Закономерности фазообразования в имплантированном ионами кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГО 0 л

На прарах рукописи

ДАНИЛИН Алексей Борисович »

ЗАКОНОМЕРНОСТИ »АЗООБРАЗОВАНИЯ В ИМПЛАНТИРОВАННОМ ИОНАМИ КРЕМНИИ

Специальность: 01. 04. 10 - физика популровопнинов и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соиснание ученой степени донтора физико-математических наун

Моснвз - 1993

Работа выполнена в лаборатории Радиационно-Стимулированных Процессов Института Проблей* Технологии Микроэлектроники и Особочистых Материалов Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: Герасименко Н. Н. . доктор

физико-математических наук, Титов В- В. , доктор

физико математических наук, Цериергор Т. Д. , доктор

физико-математических наук.

Зашита диссертации состоится с » _________ 1в93 г.

В _____ час. , на заседании специализированного Совета по

специальности 01.04.10 (физика полупроводников и диэлектриков) ИГИЭТ по адресу: 1034»» Носква, К* «Эй, Москва (Зеленоград), Солнечная ашюК МГИЭТ ауд. _____

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ

Автореферат разослан «__» . 1993 Г.

Ученый секретарь Совета,

к. ф. - и. н. , доцент Орлов Е И.

ОБДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■

Антуапьность проблемы, основная цепь и палачи исследования.

Ионно- лучевая модификация твердых теп является быстро развивающимся метопом создания момнх материалов. В минроэлентронине данный метоп обычно применяется лля легирования полупроводниковых материалов. Однано н последние годы он все чаше начинает использоваться для ионного синтеза различных химических соединений.

Согласно оценкам специалистов, в ближайшем будущем кремний останется основный материалом микроэлектроники, главной тенденцией развития которой является повышение плотности упаковки элементов интегральных схем (ИС), увеличения быстродействия и надежности работы в экстремальных условиях. Использование в качестве подложен структур кремний на изоляторе (ННИ) в максимальной степени соответствует этой тенденции. Однако на пути широного внедрения ННИ струнтур, промышленное производство которых в настоящее время осуществляется методом ионного синтеза, стоит их высокая стоимость. Она, главным образом, обусловлена относительно низной производительностью процесса изготовления НИИ структур) связанной с необходимостью имплантации в кремний сверхбольших доз ионов кислорода. Таким образом, возникает задача поисна путей снижения доз ионного синтеза енрытых диэлектрических слоев. Кроме того, возможность создания ННИ МДП транзисторов с полным обеднением и длиной канала 0,18 мни открывает новые перспективы повышения плотности упаковки элементов ИС. Однако, известно, что при переходе к субминронным размерам элементов ИС повышаются требования к уровню привносимой дефентности при проведении основных технологических процессов. Н таким процессам относится и ионное легирование. Следовательно, , существует необходимость дальнейшего исследования дефентообраэования в ионнолегированных слоях кремния.

Несмотря на то, что изучением процессов ионно-лучевой модификации твердых тел и', в частности нремния, В настоящее время занимается значительное число специалистов, чаще всего ими решается узкий нруг практических задач. При этом традиционно в мировом научном сообществе процессы ионно-лучевой модификации рассматриваются, главным образом, паи результат взаимодействия ионного пучка с материалом мишени. Однако на практике велика роль

вторичных процессов, то есть квазихимичесних и химических реакций в системе радиационных дефектов и примесных атомов. Несмотря на то, что современной наукой накоплен большой обьем экспериментальных ванных, а отечественными учеными развиты молельные представления о таких реакциях, до сих пор отсутствует единый подход, позволяющий с общих материаповедческих позиций рассмотреть вторичные процессы, протекающие в твердых телах при их ионно- лучевой молиф' <ации. Раовите таного подхода, наряду с исследованием возможности управления вторичными процессами с помощью дополнительных воздействий на материал мишени, кан на стадии имплантации, так и на стадии .-отжига, позволило бы существенно расширить возможности метода ионно-лучевой модификации. Результатом этого должно^ стать: повышение эффективности метояз, уменьшение уровня привносимой дефектности, снижение длительности и уровня термических воздействий, а такте возможность формирования разнообразных слоистых структур с заданными свойствами.

Вышеперечисленные соображения и легли в основу представленной работы, основной целью ноторой явилось изучение механизмов фазовых переходов в имплантированном ионами кремнии. В качестве обьеитов исследования были выбраны струнтурно-фазовые переходы и -ионный синтез химических фаз, обладающих диэлектрическими свойствами. Выбор казалось бы хорошо изученного процесса аморфизации кремния ионным пучком о качестве объекта исследований был связан с установленной общностью реакций в системе радиационных дефектор при переходе кремния в аморфное состояние и реакциями ионного синтеза. Такая общность квазихимических и химических реанций в имплантированном ионами кремнии позволила использовать процесс аморфизации в начестве модельного объекта для изучения ионного синтеза. В отличив от явления аморфизации кремния ионным пучком процессы ионного синтеза диэлектрических фаз в нремнии и особенно их раннии стадии и моменту начала данной работы были мало изучены. Этому объекту было уделено основное внимание из-за его большой практической значимости. Изучение ионного синтеза диэлектрических фаз о кремнии было направлено на создание снрытых изолирующих слоев с минимальными энергетическими й временными .тратами.

Для достижения этой цели решались следующие основные научнме задачи:

— выявлялась4, общность вторичных процессов, протекающих в имплантированном ионами кремнии с диффузионно-ноагулячионними

процессами в ультрадисперсннх средах, а также с твердофазными химическими реакциями;

— на основе установленной общности создавались модельные представления о струнтурно-Фазовых переходах и образовании диэлектрических фаз в имплантированном кремнии;

— исследовалось влияние in situ фотовозбумаденин на процессы фазообразованил; *

— изучалась роль радиационных дефектов при ионном синтезе скрытых диэлектрических фаз в кремнии;

— разрабатывались принципы достехиометричесного ионного синтеза снрытых диолентричесних слоев.

Научная новизна работы состоит о том, что в ней:

1. Создана . диффузионно- коагуляиионная модель структурно- фазового перехода в имплантированном ионами нремнии;

2. Впервые показано, что in situ фотовозбужпение замедляет переход из кристаллического состояния в аморфное, препятствуя прямой коагуляции точечных радиационных дефентов и стимулируя образование дефектно- примесных комплексов;

3. Разработаны принципы формировании снрытых диэлектрических слоев при достехиометрических дозах имплантации, в основу которых положено направленное создание локальных стоков в виде радиационных дефектов, включений синтезируемой фазы и других фаз и последующий транспорт реагентов к этим стонам. Построены теоретические модели достехиометричесного ионного синтеза.

4. Показано, что радиационные дефекты влияют как на сам процесс фазообразования в слоях кремния имплантированных ионами О*, N* и С*, тан и на локализацию реанции синтеза. Управление с помощью внешних воздействий системой радиационных дефентов позволяет управлять процессом синтеза внлючений новой фазы. Впервые продемонстрирована возможность управлении процессом * ионного синтеза с помощью in situ фотовозбужленил, а также' за счет изменения поля упругих напряжений, приложенного н нремниевой пластине.

5. Изучены процессы достехиометричесного ионного синтеза скрытых слоев нитрида и онсинитрида на специально созданных стонах в виде включении фаз. Для этих цепеИ впервые был применен синтез на основе повторяющихся циклов имплантация-отжиг. Установлено, что синтез скрытых слоев онсинитрида кремния сочетает в себе достоинства синтеза скрытых слоев дионсипа и нитрида кремния и в то же время в значительной мере свободен от недостатков, присущих

ятин процессам.

6. Определены принципы создания технологии изготовления КНИ структур на основе снрытых слоев онсинитрида кремния, синтезируемых достехиометричесними дозами имплантации.

7. Впервые на основе МНИ струнтур со скрытыми слоями оксинитрида нремния, полученными имплантацией достехиометричесних яоэ ионов кислорода и азота, изготовлены р-нанальные НИИ МД11 транзисторы.

Научно-практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

- показано, что совокупность процессов, протекающих в имплантированном ионами кремнии, может рассматриваться как распад пересыщенного твердого раствора радиационных дефентов и примесных атомов;

■ продемонстрировано соответствие основных закономерностей нинетиии накопления радиационных дефектов (вплоть до аморфизации кремния), а танже ионного синтеза химических соединений основным закономерностям кинетики твердофазных химических реакций;

- показано, что направленное использование данных закономерностей позволяет не только интенсифицировать процессы фаоообразованил в имплантированном ионами нремнни, но и управлять их локализацией;

- предложен метод гетерогенного ионного синтеза достехиометричесними дозами ионной имплантации, позволивший получить КНИ структуры при дозах имплантации в 2-3 раза Менытх доз, обычно используемых для этих целей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для описания процессов фазообразования, протекавших в имплантированном ионзми кремнии, могут быть использованы известные закономерности диффузионно- ноагуляционных процессов, наблюдаемых в ультралисперсных средах, а также твердофазных химических реакций.

