Введение к работе
Диссертация содержит результаты экспорглентальпого изучения структурных перестроек в крЕОталлах креаная и гергЕЛНя прз боль— пой скорости генерации точечных дефектов - процессов форгяфова-шш скоплений точечных дефектов, цеханягчов взагиодеСотЕИя точечных дефектов манду собой, о атоыеги црггесей, дпхгокацасгі и поверхностью кристаллов и цроцэооов, ведунах к уценьпгпшэ плотпо-сти и размеров скоплений.
Актуальность тел. Современный этап развития полупроводаи-кового иатерЕаловэдеиия выдвигает на першй план задачу управле-ния ансаыблеу точечных дефектов я атсиов пргнесей в кристаллах полупроводников. Важность ресэння этоЗ задача оцределгэтоя тез влиянпеы, которое оказывает точечные дефекты а их скопления на основные электронные свойства полупроводников. Определение путей управления тппет, плотностьв н цроотрадотЕОЕНШ раопраделзниси дефектов является клвчепгі для реализация предельных парегэтров устройств ішкрозлзктроникн. Необходимость регэння указанной задачи возрастает при интенсификация технологических воздейзтвиЗ на кристаллы полупроводников, при которых скороогь генерация точечных дефектов велика.
Экспериментальное изучение точечных дефектов и процэосов образования их скоплений в кристаллах полупроводников затруднено многообразием реакций, в которых приникают участие точечные дефекты. Электрическая неактивнооть ыеадоугельных атсшш, чаоти атомов примесей, с которыми реагирует точечные дефекты, а комплексов точечных дефектов с атскана npeueoeft ограничивает вог^о-иности электрофизических методов исследования. Данные обстоятельства, а также малые значення концентрации термически расзо-весных точечных дефектов в кристаллах кремния а геривлня обуславливает отсутствие надехао определенной информации о типе термически равновесных точечных дефектов ж механизмах ссаодаф-фузии в этих кристаллах. При изучении точечных дефектов, генерируемых облучениеи кристаллов полупроводников частицами високії энергий, дополнительная проблема связана со елейностью первичных актов генерации. Так, при ионной имплантации высокая скорость генерации точечных дефектов сочетается о образованием более сло-
жннх по отруктуре разупорядоченных областей. Особое место при этом эашшает проблема формирования крупных скоплений точечных дефектов* Их возникновение при ионной имплантации не находит полного объяснения в рамках представлений классической радиационной физики полупроводников, рассматривающей, в основном, взаимодействие точечных дефектов при облучении гамма-квантами и електронами о малой интенсивностью ICr2 + Ю14 электронов-см*"2-о-1. Наиболее наяоной при атом цредотавляетоя роль междоузель-ных атомов* На начальном этапе выполнения данной работы дискуо-ожонной являлась проблема происхождения и структуры, так называемых, стерхнеобразных дефектов (СД), особенностью формы кото-рях является большой размер в одном из направлений <П0> по сравнению о размерами в других направлениях. При отжиге имплантированных кристаллов высока температура формирования дислокационных петель* Это не согласуется с данными о возможности переползания дислокаций при повихенной температуре циклической деформации крхотадлов кремния и электронного облучения кристаллов германия*
Дополнительные факторы, затрудшшцие изучение указанных проблем при ионной имплантации, овязаны с больший концентрациями атомов примеоей и близостью поверхности кристаллов или границ раздела полупроводник-диэлектрик. Кроме того, следует отметить противоречие между данными радиационной физики о высокой подвижности точечных дефектов, генерируемых облучением, и данными по высокотемпературной диффузии, в которой регистрируется значительно меньшая подвижность точечных дефектов. В качестве иллюстрации данного положения следует указать на то, что реализация высокой подвижности точечных дефектов в режиме радиационно-ускорен-ной диффузии примеоей требует повышения температуры кристаллов кремния выше 600С и кристаллов германия выше 400С. Разрешение этого противоречия на основе имеющихся в литературе моделей, которые предусматривают изменение величины коэффициента диффузии за счет коыплегазообразования, требует установления природы центров, аграничивапцих подвижность точечных дефектов.
