Замещение по Воткинсу и диффузия имплантированных примесей в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Б ОД

На правах рукописи УДК 621.315.592

МУХАНАД АБДУЛЬ-ХАФИИЗ РАЖИХ ДЖАДАН ЗАМЕЩЕНИЕ ПО ВОТКИНСУ И ДИФФУЗИЯ ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИИ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученей степени кандидата физико-математических наук

Минск - 1994

Работа выполнялась на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук старший

научный сотрудник Челядинский А.Р.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор Анищик В.М.,

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Шуша В. В.

Ведущее научно-исследовательское учреждение - Институт физики твердого тела и полупроводников АНБ, г. Минск

Защита состоится <?S* ноября 1994 г. в 14 часов на заседании специализированного Совета Д 056.03.05 в Белорусском государственном университете (220050, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 4. Бел-госуниверситет, главный корпус, комната 206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан " 2S« октября 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

доцент В.Ф.Стельмах

Белорусский государственный университет, 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

В начале 60-х годов Воткинсом было обнаружено явление вытеснения элементов III группы из узлов решетки кремния междо-узельными атомами кремния, возникающими при облучении кристаллов электронами с энергией порядка 1 МэВ. Боткине наблюдал это явление при 20.4 и 4.2 К. Затем этот Эффект наблюдался при еще более низких температурах: 1.6 и 0.5 К. Открытие этого явления привнесло в физику твердого тела новые представления об атермической миграции атомов в кристалле при температурах, близких к О К, стимулировало разработку квантовой подбарьерной диффузии.

Для объяснения эффекта Воткинса была разработана модель, известная как модель Бургуэна, согласно которой миграция атомов в решетке при столь низких температурах обусловлена переходом атома из одного равновесного междоузельного состояния в другое (из тетраэдрического в гексагональное и т.д.) при изменении его зарядового состояния. Родственным этой модели является эстафетный механизм миграции гантельного междоузельного состояния при смене его заряда. Зарядовое состояние может меняться вследствие генерации при облучении неравновесных носителей заряда.

Эти механизмы предполагают случайную миграцию атомов кремния до их встречи с элементами III группы. Однако высокая эффективность процесса замещения (в опытах Воткинса число вытесненных из узлов решетки атомов примеси равнялось числу образовавшихся при облучении вакансий) вызывает сомнение в случайности этого процесса.'

Исследования показали, что эффект вытеснения примесей замещения из узлов решетки кремния имеет место не только непосредственно при облучении, но и при отжиге облученных образцов. Источником подвижных междоузельных атомов кремния в этом случае являются междоузельные комплексы, разрушающиеся при термообработке. Именно с этим явлением связывают стадию "обратного" отжига на кривой электрической активации бора при температурах порядка 500 0 С в ионно-имплантированном кремнии.

Вытеснение примесей из узлов решетки междоузельными атомами кремния в междоузлия приводит к перераспределению имплантированной примеси по каналам диффузии, что может определять аномалии в ее диффузии. Эти процессы нуждаются в детальном исследовании.

Таким образом, научный интерес к проблеме взаимодействия примесей и дефектов и прикладное значение указанных эффектов делают исследования в этом направлении актуальными.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы являлось установление механизма замещения по Воткинсу и его воздействия на электрическую активацию и диффузию имплантированных примесей в кремнии.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- изучалось влияние концентрации примесей замещения и радиационных дефектов на интенсивность их вытеснения из узлов решетки;

- исследовалось влияние зарядового состояния дефектов, а также введения дополнительных примесей на эффективность процесса замещения;

- исследовалась диффузия имплантированных бора и фосфора в слоях кремния, дополнительно легированных примесями IV группы.

- 4 -

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- впервые установлено, что междоузельные атомы кремния вытесняют из узлов решетки не только элементы III группы, как это наблюдалось Воткинсом, но и элементы V группы;

- установлено, что эффективность процесса замещения определяется величиной несоответствия ковалентных радиусов атомов примеси и атома решетки;

- определены размеры сфер, попадая в которые междоузельные атомы кремния направленно движутся к атомам замещения III, IV и V групп;

- предложен механизм атермической миграции междоузельного атома кремния в решетке кремния, заключающийся в его движении в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения;

- установлено, что ускоренная диффузия атомов бора в имплантированном кремнии обусловлена вытеснением их междоузельными атомами кремния из узлов решетки в междоузельный канал диффузии;

- экспериментально подтверждена модель ускоренной диффузии фосфора по комплексу: атом фосфора - междоузельный атом кремния.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Практическая значимость полученных результатов заключается в установлении, что все примеси замещения, имеющие ковалентные радиусы, отличные от радиуса атома решетки, являются ловушками для междоузельных атомов кремния через механизм Воткинса. Это позволяет использовать нейтральные в кремнии элементы IV группы для управления коэффициентами диффузии имплантированных примесей (бор, фосфор), ускоренная диффузия которых обязана междоузельный

- 5 -

дефектам. Их введение позволяет создавать более резкие распределения электрически активных примесей, т.е. реализовать в полной мере основное преимущество ионного легирования полупроводников.