2. Элементарными центрами нунлеации ори образовании сложных вакансионных комплексов, появление которых свидетельствует об аморфизации нремния, являются дивакансии. Элементарным центром гетерогенной нуклеации при эпитансиальной рекристаллизации аморфных слоев является номплекс из двух атомов нр- жия.

3. In situ Фотовообуждсние замедляет переход ионнолегированного слоя из кристаллического состояния в аморфное. Прг отом оно препятствует прямой коагуляции точечных дефентов и стимулирует образование дефектно-примесных комплексов. In situ фотовозбуждение

не только усноряет реакции фазообразования в кремнии, имплантированном ионани кислорода, но и позволяет управлять химическим составом скрытого слоя внлючений диэлектрической фазы, синтезируемой с помощью последовательной имплантации ионоп кислорода и аэота.

4. Создание тонких аморфных слоев в кремнии дает возможность существенно повысить локализацию ионного синтеза достехиометрическими дозами имплантации.

5. Эффективность процесса гетерогенного фазообразования на специально созданных центрах нунлеации немонотонно зависит от позы имплантации и температуры процесса.

6. Гетерогенные реакции синтеза, протекающие в нремнии последовательно имплантированном ионами кислорода и аэота, позволяют создать НИИ струнтуры используя достехиомнт'ричесние дозы имплантации.

7* КИИ струнтуры со снрытыми диэлектрическими слоями, полученными последовательной имплантацией достехиометричесних доз ионов кислорода и аэота, пригодны н созданию на их основе ННИ МЛН транзисторов.

Структура работы. Диссертация содержит 237 страниц машинописного тенета, 71 рисунок, 1 таблицу, списон литературы на 182 наименования и состоит ио Введения, шести Глав, семи Приложения, Заключения и двух Актов о практическом использовании результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на I Всесоюзной конференции «Ионно-лучевая модификация материалов» (Черноголовка, 1987), на II Всесоюзной конференции «Ионно-лучевая модификация материалов» (Каунас, 1989), на Международной конференции по ионной имплантации в полупроводники и другие материалы (Люблин, ПНР, 1988), на VI Всесоюзной конференции по физико-химическим основам легирования полупроводниковых материалов (Москва, 1988), на III Международной конференции по модификации материалов с помощью импульсов энергии и пучков заряженных частиц (Дрезден, ГДР, 1989), на VI Международной конференции по физическим проблемам кикроэпентрониии (Варна, НРБ, 1989), на XII Всесоюзном совещании «Применение колебательных спентров к исследованию неорганичесних и координационных соединенней» (Минсн, 1969), на VIII Международной конференции по технологии ионной имплантации (Гилдфорд, Англия, 1990), на Международном симпозиума материалопедчесного общества (Бостон, США, 1990), на I и 1,

ВсероссиИском семинаре по фиэино-химическим основам ионно-лучевой модификации материалов (Нижний Новгород, 1990 и 1992), на Всесоюзной конференции по ионно-лучевой модификации полупроводников и других материалов микроэлектроники (Новосибирск, 1991), на симпозиуме Европейского материаловедческого общества (Страсбург, Франция, 1991), на IX Международной конференции по технологий ионной имплантации (Гейнсвил, США, 1992), на Совещании представителен стран СНГ по проблеме кремний на изоляторе (Киев, Украина, 1992).

Помимо этого, материалы работы докладывались на научных семинарах в ИПТМ РАН, «ИАН, НИИЯФ МГУ, МГИЭТ, Университета графства Суррей (Англия), Империал Колледж (Англия), Солфордского. университета. (Англия), Кембриджского Университета (Англия), Дортнундсного университета (вРГ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность проблемы, формулируются цель и основные оадачи диссертации, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой Главе диссертации осуществлена постановка задачи. Общность вторичных процессов при ионно-лучевой модификации твердых тел заключается в тон, что во всех случаях мы имеем дело с твердыми растворами, пересыщенными примесными атомами и радиационными дефентами. Поэтому предлагается рассматривать процессы, протекающие о имплантированных ионами слоях кремния с позиций распада пересыщенных твердых растворов.

Твердые растворы, образующиеся в кремнии в процессе ионной имплантации, обладают определенной спецификой, делающей их изучение достаточно сложным. К основным особенностям таких растворов следует отнести:

1. Неравномерность пересыщения внедренной примесью по глубине ионнолегированного' слоя, обусловленную, главным образом, энергетическими потерями в процессе торможения ионов, а при определенных условиях - вторичными дефектно-примесными реакциями и такими, эффектами, как распыление материала подложи» в процессе имплантации.

2. Наряду с пересыщением кремния внедряемой примесью

происходит его пересыщение и радиационными дефектами. При отом из- за известного эффекта пространственного разделения дефектов вакансионной и ■ междоуэельной природы часть профиля концентрации внедренной, примеси может окапаться нан в слоях, пересыщенных вакансионными дефектами, тан и в слоях, 'пересыщенных дефектами междоуэельной природы.

3. Распад такого сложного твердого раствора может происходить непосредственно в процессе имплантации, то есть н сильно неравновесных условиях, что несомненно затрудняет моделирование протекающих реакций. Кроме того, результатом такого распада является образование сложной гетерогенной системы радиационных дефектов и включений химических соединений.

Несмотря на то, что высокая концентрация радиационных

дефентов может значительно изменить величину продела растворимости

л

внедренной примеси, именно этот параметр удобно использовать для рассмотрения наиболее .распространненных на нрантине процессов ионно- лучевой модификации кремния. Чаще всего приходится иметь депо со следующими тремя ситуациями.

1. Концентрации внедренной принеси ниже предела ее растворимости по всей глубине рассматривает слоя.

Этот случаи наиболее харчкгерен ни» процессов ионного легирования, когда число смещенных ни у ¡»юных положений зтомЬп кремния, а также возникших нзнансий мож1"Т на несколько порядно» превышать нак концентрацию внедренной примеси, так и собственную равновесную концентрацию, что может при определенных условиях стать причиной амортизации. Характер формирующихся на стадии ионной имплантации радиационных дефектов оказывает существенное влияние нан на ¡электрофизические параметры формируемых р-п переходов, тан и на геометрический размер легированных областей.

2. Концентрация внедренной примеси выше предела ее растворимости в малой части рассматриваемого слоя.

Этот случай характерен для ранних стадий ионного синтеза, когда устойчивые зародыши нсгвоИ фазы обраауются в локальной области с характерными размерами, близкими к размерам критического иародиша. Последующий отжиг приводит либо и растворению зародышей, либо к их росту за счет сегрегации на их поверхности реактивных примесей. На такую достаточно неустойчивую систему должны существенно влиять радиационные дефенты. Они могут выступать как потенциальные центры зародышеобразования, а также

содействовать транспорту реагентч к включениям новой фазы.

Поскольну изменение условии имплантации .позволяет управлять реакциями с участием радиационных дефектов, то, по-видимому, возникает возможность упрапленин процессами ионного синтеза. Дозы, при которых непосредственно путем имплантации не обеспечивается стехиометрия синтезируемого соединения в неном выделенном для этих целей слое, принято называть достехиометричесними.

3. Концентрация внедренной примеси выше предела ее растворимости в б' :ьшей части рассматриваемого слоя.

Подобная ситуация наиболее распространена при традиционном проведении ионного синтеза, Обычно при таком стехиометричесном ионном синтезе в значительной части профиля концентрации реактивной примеси выполняется условие стехиометрии, а в области максимума профиля концентрации уровень пересыщения оказывается даже выше.

Используем для описания процессов ионно-лучевой модификации кремния основные понятия химии твердого тела. К этим понятиям относятся: пересыщенный твердый раствор и его распад, нритичесний размер зародили ново» фазы и его устойчивость и, наконец, сама., фила, .характеризующаяся наличием границы раздела с матрицей исходного материала. Данные понятия широко используются при описании процессов ионного синтеза. Нромо- того, кинетика ионного синтеза полностью соответствует кинетине твердофазных химических репкциИ и включает в себя стадии зародышеобразования, роста включении копой фазы и их коэлесценции. -...'...--.

Однано нее чтря на то, что кинетика накопления радиационных депонтов р чремнии при его аморфизации ионным пучном обычно хорошо соотпетспует киненике твердофазных химических реакций, прямая аналогия с этими реакциями затруднена, так как трудно представить себе элементарный зародыш аморфной фазы Поэтому пользоваться известными закономерностями твердофазных химических реакций можно, но-пилимому лишь ^применительно н радиационным дефектам. При этом переход в аморфное состояние следует рассматривать кан результат распада твердого раствора пересыщенного точечными' дефектами и диффузионно-коагулниионных процессов в системе этих дефектов, когдр достижение критической концентрации дефектных комплексов совпадает с экспериментальным наблюдением зморфиза ;ли.