В связи с изложенным целью работы явилось исследование следующей проблемы: определение механизмов взаимодействия точечных
дефектов иедцу собой и со стоками при больших скоростях генерации точечных дефектов в процессах формирования их скоплений.
Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс связанных мезщу собой основных задач работы:
изучение атомной структуры основных типов скоплений мея-доузельных атомов в кристаллах кремния и германия и оценка их электрической активности;
определение условий возникновения скоплений И основных закономерностей кинетики их образования и роста при интенсивном облучении электронами, а также ионами различных масс;
определение роли поверхности и атомов примесей на процессы взаимодействия точечных дефектов меаду собой и на процессы образования скоплений;
оценка вклада процессов аннигиляции точечных дефектов при интенсивном электронном облучении;
установление закономерностей взашодействия точечных дефектов с даслокацшмп при большой скорости генерации точечных дефектов; /
оценка относительного вклада цоханнзмов упругих столкновений а ионизации в процесе генерации точечных дефектов при электронном облучении; .
определенна путей управления процессами роота л сокращения размеров скоплений мездоузельных атоіов в приповерхностных областях кристаллов кремния и германия. -
Научная новизна работы одреяелявтся следущш.
-
В работе проведено систематическое исследование атомной структуры скоплений мездоузельных атомов, возникающих при термическом окислении кремния и облучении кристаллов кремния и германия электронами и ионами. Получены данные об электрической активности скоплений. Еа основе этих результатов обосновано представление о стерлшеобразных и {113} -дефектах, как о скоплениях мездоузельных атомов в штастабильных, плотноупакованных конфигурациях.
-
Представлены результаты изучения кинетики процессов образования н роста скоплений мвадоузельных атомов яри облучении
in situ электронами в высоковольтном электронном микроскопе в зависимости от температуры и интенсивности облучения, примесного состава исходных- кристаллов, типа и толципы поверхностных покрытий. Полученные данные позволили провести количественное рассмотрение основных реакций мазду точечными дефектами и сто-казш для них в рахках теории скоростей ваазидмячесюд реакций.
-
В работе получены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что повигонив скорости генерации точечных дефектов при электронном облучении кристаллов крекаия и германия сопровождается возрастанием скорости аннигиляции точечных дефектов. При этой показано, что сток точечных дефектов ка границу раздела кристалл-оксид включает реакции аннигиляции точечных дефектов кристалла и оксида.
-
Обнаружено явление электронного низкотемпературного от-Еига, суть которого состоит в сокращении размеров и полной устранении скоплений ыеддоузельных атшов в кристаллах кремния и германия при интенсивном облучении электронами. Механизм отжига для сгерхнеобразных и {113} -дефектов не связан с тепловым воздействием электронного пучка, что открывает пути направленного изменения структуры приповерхностных областей при пониженной температуре.
-
Установлены ограничения на скорость переползания дислокаций при высокой скорости генерации точечных дефектов, которые связаны с существованием энергетического барьера для присоединения к дислокациям точечных дефектов, генерируемых облучением электронами; формированием геликоидальных дислокаций, стабильных для данных условий генерации точечных дефектов; взаимодействием точечных дефектов с отдельными частичными дислокациями в расщепленном ядре полных дислокаций.
-
В работе предложен механизм формирования дислокационных петель при ионной имплантации, включающий взаимодействие междо-узельных атомов в ыетастабильных конфигурациях со скоплениями вакансий иди комплексами вакансия-примесь.
-
Подтверждено представление о пороговом характере процесса генерации точечных дефектов и коллективном характере первичного акта генерации при электронном облучении кристаллов кремния.
Приведена оценка соотношения сечений генерации точечных дефектов по механизму упругих столкновений и по подпороговым, ионизационным механизмам.
8. При изучении структуры слоев кремния и германия, облученных легнпш ионами (водород, гелий) установлена связь мезду процессам структурных перестроек и свойствами облучаемых слоев. Показано, что скопления меддоузельных атомов в метастабильных конфигурациях (стергнеобразные и {113} -дефекты) являются основным элементом структуры этих слоев. Определены факторы, обусловливающие возникновение и рост крупных скоплений вакансий в имплантированных слоях.