Исследования выполнялись в рамках госбюджетной НИР кафедры физики полупроводников Белгосуниверситета "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и опто-электрони-ки". N гос. регистрации 01910081739.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы докладывались на X Международной конференции по технологии ионной имплантации, ' Катанья, Италия, 1994, а также на научных семинарах кафедры физики полупроводников Белгосуниверситета.

ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ На защиту выносятся:

- разработанная модель атермической миграции междоузельных атомов кремния в решетке кремния, заключающаяся в движении их в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения с ко-валентными радиусами, отличными от радиуса атома решетки;

- экспериментальное подтверждение, что аномально-ускоренная диффузия имплантированного фосфора в кремнии обусловлена его диффузией в виде комплекса: атом фосфора - междоузельный атом кремния; ускоренная диффузия имплантированного бора обусловлена вытеснением его в междоузельный канал диффузии междоузель-ными атомами кремния, образующимися при распаде междоузельных комплексов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка цитируемой литературы, включающего 117 наименований. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, включая 28 рисунков и 1 таблицу.

МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Электрофизические параметры ионно-легированных структур кремния исследовались методом измерения эффекта Холла и проводимости по методике Ван-дер-Пау при контролируемом снятии слоев. В качестве исходных образцов использовались пластины кремния п- и р-типа с удельным сопротивлением 4.5 и 10 Ом-см соответственно.

Степень дефектности имплантированных слоев исследовалась рентгенодифракционным методом в режиме двухкристального рентгеновского спектрометра на излучении СиКс^ . Изучалась дифракция от плоскостей (III) в четвертом порядке отражения (8Б=79°). По измеренному значению изменения периода решетки в имплантированном слое оценивалась концентрация радиационных дефектов. Предполагалось, что величина смещений атомов в области превалирующих дефектов составляет 0.2 Ä.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Замещение по Воткинсу и миграция междоузельных атомов кремния в решетке кремния.

Процесс замещения легирующих примесей в кремнии междоузель-ными атомами кремния исследовался при отжиге имплантированных

- 7 -

структур. В области температур порядка 500 °С отжигаются междо-узельные комплексы, по-видимому, S1-B3 центры. Концентрации этих дефектов сравнимы с концентрациями дивакансий в имплантированном кремнии. При отжиге этих комплексов освобождаются между-узельные атомы кремния, которые вытесняют примеси замещения из узлов решетки. Это явление было известно для имплантированного бора в кремнии. На кривых электрической активации, т.е. зависимости слоевой концентрации носителей заряда от температуры изохронного отжига Ns(Т) в области температур порядка 500 0 С наблюдалась стадия "обратного" отжига.

В данной работе это явление было изучено подробно при изменении в имплантированных слоях концентрации примеси и радиационных дефектов. Концентрация радиационных дефектов варьировалась дополнительным облучением ионами S1. Обнаружено, что по механизму Воткинса вытесняются не только элементы III, но и V группы. Для наблюдения вытеснения из узлов решетки тяжелых примесей (St), As), которые при имплантации создают аморфные слои, предварительно создавались слои кремния, легированные этими примесями. После имплантации Sb, As, а также больших доз ионов Р+ (больше дозы аморфизации) структуры отжигались для рекристаллизации аморфных слоев. Затем для введения радиационных дефектов они облучались различными дозами ионов Sl+.

Процесс замещения при отжиге имплантированных структур исследовался при введении в слой дополнительных примесей IV группы, при подсветке имплантированных слоев низкоэнергетичными (10 кэВ) электронами. Установлено, что интенсивность процесса вытеснения атомов бора из узлов решетки снижается, если слои легированы атомами Ge и С. Это объясняется тем, что эти примеси сами являются ловушками для междоузельных атомов кремния через механизм Воткинса. Создание неравновесных носителей заряда путем облуче-

- 8 -

ния имплантированных структур в процессе изохронного отжига низ-коэнергетичными электронами не увеличивают эффективность процесса замещения, как этого требует модель Бургуэна, а подавляет его. Это объясняется тем, что междоузельные атомы захватывают неравновесные электроны и заряжаются отрицательно. В результате процессу замещения препятствует электростатический барьер отталкивания одноименно заряженных атомов кремния и атомов бора в узлах решетки.