Следует отметить, что на первый взгляд проводить аналогию между процессами, протекающими в твердом теле, на.\ 1ящемсн под действием пучка ионов,, и твердофазными химичесними реакциями, некорректно, поскольку у порном случае, в отличие от пторого, мы

имеем дело с тернопинамичесни открытой системой. Однако установлено, что время за церию пи и основных [ч.-акциИ с участием радиационных дефектов при имплантации ионоп средних масс в кремний (комнатная температура имппактации), не превышает 10 6с. В то же время скважность импульсов воздействия ионного пучка на мишень в системах сканирования промышленных установок ионного легирования не менее 10"3с. Поэтому можно считать, что рассматриваемая система нвазиэакрыта и предлагаемая аналогия правомерна.

Таким об разом, в Главе 1 предложено рассматривать процессы »ошю- лучевой модификации кремния с единых материалонедческих позиций как результат распада пересыщенного твердого раствора. При зтом, если процесс ионного синтеза на стадии постимплаитационного отжига представляет собой твердофазную химическую реакцию, то для описания ивазихимических диффузионно-ноагуляционных процессов накопления радиационных дефектов предложено использовать лишь основные кинетические закономерности данной реакции. Поскольку при ионно лучевой модификации кремнии велика роль гетерогенных процессов, предлагается использовать их с целью интенсификации формирования слоев новых фаз, а также управления глубиной, на которой оти слои создаются. Применимость предложенного в данной главе подхода, а также возможность извлечения из него практической пользы демонстрируются ниже.

Во второй Главе с единых материаловедчесних позиций, используя вышеизложенный подход, описываются структурно- фазовые переходы в имплантированном ионами кремнии. Здесь также исследуется влияние такого фактора, нан in situ Фотовозбуждение на процессы анкомуляции радиационных дефектов при ионном внедрении В основу модельных представлений о структурно-Фазовых переходах положены следующие, накопленные ранее радиационной физикой полупроводников, онсперимонтапьные результаты и идеи:

- разулорядоченная область, возникающая в месте развития каскада упругого взаимодействия иона с решеткой, представляет собой сгусток вакансиониыч дефектов с оболочкой из дефектов мехадоузельных;

- простейшие радиационные дефекты являются зародышами более сложных, появление которых сопутствует началу аморфизации;

- простейшим ванзнсионным дефектом, из которого могут образовываться более сложные ваиансиоиные комплексы, является диванансия;

накопление дивакансий в имплантируемом ионами «нремнии приводит и аморфизации;

критической температурой, определяющей характер структурно-фазового перехода при взаимодействии ионного пучка с мишенью, является температура отжига дивакансий. При температуре имплантации более низкой, чем температура отжига дивакансий, возможно накопление ванансионнм$ дефектов вплоть до аморфизации слоя. При температурах облучения, равных или более высоких, чем температура отжига дивакансий, наблюдается эффект

радиационно-стимулированной рекристаллизации.

- 1n situ фотовоэбуждение при имплантации в кремний ионов средних масс замедляет процесс накопления радиационных дефектов.

Существующие модели аморфизации предполагают раэлйчиные механизмы процесса аморфизации в зависимости от массы внедряемых ионов. Основываясь на предложенном в Главе 1 подходе, допустим, что природа оффента аморфизации не зависит от массы внедряемого иона и определяется процессом распада пересыщенного твердого раствора радиационных дефектов. Эффект пространственного разделения вакансий и междоузлии позволяет отдельно рассмотреть поведение Твердого раствора, пересыщенного вакансиями. При этом масса внедряемого иона определяет лишь уровень пересыщения. Дня легких ионов данный уровень невысок, и пересыщение, приводящее и распаду достигается лишь в результате взаимодействия ванансий, рожденных в различных коспалзх. В то же время высокий уровень порсыщенил вака иями области наскада при внедрении тяжелого иона достаточен n»yi распада этого раствора и образования многопакансионных комплексов типа VV-центров с концентрацией достаточной для аморфизации. С целью исключения возможной двусмысленности следует отметить, что в модели рассматривается ннчрихимичоснал реакция, пролунтом которой является не аморфная фаза кан тэколзя, а некоторые; вакансионнно комплексы, появление 9которых равносильно•началу образования аморфной фазы. Известно, что кинетика распада поресыиюнного твердого раствора определяется двумя стадиями: возникновением центров конденсации и их последующим ростом. Скорость процесса в целом определяется скоростью' наиболее медленной ип названных стадий.

Допустим, что О) дивакансии являются зародышами нногомакансионннх .комплексов; (2) ли вакансии обрь /ются. путем коагуляции подвижных вакансий; (3) образование дипанансиИ является iWMiit ируютой стадией . кинетики образования -VV-центров, а,

следовательно и аморфизации; (4) роль ухода вакансии на внешние стони, равно кан и образования комплексов с примесными атомами пренебрежимо мала в сравнении с их участием в образовании многованансмонных номппенсов.

Пусть некая нритичеснан концентрация многопанансионных

УУ-центров, соответствующая аморфизации. Нинетина процесса аморфизации характеризуется скоростью V и Бременем I . Посконину

в а

независимо от вида имплантируемого иона N = V • I , то для ионов с

W

V (М,>

Доза аморфизации раина j . t , где J- средняя плотность

ионного тона, ион'см"2 с и поснольну j s const

Ф^М,) ta(Mt)

VM2> " W W

Снорость образования дивакансий путем коагуляции подвижных

вакансий задается как V • а • N

¿4 у

где а - параметр коагуляции и

N - концентрация коагулирующих вакансий. D этом случае:

W

V2v (М*>

n: <"2> N? (М,)

концентрация ванансиИ, рождающихся в каскадах упругих столкновений, определяется величиной коэффициента энергетических потерь на ядерное торможение Sno и вышеприведенное соотношение может быть преобразовано следующим образом:

VV 5п„(»У

Примем допу аморфизации кремния ионами В1 за эталонную величину. Данный выйор в максимальной степени удовлетворяет положению 4 данной модели. Кроме того, эта неличина определена однозначно I? ряд» работ и составляет Ф (В1*) = 5,0- ю'3 см"'. На Рис. 1 покапаны результату,! расчетов, полученные при испольэопннии соотношения

массами Hf и Мг соответственно мы имеем:

Ф <М ) = <t> (М ♦)•

» | а В i

<»ти результаты наход нт с я в хорошем соответствии с собранными из литературы экспериментальными данными, полученными в разное время розничными исследователями для .широкого спектра масс ионов.

средних масс, и и особенности для легких, ионов наблюдается некоторый р;< л?, рог гж с пе р^ не и т а л ь н ы.\ данных.

Рис. 1. Зависимость лозы амортизации от массы внедряющихся ионов (точками показаны як<м*"р**«ит»т>иые язииые ).

Можно ныяепить лпе основные причини наблюдающегося разброса. Во-перпыч, ним легких ионов доза амортизации сильно зависит от скорости набора дозы, а'данный'параметр'ранее но всегда принимался н расчет. ЕЪ- вторых, необходимо принимать со внимание большое ... разнообразие методов использовавшихся различными авторами для определения.дозы аморфи&сШии.

Аналогичным образом Можно рассмотреть и процесс термической или ионно- стимулированной рекристаллизации аморфных слоев кремния. Кинетика такого квазихимического твердофазного процесса также включает в себя стадии зарольшеобразования и роста зародышей кристаллической фазы. Однако в нашем конкретном случае в качестве зародыша может 'выступать' вся . моионристалличеснан подложна. Изнестно, что стадия роста зародышей, как и : пе'пая стадия зэродытеобразования, включает возникновение, двухмерных центров конденсации на поверхности зародыша и доставку вещества к этим

.имплантированных ь к, емлиИ при комнатной температуре. Для ионов

О 20 40 60 80 Ш) «0 МО <60 <60. 200 Mi

цемтрам, которые п результате? разрастания создают новые спои вещества на за родите. Экспериментально установлено, что именно тан, слой за слоен происходит энитаксиальная рекристаллизация аморфных слоев. Используя экспериментальные данные по ионно- стимулиропанной рекристаллизации аморфных слоев, а также модель аналогичную модели аморфиаации, улилось показать, что именно комплекс из двух атомов кремния, образующийся путем коагуляции свободных атомов кремния, мигрирующих у границы раздела, служит в качестве такого центра конденсации.

Наиболее яри ой демонстрацией диффузионно- коагулицио»шого механизма накопления радиационных дефонтон незаписимо от массы внедряющихся ионов является гетерогенная аморфизация приповерхностных слоев кремния. В этом случае накоопление дефектов имеет место не на глубине, соответствующей глубине максимальных энергегитческих потерь на упругое взаимодействие с атомами решетки, а на удаленных внешних стоках. Одним из таких стокон для радиационных дефектов является поверхность. Наполнение радиаанионных дефектов у поверхности имеет место в том случае, когда параметры и условия имплантации не обеспечивают образования устойчивых центров коагуляции точечных дефектов на глубине. На практике это чаше всего наблюдается в случае внедрения легких ионов с малой сноростью набор» дозы, а танжц при ионной имплантации в нагретую подложку.

