Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор по проблемам ионно- лучевого синтеза диэлектрических слоев нитрида кремния и эффекта дальнодействия при ионной имплантации 13
1.1. Перспективы применения и способы создания КНИ-структур 14
1.2. Способы получения скрытых изолирующих слоев, пригодных для создания КНИ-структур 15
1.3. Формирование слоев нитрида и оксида кремния с помощью ионнолучевого синтеза 16
1.4. Разновидности синтеза изолирующих слоев с применением ионной имплантации 22
1.5. Исследования ИК-спектров слоев нитрида кремния 25
1.6. Исследования методами просвечивающей электронной микроскопии и электронографии слоев Si3N4 34
1.7. Электрические свойства ионно-синтезированых слоев нитрида кремния 40
1.8. Парамагнитные дефекты в нитриде кремния 42
1.9 Эффект дальнодействия при ионной имплантации 44
1.9.1. Закономерности проявления эффекта дальнодействия при ионной имплантации 44
1.9.2. Основные факторы, оказывающие влияние на проявление эффекта дальнодействия при ионной имплантации 45
1.9.3 Дальнодействующее влияние бомбардировки ионами аргона на химическое состояние азота, имплантированного в пластины монокристаллического кремния 47
1.9.4 Механизмы эффекта дальнодействия при ионной имплантации 48
Глава 2. Влияние термообработки на свойства ионно- синтезированной структуры SixNy-Si 53
2.1. Технология ионно-лучевого синтеза азотированных слоев кремния, методики электрических и оптических измерений 54
2.2. Электронно-микроскопические и электронографические исследования влияния температурного режима имплантации и постимплантационных отжигов на свойства ионно-синтезированной структуры SixNy-Si 55
2.3. Влияние температуры стационарных постимплантационных отжигов на ИК-спектры пропускания и долю фазы SixNy 61
2.4. Влияние температуры отжига на толщину и показатель преломления ионно-синтезированных слоев SixNy 63
2.5. Влияние температуры отжига на электрические свойства ионно- синтезированных слоев SixNy 64
2.6. Влияние температуры отжига на парамагнитные дефекты в нитриде кремния 69
Глава 3. Радиационно-стимулированное формирование нитрида кремния в кремнии при последовательном облучении встречными пучками ионов азота и аргона 73
3.1. Особенности подготовки образцов и методики измерения при изучении влияния облучения встречными пучками ионов азота и аргона 73
3.2. Влияние дозы облучения ионами аргона на свойства ионно- синтезированных слоев нитрида кремния 75
3.2.1. ИК-спектры пропускания 75
3.2.2. Электрические свойства 77
3.3. Влияние температуры кремния при облучении ионами аргона на 80
свойства ионно-синтезированной структуры SixNy-Si
3.3.1. Изменение толщины и показателя преломления слоя SixNy от температуры облучения ионами аргона 80
3.3.2. Электрические свойства МДП-структур Me-SixN^Si-Me 81
3.4. Влияние отжига на состояние поверхности, электрические и оптические свойства структур SixNj^Si после ионно-лучевой обработки аргоном 82
3.4.1. Результаты после облучения аргоном при ТАГ=20С 82
3.4.2. Результаты после облучения аргоном при Тдг = 500С 86
Глава 4. Изменение состояния поверхности кремния после облучения ионами аргона, обсуждение механизма дальнодействия при имплантации ионов инертных газов и кремния 89
4.1. Изменение состояния поверхности кремния с ростом дозы имплантации ионов аргона 89
4.2. Изменение состояния поверхности при различных температурах имплантации ионов аргона 93
4.3. Сопоставление свойств ионно-синтезированной гетеросистемы SixNy-Si, 96
после облучения противоположной стороны пластины кремния ионами Ne+, Si+ и Аг+
4.4. Селективное облучение ионами аргона пластины кремния, облученной с обратной стороны ионами азота 99
4.5. Основные закономерности, вьивленные в процессе исследований поверхности кремния, облученной ионами аргона 101
4.6. Механизм дальнодействия при имплантации ионов аргона в кремний 104
Общее заключение 113
Литература 115
- Способы получения скрытых изолирующих слоев, пригодных для создания КНИ-структур
- Электронно-микроскопические и электронографические исследования влияния температурного режима имплантации и постимплантационных отжигов на свойства ионно-синтезированной структуры SixNy-Si
- Влияние дозы облучения ионами аргона на свойства ионно- синтезированных слоев нитрида кремния
