Рентгенодифрактометрические исследования структуры монокристаллов кремния, легированных бором Шилов Сергей Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Фундаментальные исследования в области физической электроники привели к созданию широкого класса приборов твердотельной микроэлектроники на основе высокосовершенных полупроводниковых материалов и, прежде всего, кремния [1]. Свойства современных полупроводниковых приборов обусловлены физическими процессами в тонком приповерхностном слое, получаемом эпитаксиальной кристаллизацией или легированием. Легирование кристаллов осуществляется термической диффузией примеси, либо более современным методом - ионной имплантацией. Однако оба метода имеют известные недостатки, как с точки зрения совершенства получаемых легированных областей, так и определенных технических трудностей. Появление нового способа легирования с помощью импульсного нагрева было вызвано как обнаружением аномально высоких скоростей диффузии примесей замещения в кремнии [2], так и поиском более простого и совершенного (с точки зрения получаемой приповерхностной структуры) способа создания р - п переходов. Однако и в случае импульсного диффузионного легирования неизбежно возникают дефекты, тип, расположение и концентрацию которых необходимо исследовать.

Явление дифракции рентгеновских лучей было и остается мощным и наиболее распространенным средством изучения структурных характеристик кристаллов, в силу своей экспрессности, относительной простоты и доступности применяемого оборудования и высокой чувствительности [3, 4, 5].

В случае брэгговского отражения, рассеяние на атомах кристалла происходит когерентно и даже их относительно небольшие статические смещения вызывают значительные изменения на кривых дифракционного отражения (КДО), получаемых с помощью двухкристального дифрактометра. По форме КДО удается определить среднюю деформацию в слое, а также, в ряде случаев, построить ее профиль по глубине. Возможности двухкристального дифрактометра сильно ограничены. Более широкие возможности имеет метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии (ТРД), применение которого позволяет судить об искажениях поверхности, изгибе кристаллов, деформации кристаллических плоскостей, исследовать диффузное рассеяние от кластеров, дислокаций и дислокационных петель [4, 5].

В связи с большой информативностью метода ТРД в изучении структуры монокристаллов, а также необходимостью исследования де-

фектообразования в процессе лазерной диффузии и ее сравнения с такими традиционными способами легирования, как термическая диффузия и ионная имплантация видятся актуальными данные исследования.

Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании методами двух - и трехкристальной рентгеновской дифрактометрии изменений структуры приповерхностных слоев монокристаллов кремния в результате термической и лазерной диффузии, а также ионной имплантации бора с последующим термическим отжигом.

Научная новизна работы заключалась в следующем:

1. Впервые систематически методом двух - и трехкристальной рентгеновской дифрактометрии исследованы изменения структуры приповерхностных слоев монокристаллов кремния в результате лазерной диффузии бора из пленки.

2. Показано наличие минимального времени воздействия С0₂ -лазера на пленку диффузанта, приводящее к образованию заметного диффузионного слоя.

3. Анализ диффузного рассеяния и уширения главного пика на трехкристальных спектрах образцов, подвергнутых лазерной диффузии, позволили установить тип дефектов и их плотность, а применение послойного травления выявило толщину нарушенного слоя.

4. На основании результатов численного моделирования кривых дифракционного отражения были получены профили деформации Ad/d и статфактора Дебая-Валлера образцов после проведения термической диффузии, а также рассчитаны эффективные коэффициенты диффузии.

5. Найдено, что коэффициент диффузии бора в кремнии, в случае диффузии под действием рубинового лазера, существенно превышает значение, получаемое при обычной термообработке. Линейное уши-рение главного пика на трехкристальных кривых в зависимости от угла поворота образца позволило определить параметр крупномасштабного рельефа поверхности. Показано, что данный рельеф обусловлен областями локального плавления.

6. Для ионно-имплантированных кристаллов определены параметры термического отжига, при которых наблюдается наибольшая активация внедренной примеси, наибольшая нарушенность приповерхностных слоев, а также отсутствие макроскопических напряжений.

7. Показано, что при дозе имплантации D,=6.2510¹⁵ см"² эффект вытеснения узельных атомов бора проявляется при температуре Т=700С.

Достоверность и научная обоснованность полученных результатов и выводов обеспечивается надежностью применяемых методик и

формул, неоднократной проверкой основных экспериментальных данных, а также сравнением с экспериментальными результатами других авторов.

Научная и практическая ценность работы:

1. Результаты по лазерной диффузии бора под действием рубинового и СОг - лазеров и установленная толщина легированного слоя могут быть использованы в технологическом процессе изготовления полупроводниковых приборов.

