Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Методы легирования кремния РЗЭ 9
1.1.1. Ионная имплантация 9
1.1.2. Твердофазная эпитаксия 11
1.1.3. Молекулярно лучевая эпитаксия 12
1.1.4. Диффузия 13
1.2. Образование донорных центров в слоях кремния имплантированных ионами редкоземельных элементов
Глава 2. Методики эксперимента 23
2.1. Определение глубины залегания р-n перехода 23
2.2. Определение профиля распределения концентрации носителей заряда методом вольт - фарадных характеристик
2.3. Измерение слоевого сопротивления. Расчет коэффициента активации донорных центров
2.4. Определение профиля распределения концентрации носителей заряда по глубине методом дифференциальной проводимости
2.5. Определение распределения концентрации носителей заряда и 29
подвижности по глубине с помощью измерения эффекта Холла с последовательным стравливанием слоев
2.6. Определение профиля распределения примеси по глубине методом вторичной ионной масс-спектроскопии
Глава 3. Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами рзэ диспрозия, гольмия и иттербия .
3.1. Подготовка образцов 34
3.2. Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами диспрозия
3.3. Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами гольмия
3.4. Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами иттербия
3.5. Обсуждение результатов 47
3 .б.Выводы 50
Глава 4. Влияние имплантации ионов электрически неактивных примесей на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия
4.1. Влияние имплантации ионов кислорода на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия
4.2. Влияние аморфизации на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия и кислорода
4.3. Влияние имплантации ионов электрически неактивных примесей на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия
4.4. Зависимость подвижности носителей заряда от концентрации донорных 71
центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия и иттербия
4.5. Выводы 76
Глава 5. Моделирование образования донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия и кислорода
5.1. Численные методы решения диффузионно-кинетических уравнений 78
5.1.1. Примеры разностных аппроксимаций 78
5.1.2. Численные методы решения дифференциальных уравнений первого порядка
5.1.3. Численные методы решения уравнения диффузии 82
5.2. Модель образования донорных центров в слоях кремния, 86
имплантированных ионами РЗЭ эрбия
5.2.1. Описание модели 86
5.2.2. Влияние параметров модели на решение 88
5.2.3. Результаты расчета 90
5.3. Модель образования донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия и кислорода
5.3.1. Описание модели 97
5.3.2. Результаты расчёта 101
5.4. Выводы 108
Выводы 109
Список работ, опубликованных по теме диссертации 111
Список литературы
- Твердофазная эпитаксия
- Измерение слоевого сопротивления. Расчет коэффициента активации донорных центров
- Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами гольмия
- Влияние аморфизации на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия и кислорода
Введение к работе
Создание оптоэлектронных структур, интегрированных с кремниевыми интегральными микросхемами, является важнейшей задачей микроэлектроники. Один из путей создания светоизлучающих структур на основе кремния заключается в легировании его редкоземельными элементами (РЗЭ). Люминесценция возникает за счет внутрицентровых переходов между спин-орбитально расщепленными в кристаллическом поле 4f- состояниями, принадлежащими РЗЭ. Поскольку 4f-электроны хорошо экранируются внешними 5s- и 5р-электронами, то длина волны излучения слабо зависит от материала кристаллической матрицы и от температуры. Наибольший интерес представляет примесь РЗЭ эрбия [1], так как в спектре люминесценции центра, содержащего ион эрбия, наблюдается узкая температурно-независимая линия на длине волны 1.54 мкм, что соответствует минимуму потерь в кварцевых волокнах. Высокая интенсивность эрбиевой люминесценции наблюдается в структурах Si:Er, полученных методом имплантации. На их основе изготовлены светоизлучающие структуры, работающие при комнатной температуре, однако, для их использования в интегральных микросхемах необходимо повысить интенсивность люминесценции на несколько порядков [2]. В слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ, при последующих отжигах образуются электрически активные центры (ЭАЦ), которые оказывают существенное влияние на интенсивность люминесценции, так как они участвуют в процессах возбуждения - девозбуждения люминесценции иона Ег3+, а также могут являться центрами безизлучательной рекомбинации [3, 4]. В связи с этим, является важным установление закономерностей образования ЭАЦ в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ Ег, а также других РЗЭ.
Цель работы заключалась в установлении закономерностей образования ЭАЦ в слоях кремния, имплантированных ионами различных РЗЭ, и изучении возможностей повышения концентрации этих центров.