- Изменение состояния поверхности при различных температурах имплантации ионов аргона
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования методов синтеза диэлектрических слоев в кремнии, полученных с помощью ионной имплантации, с целью получения качественных приповерхностных и, в особенности, захороненных изолирующих слоев. Поиск новых и усовершенствование уже известных способов формирования КНИ-структур активно ведется как в нашей стране, так и за ее пределами [1]. Данная работа вносит вклад в понимание процессов, происходящих в полупроводнике с диэлектрическим слоем при термических отжигах, а также в прояснение природы эффекта дальнодействия (ЭД) при ионном внедрении — одной из наиболее дискутируемых проблем ионной имплантации. Предложенные результаты исследований демонстрируют возможность использования ЭД при ионной имплантации для модификации свойств материалов в целях улучшения диэлектрических характеристик слоев S13N4.
Нитрид кремния (SJ3N4) по сравнению с естественным окислом (Si02) обладает рядом преимуществ. Коэффициенты термического расширения этого диэлектрика и кремния почти совпадают, что важно для технологии микроструктур с температурными циклами до 1000-1100С. Малый коэффициент диффузии азота в кремнии предотвращает диффузионное расплывание диэлектрического слоя при отжигах. Граница Si3N4-Si является эффективным барьером для широкого набора актуальных для микроэлектроники примесей. Хотя ширина запрещённой зоны S13N4 в два раза меньше, чем у оксида кремния [2], около 4.5 эВ (почти как у алмаза), она достаточна чтобы собственная электронная проводимость при комнатной температуре была пренебрежимо малой. Диэлектрические слои, полученные ионной имплантацией, интересны возможностью синтеза полупроводниковых структур в едином технологическом цикле с имплантацией легирующих примесей. Особенно привлекательной является возможность формирования актуальных для современной микроэлектроники структур кремний на изоляторе или КНИ-структур [1]. При облучении кремния ионами азота с энергией около 200 кэВ и дозой ~10 см"2 (достаточной для формирования стехиометрического S13N4) можно получить «захороненный» диэлектрический слой, отделяющий тонкий —200 нм слой кремния для создания в нём микроэлектронных схем [1]. Проблема состоит в том, что в процессе отжига таких слоев при температурах порядка 1000С происходит их растрескивание из-за кристаллизации [1, 3]. Превращение аморфного нитрида кремния в кристаллический в ионно-синтезированных слоях происходит при пониженных на 200-300С температурах по сравнению с другими вариантами формирования Si3N4. В результате «портится» структура поверхностного слоя кремния, резко ухудшаются изолирующие свойства слоя Si3N4. Для дальнейшего совершенствования режимов термообработки азотированных слоев кремния, достижения прогресса в понимании микроскопических процессов представляет интерес привлечение, кроме ранее применявшихся структурных, электрических и оптических измерений, другой экспериментальной техники, в частности, электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), позволяющего получать информацию непосредственно о свойствах дефектной системы.
Ранее нами было обнаружено [4] существенное изменение свойств азотированного слоя при облучении при 500 С обратной стороны пластин кремния толщиной 600 мкм ионами аргона с энергией 40 кэВ и дозах 10 -10 см' . Была предложена модель этого ЭД, согласно которой на азотированный слой воздействуют акустические гиперзвуковые импульсы давления, излучаемые в результате скачкообразной эволюции дислокационной сетки под облученным аргоном слоем кремния или взрыва пузырьков аргона - блистеров в насыщенном аргоном слое кремния. Представляет интерес более подробное изучение интервала доз 10 -10 см облучения ионами аргона, изолирующих и структурных свойств азотированных слоев кремния от температуры имплантации Аг Для дальнейшего понимания природы ЭД представляет интерес проведение экспериментов с частичной экранировкой образцов кремния при облучении аргоном, воздействием на обратную сторону
пластин кремния вместо аргона ионами других элементов с иным характером модификации поверхности кремния.
