Особенности структуры ионоимплантированных слоев кремния, выявленные с помощью рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения

Актуальность проведенной работы обусловлена широким применением ионной имплантации как метода обработки поверхности, легирования монокристаллов кремния и других полупроводников в процессе производства полупроводниковых приборов. Благодаря своим особенностям метод ионной имплантации стал перспективным методом легирования, позволяющим вводить заданную концентрацию примеси с заданной локальностью, создавать контролируемые профили концентрации в заданной области, ассортимент материалов, которые могут использоваться для имплантации, практически не ограничен. По многим параметрам ионная имплантация более выгодна для легирования, чем термодиффузия или легирование в процессе роста.

Однако легированию методом ионной имплантации сопутствует образование значительного количества радиационных точечных дефектов, что приводит к последующим структурным, химическим и электрофизическим изменениям. Все процессы, происходящие во время ионной имплантации, а именно: образование радиационных дефектов и взаимодействие их между собой, приводящее к их аннигиляции или образованию кластеровреканалирование радиационных дефектоввзаимодействие их с примесями и образование метастабильных ассоциацийсток точечных дефектов на поверхность, — протекают в сильно неравновесных условиях. Механизмы образования и последующего движения радиационных точечных дефектов при облучении потоком ионов полупроводниковых подложек до конца еще не изучены. Для активации примеси необходимо проведение постимплантационного отжига для перехода системы в стабильное состояние.

Процессы дефектообразования при ионной имплантации зависят от многих факторов: температура мишени, доза имплантируемых ионов, их химическая активность, соотношение масс иона и атома мишени, энергия вводимых ионов, ориентация подложки, тип проводимости. Не всегда есть возможность учесть влияние всех этих факторов одновременно или каждого в отдельности, не всегда существует четкое представление о влиянии того или иного фактора. Первичное дефектообразование (генерация пар Френкеля в каскадах столкновения) хорошо описываются в рамках теории. Программа Crystal TRIM (C-TRIM) позволяет смоделировать первичные процессы ионной имплантации и дает возможность наглядно представить, как будет происходить проникновение иона в мишень и каковы будут последствия. Однако итоговое распределение дефектов даже до отжига является результатом протекания вторичных процессов, таких как радиационо-стимулированная диффузия, сток на поверхность, аннигиляция, кластерообразование, которые C-TRIM не учитывает. Но для приблизительной оценки программа C-TRIM широко используется и результаты, полученные с ее помощью, ложатся в основу многих экспериментальных исследований. Вторичные процессы зависят от состояния электронной подсистемы. Воздействуя на электронную подсистему, можно влиять на вторичные процессы. Теоретическое описание вторичных процессов недостаточно разработано и требует накопления экспериментальных данных.

Вторичные процессы определяют структуру нарушенного слоя. Они сложны и многообразны, поэтому задача развития методики диагностики и исследования структуры нарушенных слоев является также актуальной.

Основной целью работы являлось выявление роли вторичных процессов (аннигиляция, сток на поверхность, кластерообразование) с участием радиационных точечных дефектов на формирование дефектной структуры ионоимплантированных слоев кремния.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику нахождения и анализа профилей деформации (ПД) и статического фактора Дебая-Валлера (СФДВ) по глубине нарушенного слоя из экспериментально полученных методом рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения (РДВР), кривых дифракционного отражения (КДО).

2. Выявить влияние условий имплантации (доза, энергия и масса имплантируемого иона) на характер распределения радиационных точечных дефектов (РТД) в подложке Si и показать при этом роль вторичных процессов.

3. Рассмотреть влияние характеристик подложек Si (температура, ориентация, тип проводимости, скрытый аморфный слой) на конечное распределение радиационных повреждений.

4. Выявить влияние in situ фотовозбуждения электронной подсистемы на вторичные процессы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработана методика анализа структурных изменений в приповерхностных слоях кремния при ионной имплантации, которая включает в себя оригинальную схему эксперимента на трехкристальном рентгеновском дифрактометре, позволяющая исключить вклад диффузного рассеяния.

• Разработана процедура восстановления профиля деформации и профиля распределения статического фактора Дебая-Валлера, который используется как характеристика степени аморфизации. Впервые применен генетический алгоритм как метод глобальной оптимизации для решения обратной дифракционной задачи для ионоимплантированных слоев.

• Выявлен вклад аннигиляции межузельных и вакансионных дефектов, стока дефектов на поверхность, кластерообразования, который зависит от условий имплантации (дозы, массы и энергии имплантируемого иона) на конечную структуру нарушенного слоя.