Задачи диссертационной работы
1. Исследование электрофизических свойств слоев кремния, имплантированшлх
ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия.
Изучение влияния соимплантации ионов электрически неактивных примесей С, N, О и F на образование донорных центров (ДЦ) в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ.
Разработка модели образования ДЦ в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ и кислорода.
Научная новизна работы
1. Обнаружено, что при отжигах в слоях кремния, имплантированных ионами
РЗЭ диспрозия, гольмия и иттербия, образуются донорные центры. Определены
концентрационные профили ДЦ и зависимости коэффициента активации донорных
центров от температуры отжига. Показано, что профили ДЦ сдвигаются вглубь при
увеличении температуры отжига, а температурная зависимость коэффициента
акгивации донорных центров имеет вид кривой с максимумом при 700С.
2. Исследовано влияние соимплантации ионов кислорода на образование
донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия,
гольмия и иттербия. Установлено, что сойм плантация ионов кислорода приводит к
повышению концентрации донорных центров и сдвигу профиля ДЦ к поверхности.
Определены зависимости коэффициента активации донорных центров от доз имплантации ионов эрбия и кислорода, а также от температуры постимплантационного отжига при дозах имплантации, превышающих порог аморфизации.
Проведено сравнительное изучение влияния имплантации ионов электрически неактивных примесей (С, N, О и F) на образование донорных
центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия. Определены профили ДЦ и зависимости коэффициента активации донорных центров от температуры отжига.
5. Исследована зависимость подвижности носителей заряда от концентрации ДЦ
в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия и иттербия. Показано, что
зависимость имеет вид, аналогичный соответствующей зависимости для основных
донорных примесей в кремнии. Определены параметры зависимости.
6. Предложена модель образования ДЦ в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ и кислорода, учитывающая образование нескольких типов ДЦ и кислородных кластеров. Модель позволяет описать концентрационные профили носителей заряда и зависимости коэффициента активации ДЦ от температуры отжига и дозы имплантации ионов кислорода.
Научные положения, выносимые на защиту
1. В слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия, гольмия и
иттербия при отжигах в диапазоне температур 600-1100С образуются донорные
центры. Зависимость коэффициента активации донорных центров от температуры
отжига имеег вид кривой с максимумом при 700С.
2. Соимплантация ионов кислорода позволяет повысить концентрацию
донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ диспрозия,
гольмия и иттербия. Электрически неактивные примеси С, N, О, и F участвуют в
образовании донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ.
3. Зависимость подвижности электронов от концентрации донорных центров в
слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ эрбия и иттербия, описывается
аналитическим выражением такого же вида, как и для основных легирующих
примесей в кремнии, МАО = /Ап,„+(а-/'„,„,)/
п/
1 + ч
( ( , Ул
при следующих
значениях параметров: fi^m = 65 см /В-с, Дт,ах = 1340 см /В-с, Nref = 1.14-10 см" , а = 0.76.
4. Модель образования донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ и кислорода, учитывающая образование нескольких типов донорных центров и кислородных кластеров, позволяет описать концентрационные профили носителей заряда и зависимости коэффициента активации донорных центров от температуры отжига и дозы соимплантации ионов кислорода.
Практическая значимость работы
Результаты экспериментальных и теоретических исследований образования донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ, могут быть использованы для определения оптимальных режимов легирования при разработке технологии изгоговления оптоэлектронных приборов на основе кремния, легированного РЗЭ.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:
Symposium "Light-Emitting Diodes: Research, Manufacturing and Application 1997, USA;
Всероссийское совещание "Нанофотоника", Март 1999, Нижний Новгород;
Всероссийская молодежная научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой оііто - и наноэлектронике, ноябрь-декабрь 1999, Санкт-Петербург;
Международная конференции "Оптика полупроводников", май 2000, Ульяновск;
3-я научная молодежная школа "Физико-химические аспекты современного электронного материаловедения", ноябрь 2000, Санкт-Петербург;
Международный симпозиум "Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках", октябрь 2001, Санкт-Петербург.
