Введение к работе
Актуальность работы:
Наночастицы в виде преципитатов или включений инородных фаз в твердых телах, обладающие дискретным спектром электронных состояний, зависящим от их размеров, часто называемые квантовыми точками, вызывают повышенный интерес исследователей в связи с возможностью их применения в электронных приборах нового поколения [1]. Создание упорядоченных ансамблей наночастиц путем самоорганизации является одной из важнейших задач развивающихся нанотехнологии. Известны примеры самоорганизации наночастиц при эпитаксиальном росте напряженных полупроводниковых слоев [2, 3] и в растворах химически реагирующих веществ [4]. В условиях ионной имплантации, широко используемой для создания захороненных в твердотельной матрице нанопреципитатов, также проявляются эффекты самоорганизации в виде расслоений ансамбля преципитатов, однако механизмы, лежащие в основе этих эффектов, изучены недостаточно, чтобы их использовать в технологии [5].
Развитие ансамбля преципитатов в твердом растворе проходит стадии зародышеобразования, роста всех зародышей преципитатов из раствора и, наконец, переходит в стадию Оствальдовского созревания, когда концентрация примеси в растворе падает, приближаясь к равновесной, и рост одних преципитатов происходит за счет растворения соседних, более мелких преципитатов [6]. Именно взаимодействием между преципитатами на стадии Оствальдовского созревания объясняется в литературе самоорганизация или упорядочение ансамбля преципитатов в твердых телах [5]. Принципиальная возможность применения модели Оствальдовского созревания для описания самоорганизации слоистого ансамбля преципитатов в условиях ионной имплантации была показана в [5]. Однако период расслоения, получаемый в расчетах, не соответствовал экспериментальным данными. Это определяет актуальность исследования стадии Оствальдовского созревания неоднородных ансамблей преципитатов в твердых телах и процессов их самоорганизации. В диссертации исследован эффект самоорганизации слоистого по глубине ансамбля нанопреципитатов бора (3^-8 нм), возникающий в сильнолегированном бором кремнии при высокодозной имплантации бора и последующей термообработке.
Объектом исследования в данной работе является ансамбль преципитатов бора в кремнии, созданный высокодозной имплантацией ионов бора и последующими высокотемпературными отжигами. Выбор объекта основан на том, что бор является одной из основных и самых изученных легирующих примесей в кремнии, а ионная имплантация и отжиги — стандартные операции в кремниевой технологии. Кроме того, важнейшие параметры, необходимые для описания преципитации бора в кремнии, такие как равновесная растворимость бора в узлах решетки кремния (Csoi) и коэффициент диффузии бора, известны в литературе. Другие ключевые данные, касающиеся условий преципитации бора при имплантации, не были известны в литературе и являлись предметом структурных исследований методом просвечивающей
электронной микроскопии. Получение этих данных позволило построить количественную модель процесса.
Предметом исследования является пространственное упорядочение ансамбля преципитатов бора по глубине образца в виде слоев преципитатов, разделенных прослойками с низкой концентрацией преципитатов. Ранее методом масс-спектроскопии вторичных ионов (МСВИ) было показано, что в сильно легированном бором кремнии после имплантации бора и последующего высокотемпературного отжига наблюдаются квазипериодические флуктуации полной концентрации бора [7]. Авторы предположили, что флуктуации связаны с образованием преципитатов бора, однако экспериментально это не было подтверждено. О подобных концентрационных флуктуапиях в сильнолегированном кремнии в условиях горячего облучения протонами сообщалось в еще более ранней работе [8], в которой флуктуации были объяснены восходящей диффузией бора [9]. При этом считалось, что атомы бора в области флуктуации остаются электрически активными. Поэтому первой задачей исследования было проверить, связаны ли наблюдаемые в условиях имплантации концентрационные флуктуации бора с электрически активным бором или они возникают за счет формирования преципитатов.
Сложность явлений, происходящих при имплантации, обусловлена генерацией большого количества точечных дефектов и их взаимодействием, как с примесями, так и между собой. Несмотря на то, что бор является хорошо изученной примесью в кремнии, детали его кластеризации с междоузельными атомами кремния (7), приводящей к формированию мелких борсодержащих междоузельных кластеров (в научной англоязычной литературе BIC-clusters) и преципитатов, остаются неясны из-за многообразия реакций кластеризации [10,11]. Понимание этого вопроса актуально не только в рамках решаемой задачи о расслоении ансамбля преципитатов. Нежелательное формирование 5/С-кластеров в сверхмелких p-n-переходах при имплантации низкоэнергетичных ионов бора и последующих термообработках приводит фактически к полной деактивации имплантируемого бора. Одновременно с деактивацией наблюдается ускорение диффузии бора за счет испускания 5/С-кластерами неравновесных /, формирующих высокоподвижные пары с узловым бором В J [12]. Это определяет актуальность изучения процессов преципитации бора для дальнейшего совершенствования кремниевой технологии.
