Введение к работе
Актуальность проблемы.
Ионно-лучевые методы обработки материалов обладают рядом уникальных преимуществ, обуславливавших их возрастающее использование в области полупроводниковой технологии. До последнего времени процесс повышения степени интеграции и функциональной сложности изделий микроэлектроники определялся модернизацией технологических процессов, разработанных з момент ее зарождения. В связи с тем, что плотность топологии практически уже доспела предела, дальнейшее совершенствование интегральных схем может быть связано либо с уменьшением размеров топологических элементов (что тоже имеет свой предел), либо с переходом к их многоуровневому построению. И то и другое требует разработки принципиально новых методов ионной обработки, сокращения многочисленных химических и других промежуточных операций.
С начала 80-х годов в ряде исследовательских центров мира проводятся активные исследования по физике взаимодействия высо-коинтенспвных ионных пучков с полупроводниковыми кристаллами. Результатом явилась разработка прітациплально новых направлений ионно-лучевой модификации материалов - синтез скрытых диэлектрических и проводящих слоев в кремнии, ионно-лучевое перемешивание, самоотжиговое внедрение электрически активных примесей.
Однако, несмотря на достигнутые успехи, в силу ряда недостатков и ограничений перечисленные выше технологические операции не нашли пока широкого промышленного применения. В частности, один из наиболее перспективных для микроэлектронной технологии процессов - ионно-лучевой синтез - связан с весьма жестким термическим и радиационным воздействием на материал. В связи с этим в настоящее время большое внимание уделяется исследованию физических процессов, протекающих при ионном синтезе, а также поиску способов смяг^^ния его режимов. Весьма перспективным в этом направлении представляется разработка высокснятен-сивных режимов ионно-лучевого синтеза, позвеляганх значительно сократить длительность радиационного воздействия на материал и за счет активации иенно-стимулируемых механизмов снизить термическую нагрузку на формируемые структуры.
Вместе с тем, кзк показал анализ литературных данных, до настоящего времени далеко не -полной является информация о кинетике накопления дефектов и примеси при Еыссксинтенсивнсм облу-
чении кремния, особенностях и механизмах кристаллизации аморфного слоя в процессе самоотжиговой имплантации различных ионов, закономерностях формирования вторичных дефектоз и профилей внедряемой примеси, .влиянии интенсив: эсти облучения на структуру и характеристики ионно-синтезнруемых соединений в кремнии.
При воздействии высокоинтенсивного ионного пучка имеет место значительный разогрев мишени в ходе облучения. Температура кристалла в процессе облучения является важнейшим фактором, влиявдим на все физико-химические процессы, происходящие в материале под действием мощного ионного пучка. Только точное знание температуры процесса позволяет отделить чисто термические эффекты от ионно-стимулированных при анализе экспериментальных результатов.
Перечисленные выше проблемы и определили направленность исследований в представленной работе, целью которой явилось:
- исследование структурно-фазовых перестроек, механизмов са-
моотжига и особенностей пространственного перераспределения
внедряемой примеси в процессе высокоинтенсивного легирования кремния различными ионами;
исследование и оптимизация режимов отжига имплантированных слоев б S1 с помощью интенсивных ионных пучков;
исследование и оптимизация режимов высокоинтенсивного ионно-лучевого синтеза проводящих и диэлектрических слоев в кремнии.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
-
Модернизация системы сканирования ионного пучка в серийном ускорителе SCI-218 с целью повшления эффективной плотности ионного тока и осуществления интенсивных режимов облучения.
-
Модернизация рабочей камеры и источника ионов ускорителя с целью осуществления процессов ионно-лучевого синтеза.
-
Расчет и экспериментальное измерение температуры образцов при различных режимах облучения.
-
Экспериментальное.исследование структурно-фазовых превращений в 'кремнии при Еысокоинтенсивкой ионно-лучевой обработке.
5. Разработка технологических процессов высокоинтенсивного
ионно-лучевого синтеза скрытых диэлектрических и проводящих
слоев в кремнии на ускорителе со средними токами ионных пучков.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- Бпервыэ показано, что рекристаллизация аморфного слоя,
сформированного на начальном этапе интенсивного ионного облучения кремния, начинается при одной и той жо температура С"410С) независимо от типа иона и плотности ионного тока.