Цель работы состоит в поиске способов увеличения температурного интервала стабильности ионно-синтезированного нитрида кремния термическими и другими внешними воздействиями и в проведении ряда экспериментов для дальнейшего прояснения природы эффекта дальнодействия при последовательном облучении кремния встречными пучками ионов азота и аргона.
Первая задача настоящей работы состояла в получении более детальной информации о микроскопических процессах, происходящих в азотированном слое при термических отжигах с применением техники ЭПР-спектроскопии, используя известные парамагнитные центры в системе Si-N в качестве свидетелей перестройки дефектной системы.
Вторая задача состояла в более подробном изучении дальнодействующего влияния на азотированный слой кремния облучения ионами аргона в интервале доз 10 -10 см". Планировалось исследование изолирующих и структурных свойств этого слоя от температуры имплантации Аг і возможности предотвращения кристаллизации нитрида кремния при последующих высокотемпературных отжигах, сопоставление свойств слоев, сформированных при обработке обратной стороны пластин кремния ионами Аг и отжигом, а также поиск оптимальных с точки зрения качества слоев, условий ионно-лучевого синтеза.
Третья задача связана с прояснением природы ЭД. Представляло интерес изучение морфологии и состояния поверхности кремния при различных дозах и температурах облучения Аг , облучение Ne и Si вместо Аг > А также проверка наличия латерального эффекта. Выбор Ne и Si обусловлен тем, что ионы Ne имеют при той же энергии больший пробег, также появляется дислокационная сетка, образуются блистеры, но более крупные, чем в случае с Аг , которые, согласно литературным данным и нашим предварительным экспериментам, не взрываются при используемых параметрах ионно-лучевого синтеза. В случае кремния дислокационная сетка из-за сильных напряжений образуется, но блистеров нет.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
Обнаружена корреляция между структурными, оптическими, электрофизическими и ЭПР свойствами ионно-синтезированных слоев нитрида кремния от температуры отжига (Тотж). Показано, что при Тота(5700"С взаимодействие азота с кремнием происходит через образование парамагнитных достехиометрических комплексов, компенсирующих проводимость. Свыше ТОТЖ=700"С избыточный кремний выделяется во вторую фазу, начинается кристаллизация нитрида кремния, что приводит к растрескиванию слоев и росту их проводимости через дополнительные каналы протекания тока.
-
Показано, что если внедрение аргона в пластину кремния, предварительно облученную с обратной стороны ионами азота, производить с дозой Фд^Ю см и температурой Таг=500'С, то происходит стимулирование взаимодействия азота и кремния. При этом разрушаются центры кристаллизации сформированного нитрида кремния. Ионно-синтезированные слои Si3N4 сохраняются в аморфном состоянии. По крайне мере, до температуры отжига 1100"С не происходит связанного с кристаллизацией растрескивания слоев и ухудшения их изолирующих свойств.
-
Установлено, что изменение свойств азотированного слоя при облучении обратной стороны пластины кремния ионами Аг происходит в узком интервале доз Аг (8-10)10 см".
-
Показано, что предполагавшийся ранее вклад в эффект дальнодействия скачкообразной эволюции сетки дислокаций, формирующейся в кремнии под слоем торможения ионов аргона, не является существенным. Это подтверждается тем, что последовательное облучение встречными по отношению к пучку ионов азота ионами неона или кремния, в
отличие от ионов аргона, не приводит к заметным изменениям свойств азотированного слоя
кремния.
5. Установлено, что дальнодействующее влияние облучения Аг на азотированный слой
кремния происходит под воздействием акустических импульсов, возникающих в результате
взрыва блистеров аргона. .