Используя растровый электронный микроскоп, оснашешшИ приставкой для измерения вторичного-эмиссионного контраста удалось

показать; что даже при имплантации в кремний ионов фософра, ♦

которые относятся и ионам средних масс, гетерогенное накопление радиационных дефектов в приповерхностном слое имеет место. Уменьшение скорости набора дозы при проведении имплантации замедляет процессы накопления подвижных точечных дефектов в глубине слоя, в результате чего возрастает поток этих дефектов к поверхности и ускоряется переход тонкого приповерхностного слоя в аморфное состояние.

Известно4 что in situ фотоиозбуждение неравновесных носителей в подложке от источника ультрафиолетового излучения субмикронного диапазона тормозит процесс накопления радиационных дефентов. Данный .эффект наблюдался нами и в случае имплантации ионов и подложку охлажденную до температуры жидкого азота. Н настоящему времени нет еще ясности в природе наблюдаемого эффекта. Проведенные исследования показали, что эффект in situ

фотовоэбужиения наблюдается лишь в том случае, ногда:

- энергия кванта используемого излучения больше ширины запрещенной зоны полупроводника;

- снорость Фотогенерации электронно- дырочных пар на глубине, соответствующей области максимальных энергетических потерь иона на упругое взаимодействие с решетной, выше, чем скорость генерации таких пар тормозящимся ионом.

Известно, что в .сальном полупроводнике чаще всего номинируют лопушни одного типа носителей заряда, и поэтому всегда существует вероятность монополярной фотопроводимости. Если это твн, то коагуляция точечных дефентов в сложные комплексы должна Сыть осложнена действием нулоновсних сип, а более высокая подвижность заряженных вакансий, по сравнению с вакансиями нейтральными, уснорять «х уход на внешние стони и анигиляцию. Для выяснения истинной природы эффекта пополнительного Фотовозбуждения требуются детальные исследования.

В пользу предложенной выше модели влияния фотовозбужпения на процесс накопления радиационных дефентов говорят следующие экспериментальные данные:

1. Процесс накопления радиационных дефентов при имплантации легких ионов азота в кремний становится нечувствительным к изменению скорости набора дозы, если он проводится в условиях дополнительного фотовозбужнения,

2, In situ фотововбуждание осложняет образование дивакансий.

.4 8

. 77К

* л\

* Л Л / ?

\

зад

- , «00 , Ъалнше числами*

№0

Рис. 2.

кремния, энергией Спектр 1

ИН-спентры пропускания образцов имплантированных ионами фосфора с 90 ноВ и дозоИ 1,2' 10 см"2,

соответствуе образцу, имплантированному в обычных условиях, а спектр 2 относится Я образцу, импантированному с домолж >льным фотрнозбужнением. Пики поглощения 2925 и 2962 см" связаны с дважды отрицательно заряженной дива кансиеИ ).

3. Освещение кремния именно на начальном этапе имплантации, опрепепяет итоговый уровень дефектности облученного ионами

монокристаллах кремния.

1 - неориентированный пучок, 2 - имплантация без фотовозбужления, з - с фотовозбуждением в течение набора полной дозы, 4 - с

фотовообужпением в течение набора первой половины полной дозы, 5 - с фотовоэбужлением в течение набора второй половины полной дозы.

Если дополнительное фотовообуждение при имплантации ионов в кремнии влияет на начальную стадию накопления радиационных дефентов, то естественно предположить, что ото влияние должно сказаться и на всей кинетике данного процесса. На Рис. 4 приведе!"' экспериментальные данные полученные метопом рентгенопсной дифракции.

Рис. 4, Доэовая зависимость относительной деформации образцов, имплантированных ионами фосфора: а - без' дополнительного фотовопбужденип; б - с дополнительным фотовозбужпонием. (¿с!/<3 - относительное изменение' параметра решетки ).

Кан пилно из рисунка, отличие дозовых зависимостей носит нетолько количественный, но и качественны!* характер. Дли контрольного образца характер доэовой зависимости имеет обычный вид и находите л к хорошем соответствии с аналогичными зависимостями, полученныни другими методами. Характер этой оаписимости соответствует характеру кинетической кривой гомогенных твердофазных реакций. Инн образна, имплантированного в условиях' дополнительного фотовозбуждения характер данной зависимости соответствует характеру гетерогенных реакций. При таких реакциях накопление радиационных дефектов идет не путем их прямой коагуляции, а за счет эахиатэ. некими генетическими дефентами кристалла или границами раздела.

йсснелаиамип спектров ИН-поглощения точечных дефектов в

oCpjuunx иннлантироианннх в условиях in situ фотовозбужяе.ния

покапали, чго в данных образцах существенно увеличивается

поглощение на дефектах, представляющих собой

паиинсионно-кислородны« комплексы, а также комплексы растворенных

к кремнии HTo*«ort углерода и кислорода. Кроив того, как показали

данные рентгеновской дифракции, если для тяжелых ионов и ионов

средних масс in situ Фотовозбужденве снижает уровень напряжен»» .

вносимых н решетку межлоузельнмми дефектами, то влияние

фотопозбуждения на яти напряжения при иминаИталия легких ионов

азота невелико, а результатом внедрения ион-м гелия являете» даже

увеличению таких напряжений. Совокупность полученных результатов

t

может быть объяснена с помощью оледу^'.цей качественной модели.

Генерация электронно дырочных пар в кремнии, в результате воздействии дополнительного фотоиозбуждонии, затрудняет прямую коагуляцию подвижных вакансий и междоузлий в ванансионные и Междоузельные комплексы. В результате унеличиваетсп аннигиляция вакансий и междоузлий, а также за счет ннтоенснин растворенных в узловых позициях атомов углерода междоузельннми атомами кремния формируются углеродно- ниглоролчые комплексы. &ти комплексы, в соответствии с известней моделью Dates A.S. et. al . и- являются центрами захната лодпижных междоузлии, кинетика накопления которых приобретает гетерогенный характер. Кепи.. предложенный механизм накопления радиационных дефентов справедлив, то эффективность й»Й1'Т»ия in situ фотот10.'1буждения определяется самой рг>"ней стадией ионной имплантации, когда растворенные в кремнии атомы углерода и киглор**дд образуют соответствующие комплексы. У случае внедрения новой, а также ионов средних масс, ■ когда велико число

с мо июни И, комплексы радиационных дефектен образуются сланным образом пугчм примой молгуляйии подиижмых точечных дефекте». До ИСТ ВИО in situ фОТОНОЗбужДОЧИН, ОСЛОЖНИЛ оту коагуляцию, СНИУЗРТ об!чий у ропе ч ь дефектности. Дпч та них легких ионон, ну и ионы гели к, ий- 33 НИЗКОГО уроимч ПереСЬМИОНИЛ ПОДПИСНЫМИ точечными ДОф'Ч(ТОМИ вероятность их прямой коагуляции но столь полипа, И ИНГеНСИШК'О илот процесс образовании дефектно примесных номилрнсоп. Можно допустить, что в отом случае осложнение прнмоИ коагуляции ПОДНИЖНЫХ раД ИЗЦИ ОН НЫХ ДОфокТОП Приводит К УНРЛИЧОПИЮ

концом Грации ' ДРфеКТНО- примесных ко mi шок с о п. Поскольку 1» ■ »ломенту рный дефектно-примесный комплекс можот быть пи лючок одич точечным дофент (накансим или междоузлие), то обман концентрация радиационных дефектов можот уиеличитьел по frpaмнению с концентрацией л*'фок то», полученных при оПмчмой имплантации. ЕсТОСТУеННО предположить, что дли монон промежуточный масс in situ Фотовозбужденио не должно • оназыиать • сутестненного влияния на деффектность kjk* мни я. Именно ото и наблюдается П[1И имплантации ионой азота в кремний.

Третьи Глава посрлшека изучению роли радиационных дефоктоп н процессах достехиометрического ионного синтеза диэлектрических фаз в кремни л. Известно, что пооцесс зародьшеобраяоваиип при формировании новой химическом фаоы о твердых телах происходит г» местах локально повышенной реакционной способности. Обычно н кристаллах такими ■нрсякч являются дефекты структуры и границы раздела. В случае иойноМ имплантации возникновение радиационных дефектен обеспечивает пысоную реакционную способность кремния. у результате химически и реакция обра зона мим поной фазы может иметь место уже на стадии имплантации. И роме того, р среде, пересыщенной радиационными дефекта ми, существенно ускоряется луффузия реактивных примесей, что также стимупирует Фазообразопание как на стадии имплантации, так и на стадии отжига. Однако не всегда радиационные дефолты ускоряет фазообразовзние, обэмоивн и обратный •лффент. Так, например, сегрегация атомов кислорода на междоузепьных дефектах в кремнии выводит 'эти атомы из тпердого раствора и, спедоиательно, исключает их из участия о химических реакциях. Для. их включения р реакционный процесс, по- видимому, необходим отжиг таких дефектов. Говоря' о роли радиационных дефектен и. поверхности .подложки в -процессе ионного синтеза, следует ..отметить,. что роль эта существенна, главным образом, в случае достохиометричеокого ионного синтезу, когда от нос и rent, но

ноиысокиИ уровень^ пересыщения нремния реактивной примесью ^ обеспечипаит ее достаточную подвижность и участие в гетероенных реакциях на внешних стоках. В данной Главе исследовалось влияние радиационных дефектов на достехиометрический ионный синтез скрытых слоен диэлектрических соединений в кремнии.