Твердофазная эпитаксия
Для улучшения качества кристаллических слоев кремния, легированного РЗЭ с большими дозами, и для повышения концентрации примеси РЗЭ в кремнии используют ТФЭ кристаллизацию. В ранних работах ионы эрбия имплантировались с большими дозами при комнатной температуре [14]. Для рекристаллизации аморфного слоя использовался отжиг при температуре 900С в течение 30 мин. Во время отжига примесь эрбия перераспределяется, достигая концентрации 8.5-10 9 см" с образованием преципитатов и нарушением кристаллической структуры. В дальнейших работах для оптимизации процесса рекристаллизации варьировались условия отжига. Так, в работе [16 ионы эрбия имплантировались с энергией 250 кэВ в монокристаллический или предварительно аморфизовапиый кремний при температуре 77 К. Постимплантационный отжиг проводился при температурах 600-650С в течение 3 час. Наблюдалось перераспределение примеси эрбия на межфазной границе в процессе рекристаллизации аморфного слоя. Максимум концентрации составил 2-10 см в очень тонком слое ( 20нм). Последующий быстрый термический отжиг при температуре 900С в течение 15 с проводился для формирования оптически и электрически активных центров, однако данных об оптической или электрической активации примеси эрбия приведено не было.
В работе [17J имплантация при температуре 77 К ионов эрбия с энергиями 0.5-5 МэВ и дозами 8-10 -9-Ю см"2 приводила к образованию аморфного слоя толщиной 2 мкм с постоянной концентрацией примеси эрбия 1019 см"3. Отжиг при температуре 620С в течение 3 часов приводил к образованию рекристаллизованного слоя толщиной -800 нм, дальше наблюдалась высокая дефектность материала с большим количеством двойников. Дополнительная имплантация кислорода стабилизирует процесс кристаллизации, аморфный слой рекристаллизуется полностью с хорошим качеством. Последующий отжиг при температуре 900С в течение 30 с приводит к образованию донорных центров с концентрацией 8-Ю18 см"3. Интенсивность фотолюминесценции при 3 К в образцах, полученных с помощью метода ТФЭ, была примерно в 4 раза выше, чем в ионно-легированных образцах при близких значениях концентраций примесей эрбия и кислорода и образующихся донорных центров.
Совместная имплантация ионов Ег и О в широком диапазоне доз проводилась в работе [6А] (см. главу 4). Максимальная концентрация введенного эрбия составляла 7-Ю19 см"3. Отжиг при температуре 620С в течение 1 часа проводился для перекристаллизации аморфного слоя. Последующий отжиг при температуре 900С в течение 30 минут приводил к образованию донорных центров. С повышением доз имплантации Пг и О наблюдался линейный рост концентрации донорных центров до концентрации 1.4-1019 см 3 с последующим насыщением, которое, по-видимому, связано с преципитацией кислорода.
Имплантация ионов гольмия с дозами, превышающими порог аморфизации проводилась в работах [18, 19]. Ионы гольмия имплантировались с энергиями 1-2 МэВ и дозами Ы04-3-1014 см"2. Проводилась дополнительная имплантация ионов кислорода с дозой, превышающей дозу имплантации ионов гольмия на порядок. В полученных структурах наблюдалась ФЛ при температурах 4-80 К [18J и электролюминесценция (ЭЛ) при комнатной температуре [19].
Молекулярно лучевая эпитаксия Впервые ЭЛ эрбия в кремнии при 77 К наблюдалась в образцах, полученных методом МЛЭ [20]. В процессе выращивания эпитаксиального слоя кремния п-типа проводимости проводилась имплантация ионов эрбия с энергией 20 кэВ. Концентрация эрбия составляла 5.6-1018 см"3.
В работе [21] эпитаксиальные слои получались при одновременном испарении кремния и металлического эрбия при температурах роста 500С или 700С. Просвечивающая электронная микроскопия показывает, что даже при таких низких температурах образуются преципитаты при концентрации Ег 2-Ю см" . Проведение имплантации кислорода после выращивания эпитаксиального слоя с последующим постимплаптационным отжигом при температуре 800С позволяет повысить интенсивность ФЛ при температурах выше 77 К.
Другой разновидностью метода является одновременное введение Ег и О в процессе эпитаксии [22-26]. В отсутствие кислорода в (100) Si в результате сегрегации Ег у поверхности возможно образование преципитатов с плотностью выше 2-10 см"". Введение кислорода в процессе выращивания эпитаксиального слоя препятствует сегрегации эрбия в результате снижения его подвижности или формирования комплексов Er-О. Присутствие кислорода позволяет повысить концентрацию введенного Ег в четыре раза. Использование метода обратного резерфордовского рассеяния показало, что максимальная концентрация Ег до начала преципитации составляет 2-10 см" .