Практическая значимость
-
Показана возможность получения устойчивых до 1100С ионно-синтезированных слоев нитрида кремния с помощью радиационно-стимулированного формирования нитрида кремния в кремнии при последовательном облучении встречными пучками ионов азота и аргона.
-
Предложенный метод с применением эффекта дальнодействия позволяет продвинуться в решении проблемы кристаллизации и растрескивания нитридных слоев при высокотемпературной обработке и его использовании для создания структур "кремний на изоляторе".
-
При ионном облучении твёрдых тел в условиях, когда образуются блистеры (достаточно большие дозы облучения, ионы элементов со слабыми химическими связями с атомами мишени) следует учитывать влияние такого облучения на формирования других фаз в полупроводниках и металлах. Предпосылкой к этому является высокая прозрачность твердых тел к распространению гиперзвуковых акустических волн.
Основные положения, выносимые на защиту
-
С ростом температуры отжига (Тота() слоев кремния, облученных ионами азота, существует корреляция между структурными, оптическими, электрофизическими и ЭПР свойствами этих слоев. До Т^^ТОО'С взаимодействие азота с кремнием происходит через образование парамагнитных достехиометрических комплексов, компенсирующих проводимость. Свыше ТОТ]|=700С избыточный кремний выделяется во вторую фазу, начинается кристаллизация нитрида кремния, что приводит к растрескиванию слоев и росту их проводимости через дополнительные каналы протекания тока.
-
При последовательном облучении кремниевой пластины встречными пучками ионов азота и аргона, когда внедрение аргона происходит с Еаг=40кэВ, Фд^Ю см , Таг=500*С, облучение аргоном стимулирует реакцию взаимодействия кремния с азотом, разрушаются центры кристаллизации сформированного нитрида кремния. В результате ионно-синтезированные слои Si3N4 сохраняются в аморфном состоянии, не происходит связанное с кристаллизацией растрескивание слоев и ухудшение их изолирующих свойств, по крайне мере, при отжиге до температуры 1100С.
-
Последовательное облучение встречными по отношению к пучку ионов азота ионами неона или кремния, в отличие от ионов аргона, не приводит к заметным изменениям свойств азотированного слоя кремния. Это означает, что предполагавшийся ранее вклад в эффект дальнодействия скачкообразной эволюции сетки дислокаций, формирующейся в области торможения ионов аргона, не является существенным.
-
Изменение свойств азотированного слоя кремния происходит в результате последующего, встречного по отношению к имплантации азота, облучения ионами аргона в узком интервале доз (8-10)10 см (Еаг=40кэВ, Таг=500С). Главной причиной дальнодействующего влияния облучения Аг являются акустические импульсы, возникающие в результате взрыва блистеров аргона, чему способствует аморфно-кристаллическое состояние подвергнутой указанной обработкой аргоном поверхности кремния. Этот механизм является дополнительным к ранее предложенному П. В. Павловым, Д. И. Тетельбаумом и др. механизму усиления акустических волн через дефектную систему кристалла.
Личный вклад автора
Основные эксперименты были спланированы автором совместно с В. В. Карзановым и научным руководителем. Самостоятельно выполнялись: подготовка образцов, исследование просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), измерение вольтамперных (ВАХ) и емкостных характеристик, эллипсометрия, а также анализ результатов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-ти конференциях и семинарах: V-VII Всероссийских семинарах "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 11-13 октября 2000 г., 15-17 октября 2002 г. и 26-29 октября 2004 г.), "ХГХ Научных чтениях имени академика Н.В.Белова", (Нижний Новгород, 14-15 декабря 2000 г.), Пятой и шестой сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 24-28 апреля 2000, 22-27 апреля 2001 г.), Второй Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто-и наноэлектронике (С.-Петербург, 4-8 декабря 2000г.), IV Всероссийской научной конференции студентов - радиофизиков (С.-Петербург, 5-7 декабря 2000г.) - отмечен дипломом II степени, II Российской конференции по материаловедению и физико — химическим основам технологии получения легированных кристаллов кремния («Кремний-2000») (Москва, 9-11 февраля 2000г.), Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 30 ноября - 3 декабря 1999г.), III Всероссийской научной конференции студентов -радиофизиков. (С.-Петербург, 30 ноября - 2 декабря 1999г.), Всероссийской конференции «Структура и свойства твердых тел», посвященной 40-летию физического факультета ННГУ им. Н.И.Лобачевского (Нижний Новгород, 27-28 сентября 1999г.).