Известно, что атомы кислорода и азота захватываются крупными междоуяельными лефентами типа дислокаций. Установлено танже, что комплексы междоуэелы ¡х атомов образуются на глубинах значительно

превышающих величины проективных пробегов ионов • (Я ). Внедрение

р

ионом н нагретую подЛожну может сопровождаться формированием, междоузельных дислокации непосредственно в процессе имплантации. Таким образом, при определенных режимах имплантаДии можно ожидать аномально глубоного проникновения атомов кислорода и азота вглубь подложки. Такое распределение наблюдалось методом ВИМС в образцах имплантированных ионами кислорода, а также последовательно ионами кислорода и азота. При этом даже максимум профиля концентрации этих реактивных примесей наблюдался значительно глубже чем величина Я . ЛанныИ эффенх отсутствовал в случае внедрения тольно ионов азота, а также в том случае, когда сначала имплантировались эти ионы, а затем ионы кислорода. Другой особенностью проявления этого эффекта является немонотонная зависимость сдвига профилей концентрации реактивных примесей вглубь подложки от величины температуры имплантации. По- видимому, образование фазы нитрида кремния непосредстнен'но в процессе имплантации ослабляет Эффент взаимодействия атомов азота с радиационными дефектами, формирующимися глубже Нроме того, нитрид кремния является

диффузионным барьером для атомов кислорода, что также отрицательно сказывается на возможности перераспределения внедренного вслед за азотом кислорода. Немонотонная зависимость эффекта сдвига профилей концентрации внедренных реактивных примесей вглубь подложни, с увеличением температуры имплантации, может быть связана сначала с образованием, а затем с увеличением размера формирующихся междоузельных структурных дефектов.' Увеличение размера этих дефектов должно сопровождаться ' уменьшением протяженности их геттерируюших границ. Следует отметить, что в результате постимплантационного отжига. наблюдаемые аномальные ' профили концентрации реактивных примесей трансформируются в обычные профили и образование скрытого слоя включений диэлектрической фазы

происходит на глубине Слшнюй к Я ; Можно предположить, что

р *

фапообрапонание имеет место там, где максимальная концентрация

внедренной примеси находится в твердом растворе, а не там, где ее много, но она захвачена междоуэельными радиационными дефектами.

In situ фотовоэбужяение, затрудняя коагуляцию междоузельных дефектов, с одной стороны, противодействует перераспределению внедряемого кислорода вглубь подложки (Рис.5), а с другой стороны, благодаря этому стимулирует образование фазы Si02 в процессе отжига (Рис.6), .

Qfi 0,6 0,8 Габона, ккц

Рис, 5. Профили концентрации атомов кислорода в нремнии:

а - температура имплантации Т * 300°С; С - Т = 300°С с допопнитепьиым фотовозбуждением.

а 0,0

----r^ 77К

а/

и V • 1

I \\> J 1 V /

\ 1 5

■ ' „I г 1.; 1 ,„ .,1, , -

1160

Ш0 «20 (100 BtMHoSue числа, см-<

WQ

Рис. в. ИК-спентры пропускания образцов имплантированных

кислородом (обозначения соответствуют

обозначениям Рис.5. ).

Таким образом, воздействие на ситему радиационных дефектов с помощью дополнительного' Фотовозбуждения в процессе имплантации позволяет стимулировать процесс фаэообраэованип на начальных стадиях ионного синтеза. С помощью ИК-спектроскопии удалось также показать, что in situ фотовозбужпение на различных стадиях

последоматеиьиой имплантации ионов кислорода и азота в кремний дает возможность управлять химическим составом формируют/йен диэлектрической фазы, При этом в г оста не, образующегося в результате лостимилантациомного отжига соединения, может доминировать как фаза SiO^i так и фаза Sí3N4.

Гели дефекты междоузельной природы затруднпют процесс Фазообразо^ании, то ваканеионные дефекты наоборот - способны его существенно ускорить. Экспериментально удалось показать, что после внедрения больших доз ионов кислорода даже при температурах имплантации порядка 650°С, п кремнии наблюдается

вакансионно-кислородные комплексы. 1*ыбор условий имплантации, позволяющих сформировать насыщений ваканеионными дефектами снрытый

аморфный слой, дает возможность нетольло повысить оффе ктивность

■ г

образования диэлектрической фазы, но и повысить ее . локализацию. Зтого удалось побиться в образцах, имплз нтировамных при относительно невысокой плотности ионного тока, а также в условиях термоцикнирования. Особенно сильно данный эффект гетерогенного синтеза проявляется при формировании скрытого слоя включений S10?. Известно., что из- за большого удельного объема .S10g по сравнению с S1» процесс образования этой фазы предпочтительнее идет.» местах скопления взкансионных дефектов. Кроме того, наблюдается радиационно-стимулированная диффузия атомов кислорода по вакансиям, эмитируемым сирит.ым зморфннм слоем р процессе его рекристаллизании. Эффектинкость гетерогенного ионного синтеза была так*»1 прг»л*?н(»нг т риронанн на пример формирования скрытого слоя включений SIC". Hau показали данные .электронной микроскопии, слей включений sie формируется не в обдасти. максимальной концентрации внедренного углерода, а в области скрытого аморфного слоя, созданного дополнительной-бомбардировкой ионами аргона.

ВозлоИствис радиационных дефентов на процесс ионного синтеза мо^-т иметь и нелрлмой, а опосредованный характер. Так известно» что механические напряжения, возникающие п твердых, телах при их ионно-лучевой модификации,, играют. nawviy*>.- роль » химических и кпа я и чимиче с кик процессах.. Пос кольну . химические реакции в твердых т«»ла.х обычно идут с понижениеи упругих напряжений, то воздействием пола упругих напряжений на твердое тело можно стимулировать протекши«"* химических реакций п нем. Одной из стадий, лимитирующих скорость ионного- синтеза, является стаДия -диффузии атомов р*»;*ктипнмч примесей к растущим нклюнениям -новой фазы. Я угловияч ионного синтеза с помощью достехиометрических доз имипантации

даннан стадия может стать определяющей, а поле упругих напряжений, ускоряющее лиффуиию, сыграть роль катализатора.

Поскольку плотность обогащенного ванансионннми дефентами аморфного кремнии в* среднем на нескольно процентов ниже, чей плотность к^ч-'миия мононристаллического, то амо|»фиэованнн<И ионным лучном приповерхностный слои будет стремиться сжаться. Решетна противоположной стороны подложки» будет растянута, что должно ускорить, связанные с массопереносом, реакции ионного синтеза в ней. Таким образом, накопленные ванансионные дефекты с одной стороны подпихни могут оказать стимулирующее влияние на процессы ионного синтеза с ее противоположной стороны. Методами ИН-спектроскопии и РИМС было поназано, что амортизация обратной стороны подложки после внедрения и лицевую сторону ионом азота стимулирует образование (в процессе постииплантациоиного отжига) фазы нитрида к^мния. При это» происходит существенное перераспределение атомов азота в область 0,7 -И , Серьезным

р

свидетельством п пользу гипотезы о действии поля упругой • деформации от пмсрфиэовэмноИ обратной стороны является тот фант, что наибольшее перераспределение внедренного азота наблюдается в слое, находящемся ближе н поверхности относительно основного пика в профиле концентрации. Обращает на себя внимание и тот факт, что влияние амортизация обратной стороны успевает сказаться на результатах отжига при температуре |100°С. При такой температуря время рекристаллизации аморфного слоя кремния менее одной . мнлисенунди.

В четвертой Главе анализируются основные принципы создания скрытых диэлектрических слоев » кремни» достехиомотрическими дозами имплантации реактивных ионов. Основным препятствием на пути ■ * широкого промышленного использования ионного синтеза в создании КИИ структур до сих пор остается необходимость имплантации сыерхбольших доз ионов кислорода, а танке длительного высокотемпературного отжига. Это ограничивает производительность метода, что сказывается на стоимости готовых структур.

Исходя из вышесказанного, очевидной становится актуальность поиска путей решения повышения .'»ффективности ионного синтеза » возможности использования достехяометрических лоз ионной, имплантации дпп создания КИИ структур. При достехиометричесних дозах имплантации уровень пересыщения кремния реактивной примесью недостаточен для создания сплошного слоя новой фазы □ выделенной области, Ксли эта область располагается вблизи максимума профиля

нонцентрации, то сплошность может быть достигнута лишь за счет эффективного нассопереноса примеси с «крыльев» профиля концентрации н центрам роста. Если данный трансорт реаУента в область фазообразовзния не обеспечит сплошности слоя, процесс имплантации и отжига следует повторить. В соответствии с разработанной обшей моделью достехиометричесного ионного синтеза, основанной на представлениях развитых • в ноллоидной химии*эффективность данного процесса, или выход реакции синтеза в намеченном для этого слоя- немонотонно зависят от двух параметров процесса. Одним из этих параметров является температура процесса, а другим - доза имплантации. Под температурой процесса,* главным образом, понимается температура отжига, однако если реакция синтеза идет непосредственно в процессе имплантации, то этц( может быть и температура имплантации., Действительно, при низкой температуре трудно обеспечить массоперенос реактивной примеси к растущим включениям фазы. С другой стороны, слишком высокая температура может привести к растворению этих внпючений. В свою очередь, при фиксированной температуре процесса малые дозы имплантации не обеспечивают формирования устойчивых центров роста в выделенном для синтез^ слое. Имплантация же слишком больших доз приводит н образованию включений синтезируемой фазы за пределами внлеленного слоя и тем самым снижают его эффективность синтеза в заданной области. Немонотонность зависимости эффективности синтеза от дозы ккплантзци и темпера туры процесса была ли*4тьерждена экспериментально при синтезе скрытых слоев онсинитрида кремния, а танже гетерогенном синтезе тонних слоев .нитрида нремния.