Измерение слоевого сопротивления. Расчет коэффициента активации донорных центров
Зависимость интенсивности фотолюминесценции от концентрации имплантированной примеси эрбия [13]. значения 4-10 см"" при концентрации имплантированного эрбия 4-7-10 см" . Прекращение роста и последующий спад концентрации донорных центров связывались с началом преципитации эрбия. В Si:Er после отжига при температуре 900С преципитация эрбия наблюдалась методом просвечивающей электронной микроскопии, начиная с концентраций (1.3+0.4)-10 см" [14J. Преципитаты (предположительно ЕгБіг) имели форму пластин диаметром 100-300 А и толщиной 10 А. Интенсивность ФЛ по данным работы [13] также достигает своего максимума при концентрации имплантированной примеси эрбия 4-10 см" (см. рис.1.5.). При высоких концентрациях имплантированной примеси РЗЭ происходит образование аморфного слоя. Образование донорных центров в образцах, полученных методом ТФЭ, наблюдалось в [17]. Электрическая активация была очень низкой и не превышала 0.5%.
Влияние параметров отжига на электрические свойства слоев кремния, имплантированных ионами Ег, исследовалось в работе [12]. Имплантация ионов эрбия с энергией 1 МэВ и дозой 1013 см"2 проводилась в p-Cz-Si. Образцы отжигались при температурах 400-1250С в течение времени от 15 мин до 17 часов в атмосферах кислорода, аргона и ХСА (0.5 мол% СС14). Образование донорных центров наблюдалось после отжига при температурах менее 1250С. После отжига при температуре 1250С слой n-типа проводимости не образовывался. Максимальная концентрация донорных центров 1.3-10 см" наблюдалась после отжига при температуре 700С, электрическая активация составляла при этом 20% от полной концентрации введенного эрбия. Положение максимума распределения донорных центров смещено вглубь образца по сравнению с распределением примеси.
Повышение температуры отжига приводит к уменьшению концентрации донорных центров в максимуме и сопровождается сдвигом его положения вглубь образца (см. рис.1.6.). При этом распределение примеси эрбия по глубине остается таким же, как после имплантации. Коэффициент электрической активации к, определяемый как отношение количества донорных центров в n-слое к полному количеству имплантированной примеси эрбия, не зависел от атмосферы отжига. Толщина п-слоя при одинаковых температурах и временах отжига уменьшалась в последовательности кислород - ХСА - аргон. Увеличение концентрации хлорсодержащего компонента в газовой смеси сопровождается уменьшением толщины слоя. Наблюдавшиеся закономерности в изменении концешрационных профилей донорных центров, коэффициента электрической активации и толщине n-слоя объяснялись участием в образовании донорных центров подвижных неравновесных собственных точечных дефектов, образующихся в процессе отжига имплантационных нарушений. Предположение об участии собственных точечных дефектов в образовании донорных центров хорошо коррелирует с данными работы [37], где при исследовании влияния параметров отжига светоизлучающих структур на интенсивность фотолюминесценции была показана возможность участия собственных точечных дефектов в образовании оптически активных центров. Максимум интенсивности PL наблюдался после отжига при температуре 900С в ХСА при содержании СС14 0.5 % Мол.
Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами РЗЭ Dy, Но и Yb впервые наблюдалось нами в гл. 3 (см. пп. 3.1-3.5). В слоях Si , имплантированных ионами тербия (ТЬ), также были обнаружены донорные центры [38]. После имплантации ионов ТЬ с энергией 5 МэВ и дозой 6-Ю11 см"" и последующего отжига при температуре 900С концентрация донорных центров в максимуме составляла 1.3-1015 см"3.