Диссертационная работа выполнялась при поддержке следующих грантов и целевых программ:
Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.", Учебно-научный центр "Физика и химия твердого тела" (проект № 0541), тема НИЧ ННГУ Н-231;
Гранта Минобразования РФ Конкурсного центра по исследованиям в области ядерной физики и физики пучков ионизирующих излучений, тема НИЧ ННГУ НГ-172, 1998-2000 гг. (грант №97-12-9.2-4);
Программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий", раздел "Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении", тема НИЧ ННГУ Н-223, 2000 г. (проект №01.12.01.15).
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 122 наименования. Объем диссертации составляет 127 страниц машинописного текста, включая 63 рисунка и 7 таблиц.
Способы получения скрытых изолирующих слоев, пригодных для создания КНИ-структур
Первоначально структуры КНИ выполнялись в виде гетероэпитаксиальных пленок "кремний на сапфире" (КНС). Однако данная технология имеет ряд существенных недостатков, к которым относятся: 1. большая стоимость сапфира; 2. пониженная подвижность носителей в пленках кремния на сапфире, вызванная высокой дефектностью (Nd 107 см 3); 3. большая плотность состояний на границе раздела кремний-сапфир; 4. наличие упругих напряжений в эпитаксиальной пленке кремния, приводящих к ускоренной диффузии легирующих примесей вдоль границы. Все это привело к тому, что начались активные поиски других способов создания КНИ-структур. В результате был разработан ряд альтернативных методов получения структур «кремний на изоляторе», основными из которых являются [2]: 1. Перекристаллизация аморфного или поликристаллического кремния, осажденного на слой БіОг или S13N4, зонной плавкой. В качестве источника энергии при этом используют лазерный или электронный луч, сфокусированное излучение некогерентного света, графитовый плоский нагреватель и др. 2. Латеральная эпитаксия кремния из окон, вскрытых в слое изолятора. 3. Окисление пористого кремния, получаемого электрохимическим травлением областей кремния с различным типом проводимости с последующим эпитаксиальным наращиванием. 4. Гетероэпитаксия пленок кремния на близких к кремнию по кристаллической структуре фторидах элементов второй группы таблицы Менделеева CaF2, BaF2, SrF2. 5. Термическое сращивание окисленных пластин. 6. SMART-CUT технология [5]. В пластину кремния после окисления имплантируют ионы водорода с параметрами, обеспечивающими блистерование и как следствие - появление пористой области. Затем производят расщепление по слою с наименьшей прочностью с целью склейки с окисленным кремнием так, чтобы слой оксида находился внутри. Основная проблема данного метода состоит в сложности формирования качественного пористого слоя и прочного сцепления окисла с кремниевой подложкой, проколы в рабочем слое. 7. Имплантация ионов кислорода (SIMOX, ITOX) или азота в кремний с дополнительной постимплантационной обработкой.
Электронно-микроскопические и электронографические исследования влияния температурного режима имплантации и постимплантационных отжигов на свойства ионно-синтезированной структуры SixNy-Si
При меньших концентрациях азотной и уксусной кислот наблюдалось уменьшение скорости химического травления и ухудшение полирующих свойств травителя. ИК-спектры записывались на спектрометре Bruker IFS 113V. Во избежание экранирования и поглощения света свободными носителями, исследовались образцы из высокоомного кремния.
Толщина и показатель преломления ионно-синтезированных слоев SixNy измерялись с помощью эллипсометра ЛЭФ-ЗМ-1.