Исследования показали, что эффективность процесса замещения определяется соотношением ковалентных радиусов атомов примесей и атома решетки. Делается заключение, что атермическая миграция междоузельного атома кремния в кристалле кремния обусловлена его направленным движением в поле упругих деформаций, создаваемых атомом примеси. Смещение атомов кремния в первой координационной сфере вокруг примесного атома передаются атомам решетки в последующих сферах, но все в меньшей степени вследствие затухания. В результате образуется искаженная сфера радиуса И, попадая в которую междоузельный атом кремния движется в поле упругих деформаций к центру дилатации либо сжатия. На атомном уровне это представляется следующим образом. Смещенные атомы в первой координационной сфере поляризуются, т.е. возникают электрические ди-польные моменты. Вследствие затухания упругих искажений решетки затухает и величина дипольных моментов. Под влиянием диполей атомов решетки появляется наведенный дипольный момент в междо-узельном атоме кремния. Поскольку величина дипольных моментов круто нарастает к центру дилатации (сжатия), междоузельный атом кремния будет направленно двигаться к примесному атому. Радиус сферы, в которой начинается процесс направленного движения междоузельного атома кремния, определяется равенством величины барьера отталкивания Еот и энергии диполь-дипольного взаимодейс-

- 9 -

ТВИЯ Едд.

С другой стороны, размер сферы искажения определяется величиной несоответствия ковалентных радиусов атома примеси и атома решетки. Из исследований Воткинса следовало, что радиус сферы вытеснения для атома бора составляет 200 Ä. Используя этот результат, полученный в прямом эксперименте, и исходя из соотношений ковалентных радиусов, определены радиусы сфер вытеснения для элементов III, IV, V групп таблицы Менделеева.

Полагается, что в отсутствие атомов примесей, деформирующих решетку, междоузельные атомы кремния могут быть неподвижными и накапливаться в кремнии, облучаемом высокоэнергетичными частицами при низких температурах.

2. Воздействие процесса замещения на диффузию внедренных примесей.

Вытеснение примесей из узлов решетки в междоузлия при термообработке имплантированных структур приводит к нарушению стремящегося к равновесному распределению их по узлам и междоузлиям. При этом если диффузия примеси может идти по двум каналам, т.е. по вакансионному и междоузельному, и если скорости диффузии по этим каналам различны, коэффициент диффузии примеси может существенно изменяться вследствие этого перераспределения.

Одна из гипотез в описании аномалий в диффузии примесей это диффузия в виде пары, например, в виде комплекса примеси с вакансией либо в виде комплекса с междоузельным атомом кремния. Существует ряд доводов в пользу аномальной диффузии фосфора в виде комплекса. Именно диффузией по комплексу легко объясняется независимость коэффициента диффузии имплантированного фосфора от температуры лампового отжига в интервале температур 900-1150 °С. Однако тип комплекса оставался неопределенным, т.е. это либо

- 10 -

Е-центр, либо комплекс Р1 - атом фосфора-междоузельный атом кремния.

Для установления модели парной диффузии фосфора в данной работе выполнены исследования по диффузии имплантированного фосфора в слоях кремния, предварительно легированных германием или углеродом. Существенно более низкие значения коэффициента диффузии имплантированного фосфора в этих слоях по сравнению с контрольными образцами (на порядок и более) объясняются захватом части междоузельных атомов кремния на примеси С и Се по механизму Воткинса. Эти результаты свидетельствуют в пользу аномальной диффузии фосфора в виде комплекса Р1, но не Е-центра.

Из полученных результатов следует, что дополнительное введение атомов углерода эффективнее снижает коэффициент диффузии фосфора, чем легирование германием. Это связано с тем, что сечение захвата междоузельных атомов кремния атомами С больше, чем атомами Се. Согласно нашим данным радиус сферы, попадая в которую междоузельный атом кремния направленно движется к атому С, составляет 250 А, для атомов Се размер сферы - 27 Д. Однако это справедливо только для невысоких уровней легирования. При больших дозах фосфора для снижения коэффициента диффузии эффективнее использовать Се в силу его неограниченной растворимости в кремнии.

Одинаковый характер воздействия примесей Се и С на коэффициент диффузии фосфора указывает на то, что это не связано с воздействием на диффузию упругих напряжений несоответствия. Легирование кремния германием позволяет компенсировать упругие напряжения в слое, создаваемые фосфором. Дополнительное введение углерода в слои кремния с фосфором увеличивает упругие напряжения в структурах. Тем не менее и в случае углерода коэффициент диффузии фосфора меньше, чем в контрольных образцах.