2. По результатам рентгенодифракционных исследований можно сделать вывод, что не следует использовать термический отжиг при температурах Т = 900-1000 С и длительности t ~ 60 минут. Показано, что в этом случае образуются дислокационные петли и, как следствие, существенные нарушения кристаллической структуры. Уменьшается также концентрация внедренного бора вблизи поверхности за счет его диффузии вглубь и на поверхность кристалла.

3. Экспериментально определены параметры термического отжига ионно-имплантированных кристаллов (Т=800С, t= 10 мин) при которых происходит компенсация деформации сжатия и растяжения и, как следствие, отсутствие макроскопических напряжений в приповерхностном слое.

4. Показано, что в случае термической диффузии бора из пленки, нанесенной на поверхность кристалла, происходит ее испарение и наблюдается легирование обратной стороны кристалла бором из газовой фазы. Таким образом, в технологическом производстве следует учесть, что диффузия может происходить не только под пленкой диффузанта, но и в других областях кристалла.

5. Использование рубинового лазера с миллисекундной длительностью импульса позволяет получить существенно ббльшую концентрацию примеси замещения в приповерхностном слое, т.е. приводит к большему легированию кристалла, чем при термической диффузии.

6. Исследование влияния ширины вертикальной щели, стоящей после монохроматора в дифрактометре, на двух - и трехкристальные кривые могут быть учтены при настройке и использованы для повышения точности измерений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения коэффициента термической диффузии по профилю деформации внедренной примеси, полученного путем численного моделирования.

2. Методика изменения дефектности и статфактора Дебая-Валлера приповерхностных слоев монокристаллов кремния, благодаря регулированию длительности процесса термической диффузии из пленки-источника.

3. Эффект значительного отличия отрицательной деформации в приповерхностном слое при диффузии атомов бора из пленки под действием рубинового лазера, по сравнению с СОг - лазером.

4. Эффект вытеснения кремнием узловых атомов бора после ионной имплантации и термического отжига при более высоких температурах.

5. Явление возникновения значительных нарушений структуры
имплантированных бором монокристаллов кремния при дозе облуче
ния Dj=6.25-10¹⁵cm"² с последующим отжигом при температуре
Т=1000С.

Апробация работы и публикации.

Результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференциях ВНКСФ'94 (Екатеринбург, 1994) и ВНКСФ'95 (Екатеринбург, 1995), на двух Национальных конференциях по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ'97, Москва, 1997 и РСНЭ'99, Москва, 1999), на международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007), на международном семинаре «Структура и разнообразие минерального мира» (Сыктывкар, 2008) а также на внутри вузовских научных семинарах Сыктывкарского государственного университета. Результаты работы опубликованы в 4 статьях центральной печати, в статье Вестника СыктГУ, в 5 сборниках тезисов научных конференций, в двух сборниках трудов международных конференций.

Список публикаций по материалам диссертации:

1. Петраков, А.П. Двух- и трехкристальная рентгеновская дифрактометрия монокристаллов кремния после ионной имплантации бора и термического отжига [Текст] / А.П. Петраков, Н.А. Тихонов, СВ. Шилов, А.В. Широков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -1996.№3-4.-С. 321-324.

2. Тихонов, Н.А. Анализ структурных нарушений имплантированных бором монокристаллов кремния по результатам двух - и трехкристальной рентгеновской дифрактометрии [Текст] / Н.А. Тихонов, А.П. Петраков, СВ. Шилов //Журнал технической физики. - 1998. - Т. 68, № 6. - С. 91-96.

3. Петраков, А.П. Рентгенодифрактометрические исследования зависимости изменения структуры кремния от времени термической диффузии бора

[Текст] І А.П. Петраков, СВ. Шилов, Г.Г. Зайнуллин // Кристаллография. -2000.-Т. 45,№6.-С. 1097-1101.

4. Каблис, Г.Н. Исследование структурных характеристик кристаллов флюорита методами рентгеновской дифрактометрии и топографии [Текст] / Г.Н. Каблис, В.И. Пунегов, СВ. Шилов, А.П Петраков // Заводская лаборатория. - 2000. - Т. 66, №11.- С. 26-28.

5. Петраков, А.П. Двух - и трехкристальная рентгеновская дифракто-метрия имплантированных ионами бора монокристаллов кремния, подвергнутых термическому отжигу [Текст] / А.П. Петраков, Н.А. Тихонов, СВ. Шилов // Вестник Сыктывкарского университета. Серия 2. Сыктывкар: изд-во СыктГУ. - 1996. №1. - С. 60-72.

6. Шилов, С. В. Двух - и трехкристальное рентгенодифракционное исследование решетки кремния после термической диффузии примеси [Текст] / СВ. Шилов, АЛ. Петраков, Н.А. Тихонов // Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ'97) : тез. докл. (Москва, Дубна, 1997). - Москва, 1997. - С. 3 86.