Для электрических измерений использовались напротив низкоомные высоко легированные донорами монокристаллические пластины из кремния КЭМ-0,005 с синтезированным поверхностным слоем нитрида кремния. Изготавливались диодные структуры металл (напыленный А1 или эвтектический сплав In-Ga) - нитридный слой - кремний (основной кристалл) - металл (А1 или In-Ga). Диаметр контактных площадок составлял 5 мм. ВАХ диодных структур измерялись по стандартной схеме при обеих полярностях тока. Низкоомный кремний КЭМ-0.005 был выбран для того, чтобы уменьшить вклад полупроводника и барьерных эффектов в общее сопротивление структуры азотированный слой-кремний. По оценкам [84] доля сопротивления подложки вместе с контактами от общего сопротивления составляет менее 3%. Т.е. в исследуемых диодных структурах практически все сопротивление падает на слое SixNy, и вид ВАХ определяется свойствами именно этого слоя.
Измерения емкости структур производились на приборе Е7-12. Контактные площадки из А1 создавались напылением металла через маску на установке ВУП-5.
Как сказано в первой главе, в первых публикациях, посвященных проблеме ионно-лучевого синтеза изолирующих слоев в кремнии, считалось, что температура внедрения азота или кислорода не играет существенной роли. Главное - последующий высокотемпературный отжиг. В более поздних работах отмечалась положительная роль предварительного принудительного подогрева мишени в процессе имплантации до 400-600С. Подогрев позволял получать более качественные изолирующие слои. В данном разделе проведено сопоставление ПЭМ-изображений синтезированных слоев, полученных имплантацией азота без специального подогрева мишени и при температуре 400С. Из представленных на рис. 8 микрофотографий видно, что имплантация азота при комнатной температуре приводит к растрескиванию синтезированного слоя, причем наибольшая плотность микротрещин наблюдается вблизи внутренней границы раздела SixNy-Si (рис.8а). Видимо, именно с растрескиванием следует связывать возникновение «черного» слоя на глубине x (Rp+ARp), наблюдавшееся на шаровых срезах структур Si-SixNy-Si в оптическом микроскопе. Растрескивания удается избежать, если выполнить подогрев образца во время имплантации до Т=400С (рис. 86). Но и в этом случае, из-за большого количества дефектов, а также из-за того, что не весь внедренный азот прореагировал с кремнием, качество диэлектрических слоев оставалось низким.
Электронограммы, снятые без отжига, дают картину аморфной фазы S13N4. Наблюдались два диффузных кольца, радиусы которых соответствовали межплоскостным расстояниям 3,9 А и 1,35 А, что согласуется с данными работы [44]. На микрофотографии, представленной на рис. 8в видна мелкодисперсная структура, т.е. слой не является сплошным.
Электронно-микроскопические исследования образцов, прошедших постимплантационный отжиг при Т=600С, показали, что слой SixNy, хоть и стал однороднее, как видно из рис.9, но продолжает оставаться мелкодисперсным. Граница раздела нитридного слоя и кремниевой подложки нечеткая. Дифракционная картина имеет вид галло (рис.10), что свидетельствует об аморфности ионно-синтезируемого нитридного слоя.
Влияние дозы облучения ионами аргона на свойства ионно- синтезированных слоев нитрида кремния
Под эффектом дальнодействия (ЭД) при ионной имплантации имеются ввиду всевозможные изменения в системе дефектов кристалла за пределами зоны торможения внедряемых ионов. К настоящему времени накоплено довольно много экспериментальных данных о влиянии ионного облучения на структуру и свойства полупроводников в слоях, расположенных далеко за пределами области пробега ионов [56-79]. Можно выделить следующие проявления данного эффекта. 1. Ионное облучение оказывает влияние на дислокационную структуру (изменяется объемное распределение дислокационной плотности), что сказывается на прочностных характеристиках материала (микротвердости, коэффициенте трения, пределе прочности). В частности, микротвердость изменяется не только на облучаемой, но и на обратной стороне полупроводниковой пластины толщиной в сотни микрометров [61-67]. 2. Происходит растворение дефектно-примесных скоплений и разрушение кластеров дефектов по всему объему материала [65,68,69]. 3. Имеет место перераспределение точечных дефектов и их комплексов. Причем сразу за имплантированным слоем находятся дефекты вакансионного типа ( 2 мкм), а за ними - слой дефектов междоузельного типа (на расстояниях 5-8 мкм) [65, 68,70]. 4. По данным работ [66, 70] ЭД сильнее проявляется на поверхности, а также в кристаллах, обладающих большей степенью исходного структурного несовершенства. 5. Проявление эффекта возможно не только вглубь, но и в боковых направлениях от области непосредственного воздействия - латеральный эффект [70,73].