Используемые в настоящее время феноменологические модели ионного синтеза скрытых слоев новых фаз в нремнии описывают синтез стехиометрическими лозами имплантации. Данные модели не рассматривают процесс мзссопереносз и конденсации На зародышах.

Предложенан нами аналитическая модель рассматривает ранние стадии роста синтезируемой новой фазы в процессе отжига кремния, имплантированного достехиометрическими лозами реэнтивной примеси.

Имплантация в нагретую подложку достехиометричесних доз реактивных ионон приводит к появлению системы преципитатов, расположенных на достаточно большом расстоянии друг от друга. Диэлектрический спой формируется во время отжига оа счет роста. пнлючениИ синтезируемой фазы, который происходит благодаря сегрегации реактивной примеси из окружающей включения матрицы, ("'»¡'/г-жн.чн молень описынзет кинетиьу роста включений новой фазы и

учитывает немонотонный харантер распределения этих включений и реактивной примеси по глубине.

Ионная имплантация создает в материале мишени нений исходный профиль концентрации реагента С°(х). В данной модели анализируется известный случай, ногда включения новой фазы образуются в области максимального совпадения концентраций* реактивной примеси и радиационных дефентов ванансионного типа. Из вознинвих при имплантации зародышей модель рассматривает только те, которые не растворяются в начальный момент отжига. Область, в которой расположены растущие включения фазы (они служат в качестве распределенного стона для реантивной примеси) имеет размер существенно меньший, чем ширина концентрационного профиля внедренной примеси (Рис.7).

В модели сделаны следующие допущения. Внлючения новой фазы неподвижны, имеют сферичесную форму и одинаковый радиус, а также непосредственно не взаимодействуют друг с другом. Рост внлючений происходит стационарно. Концентрация примеси в новой Фазе значительно превышает ее равновесную величину в кремниевой матрице. Модель не учитывает влияния нривизны поверхности зародышей на нииетииу их роста. Данный параметр важен лить в начальный момент фаэообраэования, а также при наступающей позже рассматриваемых в модели процессов коалисценции. В области, максимально пересыщенной примесными атомами, фазообразование обусловлено, главным образом, мощностью пространственно распределенного стона, в то время нак вне этой области оно определяется диффузией реагента.

Сег

■ * .

Рис. 7. Профили концентрации примеси в начальный момент

отжига: Св(х) - • .мшыЧ профиль концентраций внедренной примеси, С(х,0) и с . (х,0) - профили

концентрации свободной и связанной примеси соответственно. Ссг - критическая концентрация

примеси, необхолимая дпя образования устойчивых

при отжиге включений новой фазы.

Основным уравнением модели является диффузионное уравнение с нелинейным членом, учитывающее действие распределенного стока:

я ♦ „ 1С(«Л)3,

Зх '

С(х,0) = С°(х) - С (х,0),

1>па* ,

где. С(хЛ) задает профиль концентрации свободной примеси, С (хЛ) - профиль концентрации примеси, включенной в

Ьп«1

синтеэироемое химическое соединение, 0 - коэффициент диффузии . свободной примеси, г - время термообработки пластины и ы -мощность распределенного по глубине матрицы стока для свободной примеси. Для описания такого стока предложены следующие соотношения:

ы = - 4 я О-Ы(х)-С С(х.О - С ]р(хЛ),

2 Р

С

п. рп.

■ | [с(х,г - с^-аг.

где Ст - растворимость примеси в матрице, р(х,0 - радиус зародыша, величина которого в начальный момент составляла р , С - стехиометрическая концентрация примеси в составе новой

п.р)<-

фазы и И(х) - распределение плотности включений фазы по глубине слоя. Из простейших физических соображений следует:

С.. (х ,0) М(х) = Ьп"

С 4

„.Рк. ^ яр_

Для "решения уравнения диффузии требуется знание исходного распределения Сь й(х,0). Оно определяется с помощью эмпирической формулы выведенной на основе экспериментальных данных. Ввиду отстутгтвив аналитического решения данного уравнения было предложено неснолько вариантов его упрощения для различных физичесних случаев. Наилучшее совпадение с экспериментальными данными (профилями концентрации атомов 'азота в образцах со скрытыми слоями нитрида кремния) дает рассмотрение, в котором определяющую роль играет сток.

Основные положения однопримесной модели были применены для создания двухпримесной модели. Данная модель описывала процесс ионного синтеза диэлектрической фазы сложного состава в нремнии последовательно имплантированном ионами кислорода и азота. В

Р

предложенной модели использовался ряд дополнительных допущении. Среди них необходимо выделить следующие. Оисинитрид нремния представляет собой не смесь преципитатов фаз нитрила и диоксида нремния, а единое химическое вещество. Вблизи зародыша новой фазы существует область, в которой диффузия реантивных примесей затруднена.

Предложенные модели описывают диффузионно- лимитируемые реанции. Проведенные оценки показали, что к данному типу реанциИ

г—7

может быть отнесен ионный синтез нитрида нремния, а также, при определенных условиях, синтез онсинитрида. Модели не могут быть применены для коррентного описания ионного синтеза диоксида нремния ввиду реакционно-лимитируемого характера реакции фазообразования.

В пятой Главе, на основании представлений о процессах фазообразования в имплантированном ионами кремнии, развитых в предыдущих главах, исследуется возможность создания скрытых диэлентричесних слоев нитрида и онсинитрида кремния с помощью достехиометрических доз имплантации сеантивных ионов.

Выбор именно зтих диэлентринов и качестве объентов исследования был связан как' с относительно низкими температурами, необходимыми для массопереноса атомов азота и растущим включениям синтезируемой фазы, а танже с обнаруженным эффектом более интенсивного перераспределения атомов азота и кислорода к Включениям онсида и нитрида нремния соответственно нежели н включениям нитрида и онсида нремния. Эти особенности поведения реантивных примесей в процессе ионного синтеза позволили надеятся на возможность значительного снижения доз имплантации' и температур отжига при создании КНИ струнтур по сравнению с традиционной технологией, использующей имплантацию стехиометричесних доз ионов кислорода.

Удалось показать, что процесс ионного синтеза скрытых слоев новых фаз в кремнии может быть существенно ускорен, если проводить его, главным образом, за счет массопереноса реактивной примеси к специально созданному коллектору. Данный Коллентор может представлять собой тонкий слой включений 813Ы4 или БЮ^. росле создания коллектора проведение неснопьних цинлов имплантация-отжиг позволяет добиться спловности скрытого яиэлентричесного слоя. Основными проблемами получен! я скрытых слоев нитрида и онсинитрида нремния с помощью циклического синтеза являются проблемы локализации синтезируемого соединения в слоя, а также образования

-га-

газовых пор в скрытом слое. Первая проблема обусловлена легкостью перераспределения части атомов азота в- процессе отжига к поверхности, а вторая связана с низким коэффициентом диффузии атомов азота и кислорода в нитриде и онсинитриде кремния. Для решения первой достаточно оптимизации/дозы и температуры на первом цикле (создание когшектора), когда уровень пересыщения кремния реактивной примесью невысон и на локализацию синтеза оназывают сильное влияние радиационные дефекты и поверхность. Решить вторую проблему оказалось намного сложнее. Действительно, как показали данные электронной микроскопии на поперечных сечениях, еие задолго до достижения сплошности скрытого слоя во включениях диэлентричесноИ фазы формируются газовые поры. Можно предположить, что решением этой проблемы станет имплантация с переменной энергией в циклах. Однако реализовать .аной процесс в технологии может быть сложно. Согласно полученным результатам наиболее перспективным для создания КНИ структур представляется использование ионного синтеза на основе последовательных циклов имплантации ионов кислорода и азота без проведения промежуточного отжига. При этом особое внимание следует уделить таним параметрам имплантации, как температура подложки при внедрении ионов и соотношению доз ионов азота и кислорода. Оптимальной температурой имплантации можно считать температуру, которая, с одной стороны, достаточно высока, чтобы предотвратить аморфизацию