В работе [39] было установлено, что интенсивность эрбиевой ФЛ зависит от типа исходного кремния и увеличивается в ряду CVD-Si — Fz-Si -» Cz-Si, что связано с уровнем концентрации кислорода в подложке. Дополнительная имплантация кислорода в CVD-Si также приводила к повышению интенсивности ФЛ. Максимальная интенсивность эрбиевой ФЛ в Fz-Si и Cz-Si наблюдалась после отжига при различных температурах (см. рис. 1.7. [13]). Соимплаитация ионов Ег и О в Fz-Si позволяет повысить интенсивность люминесценции на два порядка величины по сравнению с имплантацией только ионов Ег. Температурная зависимость
Образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами гольмия
В качестве подложек использовались полированные пластины кремния, выращенного методом бестигелыюй зонной плавки n-типа проводимости (n-Fz) с удельным сопротивлением 80-140 Ом-см и методом Чохральского р-типа проводимости (p-Cz) с удельным сопротивлением 20 Ом-см. Концентрация кислорода в исходном материале составила 2-1016 см-3 в n-Fz и 1.1-10і в p-Cz см-3. Ионы РЗЭ с энергией 1 МэВ и дозой Q= 1-10 см" имплантировались на установке High Voltage Engineering Europe 2KB. В часть пластин дополнительно имплантировались ионы кислорода с дозой 1-Ю14 см"2. Энергия имплантации ионов кислорода выбиралась таким образом, чтобы максимумы распределений примеси РЗЭ и кислорода были близки, и составляла, МэВ: 0.135, 0.140, 0.145 при имплантации ионов иттербия, гольмия и диспрозия соответственно. Имплантация проводилась иод углом 7 относительно поверхности пластин для предотвращения каналирования ионов, при этом температура подложки в процессе имплантации не превышала 50С. Имплантация не сопровождалась аморфизацией материала. Изохронные (в течение времени 30 мин.) отжиги проводились в диапазоне температур 600-1100С в хлорсодержащей атмосфере.
Тин проводимости поверхностного слоя определялся с помощью термозонда. Слоевое сопротивление Rs измерялось четырехзондовым методом (см. п.2.3). Распределение РЗЭ но глубине измерялось методом масс-спектроскопии вторичных ионов (см. п.2.6). Концентрационные профили носителей заряда определялись методом вольт-фарадных характеристик с помощью ртутного зонда (см. п.2.2). Коэффициент активации доиорных центров рассчитывался с учетом концентрационной зависимости подвижности (см. п.2.3). Глубина залегания р-п переходах/ определялась методом косых шлифов (см. п.2.1).
Результаты ВИМС-измерения концентрационного распределения примеси диспрозия после имплантации приведены на рис.3.1.а, б (пунктирная линия). І Іоследующие изохронные отжиги не приводят к изменению распределения примеси диспрозия. Отсутствие каких либо изменений в ВИМС-профилях ранее наблюдалось в кремнии, имплантированном эрбием и отожженном в этом же диапазоне температур, и объяснялось низкими значениями коэффициента диффузии РЗЭ [29, 12].
Постимплантационный отжиг при температурах 600-1100С приводит к образованию донорных центров. При этом в p-Cz-Si наблюдается р-n конверсия типа проводимости имплантированного слоя. Концентрационные профили электронов в имплантированном слое п(х) имеют вид кривых с максимумом (рис.3.1 а, б кривіле 1-6). Характер изменения распределения п(х) в зависимости от температуры отжига для n-Fz-Si и p-Cz-Si показан на рис.3.1(a) и рис.3.1(6) соответственно. В каждом из образцов максимальная концентрация электронов наблюдалась после 700С отжига. Увеличение температуры отжига сопровождается уменьшением концентрации электронов в максимуме пт (рис.3.2) и смещением положения максимума хт (рис.3.3) в глубь образца. При этом в p-Cz-Si значения пт выше, в чем n-Fz-Si. В образцах, совместно имплантированных ионами диспрозия и кислорода, значения пт выше, а хт находится ближе к поверхности, чем соответствующие значения в образцах, имплантированных только ионами диспрозия. Зависимость коэффициента активации донорных центров от температуры изохронного отжига приведена на рис.3.4. В образцах, имплантированных ионами диспрозия, максимальные значения коэффициента наблюдаются при 700С и составляет -23% от полной концентрации введенного диспрозия. В образцах, имплантированных ионами диспрозия и кислорода, максимальные значения коэффициента выше, и составляют 33% при 700-800С. Зависимость положения глубины р-n перехода Ху от температуры изохронного отжига приведена на рис.3.5. В образцах, имплантированных ионами диспрозия, наибольшее значение Xj наблюдается при 800С и составляет 1.3 мкм. Дальнейшее повышение температуры отжига приводит к уменьшению х7.
