Исследование влияния пространственно-временного распределения энергии на фазовые переходы при импульсных энергетических воздействиях на полупроводники Антонова, Ландыш Халяфовна

Введение к работе

Актуальность темы. Исследования импульсно-энергетических воздействий на полупроводники являются одним из наиболее интересных и перспективных направлений как в научном плане, так и в плане применения в полупроводниковой микроэлектронике, так как открывают широкие возможности в изготовлении дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. К настоящему времени достаточно хорошо изученными являются физические процессы, протекающие при импульсно-лазерной обработке ионно-легированных слоев (ИЛС) полупроводников.

Известно, что весьма высокие скорости нагрева и кристаллизации при импульсно-лазерном облучении, обусловленные быстрой передачей энергии излучения кристаллической решетке имплантированного полупроводника приводят к проявлению целого ряда специфических особенностей, в частности, к формированию сильнолегированных бездефектных слоев с концентрацией примеси, значительно превышающей предельную равновесную растворимость. Однако сильное и к тому же неоднородное поглощение светового излучения поверхностью ИЛС, наблюдающееся при этих режимах обработки, приводит зачастую к Эрозии поверхности, существенно ограничивает толщину модифицируемого слЬя, ухудшает воспроизводимость результатов обработки. В связи с этим продолжаются поиски новых перспективных методов обработки ИЛС, лишенных этих недостатков.

Одним из перспективных способов обработки имплантированных полупроводников является метод импульсной лазерной обработки излучением, направленным со стороны подложки при пониженных значениях температуры окружающей среды. На момент начала данной работы этот метод являлся новым и совершено неизученным. Для его успешного применения необходимо было изучить его физические основы, получить систематизированные данные по влиянию режимов лазерной обработки на структуру и электрофизические

4 параметры. Работы, проводимые в этом направлении ранее, осуществлялись при комнатных температурах, однако эффективность отжига была низкой, так как подложка кремния при комнатной температуре сильно поглощает излучение на длине волны технологических лазеров (1=1 .Обмкм).

Другим альтернативным методом стало использование импульсно-корпускулярных пучков (ионов, электронов) микро- и наносекундных длительностей, характер взаимодействия которых с поверхностью материала существенно отличается от лазерного воздействия: глубиной проникновения высокоэнергетических частиц - носителей энергии и, соответственно, профилем распределения выделенной в полупроводник энергии и как следствие, распределением температурного поля по глубине. Ранее в работах различных исследователей было отмечено, что распределение выделенной энергии самым существенным образом влияет на результаты импульсного отжига.

В отличие от лазерного или электронного отжигов на момент начала работы над данной диссертацией имелось мало данных об импульсно-иошюй обработке кремния и практически полностью отсутствовали данные о возможностях метода применительно к соединениям А₃В₅. В то же время развитие исследований в этой области является весьма актуальным - остается актуальным вопрос повышения уровня электрической активации внедренной примеси, а также совершенства кристаллической структуры в соединениях А3В5, особенно для создания подконтактных и активных областей для приборов СВЧ электроники. Кроме того, вопросы о влиянии пространственно-временного распределения энергии ионов на фазовые и структурные переходы, процессы растворения легирующей примеси и ее электрической активации при импульсно-энергетических воздействиях оставались малоизученными.

Цель работы. С учетом вышеизложенного целью настоящей диссертационной работы было изучение основных закономерностей и специфики протекания структурных и фазовых переходов, имеющих место в кремнии и арсе-ниде галлия при импульсно-энергетических обработках полупроводников в зависимости от пространственно-временного распределения поглощенной энер-

5 гаи различных видов излучения (лазерного, ионного). Конкретно были поставлены следующие задачи.

1. Исследовать влияние параметров импульсных световых и ионных пучков наносекундной длительности на фазовые переходы и трансформацию структуры имплантированного кремния и арсенида галлия.

2. Исследовать процессы неравновесной растворимости имплантированной в Si и GaAs примеси, индуцированные последующей обработкой мощными импульсами ионов наносекундной (т=50 не) длительности, а также процессы формирования и термического распада пересыщенных твердых растворов.

3. Провести анализ процессов поглощения света в монокристаллическом и имплантированном кремнии при высоких уровнях возбуждения в широком интервале температур для создания физических основ нового способа управления пространственным распределением поглощенной энергии - импульсной лазерной обработки излучением, направленным со стороны подложки.

4. Провести расчеты температурных полей и перераспределения примеси в Si и GaAs при импульсно-энергетических воздействиях с учетом специфики пространственно-временного распределения энергии, выделяемой в объеме кристалла для каждого вида используемого излучения (свет, ионы).