Впервые экспериментально обнаружено существование значительных механических напряжений нз границе раздела аморфной и кристаллической фаз при интенсивном легировании кремния и влияние этих напряжений на ускорение рекристзллиззциокяых процессов
Исследование влияния плотности ионного тока на процессы формирования вторігшнх дефектов в рекристаллизовзнных слоях кремния при высокоинтенсивном облучении позволило обнаружить эффект низкотемпературного динамического отжига протяженных дефектов.
Обнаружено ускоренное протекание процесса кристаллизации' аморфных слоев на лицевой стороне кремниевой пластины при воздействии интенсивных ионных пучков на ее обратную сторону.
Показано, что при понпо-лучевом синтезе дисилицидз кобальта увеличение плотности тока ионов Со+ до 20 мкА/сгг приводит к существенному снижению дефектности приповерхностного слоя кремния и образованию связей Co-Si непосредственно в процессе имплантации.
Выявлено, что в отличие от традиционных режимов ионно-лучевого синтеза слоев SI3H4 в кремнии, при высскоинтенсивной имплантация азота локалг:се превышение уровня стехиометрии не
'прішодит к его далонейшему накоплению в этой области. В этом
случае непосредственно в процессе облучения формируется плато в
области концентрационного максимума, а сверхстехисметрический
азот эффективно дифйчцпфует к его краям. ;
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что:
Показана возможность формирования аномально мелких <~ 0.1 мкм) высоколегированных с.-оев р-типа проводимости и аномально глубоких (до 1 мкм) слсев n-типа в кремнии путем сзмоотжнгозой импланташяі ионов BF^, Р* и Аз*.
Разработаны режимы ионно-лучевого отжига имплантированных слоев в кремнии, позволяющие снизить термическую нагрузку на обрабатываемую пластину и устранить диффузионное размытие профиля внедренной примеси.
Путем интенсивного ионного легирования сформированы скрытые слои дисилицида кобальта и S10N4 в кремнии непосрздствэшю
- б -
в процессе облучения.
- Составлены программы компьютерного расчета:
-
температуры образца для различных режимов электростатического сканирования интенсивного ионного пучка;
-
интегральных характеристик нарушенного слоя по кривым двухкристальной рентгеновской дифракции.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Существует критическая температура начала рекристаллизации аморфных слоев в кремнии при самоотжиговых режимах имплантации, не зависящая от типа иона и плотности ионного тока. Она составляет ~ 410С.
-
Значительные механические напряжения, возникающие на границе раздела аморфной и кристаллической фаз при высокоинтенсив-ном облучении кремния, ускоряют рекристаллизациошшв процессы. Указанный эффект положен в основу модели ионно-стимулированной кристаллизации аморфных слоев в кремнии.
-
Облучение обратной стороны имплантированной пластины вы-'сокоинтенсивныш ионными пучками приводит^к эффективному устранению импланташюнных дефектов и активации внедренной примеси без диффузионного размытия ее профиля. На основании 'этого предложен способ ионно-лучевого отжига имплантированных слоев в крамний.
-
При внсокоинтенсивном ионно-лучевом синтезе формирование скрытых проводящих и диэлектрических слоев в кремнии происходит непосредственно в процессе облучения.
Личный вклад соискателя.
Соискатель принимал непосредственное участие в получении всех результатов, представленных в диссертации. Результаты проведенных исследований были проанализированы совместно с научными руководителями. Обработка и интерпретация данных, а также выводы сделаны автором лично.
Степень обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов, полученных соискателем.
Обоснованность полученных результатов и выводов подтверада-ется большим объемом проведенных экспериментов (различным исследованиям подверглись порядка 300 икплантировашшх образцов), использованием методик исследования, позволяющих проводить измерения с высокой точностью и воспроизводимостью.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуздалясь на IV Всесоюзной конференции "Флуктуационные явления в физических системах", 1985, Пущино; на XVIII Всесоюзном Совещании по фізика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 1988, Москва; на 2 Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модифякашш полупроводников и других материалов микроэлектроники", 1989, Каунас; на 3 Международной конференшш "Energy Pulse and Particle Beam Modification of Materials (EPM-89).", 19S9, Dresden, DDR; на VII Международной конференции по мжероэлектронике "Микроэлектроника-90", 1990, Минск; на 3 Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация полупроводников и других материалов микроэлектроники", 1991, Новосибирск.
. Публикации. Результаты работы изложены в 10 публикациях, список которых'приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 148 страниц машинописного текста, иллюстрируется 52 рисунками и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 164 наименований. Общий объем работы 200 страниц.