Согласно литературным данным [44, 68-76] проявление ЭД при ионной имплантации зависит от плотности ионного тока, температуры, дозы и энергии внедряемых ионов, а также от исходного структурного несовершенства облучаемого кристалла. Рассмотрим подробнее каждый из этих факторов.
В работах [58, 60, 74] исследуется зависимость проявления дальнодействия от плотности ионного тока. В работе [60] непосредственно рассматривалось влияние плотности ионного тока на проявление ЭД в монокристаллическом кремнии с примесью железа (Si Fe ). Изучалась зависимость электрофизических свойств кристаллов при облучении ионами аргона с Е=40 кэВ, Ф=10 см , температура имплантации поддерживалась постоянной и не превышала 50С. В результате было обнаружено, что после облучения значение удельного сопротивления (р) и постоянной Холла (Rx) уменьшилось (т.е. увеличилось число свободных носителей). Плотность ионного тока (j) изменялась от 1,2510 см с до 1,0410 см" с", при этом наибольшие изменения (более чем в 20 раз) произошли в образце, который подвергался облучению с jmax=l,04 10 CM V1. Установлено [60], что параметры Si изменяются по глубине на расстояниях до 400 мкм, при этом изменение зависит от плотности ионного тока.
В работе [74] была установлена зависимость микротвердости Н„ от плотности ионного тока для образца кремния КДБ-10, облученного Ar+ (j=l-20 мкА/см ). Измерения проводились как с облученной, так и с необлученной стороны. В результате исследований обнаружено, что зависимость прироста Нв от дозы имеет пороговый характер, существенное изменение происходит лишь при Ф 6 10 см". Зависимость Нв на необлученной стороне от плотности ионного тока существенна при достаточно больших j, прирост Нв увеличивается с увеличением
На основании данных, приводимых в работах [66, 69, 73], при нагреве в диапазоне 20-400С проявление ЭД незначительно ослабляется с ростом температуры. Это объясняется тем, что в данном диапазоне температур отжигаются радиационные дефекты, которые, согласно некоторым моделям ЭД, ответственны за передачу энергии от облучаемого слоя вглубь материала.
Изменение состояния поверхности при различных температурах имплантации ионов аргона
Авторы статьи [47], предполагают, что имплантируемый ион создает дефектные каскады междоузельных атомов и вакансий, когда он появляется в кристаллической матрице. Смещение на 10% атомов кристаллической кремниевой решетки приводит к аморфизации кремния. Когда локальное смещение кристаллической решетки превышает это значение, получаются аморфные микрообласти. В результате наложения друг на друга этих аморфных микрообластей получается непрерывный аморфный слой. При низкой емпературе подложки генерируемые дефекты фактически неподвижны и полная аморфизация происходит при относительно низкой дозе ионов. Достигнув критической температуры, вакансии и внедренные примеси могут диффундировать и в результате слиться в аморфные области до того, как они смогут перекрыться и сформировать непрерывный слой.
Температура имплантации рассматривается как фактор, влияющий на реакцию кремния с азотом при формировании Si3N4 и в изменении толщины и плотности пористой области. Так как считается, что пористая область образуется из-за выделения азота в газовую фазу, количество связей Si-N будет определять концентрацию образующегося азота. По мнению авторов работы [47] низкотемпературный образец должен содержать более толстую и менее плотную пористую область (содержать больше азота).