Целью диссертационной работы является развитие существующих представлений о самоорганизации имплантированного бора в кремнии, приводящей к формированию слоистого по глубине ансамбля преципитатов и построение модели расслоения.
Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы и решены следующие основные научные задачи:
Экспериментально доказать, что в сильно легированном бором кремнии после высокодозной имплантации бора и отжига образуется слоистый по глубине ансамбль преципитатов бора.
Исследовать процессы кластеризации бора и точечных дефектов в виде
протяженных дефектов (дислокационных петель) и преципитатов бора в зависимости от исходного уровня легирования бором и концентрации дефектов, введенных при имплантации; определить условия преципитации бора в кремнии.
Проверить способность классической модели Оствальдовского созревания описать процесс расслоения ансамбля преципитатов бора в кремнии.
Разработать количественную модель расслоения ансамбля преципитатов бора в кремнии на основе модели Оствальдовского созревания с учетом физических явлений, происходящих в имплантированном слое.
Методы исследования: Анализ структурных дефектов и преципитатов бора, введенных в кремний с различным содержанием узлового бора Сво -0, (0.8-К2.5)х1020см"3 при имплантации ионов бора с дозой 1х1015-К2х1016 см"2 и отжиге при Т=90(Н1070С, проведен с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), включая высокоразрешающую электронную микроскопию (ВРЭМ). Распределения атомов бора в электрически активных узловых положениях получены методом Холла в сочетании с послойным стравливанием. Результаты сопоставлялись с распределениями полной концентрации бора, полученными методом МСВИ в [7]. Программа CrystalTRIM в составе пакета ISE TCAD использована для расчета общего количества точечных дефектов, генерированных и запасенных при имплантации. Численное моделирование эволюции ансамбля преципитатов и концентрации в растворе на основе модели Оствальдовского созревания выполнялось разностными методами на пространственно-временной сетке с использованием расчетного компьютерного кластера Хеопіб .
Научная новизна:
Показано, что узловой бор с пороговой концентрацией Сво=2.5х1020см"3, значительно превышающей равновесную растворимость бора при используемых температурах отжига, приводит к формированию неоднородного, слоистого по глубине, ансамбля очень мелких преципитатов бора с размером 3-8 нм в имплантированных бором и отожженных слоях кремния.
Установлен критерий, разделяющий процессы формирования протяженных дефектов (дислокационных петель) и преципитатов бора как два конкурирующих канала деактивации бора в условиях ионной имплантации и отжига, который определяется соотношением концентрации неравновесного узлового бора Сво и локальной концентрации междоузельных атомов кремния Сі, введенных имплантацией. При Сі»Сво, формируются дислокационные петли Франка междоузельного типа, а при Сі<Сво -преципитаты бора.
При рассмотрении процесса преципитации бора в условиях ионной имплантации на основе численного моделирования процесса Оствальдовского созревания учтено влияние неравновесных точечных дефектов на начальное распределение бора в растворе, на формирование преципитатов и на диффузию бора.
Практическая ценность диссертации:
Определены условия формирования протяженных дефектов и преципитатов бора в одной из распространенных систем в кремниевой технологии (имплантация ионов бора в кремний и отжиг), которые отвечают за процесс деактивации примеси и могут быть использованы для оптимизации процессов создания полупроводниковых приборов.
Создана численная модель, которая позволяет прогнозировать эволюцию ансамбля преципитатов бора. Найденные закономерности преципитации бора в условиях ионной имплантации закладывают основы для управления расслоением ансамбля преципитатов.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных научных конференциях:
International Autumn School on "Microscopy of Tomorrow's Industrial Materials" (Berlin, Germany, 2005); Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» - «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - 2006» (Москва, 2006); VIII Российская конференция по физике полупроводников "ПОЛУПРОВОДНИКИ 2007" (Екатеринбург, 2007); V Международная конференции и IV школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "КРЕМНИИ-2008" (Черноголовка,
2008); 25 International Conference on Defects in Semiconductors «ICDS-25» (St.Petersburg, Russia, 2009); IX Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2009" (Новосибирск-Томск, 2009); XXIII Российская конференция по электронной микроскопии "РКЭМ-2010" (Черноголовка, 2010).
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 4 рецензируемых статьях и изложены в 7 тезисах ведущих отечественных и международных конференций.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы из 147 наименований. Общий объем диссертации 195 страниц, включая 29 рисунков и три таблицы.