Проведенные исследования и совокупность подученных в настоящей работе результатов позволяет сформулировать новое научное направление: изучение процессов взаимодействия точечных дефектов иезду собой и со стоками при больших скоростях генерации точечных дефектов.
Практическая ценность работы определяется, во-первых, поду-ченшиз данкнмд о типе, структуре, размерах, пространственном расположении и электрической активности скоплений медцоузелышх агсцоз в приповерхностных слоях кремния при термическом окислении и в слоях кремния и германия при облучении легкими ионами и электронами. Во-вторых, имещиеся в работе данные о механизмах взаимодействия точечных дефектов медцу собой, атомами примесей, дислокациями и поверхностью кристаллов и приведенные в работе значения коэффициентов взаимодействия могут быть использованы для прогнозирования процессов структурных перестроек при таких технологических воздействиях на кристаллы кремния и германия, как термообработки и облучение быстрыми частицами. В-третьих, обнаруженный в работе эффект электронного низкотемпературного отгига крупных скоплений неддоузельных атомов открывает пути направленного изменения структуры приповерхностных областей кристаллов кремния и германия при интенсивном электронном облучении. Способы технического применения эффекта электронного низкотемпературного отлита защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретение. Полученные в работе данные о процессах
формирования скоплений междоузельных атомов использованы при оптимизации режимов ионной имплантации и режимов внутреннего гет-терирования в кремнии на некоторых предприятиях Ышэлектронпрома.
Основные натчные положения, выносимые на защиту.
-
Стержнеобразные дефекты и дефекты с габитусом {113} представляет собой скопления междоузельных атомов в низкотемпературных метастабильных конфигурациях. Это отличает СД и {113}-дефекты от скоплений междоузельных атомов в виде петель полных и частичных дислокаций, в плоскости которых иеждоузельные атомы занимает узельные позиции кристаллической решетки. Необходимость понижения поверхностной энергии (ИЗ) -дефектов, также как и петель частичных дислокаций, служит причиной расположения атомов фоновых примесей в плоскости скоплений междоузельных атомов.
-
На основе изучения процессов взаимодействия точечных дефектов с дислокациями обосновано представление об энергетическом барьере для перехода точечных дефектов из метастабильных положений в узельные позиции кристаллической решетки. Энергетический барьер для встраивания междоузельных атомов в узельные позиции меньше по сравнению с барьером для встраивания вакансий, что приводит к большему значению коэффициента взаимодействия междоузельных атсмов с дислокациями по сравнению с коэффициентом взаимодействия вакансий с дислокационными линиями. В случае полных дислокаций дополнительные ограничения на процесс взаимодействия точечных дефектов с дислокациями связаны с перестройками структуры расщепленных дислокационных ядер при Т < 0,5 Тпл. и с формированием стабильных геликоидальных конфигураций при Т>0,5 Тпл.
-
Основным процессом взаимодействия вакансий и междоузельных атомов при большой скорости их генерации является прямая аннигиляция генетически связанных компонентов вакансионно-междо-узельных пар в взаимная аннигиляция по реакции второго порядка. Главный канал разделения вакансионно-междоузельных пар включает взаимодействие точечных дефектов с поверхностью кристалла. Окисленная поверхность кристаллов кремния и германия является менее эффективным стоком для междоузельных атомов по сравнению со стоком на поверхность вакансий. В зависимости от условий для стока
точечных дефектов на поверхность атомы примесей в приповерхностных областях могут слукдть либо центрами аннигиляции (бор в кремнии) , либо центрами зарождения скоплений неждоузельных атомов (бор и фосфор в кремнии, галлий и сурьма в германии).
