Введение к работе
Актуальность темы. Ионная имплантация кристаллов кремния (Si) занимает все более широкую область применения в технологическом цикле производства полупроводшжовых приборов и интегральных микросхем. Наряду с традиционными применениями, в которых ионная имплантация преимущественно использовалась при создании легирующих слоев с заданными свойствами, в последнее время все интенсивнее развиваются новые направления такие, как создание захороненных изолирующих и геттерирующих слоев, структур кремний на изоляторе (КНИ) [1-3]. При этом облучение ионами газов, как правило, сопровождается проведением последующік термообработок при относительно невысоких температурах (до 1000С).
Одной из основных особенностей облучения ионами газов Si является образование газовых пузырей (блистеринг), используемое при создании КНИ-структур методом «Smart-Cut». В этом методе одним из существенных моментов является имплантация ионов водорода или гелия и последующие термообработки при температурах 400-500 С [1,3]. С другой стороны известно, что при этих температурах в тигельном кремнии (Cz-Si) эффективно вводятся кислородные доноры (термодоноры), количество которых при длительных отжю.'ах может даже превышать концентрацию легирующей примеси [4]. Вместе с тем, присутствие атомов водорода в решетке Si может значительно увеличить скорость введения термодоноров [4,5]. Несомненно, что такая активность водорода в сочетании с высокой миграционной способностью оказывает существенное влияние на электрофизические свойства Si. В связи с этим, в последнее время наблюдается значительное повышение исследовательского интереса к изучению поведения атомов водорода в монокристаллах Si.
Близость поверхности, являющейся мощным стоком для радиационных дефектов, и области проективных пробегов ионов оказывает существенное влияние на процесс образования примесно-дефектных комплексов и на свойства кристаллов Si, подвергнутых ионной имплантации. Ситуация резко меняется в случае облучения ионами высоких энергий, которое позволяет пространственно разделить поверхность от области залегания внедренных ионов и дефектов [6]. Вместе с тем,
при использовании высокоэнергетичной ионной имплантации (ВИИ) следует учитывать различия в процессах дефектообразования в Si в сравнении с имплантацией ионов средних энергий, например такие, как пространственное разделение дефектов вакансионного и междоузельного типов, образование треков высокоэнергетичных ионов и ускоренная диффузия примесей и дефектов вдоль них, протекание ядерных реакций, отмечаемые в некоторых работах [7,8]. Исследование кристаллов Si, подвергнутых ВИИ, привлекает к себе интерес и с практической точки зрения, например, как средство создания захороненных геттерирующих слоев [9]. Неудивительно поэтому, что воздействие ВИИ на свойства кристаллов Si в последние годы является предметом интенсивного изучения, где достигнуты значительные результаты. Однако и в настоящее время многие аспекты, касающиеся влияния ВИИ и последующих отжигов на трансформацию электрически активных центров в кристаллах кремния, остаются неясными. Таким образом, изучение электрофизических свойств кристаллов кремния, подвергнутых ВИИ и последующему отжигу, представляет несомненный интерес как для физики реальных кристаллов, так и с практической точки зрения. Цель работы заключалась:
-
в выяснении условий и причин ускоренного введения термодоноров при температуре 450С в кристаллах кремния, имплантированных ионами газов.
-
в определении условий формирования и природы электрически активных центров в кремнии, подвергнутом имплантации ионов высоких энергий, при отжигах до 1000С.
Научная новизна работы:
-
Обнаружено ускоренное формирование термодоноров в кристаллах Cz-Si, имплантированных ионами газов (Н2\ Н* и О*) средних энергий, за областью проективных пробегов (глубиной до 400-450 мкм), обусловленное диффузией собственных точечных дефектов (вакансии), увеличивающих концентрацию центров зарождения кислородных доноров
-
Обнаружен новый тип электрически активных центров - мелких акцепторных центров, наблюдаемых в кремнии, имплантированном ионами (Kr+, N4) высоких энергий и КНИ структурах при Т>500С. Аналогичные центры могут возникать
и после других видов облучения (п, е, п+е), но при использовании высоких доз
(>3.10,6см"2).
3. В Si, имплантированном ионами высоких энергий (Кт^ и >Г дозами 1.10 -2.10|5см"2), имеет место введение донорньгх центров (с концентрацией до (2-3)х1017см"3), в области Rp при отжигах в интервале температур 650-1050 С, обусловленное увеличением скорости генерации «новых» термодоноров.
Практическая ценность работы:
-
Полученные экспериментальные сведения об ускоренном формировании термодоноров в интервале температур 350-500С имеют практическое значение при создании структур кремний на изоляторе и приборов на их основе.
-
Результаты изучения изменения свойств монокристаллов кремния, имплантированных ионами высоких энергий, представляют интерес при формировании захороненных геттерирующих, изолирующих и легирующих слоев, а также при создании быстродействующих силовых приборов.
На защиту выносятся положения:
-
Увеличение концентрации вакансий и/или простых ваканси'ошшх дефектов в Si приводит к росту количества центров зарождения и как следствие, к возрастанию концентрации термодоноров, формирующихся на начальных стадиях отжига (до 10 ч).
-
Трансформация при отжиге крупных вакансиошшх дефектов в Si приводит к введению мелких акцепторных центров, температурный интервал проявления которых зависит от типа и условий облучения и ограничен 800 С.
-
Высокая концентрация дефектов в районе проективных пробегов высокоэнергетнчных ионов предположительно междоузеяьного типа прнводит к введению стабильных (до ~1000С) донорных центров с концентрацией ~(2-3)х10псм"3.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на семинарах ИФП СО РАН (1997-2000), на научных конференциях: Swift Heavy Ions in Materials (Germany.Berim, 1998), XVIII международная конференция по взаимодействию заряженных частиц с
кристаллами (Москва, 1998), NATO ARW Conference (Киев, 1998), European Material Research Society (France, Strasbourg, 1998, 1999), High Pressure Semiconductor Physics Conference (Greece, Tsessaloniki, 1998), IV Российская конференция по физике полупроводников (Новосибирск, 1999), 2-ая Российская конференция по материаловедению и физико-химическим технологиям кремния (Москва, 2000).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата, из них 6 в центральных российских и зарубежных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов;, изложена на 167 страницах, включая 41 рисунок, 7 таблиц и списка цитируемой литературы из 185 наименований.