7. Kablis, G. Reseach breaches of fluorit structure dy double crystal X-ray topography and high resolution difrractometry [Техт] I G. Kablis, G. Lysiuk, V. Punegov, A. Petrakov, S. Shilov II Eighteen Europen Crystallographic Meeting: prog. & abstr (Praha, 1998). - Praha, 1998. Issue B. - Vol. 5. - P. 196.

8. Петраков, А.П. Рентгеновская рефлектометрия углеродной пленки, нанесенной на кремниевую подложку в процессе лазерного облучения шунгита [Текст] / А.П. Петраков, СВ. Шилов, Е.А. Голубев // Второе уральское кристаллографическое совещание (Кристаллография-98): матер, совещ. (Сыктывкар, 1998). - Сыктывкар, 1998. - С. 25.

9. Петраков, А.П. Двух - и трехкристальное рентгенодифракционное исследование лазерной диффузии бора в кремнии. [Текст] / А.П. Петраков, СВ. Шилов // Вторая национальная конференция по применению рентгеновского и синхротронного излучений, нейтронов и электронов: тез. докл. (Москва, 1999). - Москва, 1999. - С. 224.

10. Каблис, Г.Н. Исследование структурных характеристик кристаллов флюорита методами рентгеновской дифрактометрии и топографии [Текст] / Г.Н. Каблис, В.И. Пунегов, СВ. Шилов, А.П. Петраков // Вторая национальная конференция по применению рентгеновского и синхротронного излучений, нейтронов и электронов: тез. докл. (Москва, 1999). - Москва, 1999.-С. 195.

11. Шилов, СВ. Рентгенодифрактометрические исследования изменений структуры монокристаллов кремния в результате термической и лазерной диффузии бора [Текст] / СВ. Шилов // Международный минералогический семинар: матер, семинара (Сыктывкар, 17-19 июня 2008 г.). — Сыктывкар, 2008.-С. 381-382.

12. Шилов, СВ. Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов кремния, подвергнутых термической и лазерной диффузии бора [Текст] / СВ. Шилов, А.П. Петраков, Л.Н. Котов // "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах": труды VI междунар. науч. конф. (Томск 8-15 августа 2008 г.). -Томск: изд. ТПУ, 2008 г.-С. 513-517.

Личный вклад автора. Для проведения термической и лазерной диффузии автором была разработана методика и определены оптимальные условия по нанесению пленок бора и его окиси на поверхность кремниевых пластин. Для более точного определения коэффициента термической диффузии Шиловым СВ. предложено использование численного моделирования профиля деформации. Автором было исследовано изменение структуры монокристаллов кремния в результате термической и лазерной диффузии, а также ионной имплантации бора. Данные результаты показали преимущества и недостатки различных способов легирования. На основе анализа двух - и трехкристальных рентгенодиф-ракционных кривых совершенных монокристаллов кремния, Шилов СВ. предложил способ оптимального расположения вертикальной щели, стоящей после монохроматора в рентгеновском дифрактометре.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и авторского списка. Работа изложена на 144 страницах. Список литературы содержит 128 наименований.

Похожие диссертации на Рентгенодифрактометрические исследования структуры монокристаллов кремния, легированных бором

Исследование методом спектроскопии полного тока электронной структуры и эмиссионных свойств поверхности ЩГК и монокристаллов W и Mo, имплантированных щелочными ионамиБолтаев, Нодир Низамович

Оптико-спектральные исследования пылевых структур в плазме тлеющего разряда Подрядчиков Сергей Федорович

Решение обратных задач теории переноса частиц и излучения для исследования многослойных структурЕфременко, Дмитрий Сергеевич

Исследование локальных характеристик полупроводниковых структур методом поверхностного электронно-индуцированного потенциала в растровой электронной микроскопииЧжу Шичю

Исследование влияния особенностей зонной структуры переходных металлов (молибден, ниобий, цирконий) и сплавов на их фотоэмиссионные параметрыНурматов, Небадир Абдувахабович

Экспериментальное исследование зарядовых флуктуаций в алюминиевых одноэлектронных структурах стековой геометрииПреснов Денис Евгеньевич

Исследование дифракционно-черепковского излучения электронного потока в открытых металлодиэлектрических структурахПушкарёв, Константин Алексеевич

Исследование процессов в усилителе сигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновских структурСоловьев Игорь Игоревич

Рентгеноакустические исследования структуры реальных монокристаллов кремнияГимчинский, Александр Георгиевич

Метод взрывного коллапса полого толстостенного цилиндра : Исследование структуры монокристалла меди, поликристаллического титана и спрессованного компактаПервухина Ольга Леонидовна