В работе [48] изучалось образование слоев нитрида кремния, синтезированных имплантацией ионов азота в кремниевую пластину с дозой Фы=210 -210 см % Ем=180кэВ, JN=1,5MKACM . После имплантации образец отжигался в течение 2 часов при температуре до 1200С. Структуры изучались методами обратного резерфордовского рассеяния. Показано, что дозы 21015 и 21016 см 2 не оказывают заметного влияния на спектр. Для ON=2 1017CM 2 маленький пик, соответствующий загрязнению поверхности углеродом, определяется при 455 кэВ. При этом появляется изменение в спектре кремния из-за уменьшения рассеяния от атома кремния в области высоких концентраций азота (-10 ат.%).
Авторы [48] наблюдали рост размытого пика, соответствующего рассеянию поверхностными атомами, для доз 21015 и 2і0,7см"2. Для дозы 2Т017см 2 явление каналирования в поверхностном кремниевом слое еще остается, но ориентированный спектр в имплантированной области достигает того же уровня, что и разориентированный. Это означает, что имплантируемый слой является аморфным по отношению к каналированию. Для высоких доз ориентированная и разориентиронанная составляющие слоя поверхностного кремния и захороненного слоя S13N4 одинаковы, т.е. соответствующие слои аморфные.
Таким образом, на основании анализа неотожженного образца в соответствии с теоретическими оценками авторами [48] сделан вывод, что только самые высокие дозы, видимо, перспективны для получения диэлектрических слоев. При изучении влияния режимов отжига на образце, облученном с дозой 21018 см"2, различные части пластины отжигались в течение 2 часов при температуре до 1200С. В работе [48] показано появление после отжига при температуре 900С поликристаллического кремния, слабо ориентированного в направлении (111), тогда как на электронограммах концентрические кольца, соответствующие a-Si3N4, были обнаружены только после отжига при 1200С. Вероятно, они соответствуют скоплениям маленьких включений OT-Si3N4 размером 100-ЮООА.
Итак, в случае имплантации с дозой 2 10,7см"2 отжиг при 1200С приводит к эпитаксиальной рекристаллизации кремния в слое, находящемся вблизи поверхности и прилегающем к нитридному. Этот слой содержит много прерывистых областей с малым количеством кристаллических включений. При имплантации с дозой 210 см" отжиг при Т=1200С приводит к появлению непрерывного поликристаллического слоя a-Si3N4 под поликристаллическим, слабо ориентированным в направлении (111) кремниевым слоем. Эксперименты электронной дифракции однозначно показывают, что изучаемые слои нитрида кремния кристаллизуются в а-фазе, а не в Д.
Различимы два набора доз имплантации. Для Ф 2 10 см поверхностный монокристаллический слой кремния остается и после имплантации, и в течение отжига; эпитаксиальная рекристаллизация дефектной зоны кремния происходит от поверхности. С другой стороны для Ф 7 1017см"2 кремний в течение имплантации становится аморфным до поверхности и при отжиге рекристаллизуется в поликристаллическую структуру [44].
Влияние параметров отжига на высокодозовую имплантацию ионов N+ в кремний с помощью электронно-микроскопических методов было исследовано авторами работы [44]. Кремний был облучен ионами N+ с энергией Е=40кэВ (J=16-18 цАсм"2)и дозой Ф=2-9 1017см"2 (THMn=100-150oC). Исследовался образец кремния с р=70 Ом см, (111) и плотностью дислокаций 103-104 см"2. После имплантации проводился отжиг в течение 1 часа в атмосфере азота при Т=600-1200 С.
Полученные аморфные слои были неоднородны по глубине: вблизи поверхности имелась область, более устойчивая к действию травителя по сравнению с нижележащей. Расшифровка электронограмм показала присутствие сс-модификации с примесью р-модификации поликристаллического нитрида кремния Si3N4. Под этим тонким слоем нитрида (100-ЮООА) находится в аморфном состоянии более толстый слой, дифракция электронов от которого идентична дифракции от аморфной области кремния.