приповерхностного слоя нремния под действием ионной бомбардировки, я с другой стороны, достаточно низка, чтобы свести до минимума эффект фазообразовання в процессе имплантации и, по возможности, обеспечить накопление вакансионных дефектов в области синтеза. Соотношение доз ионов азота и кислорода выбирается из следующих соображений. Количество имплантированного в кремний кислорода должно быть достаточно велико, чтобы обеспечить аморфное состояние скрытого слоя диппектричесноИ фазы по всей его глубине. Доза имплантации ионов кислорода ограничена сверху Эффектом перераспределении атомов кислорода с переферии исходного профиля концентрации в его центральную часть при температуре отжига 1200°С. свою очередь доза имплантации ионов азота должна быть достаточно большой, . чтобы обеспечить сплошность скрытого диэлектрического слоя по всей его глубипо. Однако она но должна г>мть настолько болыпоИ, чтоСчч приводить и образованию нитрида кремнии ил гр1»ни1К»х скрытого глон, а также к образованию газовых

П'>Р Н 41'Н. •

Унииапьная особенность формирования скрытых диэлектрических слоев последовательной имплантацией достехиометричесних лоз ионов нислорода и азота состоит в самом механизме синтеза. Правильный выбор параметров и условий имплантации и последующего отжига обеспечивает раэпитие скрытого слоя новой фазы, нан самоподдерживающегося геттера. Действительно, этомы нислорода и его соединения с кремнием не дают кристаллизоваться нитриду кремния и участвуют в образовании онсинитрида. В то же время обраэующаяяся в процессе имплантации фаза нитрида кремния является диффузионным барьером на' пути атомов кислорода не позволяя участвовать в образовании стехиометричесного диоксида кремния. В результату, в начальный момент отжига мы, по-видимому, имеем депо с мелкодисперсной системой новой фазы, которая благодаря высоному уровню дисперсности действует нан мощный геттер. С действием такого геттера и может быть связано наблюдаемое эффективное перераспределение реактивной примеси с вереферии профиля концентрации в ее центральную часть и образование сплошного аморфного слоя новой фазы при относительно низких дозах имплантации. По своему химическому составу сирытые диэлектрические слои представляют многокомпонентную систему, состоящую из таких соединении, нан вЮ , 81 О N , N и . При этом нан

* I у 1 3 *

стехиометрия входящих в состав снрыто^о слоя соединений, так м их процентное соотношение в снрытои слое определяется нан режимами имплантации и отжига, тан и соотнешением доз внедрения ионов нислорода и азота.

В последней, шестой Главе, изложены принципы создания технологии изготовления КИИ струнтур на основе скрытых слоев онсинитрида кремния, синтезируемых достехиометричесними дозами имплантации. Произведено обоснование выбора в качестве реактивных примесей атомов нислорода и азота, а также последовательности имплантации ионов этих элементов, соотношение доз имплантации ионов нислорода и азота, а также режимов имплантации и Отжига. При энергии ионоп 150 нэВ и полной дозе имплантации равной 6,25- ю'7 см"2, полученные НИИ структуры характеризовались следующими параметрами. Толщина снрытого диэлектрического слоя - 0,22, мкм. Толщина приповерхностного слоя кремния - 0,18 мнм. Средние величины напряжения пробоя и плотности тока утечки через скрытый диплентрический слой составляли 100 В и 1,0- 10"Э А • см"2 саответственно. Плотность дислокаций в приповерхностном слое кремния не пропыкмпя 10 ' см"2. Приведены электрофизические

- ЗО-

па ра метры КИИ структур, созданных по предложенной технологии, в р-нанальных НДП транзисторов на их основе. Оптимизация режимов имплантации позволила преодолеть основное препятствие на пути использования ионов азота для создания КНИ структур, а именно, проблему легирования приповерхностного слоя кремния. Концентрация электронов в приповерхностных слоях КНИ структур не превышала 1,0-ю'6 см"3, а в лучших структурах составляла 7,5 • ю'5 см"3. Для р-канального транзистора с длиной и шириной канала 4 и 45 мим соответственно и величине порогового напряжения 1,02 В интегральная крутизна составила 600 инА'В"1, а рассчетная величина подвижности дырон в канале - 220 см2- В"1- с"1 ( ид = - 2,75 В; иси= 3 В, 1с = 450 мнА). Дополнительные исследования показали, что величина порогового наряжения у созданных КНИ МДП транзисторов меняется не более чем на 10% при рабочей температуре 160°С, в то время нан у аналогичных транзисторов, созданных на объемном материале, такой уровень стабильности имеет место ливь до температуры 80°С. Стабильность порогового напряшенця в пределах 10Х сохранялась в КНИ НДП транзисторах и после тоблучения' в пассивном режиме с дозой 1,0'106*рап, тогда как транзисторы на объемном материале обеспечивали этот уровень стабильности тольно до дозы 5ЮЭ рад.

В Заключении сформулированы следующие основные результаты и выводы работы:

1. Предложена диффузионно-коагуляционная модель аморфиаации нремния ионным пучком. В основу модели положен подход н Явлению амортизации как н процессу 'распада твердого раствора,

пересыщенного точечными радиационными дефектами. Показано, что элементарными центрами нуилеации при обравованяи сложных вакансионных комплексов, появление которых свидетельствует об аморфиаации слоя нремния, являются диванаисии. Установелно, что гетерогенная аморфиэаиия у поверхности нремния вовможна при имплантации ионов средних масс с малой плотностью ионного тока. Основные положения модели аморфизацииф были перенесены ' на рассмотрение процессов рекристаллизации аморфных слоев. Покавано, что в этом случае элементарным центром гетерогенной нунлеацик

является комплекс из двух атомов кремния.

2. Впервые показано, что In situ фотовозбуждение замедляет переход иэ кристаппичесного состояния в аморфное. Установлено, что именно начальная стадия имплантации в условиях in situ фотосоэСуждения определяет итоговый уровень дефектности в облученном ионами слое. Показано, что in situ фотовоэбуждение препятствует пряной коагуляции точечных радиационных дефектов и стимупируеТ образование' дефентно-примесных номпленсов. В результате кинетика накопления радиационных дефектов становится из гомогенной гетерогенной, причем концентрация дефе'нтов перестает зависеть от скорости набора дозы. Установлено, что ха ранте р влияния 1r> situ Фотовозбуждения на дефектность зависит от массы иона. Так In situ фотовозбуждение увеличивает дефектность слоя кремния, облученного ионами Но+, мало влияет на дефектность слоя при внедрении ионов N* и снижает дефектность слоя при внедрении

ионов Р+ и Аг+. Предложена модель, объясняющая особенности ■ •

накопления радиационных дефентов при имплантации ионов в условиях In Situ фотовозбуждения.

3. Разработаны принципы формирования скрытых диэлектрических слоев при достехиометрических дозах имплантации. Показано, что в основе такого синтеза лежит направленное создание локального стока в виде радиационных дефектов, включений синтезируемой фазы или других- фаз и последуюяий транспорт реагентов н этому стону. Построены теоретические модели процесса синтеоа. Общая модель рассматривает рост или растворение зародышей новой фазы в условиях транспорта реагента н этим зародышам. Из данной модели следует немонотонный характер зависимости выхода реакции фазообразования от температуры процесса и дозы имплантации, что было подтверждено экспериментально. Созданы аналитические модели ионного синтеза скрытых диэлектрических слоев достехиометричесними дозами

имплантации. Данные модели рассматривают процессы развития распределенного стока, состоящего из несоприкасающихся сферичесних включении синтезируемых фаз как одномомлонентного, тан и двухномпонентного составов. Результаты модельных расчетов находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными по достехиометрическому ионному синтезу скрытых слоев нитрила и оксинитрида нремния. Все предложенные модели предполагают формирование включений фаэы, образующих сток, непосредственно в процессе имплантации и рассматривают диффузионно-лимитируемый рост новой фазы. ,

4. Установлено, что радиационные дефенты влияют нак" на сам процесс фааообрааования в слоях иремнья, имплантированных ионами 0+, N+ и С+, тан и на локализацию реакции синтеоа. Управление с помощью внешних воодействий системой радиационных дефектов позволяет управлять процессом синтеоа включений новой фазы. Впервые продемонстрирована возможность управления процессом ионного синтеза с помощью in situ фотовозбуждения, а также за счет изменения поля упругих напряжений, приложенного к кремниевой пластике.

5. Изучены процессы достехиометрического ионного синтеза скрытых слоев нитриду и оксинитрида нремния на специально созданных стоках в виде включений фазы. Для этих целей впервые был npuVeHeii синтез на основе повторяющихся циклов имплантация -отжиг. Обнаружен эффект взаимного перераспределения в процессе отжига имплантированных достехиометрическики дозами атомов кислорода и азота. Установлено, что синтез скрытых слоев онсинитрида кремния сочетает в себе достоинства синтеза скрытых слоев диоксида и нитрида нремния и в то »а время в значительной мере свободен от недостатков, присуиих этим процессам. Отличительной особенностью синтеза скрытых -слоев оксинитрида

нремния, существенно упрощающих достижение их сплошности при использовании достехиометричесних доз имплантации, является то, что включения новой фазы действуют нам мощные геттеры по отношению н атомам аоота и кислорода. Показано, что фазовый и струнтурный состав синтезируемых слоев зависит от соотношения яоэ ионов кислорода и азота, температры имплантации, а танже температуры и длительности отжига.