5. Исследовать'возможность формирования р-п переходов на кремнии с использованием импульсно-ионных пучков и лазерного излучения, направленного со стороны монЫфисталлической подложки.

Объектами исследований были выбраны кремний и арсенид галлия как наиболее используемые и перспективные материалы современной микроэлектроники. Имплантация проводилась ионами как типичных донорных и акцепторных, так и изовалентных и малорастворимых в кристалле примесей: Р⁺, В⁺, In⁺,As⁺ в Si, и Si⁺,Te⁺,Si⁺+P⁺ в GaAs.

Научпая новизна. 1. Изучено влияние пространственно-временного распределения поглощенной энергии излучения на температурные поля и кинетические параметры образующейся границы раздела кристалл - расплав.

2. Детально изучены процессы трансформации кристаллической структуры и перераспределения имплантированных примесей в Si и GaAs в зависимости от пространственно-временного распределения поглощенной энергии используемых излучений.

3. Исследованы процессы электрической активации примесей в ИЛС при обработке наносекундными энергетическими импульсами; а также при последующих термических воздействиях.

4. Обнаружена аномально высокая контрастность поглощения лазерного излучения в кристаллическом и аморфном кремнии при низких температурах, что позволяет управлять пространственным распределением поглощения излучения при импульсной лазерной обработке (ИЛО).

Практическая значимость.

1. Изучены возможности и установлены оптимальные режимы импульсной ионной обработки (ИИО) имплантированных слоев Si и GaAs с целью создания сильнолегированных слоев и формирования резких глубокозалегшощих р-п переходов.

2. На основе обнаруженной аномально высокой контрастности в коэффициентах поглощения имплантированного и неимплантированного слоев кремния, наблюдающейся при низких (<100К) температурах образца изучены возможности способа импульсного лазерного отжига имплантированных слоев излучением, направленным со стороны монокристаллической подложки, с длиной волны лазерного излучения, лежащей вблизи края собственного поглощения полупроводника.

3. Установлены оптимальные температурные и спектральные диапазоны для использования промышленных лазеров при обработке кремния со стороны монокристаллической подложки.

4. Определены области термической стабильности пересыщенных ИЛС на Si и GaAs сформированных с использованием импульсных обработок, что особенно важно для разработки низкотемпературных технологий изготовления полупроводниковых приборов.

7 5. Результаты численных ррсчетов температурных полей использованы для выбора и оптимизации режимов ИИО и ИЛО.

Основные положения, выносимые на защиту.

5. При низких (<100К) температурах образца обнаружена аномально высокая контрастность в коэффициентах поглощения мощного лазерного излучения с длиной волны вблизи края собственного поглощения для имплантированной и кристаллической областей кремния.

6. При импульсно-ионной обработке и лазерной обработке излучением, направленным со стороны монокристаллической подложки обеспечивается значительно более глубокое плавление и перекристаллизация ИЛС кремния и ар-сенида галлия по сравнению с обычным лазерным отжигом.

7. При оптимальных режимах ИИО достигаются рекордно высокие концентрации электронов в n-GaAs (Пе=8х10¹⁹см"³).

8. Изменение характера пространственно-временного распределения поглощенной энергии в зависимости от вида излучения (лазерного, ионного) существенным образом влияет на распределение температурных градиентов в приповерхностных областях, на скорость кристаллизации и, соответственно, на степень совершенства кристаллической структуры и поведение имплантиро-ваішой примеси.

9. Электрофизические параметры (ЭФП) ИЛС кремния и арсенида галлия определяются режимами импульсно-энергетических воздействий.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах и конференциях КФТИ КНЦ РАН, КГУ, КАИ, на 3-й Европейской конференции по вакууму (Австрия, Вена, 1991), на Международной конференции по применению передовых лазерных технологий - AIt'92 (Москва, 1992), на Международной конференции по исследованиям материалов - MRS-1993 (Бостон, Масачусетс, 1993), на 13-й Международной конференции по применению ускорителей для исследований и промышленности (Техас, Дентон, 1994), на 8-й Всесоюзной конференции, по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленин-

8 град, 1990), на 3-й Всесоюзной .конференции "Ионно-лучевая модификация полупроводников и других материалов микроэлектроники" (Новосибирск, 1991), на 10-й 11-й Всесоюзных конференциях "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Звенигород, 1991; 1993), на 2-м семинаре России и стран СНГ "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1993), на 3-й Всесоюзной конференции по физике полупроводников "Полупроводники - 97" (Москва, 1997).

Основное содержание диссертационной работы изложено в 17 работах в том числе в 4 статьях, 13 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 88 наименований. В работе 111 страниц, 39 рисунка.