплантированного фосфора в кремнии исследовалась электрическим методом, т.е. строились профили распределения по глубине слоя концентрации носителей заряда. Эти профили отражали распределение примеси, поскольку во всех исследуемых случаях электрическая активация примеси составляла 100$. Исследовалась диффузия внедренного фосфора при ламповом отжиге и при термоотжиге в печи. При ламповом отжиге в течение 10 сек при температуре 900 °С коэффициент диффузии имплантированного фосфора на три порядка превышает собственное значение, при 1050 °С - более чем на порядок. При термоотЕиго и печи в течение 15 мин заметное превышение коэффициента диффузии собственного значения имеет место лишь при не очень высоких температурах (900 °С). Аномально большие значения коэффициента диффузии имплантированного фосфора имеют место лишь в ограниченном интервале времени термообработки. При температуре 1050 °С с увеличением времени лампового отпиго от 2 до 20 сек

ТО о т

коэффициент диффузии уменьшается от 8.10 сы сек до

то о т

IЛ0-1 см сек . С увеличением времени отжига в пеня до 30 мин коэффициент диффузии стремится к собственному значения.

С ростом концентрации радиационных дефектов и слое внедрения (дополнительное облучение структур ионами 5с'+ различными до займи) коэффициенты диффузии фосфора увеличивайтел как при ламповом отжиге, так и при термоотжигв в печи. Шесте с тем, при частичном отжиге дефектов путем предварнтель- ' ной низкотемпературной термообработки (300, 500, 600,. 700°С) профили диффузии имплантированного фосфора при последующем

высокотемпературной отжиге не отличаются от профилей диффузии в контрольных образцах. Это связано с тем, что уже при предварительном отжиге идет заметная диффузия пршлеси.

Поскольку предварительный частичный отжиг радиационных дефектов не позволил выяснить роль вакансионных и междоуэель-ных дефектов в ускорении диффузии имплантированного фосфора,

то были выполнены эксперименты по диффузии фосфора в слоях, *

содержащих дополнительные примеси, которые ыогут быть ловушками для определенного типа дефектов. В качестве такой примеси выбрана электрически нейтральная примесь 1У группы в крем' нии - германий. Он является ловушкой для междоузельных атомов , которые вытесняют его из узлов решетки по механизму замещения Воткинса. Эти эксперименты позволили сделать выбор между механизмами парной диффузии и установить, что аномальная диффузия идет по комплексу атом фосфора - атом кремния ( Р1 ), но не по Е-центрам. Эксперименты при различных температурах и временах диффузии при ламповом отжиге и отжиге в печи позволили заключить, что упругие напряжения в структурах, возникающие вследствие легирования германием, существенно не влияют на диффузию фосфора.

Независимость эффективного коэффициента диффузии имплантированного фосфора от температуры лампового отжига в широком интервале (900-1050 °С) объясняется равенством энергии активации диффузии комплекса Р1 и энергии активации его отжига. Это означает, что с ростом температуры экспоненциальный рост коэффициента диффузии фосфора в виде комплекса компенси-

рустся экспоненциальным падением времени жизни данного комплекса.

Установлено, что часть внедренного фосфора при термообработке захватывается на избыточные вакансии, что определяет экспериментально наблюдаемые смещения максимумов распределения примеси к поверхности. Это имеет место как при ламповом отжиге, так и при термоотжиге в печи. Другая часть примеси участвует в ускоренной диффузии в виде комплекса с междо-узельным атомом кремния. Оба эти фактора определяют формирование диффузионных профилей имплантированного фосфора в кремнии.

вывода

1. Установлено, что при имплантации в кремний ионов Р+ скорость введения устойчивых радиационных дефектов в ~ 2 раза выше, чем при внедрении ионов 5/

2. При внедрении ионов &+ п слои крешшя, сильно легпрован-

тд о

иые фосфором С п ~ 10х см~° ), скорость введения радиационных дефектов в ~ 4 раза выше, чем в нелегированных образцах, что обусловлено снижением эффективности ашнгиляционннх процессов в результате возникновения кулоновского барьера для аннигиляции одноименно заряженных подв;ксных вакансий и метэдо-узелыгых атомов с устойчивыми дефектами. •

3. Установлено, что при ламповом отаиге и при термоотяиге в печи происходит смещение максимума распределения имплантированного фосфора к поверхности, что связано с захватом приме-

си на избыточные вакансии.

4. Установлено, что ускоренная диффузия фосфора в имплантированном кремнии обусловлена диффузией по комплексу атом фосфора - междоузельный атом кремния.

5. Независимость эффективного коэффициента диффузии имплантированного фосфора в кремнии при ламповом отжиге от температуры в интервале 900- 1050 °С определяется равенством энергий активации диффузии и отжига комплекса, ответственного за ускоренную диффузию примеси.

Содержание работы отражено в следующих публикациях: 'I. Н.И.Еережнов, Ю.Р.Супрун-Белевич, А.Р.Челядинский, Хаки Исмаиль Хаки Тахер. Зарядовое состояние собственных мевдоу-зельннх дефектов и.замещение ими атомов бора в решетке кремния. Изв.вузов. Физика. 4, 55, 1991.2. Ю.Р.Супрун-Белевич, А.Р.Челядинский,,Хаки Исмаиль Хаки Та-' хер. Воздействие радиационных дефектов на электрическую активацию и диффузию имплантированного фосфора в кремнии. Тезисы докладов XXII Совещания по физике взаимодействия заряженных, частиц с кристаллами. Москва, МГУ, 1992, с.84.

3. Й.Р.Супрун-Белевич, А.Р.Челядинский, Хаки Исмаиль Хаки Тахер. Воздействие радиационных дефектов на электрическую активацию и диффузию имплантированного фосфора в кремнии. Материалы XXII Совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, МГУ, I9S3. '

4. A.R.Chelyadinskii, Haki Ismail Haki Taher. Diffusion of Ion-Implanted Phosphorus in Silicon. Phya.Stat.Sol. a, 1993.

Подписано к печати £>7.09 95г. Формат 60x64/16. Бумага тип. Ю Печать офсетная. Усл.печ.л.1,86. Усл. краскоот. 1,86. Уч.-изд.л. 1,6. Тирад 100 экз. Заказ . Бесплатно.

Белгосутшверситот, 220050, Минск, пр.Ф.Скаршш, 4. Отпечатано на ротапринте Белгосунпвсрситета. 220050, Минск, БобруЛская, 7.