- 11 -

Наблюдаемый сдвиг максимума распределения фосфора после лампового отжига имплантированных структур к поверхности объясняется захватом части атомов фосфора на избыточные вакансии, как на ловушки. Максимум распределения примеси располагается между проецированным пробегом ионов RP и максимумом профиля нарушений. Это связано с тем, что число захваченных на вакансии атомов фосфора пропорционально произведению числа дефектов на число примеси.

Ускоренная диффузия имплантированного бора объясняется его диффузией по междоузельному каналу. Вытеснение бора в междоу-зельный канал диффузии обязано междоузельным атомам кремния, образующимся при развале междоузельных комплексов. В слоях кремния, легированных Ge и С, коэффициент диффузии бора снижается вследствие того, что междоузельные атомы кремния расходуются на замещение примесей IV группы. Тот факт, что атомы Ge и С имеют противоположный характер воздействия на период решетки кремния, доказывает, что замедление диффузии бора, как и фосфора, не связано с упругими напряжениями.

ВЫВОДЫ

1. Впервые установлено, что при термообработке имплантированных слоев кремния из узлов решетки по механизму Воткинса вытесняются не только элементы III, но и V группы.

2. Установлено, что эффективность вытеснения примесей замещения из узлов решетки кремния определяется величиной несоответствия ковалентных радиусов атомов примеси и атома кремния.

3. Предложен механизм атермической миграции междоузельных атомов кремния в кремнии, заключающийся в их движении к атомам примеси в поле упругих деформаций решетки.

- 12 -

4. Определены радиусы сфер, попадая в которые междоузельные атомы кремния направленно движутся к элементам замещения III, IV, V групп.

5. Экспериментально подтверждена модель, согласно которой ускоренная диффузия имплантированного фосфора в кремнии происходит по комплексу атом фосфора - междоузельный атом кремния.

6. Установлено, что ускоренная диффузия имплантированного бора в кремнии обусловлена вытеснением его в междоузельный канал атомами кремния, образующимися при распаде междоузельных комплексов.

Содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. N. I. Berezhnov, A.R. Chelyadinskii, M.Jadan and Yu. R.Sup-run-Belevlch. On the problem of Watkins substitution and migration of silicon atoms in silicon. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1993, V. 73, N 3. p. 357-361.

2. M.Jadan, A.R.Chelyadinskii. On the mechanism of enhanced diffusion of Implanted boron in silicon. Abstracts of X Intern. Conf. on Ion implantation Technology. Catania-Italy, 13-17 June 1994, p-3.85.

3. N. I. Berezhnov, A.R. Chelyadinskii, M.Jadan. Charge states of interstitial defects in implanted silicon and their annealing temperatures. Abstracts of X Intern. Conf. on Ion Implantation Technology. Catania-Italy, 13-17 June 1994, p-3.84

4. Джадан M., Хаки Тахер Х.И., Челядинский A.P. К модели диффузии имплантированного фосфора в кремнии. Физика и техника полупроводников. 1994.

РЕЗЮМЕ

Исследовано вытеснение элементов III и V групп из узлов решетки междоузельными атомами кремния, образующимися при распаде комплексов в процессе изохронного отжига имплантированного кремния. Предложен механизм атермической миграции атомов кремния к примесям замещения как движение в поле упругих деформаций решетки, создаваемых примесными атомами. Изучена роль процесса замещения в диффузии бора и фосфора в имплантированном кремнии.

Даследавана выштурхоуванне элементау III i V груп з вузлоу ра-шотк1 межвузельным1 атамам1 крэмн1я, утвараючым1ся пры распадзе комплексау у вын1ку 1захроннага адпалу 1мплантаванага крэмн!я. Прапанован механ!зм атэрм!чнай м1грацы! атамау крэмн!я да дамеш-кау замешчэння як рух у пол! пругк1х дэфармацый, ствараемых ата-мам1 дамешкау. Вывучана роля працэсу замяшчэння у дыфузИ бору 1 фосфару у 1мплантаваным крэмнИ.

Substitution of the Interstitial silicon atoms, formed upon decomposition of the complexes in the process of isochronous annealing of implanted silicon, for the III and V groups elements in the lattice modes has been studied. A mechanism of athermic migration of silicon atoms to substitutional Impurities as the motion In the field of elastic lattice deformation due to impurity atoms is proposed. The role of substitutional process In boron and phosphorus diffusion in the implantated silicon has been investigated.