6. Определены принципы создания технологии изготовления КНИ- структур на основе скрытых слоев онсинитрииа кремния, синтезируемых достехиометричесними дозами имплантации. В основу раврабатываемого технологического процесса положены:

- выбор в качестве реагентов ионов кислорода и аоота;

- определение последовательности имплантации этих ионов;

- оптимиэапия соотношения концентраций атомов кислорода и аэота;

- оптимизация температуры имплантации и отжига.

Для оптимизации режимов создания НИИ структур производился контроль.их струнтурных и электрофизических параметров.

7. Впервые на основе КНИ структур сб сирытыни слоями онсинитрида кремния, полученными имплантацией ионов кислорода и аэота с дозами в 2-3 раза меньшими, чем в случае имплантации только ионов аоота или кислорода, изготовлены р-нанапьные КНИ МДП транзисторы.

Основные результаты исследований опубликованы в работах:

1. Данилин А. В Модель гетерогенного фавообраэования в

легированных ионным в н едрением полупроводниках. - Шестая

Всесоюзная конференция по физико-химическим основам

легирования полупроводниковых материалов. Теэисы докладов.

Моснва 17-19 октября 1988. С. 233.

-342. Borun A.F., Danilln А.В., Mordkovich V.N. and Temper E.M. Behavior of oxygen and nitrogen upon simultaneous substoichiometric Implantation into silicon. - Radiation Effects and Defects in Solids, 1988. V.107. P.9-13.

3. Арзамасцев А. П. , Данилин А. Б. Атермичесная роль скорости набора лозы в кинетике дефентообразования при имплантации ионов фосфора в кремнии. - ФТП, 1988. Т. 22, N11, 0.2063-2065.

4. Данилин А. Б. Модель гетерогенного фазообразования в процессах создания слоистых структур методом ионной имплантации Поверхность, физика, химия, механика, 1989. N5. С.132-138.

5. Danilln А.В., Mordkovich V.N., Malinin A.A. and Barabanenkov M.Yu. Heterogenous ion synthesis of insulating layers in silicon. - Solid State Phenomena, 1989, N 6,7. P.517-524.

6. Данилин A. R. , Ёрохин D. II. , Мордкович В. II. Особенности накопления радиационных дефектов при ионной бомбардировке в условиях фотовоэбужленил. - Письма в ЖТФ, 19В9. Вып. 21. С. 1-3.

7. Данилин А. Б. , Норлноиич В. Н. Физические проблемы создания КНИ структур методом реактивной ионной имплантации.-Препринт. Черноголовка. 1989. 35 с.

8. Damlin А.В., Mordkovich V.N. Silicon amorphization model in the process of ion implantation. - Radiation Effects, 1990. V.113. P.277-281.

9. Burzin S.B., Danilln А.В., Drakln K.A., Malinin A.A. , Mordkovich V.N., Petrov A.F., Saraikin V.V., Vyletalina O.I. SOI Structures Based on Silicon Oxynltride Layers Produced By Substolchiometr1с Doses of Oxygen and Nitrogen Implantation. -IIT-90, VIII International Conference on Ion Implantation Technology Final Program and Abstracts, 30.07-02.08 1990, Surrey University, Guildford, UK. P-E74.

10. Пурзин С. P. , Пылетялинв О. И. , Данилин Л. 13. , Дранин Н. А. , Мордкович В. II. , Петров А. Ф. Создание структур кремний на изоляторе последовательной имплантацией ионов кислорода и чзота в кремний. - Злеитроннпл техника. Сер 3. Микроэлектроника. 1990. Вып. 5(139), С.84-85.

! 1. Рынеталинл О. И. , Данилин А. В. , Дракин К. А. , Малинин А. А. , Мордкович Р. Н. , Петров А. Ф. Ионный синтез скрытых слоев нитрида нремния с испольаомяиием прерывистого режима имплантации. - Письма в ЖТФ, 199П, Т. 1С, вып. 22, С. 64 71. ? 1. t f и,' i и и А. Р. ИонныИ синтез скрытых слоев в кремнии и его j11 mi'н'гMHiii и'-польпона ним it современной микроэлектронике. -

Элентроннал промышленность, 1990. N4 С.55-61.

13. Belogorokhov A.I., Danilin А.В., Erokhin Yu.N., Kalinin А.А., Mordkovich V.N., Saraikin V.V., and Khodos I.I. The peculiarities of the new phase formation by O* 1on implantation Into silicon under thermo-ionization excitation - Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1991, B55, P. 750-753.

14. Danilin А.В., Drakin K.A., MaHnin A.A., Mordkovich V.N., Petrov A.F. and Vyletalina 0.1. Behaviour of implanted nitrogen in Si with the buried layer of Si02 precipitates. -Solid State Phenomena 1991, V.19 & 20, P.405-410.

15. Данилин А. Б. Поведение пересыщенных твердых растворов, созданных ионной имплантацией в кремнии. - Высоночистые вещества, 1991, N2, С.196-199.

16. Вылеталина О. И. , Данилин А. В. , Дранин И. А. , Малинин А. А. , Мордиович В. Н. , Петров А. Ф. , Сарайнин В. В. Особенности структуры скрытых слоев диэлектрических фаз в кремнии, полученных в условиях ионного синтеза на основе повторяющихся цинлов имплантация- отжиг. - Поверхность. Физика, химия, механина. 1991.. N 4, С.90-94.

17. Barabanenkov M.Yu., Borun A.F., Danilin А.В., Mordkovich V.N. A model of ion synthesis of buried dielectric layers in silicon. - Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1991, B58, P.179-186. .

18. Danilin А.В., Drakin K.A., Kukin V.V., MaHnin A.A., Mordkovich V.N., Petrov A.F. Peculiarities of buried dielectric layer synthesis by sequential oxygen and nitrogen ion implantation. - Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., 1991, B58, P.191-193.

19. Danilin А.В., Erokhin Yu.N., and Mordkovich V.N. Photost i'mul ated defect-impurity reactions during ion bombardment of Si. - Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., 1991, B59/60, P.985-988.

20. Вылеталина О. И. , Данилин А. Б. , Драниц И. А. , Норднорич В. II. , Петров А. Ф. , Сарайнин В. В. Особенности профилей концентрации атомов азота, имплантированного в кремний о условиях термоциклирования. - Поверхность. Физика, химия, механика. 1991, N8, С.151-153.

21. Mordkovich V.N., Oanilin А.В., Erokhin Yu.N., Boldyrev S.N. The effect of photoexc11at ion on formation of radiation defects in Si. - MPS symposium proceedings Vol.201, Surface

Chemistry and Beam-Solid Interactions, 1991. P.477-482.

22. Danilin А.В., Mordkovich V.N. Mechanisms of phase transitions in ion-doped silicon layers. - Appl. Phy§. Lett., 1991,

. 59(13), P.1570-1571. ,

23. Danilln А.В., Orakin K.A., Malinin A.A., Mordkovich V.N., Petrov A.F. and Vyletalina O.I. Behavior of Implanted nitrogen in Si with the buried layer of S02 precipitates. - Solid State Phenomena, 1991, V.19 & 20, P.405-410.

25. Barabanenkov M.Yu., Borun A.F. and Danilin A.B. Heterogeneous ' processes of new phase growth in system of various sinks:

ion-beam synthesis of silicon oxynitride. - Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1992. B66, P.352-356.

26. Danilin A.B. Ion-beam synthesis of new phases in silicon interpreted as decay of a supersaturated solid solution. -Materials Science and Engineering, 1932, B12, P.17-19.

27. Belogorokhov A.I., Danilin 'А.В., Mordkovich V.N. and Vyletalina 0.1. Ion beam synthesis of Si3N4 amorphous buried layers. - Materials Science and Engineerirfg, 1992, B12, P.61-62.

28. Danilin A.B., Erokhin Yu.N., Mordkovich V.N,, Hatzopoulos N. and Hemment* P.L.F. Athermal nature of Impact exerted by ultraviolet radiation * on the accumulation of radiation defects during ion implantation into silicon. - Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., 19Э2, B69, P.268-270.

28. Charni L.A.'i Danilin A.B., Drakin K.A., Malilin A.A., Parkhomenko Yu.N., Petrov A.F., and Vyletalina 0.1. Features of buried dielectric layers: ion beam synthesis in silicon by a high temperature sequential oxygen and nitrogen implantation with substoichiotnetr 1 с doses . - Materials Science and Engineering, 1992. B15, P.244-248.

30. Данилин А. Б. Ионный синтез снрытых слоев химических соединений в нремиии достехиометрическими дозами имплантации. Высокочистые вещества, 19УЗ, N4, С.128-137,

31. Danilin A.B.,. Malinin A.A., Mordkovich V.N., Saraikin V.V. and Vyletalina 0.1. Spatial localization of the buried ion-beam synthesized layer of silicon dioxide inclusions in silicon. -Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., 1993, B82, P.431-434.