Результаты ВИМС-измерения концентрационного распределения примеси гольмия после имплантации приведены на рис.3.6 а,б (пунктирная линия). Последующие изохронные отжиги не приводят к изменению распределения примеси гольмия. Отсутствие каких либо изменений в ВИМС-профилях ранее наблюдалось в кремнии, имплантированном эрбием и отожженном в этом же диапазоне температур, и объяснялось низкими значениями коэффициента диффузии РЗЭ [29, 12].
Постимплантационный отжиг при температурах 600-1100С приводит к образованию донорных центров. При этом в p-Cz-Si наблюдается р-n конверсия типа проводимости имплантированного слоя. Концентрационные профили электронов в имплантированном слое п(х) имеют вид кривых с максимумом. Характер изменения распределения п(х) в зависимости от температуры отжига для n-Fz-Si и p-Cz-Si образцов показан на рис.3.6 а и рис.3.6 б соответственно. В каждом из образцов максимальная концентрация электронов наблюдалась после 700С отжига. Увеличение температуры отжига сопровождается уменьшением концентрации электронов в максимуме пт (рис.3.7) и смещением положения максимума хт (рис.3.8) в глубь образца. При этом в p-Cz-Si значения пт выше, в чем n-Fz-Si. В образцах, совместно имплантированных ионами гольмия и кислорода, значения пт выше, а хт находится ближе к поверхности, чем соответствующие значения в образцах, имплантированных только ионами гольмия. Зависимость коэффициента активации донорных центров от температуры изохронного отжига приведена на рис.3.9. Максимальные значения коэффициента наблюдаются при 700С и составляют 26% в p-Cz-Si:Ho и 43% в p-Cz-Si:Ho-0 от полной концентрации введенного гольмия. Зависимость положения глубины р-n перехода Xj от температуры изохронного отжига приведена на рис. 3.10. Значения Xj в p-Cz-Si:Ilo-0 выше, чем соответствующие значения в p-Cz-Si:Ho. Максимальные значения наблюдаются при 700-800С и составляют 1.14 мкм в p-Cz-Si:Ho и 1.28 мкм в p-Cz-Si:Ho-0.
Влияние аморфизации на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных ионами эрбия и кислорода
В качестве подложки использовались пластины кремния ориентации (111), выращенного методом бестигельной зонной плавки р-типа проводимости (p-Fz) с удельным сопротивлением 40 Ом-см. Ионы Ег+ с энергией 1МэВ и дозой =1 1013 см"2 имплантировались на установке High Voltage Engineering Europe 2KB. Имплантация проводилась под углом 7 относительно поверхности пластин для предотвращения каналирования ионов, при этом температура подложки в процессе имплантации не превышала 50С. Имплантация не сопровождалась аморфизацией материала. Соимплантация ионов электрически неактивных примесей О, С, N, F проводилась с дозой =1-1014 см"2 и энергиями в диапазоне 135-180 кэВ. Энергии выбирались таким образом, чтобы положения максимумов распределений примеси эрбия и электрически неактивных примесей примерно совпадали. Изохронные отжиги в течение времени 30 мин проводились в диапазоне температур 700-900С в хлорсодержащей атмосфере. Тип проводимости поверхностного слоя определялся с помощью термозонда. Концентрационные профили носителей заряда определялись методом ВФХ с помощью ртутного зонда (см. н.2.2). Слоевое сопротивление Rs измерялось четырехзондовым методом. Коэффициент активации донорных центров к рассчитывался с учетом концентрационной зависимости подвижности (см. п.2.3).
Отжиг кремния, имплантированного ионами Ег совместно с ионами электрически неактивных примесей N, F, С и О, приводит к образованию слоя п-тииа проводимости, т.е. к образованию донорных центров. После отжига при 7Т=700С соимплантация всех исследованных примесей приводит к повышению концентрации образующихся донорных центров (рис. 4.9), концентрация которых растет в последовательности Ег—»F- N-»C-»0, где "Ег" означает имплантацию только ионов эрбия, а последующие значки - примесь, имплантированную совместно с примесью эрбия. Максимальное значение коэффициента активации донорных центров ( =0.33) наблюдается в Si:(Er,0) (рис. 4.9 кривая 3). С повышением температуры отжига до 800С в Si:(Er,0), Si:(Er,N) и Si:(Er,C) к остается практически неизменным (кривые 3-5). В образцах Si:Er и, особенно, Si:(Er,F) наблюдается понижение концентрации вводимых донорных центров (кривые 1, 2). Повышение температуры отжига до 900С приводит к уменьшению значений коэффициента активации донорных центров в образцах со всеми имплантированными примесями. В образцах Si:(Er,F) образование донорных центров вообще не наблюдается (к О).