4. Возможность взаимодействия мекдоузелышх атомов в мета-
стабильных конфигурациях с комплексами вакансия-примесь или с
вакансисннкми ядрами нарушений в ионно-кмплантироваїшнх кристал
лах обеспечивает зарождение дислокационных петель внедренного
типа. Предложенный механизм является основой для представлений
о критической температуре образования дислокационных петель при высокотемпературной ионной имплантации и о зависимости Ткр. от массы и энергии ионов.
5. Большая скорость генерации вакансионпо-ыеждоузельЩЕС
пар при интенсивном облучении высокоэнергетическими электронами
позволяет реализовать эффект электронного низкотемпературного
отжига СД и {113} -дефектов. Сокращение размеров и исчезновение
этих дефектов при электронном облучении связано с меньпей вели
чиной коэффициента взаимодействия междоузельных атомов с СД и
{.113} - дефектами по сравнению с коэффициентом взаимодействия
вакансий с этими дефектами. Для устранения дислокаций противопо
ложного знака в приповерхностных областях необходимо облучение
при температуре, обеспечивающей встраивание точечных дефектов в
дислокационное ядро. Реализация режима устранения дислокационных
петель внедренного типа требует выхода междоузельных атомов на
свободную от оксидов поверхность кристаллов кремния и германия.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах, совещаниях, конференциях, симпозиумах и школах.
I, П, Ш, ІУ Всесоюзные совещания но дефектам структуры в полупроводниках (Новосибирск, 1969, 1973, 1978, 1984 г.г.);
X, XI, ХП, ХШ Всесоюзные конференции по электронной микроскопии (Ташкент, 1976 г.; Таллинн,1979 г.; Суш, 1982, 1987 г.г.);
У, УП Международные летние школы по дефектам в кристаллах (Криница, 1976 г.; Щирк, 1985 г., ПНР);
Международная конференция по радиационным эффектам в полупроводниках (Дубровник, 1976 г., СФРЮ);
П, Ш, ЕГ школа по физике—химичесхим основам методов получения и исследования материалов электронной техники (Ашхабад, 1977 г.: Улан-чгдэ, 1981 г.; Красноярск, 1984 г.);
71, її, I, XI, ХП, ХШ, ХГ/ семинары по радиационной физике полупроводников (Новосибирск, 1978, 1981, 1982, 1984, 1985, 1987, IS89 г.г.);
Международная конференция по модификации материалов ионным легированием (Будапешт, 1978 г., ВНР);
Всесоюзный симпозиум по применению электронной микроскопии в современной технике (Звенигород, 1978 г.);
международный симпозиум по in situ высоковольтной электронной микроскопии (Галле, 1979г., ГДР);
Международная конференция по радиационной физике полупроводников и родственных материалов (Тбилиси, 1979 г.);
Всесоюзный симпозиум по применению электронной микроскопии в современной технологии, минералогии и кристаллографии (Звенигород, 1980 г.);
X совещание по электронной микроскопии (Лейпциг, IS8I г., ГДР);
Всесоюзный симпозиум по методам электронной микроскопии и дифракции электронов в исследовании образования, структуры и свойств твердых тел (Звенигород, 1983 г.);
Международная конференция по ионной имплантации полупроводников (Вильнюс, 1983 г.);
Советско-немецкий симпозиум "Высоковольтная электронная микроскопия. Методы и применение" (Москва, 1984 г.);
8-й Европейский конгресс по электронной микроскопии (Будапешт, 1984 г., ВНР);
Международные школы "Достижения и перспективы высоковольтной электронной микроскопии", "Аналитическая электронная микроскопия" (Галле, 1985 г., ГДР);
международная конференция "Свойства и структура дислокаций в полупроводниках" (Москва, 1986 г.);
Ш, Л ежмпозжукн АН ССОР и АН ГДР по теме I.I3 "Создание научного задела по ыжкроэхежтрояжке" (Франкфурт/Одер, 1986 т., ГДР; гОЬгаож, 1968 г.);
I Всесоюзная конференция по физико-химическим основам полупроводниковой технологии (Вильнюс, 1987 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 36 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 474 страницы, включая 289 страниц текста, 143 рисунка, 9 таблиц,. 480 наименований списка цитируемой литературы и 2 страницы приложения.