• Впервые обнаружено, что in situ фотовозбуждение ускоряет вторичные процессы. А преобладание какого-либо из вторичных процессов определяется степенью пересыщения твердого раствора радиационных дефектов в матрице кристалла.

• Обнаружено, что при имплантации ионов на малые глубины происходит пространственное разделение РТД (вакансионного и межузельного типа) по глубине, что обусловлено влиянием поверхности, как эффективного места стока. Величина пространственного разделения определяется степенью пересыщения, которое можно получить, увеличив дозу и массу, и уменьшив энергию имплантируемого иона.

Практическая значимость результатов работы.

1. Полученные экспериментальные закономерности формирования дефектной структуры могут быть использованы в технологии изготовления приборов.

2. Создание неразрушающей методики анализа структуры ионоимплантированных слоев с помощью РДВР и возможность управления профилем деформации (ПД). Разработанная методика, открывает широкие возможности в исследовании РТД как вакансионного так и межузельного типа в ионолегированных слоях Si и других полупроводниковых монокристаллах.

3. Апробирование метода восстановления профилей деформации и СФДВ по форме кривой дифракционного отражения показало его высокую чувствительность к особенностям структуры нарушенного слоя, что позволяет использовать этот метод для отработки технологии получения ионолегированных структур с заданными свойствами.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методика восстановления ПД и профиля статических смещений по глубине из формы КДО, полученной при анализе распределения интенсивности дифрагированных лучей в окрестности узла обратной решетки.

2. Установлено, что условия имплантации (доза, масса и энергия имплантируемого иона) влияют на соотношение вкладов аннигиляции, стока и кластерообразования в формировании структуры нарушенного слоя. Так имплантация ионов с большими дозами или малыми энергиями или большими массами приводит к сильному пересыщению РТД и преобладанию процесса кластерообразования. При имплантации ионов на малые глубины возрастает роль стока межузельных атомов на поверхность, что приводит ic изменению соотношения концентрации вакансионных и межузельных дефектов вблизи поверхности. Наличие скрытого аморфного слоя SiCb способствует накоплению радиационных межузельных дефектов вблизи границы Si/Si02.

3. Установлено, что влияние in situ фотовозбуждения на дефектообразование в кремнии при ионной имплантации неоднозначно. Например, фотовозбуждение при малой дозе в КНИ структуре влияет иначе, чем в объемном кристалле, способствуя кл астерообразо вани ю.

4. При различной степени пересыщения РТД фотовозбуждение способствует ускорению «приоритетного» вторичного процесса.

5. При увеличении степени пересыщения РТД наблюдается пространственное разделение пар Френкеля на области с преобладанием вакансионных и межузельных дефектов. Межузельные дефекты, достраивая поверхность, способствуют накоплению вакансионных дефектов вблизи поверхности.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

• IX Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2000), Москва, Институт кристаллографии РАН, 2000.

• III Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ-2001) Москва,.

• V Российской конференции по физике полупроводников Нижний Новгород, 2001.

• III Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе. (Кремний-2003), Москва, МИСиС, 2003.

• Научных семинарах кафедры материаловедения полупроводников Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка.

§ 3.8 Выводы к главе 3.

Процессы дефектообразования при ионной имплантации зависят от множества факторов таких как доза, масса и энергия имплантируемых ионов, а также от характеристик материала самой мишени, например, ориентация подложки, температура, тип проводимости и наличие скрытого аморфного слоя. Не всегда есть возможность учесть влияние каждого из этих факторов в отдельности на конечное распределение радиационных точечных дефектов, т.к. они в совокупности воздействуют на вторичные процессы (аннигиляция межузельных и вакансионных дефектов, их сток на поверхность, кластерообразование и реканалирование), которые определяют конечное состояние структуры нарушенного слоя. Влияние химического взаимодействия внедренного вещества с атомами мишени на изучаемые процессы было исключено тем, что в подложки Si имплантировали ионы инертных газов (Аг, Ne, Кг).

Влияние какого-либо из выше перечисленных факторов на вторичные процессы можно оценить лишь, зафиксировав все остальные. Параллельно с решением этой задачи, проводилось исследование влияния in situ фотовозбуждения электронной подсистемы на протекающие вторичные процессы и в свою очередь на конечное распределение РТД по глубине для каждого фактора (доза, масса, энергия ионов и т. д.) в отдельности.

В результате проведенных исследований обнаружено следующее.

С увеличением дозы имплантации Аг+ увеличивается степень пересыщения РТД и максимумы ПД смещаются в область проекционного пробега (Rp). При этом РТД пространственно разделяются по глубине на две области (обогащенные вакансионными и межузельными дефектами, причем вакансионные дефекты расположены вблизи поверхности). Фотовозбуждение уменьшает остаточную.

13 2 концентрацию радиационных точечных дефектов при дозах до 3−10 см', способствуя.

13 аннигиляции радиационных пар Френкеля. Начиная с дозы 3−10″ см~% фотовозбуждение способствует аморфизации нарушенного слоя, которая идет через образование и рост количества главным образом вакансионных кластеров РТД.

При «холодной» имплантации (Т=80К) Аг' в подложку Si вклад аннигиляции мал, по-видимому, из-за того, что при низкой температуре компоненты пар Френкеля не могут преодолеть энергетический барьер для аннигиляции. При последующем нагреве подложек до комнатной температуры большее пересыщение собственными РТД приводит к преобладанию кластерообразования. Влияние in situ фотовозбуждения, как и для кремния, имплантированного при Т=300К, сохраняется. Т. е. при малых дозах.

13 2.

МО «ат/см) для «холодной» имплантации Аг в Si, с последующим нагревом до 300К, скорость аннигиляции выше по сравнению с «холодной» имплантацией без подсветки. При повышении дозы фотовозбуждение способствует оастерообразованию РТД. Следовательно, процессы кластерообразования ускоряются (а) при уменьшении температуры подложки, с последующим нагревом до комнатной температуры и (б) при фотовозбуждении электронной подсистемы вблизи порога аморфизации.

При малых энергиях (50 и 80 кэВ) имплантации ионов Ne дефектообразование строится из зарождения и сосредоточения больших комплексов вакансий, которые с увеличением энергии измельчаются на фоне смещения максимумов ПД вглубь кристалла с одновременным уменьшением деформации. Доминирующими дефектами при энергии имплантации 120 кэВ становятся межузельные комплексы, которые в свою очередь с увеличением энергии до 150 кэВ также измельчаются. Фотовозбуждение при энергии имплантации ионов Ne 50 кэВ, увеличивает скорость аннигиляции, уменьшая количество остаточных дефектов, способствует их кластеризации. При увеличении энергии до 150 кэВ, происходит смена механизма влияния фотовозбуждения на дефектообразование в нарушенном слое, т. е. повышается эффективность кластерообразования.

Увеличение массы имплантируемого иона (Кг), способствует увеличению пересыщения РТД за счет роста плотности РТД в треке. В нашем случае пересыщение РТД было настолько велико, что у поверхности образовалась сильно аморфизованная область. При увеличении и энергии и массы имплантируемого иона, варьируя Rp, можно создавать крупные разупорядоченные области (РО) с большим избытком РТД, которые способствуют интенсивному кластерообразованию.

При имплантации ионов Аг в подложку Si ориентация подложки влияет на распределение РТД. Для подложки с ориентацией (100) дефекты имеют больший пробег (т.к. в этом направлении плотность атомов меньше) и залегают глубже, чем для подложки с ориентацией (111), что совпадает с результатами моделирования по С-TRIM. С ростом дозы увеличивается скорость аннигиляции. Кластеры вакансий образуют сильно аморфизованную область вблизи поверхности. К сожалению, данным методом диагностики поверхности не возможно увидеть эту область, поэтому максимум ПД для ориентации (100) смещен к поверхности по сравнению с максимумом ПДдля ориентации (111).

В области предаморфных доз пересыщение РТД настолько велико, что тип проводимости практически не влияет на конечное распределение РТД. При малых дозах в образце р-типа величина деформации в максимуме ПД, хоть и незначительно, ниже, т. е. эффективным становиться процесс аннигиляции РТД. In situ.

127 фотовозбуждение, заряжая вакансии и подавляя тем самым кластерообразование, ускоряет процесс аннигиляции. При этом, если на малых дозах это ускорение не значительно, то на предаморфных оно уже существенно.

J 3 ^.

Наличие скрытого аморфного слоя SiC>2 при малых дозах (2−10' ат/см") имплантации способствует аннигиляции пар Френкеля, т.к. он ограничивает движение межузельных атомов вглубь образца и, по-видимому, увеличивает их поток к.

13 2 поверхности. На предаморфных дозах (4″ 10 ат/см) вблизи границы Si/SiC>2 происходит накопление межузельных дефектов и основными вторичными процессами являются кластерообразование и сток дефектов на поверхность, которые (преимущественно вакансии) образуют сильно аморфизованную область. Фотовозбуждение для малых доз способствует кластерообразованию как вблизи.

13 2 поверхности образца, так и в области максимума деформации. При дозе 4−10 ат/см дефектов так много, что фотовозбуждение уже не влияет на характер распределения РТД. Важно отметить, что накопление межузельных дефектов в области аморфного слоя SiCb сохраняется.