Профили распределений донорных центров по глубине имеют вид кривых с максимумом (рис. 4.10 а-в). Соимплантация всех дополнительных примесей приводит к увеличению максимальной концентрации донорных центров пт (рис. 4.11). Повышение температуры отжига приводит к уменьшению значений пт во всех исследованных образцах. Наиболее быстрое уменьшение значений п,„ отмечено в Si:(Er,F) (рис. 4.11 кривая 2) и Si:Er (рис. 4.11 кривая 1), что хорошо коррелирует с поведением к(Т) в этих образцах (см. рис. 4.9). На рис. 4.12 представлены зависимости положений максимумов профилей донорных центров х,„ от температуры отжига. При повышении температуры отжига от 700 до 800С быстрый рост хт наблюдается только в Si:(Er,F) (кривая 2). Повышение температуры отжига до 900С практически не влияет на положения максимумов профилей распределения донорных центров в Si:Er-0 и Si:Er-C (кривые 3, 5), тогда как в случае Si:Er и Si:Er-N (кривые 1, 4) приводит к заметному увеличению хт.
Таким образом, в результате исследований выявлены следующие общие закономерности, наблюдаемые для всех соимилантированных электрически неактивных примесей. Во-первых, при соимплантации электрически неактивных примесей наблюдается увеличение к, пт и уменьшение хт по сравнению с имплантацией одного Ег, и, во-вторых, при увеличении температуры отжига наблюдается уменьшение к, пт и увеличение хт, причем скорость этих изменений различна для разных примесей.
Ранее в работе [69] был сделан вывод, что в образовании донорных центров в имплантированных слоях кремния кроме атомов Ег принимают участие собственные точечные дефекты, возникающие во время отжига имплантационно введенных дефектов. Уменьшение к и пт и сдвиг хт вглубь образца с повышением температуры отжига объяснялись тем, что при повышении температуры отжига свыше 700С все большая часть избыточных собственных точечных дефектов уходит на поверхность. В количественной модели, развитой в работе [80], предполагалось, что донорпыми центрами являются комплексы атомов эрбия с собственными междоузленными атомами. По-видимому, и при совместной имплантации fir с электрически неакгивными примесями С, О, N и F собственные точечные дефекгы, образующиеся при отжиге, участвуют в образовании донорных центров. Появлением дополнительных имплантационно введенных дефектов при соимплантации и, соответственно, дополнительных собственных точечных дефектов при последующих отжигах можно объяснить повышение к и пт (см. рис. 4.9 и 4.11). В пользу такого объяснения свидетельствует также и сдвиг максимумов распределений донорных центров к поверхности (см. рис. 4.10). То есть собственные точечные дефекты, образующиеся при распаде имплантационно введенных дефектов, по-видимому, участвуют в образовании донорных центров и при соимплантации электрически неакгивных примесей.
В то же время обнаружены различия в поведении донорных центров в зависимости от вида соимплантированной примеси, причем эти различия связаны с особенностями поведения этих примесей в кремнии. Быстрое уменьшение к и пт с увеличением температуры отжига при соимплантации ионов F можно объяснить его склонностью к выходу из решетки кремния путем обратной диффузии вследствие малой растворимости. Так по данным работ [81-83] после отжига при Т=800С в кремнии остается 80% введенного фтора, а при повышении температуры отжига до 1000С фтор в имплантированном слое уже не обнаруживается. Примесь N при 7 800С уходит из имплантированного слоя вглубь образца [84], чем можно объяснить значительное увеличение х,„ при Г=900С (см. рис. 4.12 кривая 4). Примеси С и О при отжиге в исследуемом интервале температур перераспределяются внутри имплантированного слоя, не уходя из него [85]. Это объясняет слабое влияние температуры отжига на положение максимума донорных центров. Примесь О склонна к образованию комплексов как с атомами Si (термодоноры типа SiOx), так и с атомами Ег (Ег-О) [86]. Па образование двух типов донорных центров:
