Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників

імені В. Є. Лашкарьова

Оберемок Олександр Степанович

УДК 621.315.592

Дослідження механізмів дифузії імплантованих домішок в шаруватих структурах на основі

кремнію в умовах нерівноважної концентрації

точкових дефектів

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова

Національної Академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор,

Романюк Борис Миколайович,

Інститут фізики напівпровідників

ім. В.Є. Лашкарьова НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Крайчинський Анатолій Миколайович,

Інститут фізики НАН України,

провідний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук, професор,

Мельник Павло Вікентійович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет,

професор кафедри кріогенної і мікроелектроніки

Провідна організація: Чернівецький національний університет імені

Юрія Федьковича, м. Чернівці

Захист дисертації відбудеться 24 травня 2005 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради K 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (03028, м. Київ, проспект Науки, 45).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (03028, м. Київ, проспект Науки, 45).

Автореферат розіслано 24 квітня 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради K 26.199.01

кандидат фізико-математичних наук О.Б.Охріменко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток сучасної мікроелектроніки відбувається в напрямку постійного підвищення рівня мініатюризації та швидкодії приладів та інтегральних схем. Прогрес в цій області пов’язаний з успіхами в використанні нових матеріалів, технологічних процесів та методів досліджень. Базовими матеріалами мікроелектроніки є шаруваті структури на основі діелектричних, напівпровідникових та металевих плівок. Для модифікації властивостей цих матеріалів часто використовуються іонно-променеві методи, які дають змогу змінювати структуру, провідність, оптичні параметри та інші характеристики твердих тіл за рахунок введення в них різних атомів. Разом з тим, іонна імплантація є суто нерівноважним методом, що пов’язано з генерацією надлишкових точкових дефектів, формуванням аморфних фаз, та перевищенням концентрації імплантованих домішок над рівноважним значенням в широкому інтервалі температур. Все це призводить до складних структурних та фазових перетворень в процесі термічних обробок імплантованих структур. Важливим аспектом в шаруватих твердотільних структурах є наявність границь розділу фаз, де концентруються значні механічні напруження, а також електричні поля, які впливають на перерозподіл домішок в цих областях. Тому, надзвичайно актуальними є дослідження механізмів дифузії домішок, їх кластеризації в шаруватих структурах та точне визначення концентрації після різних технологічних процесів.

Важливим завданням є формування p-n переходів з глибиною залягання ~ 10-40 нанометрів. Це досягається шляхом використання низькоенергетичної імплантації, або імплантації кластерних іонів. При вирішенні проблем формування мілких p/n переходів виникають ускладнюючі фактори пов’язані з сегрегацією легуючих домішок на межі поділу фаз, втрати електричної активності внаслідок кластерізації домішок та їх прискорена дифузія та прискорена дифузія за участі точкових дефектів. Ці проблеми потребують детального вивчення.

Відомо, що домішки важких металів суттєво зменшують час життя неосновних носіїв струму. Це приводить, зокрема, до деградації ефективності сонячних елементів (СЕ). Для зменшення вмісту рекомбінаційно-активних домішок в напівпровідникових пластинах використовують методи гетерування. Гетерний шар, який характеризується високою розчинністю домішок, у більшості випадків наноситься на тильну сторону напівпровідникової пластини. Послідуючий відпал пластин з гетером забезпечує дифузію домішок з об’єму кремнієвої пластини в область гетера. При високій концентрації домішок та наявності внутрішніх стоків, в якості яких виступають кластери точкових дефектів, значна частина домішок випадає в вигляді мікропреципітатів. Дослідження фізичних механізмів цих явищ являється актуальною задачею фізики твердого тіла, тому, що це дасть змогу вивчити квазіхімічні реакції в системі домішки-точкові дефекти при дії різних факторів (умови відпалу, структура гетерного шару).

Для вирішення цих задач необхідно отримувати кількісні результати про концентрацію та розподіл різних домішок в шаруватих твердотільних структурах структурах, що складаються з діелектричних, напівпровідникових та металевих фаз. Це, в свою чергу, потребує розробки нових та модифікації існуючих методик.

Крім досліджень фізичних процесів, що дає змогу зрозуміти їх природу, актуальним напрямком є розробка методів цілеспрямованого керування процесами. Для цього необхідно використовувати моделі протікаючих процесів і змінювати в них константи квазіхімічних реакцій, що дозволить направити процес в необхідний напрямок. Одним із перспективних підходів, що дозволяє ефективно керувати кінетикою преципітації домішок та їх дифузією є інжекція точкових дефектів (вакансій, або міжвузлових атомів) (ТД).

Відомо, що відпал Si з великою концентрацією кисню призводить до формування SiO2 включень і інжекції власних ТД міжвузлового типу, а такі домішки, як вуглець та азот призводять до появи вакансій. Нанесення на поверхню тонких плівок різної природи, або структури також дозволяє змінювати рівноважну концентрацію точкових дефектів в приповерхневій області. Але найбільш перспективним методом для контрольованої зміни концентрації ТД в заданій області є іонна імплантація. Також багато обіцяючим є використання ультразвукових хвиль для управління перерозподілом дефектів, особливо, в збуджених, нерівноважних системах.

Саме вирішенню цих актуальних проблем фізики твердого тіла присвячена ця робота.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана в інституті фізики напівпровідників НАНУ. Основні результати роботи отримані в рамках виконання наступних тем:

1.

2.

3.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи були дослідження фізичних процесів, що протікають на границях розділу твердотільних фаз при імплантації різних домішок, вивчення механізмів прискореної дифузії домішок (As, Sb, B) в кремнії та їх кластеризації за рахунок додатково введених точкових дефектів з наступними температурними обробками, дослідження процесів гетерування рекомбінаційно-активних домішок в шаруватих структурах мультикристалічний кремній – поруватий кремній – алюмінієва плівка, дослідження впливу УЗ випромінювання на процеси дифузії дефектів при імплантації бору та аргону в кремній.

Об’єктом дослідження були діелектричні плівки боро- і фосфоро-силікатного скла, структури SiO2/Si та шаруваті структури на основі монокристалічного та мультікристалічного кремнію імплантовані різними домішками.

Предметом дослідження були фізичні механізми модифікації профілів розподілу домішок та їх електричної активації при імплантації в структури діелектрична плівка-кремній, роль нерівноважних точкових дефектів в цих процесах, механізми гетерування дефектів і домішок в структурах мультикристалічний кремній – поруватий кремній – алюмінієва плівка, дифузія домішок і дефектів при дії ультразвуку в процесі імплантації домішок.

Методи дослідження. Для визначення компонентного складу та профілів розподілу імплантованих домішок використовувався метод масспектрометрії вторинних пост-іонізованих нейтральних частинок (МСВН). Електрична провідність легованих шарів визначалась чотирьохзондовим методом вимірювання поверхневого опору після стравлення оксидної плівки. Довжина дифузії неосновних носіїв заряду визначалась з спектральних залежностей поверхневої фото-е.р.с. Рельєф розпиленої поверхні та форма кратерів досліджувались за допомогою методу профілометрії та атомно-силової мікроскопії. Профілі розподілу дефектів та товщина аморфного шару після імплантації вимірювались методом зворотного резерфордівського розсіювання ? –часток в режимі каналювання.

Відповідно до поставленої мети в роботі вирішувалися такі наукові завдання:

1. Дослідити вплив нерівноважних точкових дефектів, введених за допомогою додаткової імплантації домішок C, O та нанесення різного типу діелектричних плівок на дифузію атомів As та Sb та їх сегрегацію на границі розділу діелектрик-напівпровідник в процесі термічних відпалів.

2. Розробити методику для кількісного пошарового аналізу діелектричних матриць.

3. Дослідити механізми електричної активації домішок на границях розділу фаз при додаткових обробках описаних в пункті 1.

4. Встановити механізми гетерування імплантованих рекомбінаційно- активних домішок в структурах мультикристалічний кремній – поруватий кремній – алюмінієва плівка при наявності внутрішніх центрів преципітації домішок.

5. Вивчити особливості радіаційно-прискореної дифузії бору в кремнії при дії УЗ-хвиль в процесі іонної імплантації. Дослідити механізми аморфізації кремнію при імплантації іонів та дії УЗ опромінення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Знайдено ефект трансформації профілів розподілу імплантованих домішок As і Sb при інжекції нерівноважних точкових дефектів.

2. Показано, що ступінь електричної активації As і Sb поблизу границі розділу діелектрик/Si залежить від типу діелектричної плівки і концентрації точкових дефектів, що вводяться за рахунок додаткової імплантації домішок (C, O).

3. Виявлено ефект розділення пар Френкеля при дії УЗ- хвиль в процесі іонної імплантації, що приводить до зміщення порогу аморфізації кристалічних матриць.

4. Показано, що в збудженій іонною імплантацією системі УЗ- хвилі прискорюють дифузію міжвузлових атомів і сприяють створенню вакансійних комплексів. Знайдено явище пригнічення прискореної дифузії бору при дії УЗ опромінення.

Практична цінність роботи полягає в тому, що:

1. Розвинуто метод високочастотного розпилення твердих тіл, який дозволяє робити пошаровий домішковий аналіз діелектричних матриць і знешкоджувати накопичення заряду на поверхні, що дозволяє отримати кратер прямокутної форми.

2. Розроблено технологічні основи управління профілем легування при імплантації домішок шляхом інжекції нерівноважних точкових дефектів.

3. Запропоновано спосіб, який дозволяє суттєво зменшити прискорену дифузію бору в кремнії за рахунок стимульованого ультразвуком виведення міжвузлових дефектів з зони розподілу бору.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: підготовка зразків до вимірів [1,2,5-8,12]; проведення температурних [1,2,3,7,8,12] та гетерних обробок [3,7,8]; визначення електричної провідності домішки на границі розділу SiO2/Si [2,12]; дослідження профілів концентрації імплантованих домішок методом МСВН [7,8,9,10,11,12]; визначення шорсткості та форми кратерів на досліджуваних поверхнях методом профілометрії [4,5,6,10]; розробка методики кількісного пошарового аналізу діелектричних матриць[5,6]. Автор приймав участь у постановці задач досліджень, обговоренні результатів і написанні всіх робіт.

Апробація роботи. Основні матеріали дисертації були представлені на 1-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників УНКФН-1 (з міжнародною участю); міжнародній конференції EPS -12: General Conference Trends in Physics (26-30 August 2002 Budapest); міжнародній конференції INA-Anwendertreffen, Clausthal-Zellerfeld, (20 October 2001 Germany); міжнародній конференції ICAMS19: 19th International Conference on Amorphous and Microcrystalline Semiconductors (2001, Aug. 27-31. Nice, France). Результати роботи також доповідались на наукових семінарах ІФН НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 робіт, в тому числі 8 робіт в провідних фахових журналах, 4 – в тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновку і списку цитованої літератури. Матеріал викладено на 154 сторінках, включаючи 110 сторінок тексту, 41 рисунок, 8 таблиць і список літератури зі 160 посиланнями.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтовується актуальність теми, формулюється мета і основні задачі роботи, описується наукова новизна отриманих результатів та їх практична цінність, наводяться основні положення, які виносяться на захист коротко викладено зміст роботи, наведено дані про апробацію роботи.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу літератури по взаємодії точкових дефектів з імплантованими в кремній домішками, процесам сегрегації домішок на границях розділу діелектричний шар – кремній, електричній активації, кластеризації та преципітації домішок, а також впливу різних факторів, таких як УЗ опромінення і температура, на дифузію домішок та точкових дефектів. Показано, що дифузія домішок в кремнії відбувається за безпосередньої участі точкових дефектів. Наявність ТД призводить до формування метастабільних домішкових комплексів, які в процесі відпалу викликають явище нестаціонарно-прискореної дифузії (НПД). Атоми важких домішок (As, Sb) дифундують переважно згідно вакансійного механізму, атоми легких елементів (B,P) – згідно міжвузлового. Джерелом міжвузлових атомів, які впливають на дифузію домішок, в основному, є протяжні {311} дефекти. На початкових стадіях відпалу величина НПД не залежить ні від дози, ні від енергії імплантації. Для пояснення НПД була запропонована (+1) модель, проте вона виявилася дієздатною лише при середніх дозах імплантації, для малих та великих доз спостерігаються значні відхилення від неї.

Присутність домішок вуглецю та кисню призводить до суттєвого впливу на дифузію розглянутих домішок. При відпалі, вуглець розміщуючись в вузлах кристалічної гратки викликає інжекцію вакансій, в той час, як кисень призводить до формування SiOX фази і інжекції власних міжвузлових атомів. В результаті підсилюється чи уповільнюється дифузія домішок, залежно від механізму їх дифузії.

Відпал SiO2/Si структур після низькоенергетичної імплантації домішок призводить до виникнення явища втрати дози. Втрата дози імплантованої домішки відбувається внаслідок сегрегації домішки на границі розділу SiO2/Si та НПД. Механізм явища сегрегації вивчений ще недостатньо. Вважається, що в процесі відпалу домішки накопичуються в SiO2/Si внаслідок більшої його домішкової розчинності. Накопиченні домішки компенсують напруги, що існують на границі розділу фаз.

Показано, що необхідність в зменшенні енергії імплантації домішок призводить до збільшення поверхневого опору RS. Цей факт свідчить, що значна частина накопиченої на межі поділу SiO2/Si домішки перебуває в електрично не активному стані. Високодозова імплантація є одним із варіантів збільшити електричну активність домішки. Проте, на перешкоді цьому стає кластерізація та преципітація домішок при великих концентраціях, що перевищують границю розчинності As в твердому тілі. При досягненні електричної границі розчинності в Si формуються кластери (імовірно As4V), які відповідають за деактивацію арсену. Можливим варіантом подолання деактивації є вплив додатково введених (імплантованих) домішок кисню та вуглецю з послідуючими температурними обробками.

З огляду літератури слідує, що процеси дифузії, перерозподілу та активації імплантованих в кремній домішок визначають поведінку сучасних мікроелектронних пристроїв та ступінь їх інтеграції, а тому потребують подальшого вивчення цих процесів з метою активного керування ними.

В другому розділі проаналізовано методичні особливості пошарового аналізу компонентного складу діелектричних матриць методами ВІМС та МСВН. Показано, що накопичений на поверхні зразка позитивний заряд призводить до неоднорідного розпилення досліджуваних поверхонь, що є значним джерелом похибок у визначенні концентрації та глибини залягання домішок.

Запропоновано та розроблено методику аналізу діелектричних матриць методом МСВН з використанням високочастотного пошарового розпилення.

В якості джерела первинних іонів виступають іони високочастотної плазми низького тиску. Первинний іонний струм формується внаслідок прикладання високочастотної напруги з прямокутною формою імпульсів. В моменти відсутності напруги, в короткі проміжки часу, електрони плазми внаслідок кулонівської взаємодії досягають поверхні зразка і тим самим компенсувати накопичений заряд. На рис.1. приведені форми та рельєфи дна кратерів з та без використання високочастотного розпилення BPSG плівок. Видно, що використання ВЧ розпилення дозволяє отримати кратер прямокутної форми з практично плоским дном. Показано, що скважність прикладеної високочастотної напруги більше впливає на загальну форму утворюваного кратера, в той час, як частота більше впливає на форму рельєфу дна кратеру. Дослідження проводилися на BPSG та SiO2/Si структурах для яких отримано роздільну здатність по глибині ~ 1-2 нм.

Третій розділ дисертації присвячено дослідженню процесів гетерування рекомбінаційно-активних домішок в mc-Si при використанні швидких термічних відпалів (ШТВ) комбінованим гетером, який формувався на тильній стороні пластини і складався з шару поруватого кремнію та нанесеної на нього плівки Al. Для проведення модельних експериментів, контрольовані концентрації рекомбінаційно-активних домішок міді та заліза

вводились в кремнієві зразки з фронтальної сторони пластини методом іонної імплантації.

Енергія іонів, що імплантуються складала 100 кеВ, доза по міді - 2,51014 см-2, доза по залізу (імплантувався ізотоп 56Fe) - 1,21014 см-2. Відомо, що час життя неосновних носіїв струму в Si залежить від чистоти кристалу, його структурної досконалості та від режимів термічних обробок. Нами було досліджено вплив швидкого термічного відпалу на зміну довжини дифузії носіїв струму LD.

На рис.2. приведено залежності величини Ld від часу відпалу імплантованих зразків при оптимальній температурі. Гетерний шар наносився на тильну сторону пластини, тоді як імплантація проводилась в лицьову сторону. Невеликий час відпалу (< 40 с) приводить до деградації Ld за рахунок дифузії імплантованих домішок в об’єм пластини. Збільшення часу відпалу призводить до ефекту гетерування. Домішки дифундують на гетер, а величина Ld зростає. При часі відпалу 100 с для заліза і 160 с для міді значення Ld не тільки відновлюються, а й перевищують вихідні величини, тобто гетеруються не тільки імплантовані домішки, а й домішки, раніше присутні в зразках. Збільшення температури відпалу до 850оС приводить до спаду Ld , що пов’язано зі зворотньою дифузією домішок з гетера в об’єм зразка. Ці результати корелюють з результатами по визначенню профілів розподілу імплантованих домішок методом МСВН.

На рис.3. приведені профілі розподілу домішок міді та заліза після циклу швидких термічних відпалів. Максимальна концентрація міді весь час спостерігається в області максимальної концентрації алюмінію.

Процес гетерування Cu ефективно протікає в початковий період відпалу, коли на поверхні є стехіометрична плівка алюмінію.

Інша ситуація спостерігається для ізотопа 56Fe. Розподіл концентрації цього ізотопу, після циклу ШТВ, затягнутий вглиб зразка. Максимум розподілу знаходиться в області границі розділу por-Si/mc-Si. Кількість заліза накопиченого поблизу цієї границі зростала із збільшенням часу відпалу.

Розраховані коефіцієнти дифузії міді та заліза при ШТВ виявилися дещо відмінними від відомих з літератури. Коефіцієнт дифузії міді в нашому випадку (1,210-5 см2/с) близький до літературного ((3,0 0,5)10-5 см2/с), а заліза (1,810-5 см2/с) - на 2 порядки перевищує літературні величини ((3,7 2,8)10-7 см2/с), тобто має місце стимульована (аномальна) дифузія атомів заліза.

Процес гетерування в імплантованих зразках при використанні ШТВ можна уявити таким чином:

1. Імплантована домішка дифундує під дією градієнта концентрації в об’єм пластини. Одночасно з дифузією відбувається преципітація домішки, що приводить до деформації профілю її розподілу в кожний момент часу при відпалі.

2. З області гетера інжектуються точкові дефекти, які впливають на кінетику преципітації. Збільшення коефіцієнту дифузії заліза і деяке зменшення коефіцієнту дифузії міді може бути пов’язано з інжекцією вакансій з гетерної області, що призводить до потоку міжвузлових атомів кремнію в напрямку до гетера, зменшення їх концентрації в об’ємі пластини і, як наслідок, розчинення преципітатів заліза (збільшення ефективного коефіцієнту дифузії) і створення умов для преципітації міді (зменшення ефективного коефіцієнту дифузії).

Четвертий розділ дисертації присвячений дослідженню впливу додатково введених точкових дефектів на поведінку арсену імплантованого в структури SiO2/Si поблизу границі розділу.

Для формування необхідного p/n переходу проводилась імплантація As з великою дозою (> 1015 см –2), що відповідає концентрації домішки в цьому шарі > 11020 см-3. Такі концентрації перевищують розчинність арсену в кремнії, особливо при низькотемпературних відпалах. Внаслідок чого, відбувається кластеризація легуючої домішки і її електрична деактивація.

Точкові дефекти можуть змінювати як розчинність As в легованій області, так і входити до складу кластерів арсену, окрім того, призводити до модифікації профілів розподілу As в кремнії.

Для управління концентрацією і типом точкових дефектів було використано імплантацію домішок кисню та вуглецю, які, за рахунок створення хімічних зв’язків з Si, в процесі відпалу структур, дозволяють змінювати концентрацію точкових дефектів відносно їх рівноважної величини при даній температурі.

В нашій роботі, кремнієві зразки р – типу провідності імплантувались іонами As з енергією 10 кеВ в інтервалі доз 41014 – 51015 см-2. Частина зразків далі додатково імплантувались іонами O2+ з енергією 30 кеВ дозами 1,6.1014 і 6.1014 см-2, а також іонами С+ з енергією 30 кеВ та дозою 61014 см-2. Зразки відпалювались в атмосфері аргону в інтервалі температур 500 – 1000оС. Час відпалу змінювали від 30 секунд до 3 годин.

Дослідження сформованих структур проводилося за допомогою чотирьохзондової методики вимірювання поверхневого опору та МСВН після стравлення шару SiO2.

Мас спектрометричні дослідження показали, що додаткова імплантація вуглецю приводить до суттєвого уширення профілів, зменшення концентрації As в максимумі розподілу та появи значного затягування профілю у глибину (рис.4.). Зміщення максимуму розподілу As на 5-7 нм відповідає коефіцієнту дифузії ~ 1.410-18 см2/с. Такі коефіцієнти дифузії мають місце для значно більших температур відпалу. Збільшення коефіцієнта дифузії пов’язане з появою великої кількості вакансій в глибині кристалу.

Відпал структур імплантованих киснем призводить до стабілізації профілю розподілу As і невеликого зміщення розподілу в напрямку поверхні зразка.Така поведінка арсену імовірно пов’язана з появою блокуючого шару між максимумами розподілу O2 і As. Блокуючий шар з’являється внаслідок інжекції великої кількості міжузлових атомів кремнію при рості фази SiOX.

Дослідження залежності поверхневого опору Rs від температури відпалу контрольних зразків (без додаткової імплантації) і зразків, додатково імплантованих киснем і вуглецем дозволили слідкувати за електроактивацією As в кремнії, яка оцінювалась по величині поверхневого опору.

Максимальна активація арсену в контрольних зразках спостерігалася при температурах відпалу 700-750 С. Зростання температури відпалу призводить до деактивації арсену внаслідок формування кластерів As4V. Відпал даних структур при оптимальних умовах в присутності додатково імплантованих домішок призводить до зростання величин Rs. Подальше збільшення часу відпалу викликає зростання поверхневого опору (пічний відпал).

Збільшення дози імплантованого кисню до 6.41014 см –2 призводить до зменшення поверхневого опору вже після 60 хвилин відпалу. Після двох годин відпалу, поверхневий опір досяг значень характерних для 30 секундного ШТВ відпалу.

Цей ефект пов’язаний з пересиченням області розподілу As міжвузельними дефектами, що зсуває термодинамічну рівновагу між As, який знаходиться в позиції заміщення і кластерами типу As4V в бік зменшення концентрації кластерів, що містять вакансії.

В п'ятому розділі дисертації розглянуто вплив ультразвукових обробок на аморфізацію кремнію і дифузію домішок та точкових дефектів в процесі імплантації іонів B+ та Ar+.

УЗ хвилі розповсюджуючись через напівпровідник впливають на генерацію та дисоціацію точкових дефектів і дефектних комплексів. В зв’язку з цим, УЗ обробки твердого тіла під час імплантації домішок виглядає потужним інструментом впливу на дифузійну поведінку системи домішка - точкові дефекти.

Оскільки імплантація домішок викликає велику кількість залишкових дефектів, які впливають на електричні властивості імплантованого шару, то передбачалося, що використання УЗ обробки дасть можливість зменшити порогову дозу аморфізіції, концентрацію дефектів після відпалу аморфного шару та пригнічення процесу прискореної дифузії імплантованої домішки.

Зразки Si(100) 10 омсм імплантувалися іонами Ar+ з енергією 150 кеВ і дозою 41014 см -2 та іонами B+ з енергією 50 кеВ і дозою 11016 см-2. Частина зразків в процесі імплантації розміщувалась на п’єзоелектричних перетворювачах з резонансною частотою від 600 кГц до 7 МГц через спеціальну акусто – зв’язуючу речовину.

Ультразвукові коливання генерувалися в пластині за допомогою перетворювача, що працює в резонансно коливальному режимі.

Для проведення досліджень використано методи спектрометрії зворотного резерфордівського розсіювання іонів (ЗРІ) та ВІМС. Результати свідчать, що для зразків імплантованих аргоном, УЗ обробка суттєво впливає на структуру приповерхневої області моно-кристалічного кремнію.

Без УЗ обробки, поблизу поверхні існує збагачений дефектами шар і під ним прихований аморфний шар. Наявність ультразвукового впливу призводить до формування аморфного шару безпосередньо з поверхні Si. Показано, що ступінь розупорядкування кристалічної фази при УЗ опроміненні призводить до зменшення критичної дози аморфізації кремнію.

Обґрунтовано механізм збільшення товщини аморфного шару при дії УЗ опромінення, який полягає в наступному: в процесі імплантації, коли точкові дефекти знаходяться в збудженому стані, УЗ хвиля впливає на дифузію більш рухомих міжвузлових атомів, які просторово розділяються з вакансіями і не рекомбінують, що і збільшує товщину аморфного шару.

Показано, що ультразвукове опромінення при імплантації іонів бору сприяє зменшенню концентрації точкових дефектів поблизу поверхні до відпалів, і більш ефективно після відпалів.

Відкрито явище пригноблення прискореної дифузії бору імплантованого в кремній при дії ультразвуку.

На рис.5. приведені профілі розподілу бору, імплантованого в кремній, без (крива 1) та при збудженні УЗ коливань. Видно, що відпал кремнієвої структури (900?С, 30 с) імплантованої без УЗ-коливань призводить до зміщення хвостової частини профілю бору (крива 3) вглиб зразка. В той же час, хвостова частина профілю розподілу бору імплантованого при дії ультразвуку залишається незмінною навіть при відпалі (крива 2).

Відомо, що прискорена дифузія бору в Si пов’язана із взаємодією атомів бору з власними міжвузловими атомами кремнію. УЗ обробка стимулює дифузію власних міжвузлових атомів кремнію вглиб кристалу (відбувається сепарація міжвузлових атомів кремнію і вакансій), що перешкоджає формуванню великої кількості {311} дефектів при відпалах. В цьому випадку, в області розподілу іонів бору, немає джерел міжвузлових атомів кремнію, якими є {311} дефекти. Атоми бору рекомбінують з вакансіями, що і призводить до зменшення прискореної дифузії бору.

Висновки

1. Розроблено методику високочастотного розпилення діелектричних матриць для проведення масс-спектрометричного аналізу розподілу домішок в твердих тілах. Проведено аналіз форми кратерів в різних діелектричних матриць залежно від умов розпилення.

Вперше показано, що однорідність розпилення поверхні діелектричних матриць на дні кратера залежить від частоти первинного іонного струму сформованого внаслідок прикладання ВЧ-напруги з прямокутною формою імпульсів між "стінкою" плазми та зразком.

2. Досліджено процеси гетерування введених імплантацією в мультикристалічний кремній нерівноважних рекомбінаційно-активних домішок міді та заліза шаром Al/пор-Si/мк-Si при використанні швидких термічних відпалів. Показано, що ефективність гетерування залежить від часу та температури відпалів, структури гетерного шару та характеру розподілу в ньому Al при відпалах. Запропоновано модель гетеруючого ефекту пов’язану з кінетикою преципітації атомів металу та інжекцією точкових дефектів при фотонних відпалах. Вперше виявлено прискорену (аномальну) дифузію домішки заліза в гетерний шар.

3. Встановлено, що точкові дефекти, сформовані при відпалах кремнієвих зразків імплантованих киснем та вуглецем дозволяють модифікувати розподіл та концентрацію As імплантованого в кремній. Велика кількість вакансій утворена в зразках імплантованих вуглецем призводить до стимульованої (прискореної) дифузії As в напрямку максимуму розподілу вуглецю. Міжвузлові атоми кремнію, що формуються внаслідок розростання фази SiOX при відпалах зразків імплантованих киснем, призводять до утворення блокуючого шару, який перешкоджає дифузії арсена.

Показано, що максимальна електроактивація As в Si спостерігається після відпалів при температурах 700-750?С впродовж 30 секунд. Збільшення часу або температури відпалів призводить до деактивації арсену, як в присутності додатково введених домішок, так і без них. При великих дозах імплантованого кисню, залежність електричної активності від часу відпалу при оптимальній температурі має нелінійний характер. Після відпалу впродовж години, поверхневий опір починає зменшуватись. Вже через 2 години такої температурної обробки As/Si структури, величина поверхневого опору характерна для 30 секундного відпалу. Даний факт указує на перспективність використання подібних модифікаційних обробок для збільшення концентрації електроактивного арсену в технології створення надмілких p/n переходів.

4. Вперше показано, що використання УЗ обробки при імплантації іонів бору та аргону призводить до зменшення концентрації дефектів поблизу поверхні кремнію як до так і після відпалів, а також дозволяє зменшити критичну дозу аморфізації кремнію. Вперше знайдено ефект пригнічення прискореної дифузії імплантованого в кремній бору при УЗ опроміненні. Запропоновано модель пригнічення прискореної дифузії бору пов'язану з сепарацію точкових дефектів внаслідок стимульованої ультразвуком дифузії власних міжвузлових атомів Si.

Основні результати опубліковано в таких роботах:

1. Б.М. Романюк, В.Г. Попов, В.П. Мельник, М.І. Клюй, В.І. Горбулик, О.С. Оберемок. Вплив термічних обробок на час життя нерівноважних носіїв заряду в Cz–Si. // Науковий вісник Чернівецького університету. (Фізика. Електроніка.), 2000, випуск 79, с. 25-29.

2. B. Romanjuk, D. Krьger, V. Melnik, V. Popov, Ya. Olikh, V. Soroka, O. Oberemok. Ultrasound effect on radiation damages in boron implanted silicon. // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2000. V. 3, N 1. p.p. 15-18.

3. A.A. Evtukh, V.G. Litovchenko, A.S. Oberemok, V.G. Popov, Yu. V. Rassamakin, B.N. Romanyuk, S.G. Volkov. Investigations of impurity gettering in multicrystalline silicon.// Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2001. Vol. 4, № 4. p.p. 278-282.

4. I.P. Lisovskyy, I.Z. Indutnyy, P.Ye. Shepeliavyi, B.M. Gnennyy, O.S. Oberemok. Densification of SiOx films due to thermal annealing // Abstracts of the 19th Int. Conf. on Amorphous and Microcrystalline Semiconductors (ICAMS19).- 2001, Aug. 27-31.- Nice, France.- p. 49.

5. O. Oberemok, P. Lytvyn. Borophosphosilicate glass component analysis using secondary neutral mass spectrometry.// Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2002, Vol. 5, № 1. p.p. 101-105.

6. O. Oberemok. HFM sputtering of the BPSG layers in the INA-3 instrument. // International conference INA-Anwendertreffen (Clausthal-Zellerfeld, 20 October 2001 Germany).

7. В.Г Литовченко, О.С. Оберемок, В.Г. Попов, Ю.В. Рассамакін, Б.М. Романюк. Гетерування рекомбінаційно-активних домішок в мультикристалічному кремнії при швидких термічних обробках. // 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-1 (з міжнародною участю). Україна, Одеса, 10-14 вересня 2002 р. Том 2. Стендові доповіді. - Тези доповідей: У 2 т. - Одеса: Астропринт, 2002. - 295 с.

8. С.Г. Волков, А.А. Євтух, В.Г. Литовченко, О.С. Оберемок, В.Г. Попов, Ю.В. Рассамакін, Б.М. Романюк. // Гетерування рекомбініційно-активних домішок в мультикристалічному кремнії при швидких термічних обробках.// Український фізичний журнал 2002, том 47, № 7, с. 684-689.

9. Yu. V. Rassamakin, A. A. Evtukh, V. G. Litovchenko, A. S. Oberemok, V. G. Popov, and B. N. Romanyuk. // Model concepts for the gettering metal impurities in structures based on Si with developed surface EPS -12: General Conference Trends in Physics (26-30 August 2002 Budapest). P1 – 110 – C.

10. Лисовский И.П., Индутный И.З., Гненный Б.Н., Литвин П.М., Мазунов Д.О., Оберемок А.С., Сопинский Н.В., Шепелявый П.Е. Фазово-структурные превращения в пленках SiOx в процессе вакуумных термообработок // Физика и техника полупроводников – 2003. – Том. , выпуск . – с. –103.

11. М.Я. Валах, В.Н. Джаган, Л.А. Матвеева, А.С. Оберемок, Б.Н. Романюк, В.А. Юхимчук. Исследования влияния углерода на свойства гетероструктур/ SiGe // Физика и техника полупроводников – 2003. – Том. , выпуск . – с. –464.

12. Б. М. Романюк, В.Г. Попов, О.С. Оберемок, В.П. Мельник, С.Г. Волков. Вплив імплантації іонів О+, С+ на перерозподіл і електричну активність арсену на границі розділу структур SiO2-Si. // Науковий вісник Чернівецького університету. (Фізика. Електроніка.), 2005, випуск 237, с. 14-18.

Оберемок О. С. Дослідження механізмів дифузії імплантованих домішок в шаруватих структурах на основі кремнію в умовах нерівноважної концентрації точкових дефектів. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.07. – фізика твердого тіла – Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню впливу нерівноважних точкових дефектів на процеси перерозподілу домішок поблизу границь розділу фаз в твердому тілі, вивченню механізмів прискореної дифузії домішок, їх електричної активації та преципітації, дослідженню процесів гетерування рекомбінаційно-активних домішок в шаруватих структурах мультикристалічний кремній – поруватий кремній – алюмінієва плівка та дослідженню впливу УЗ випромінювання на процеси дифузії дефектів при імплантації іонів бору та аргону в кремній.

Розроблено методику пошарового високочастотного розпилення діелектричних матриць.

Показано, що точкові дефекти, сформовані внаслідок відпалу SiO2/Si структур додатково імплантованих домішками кисню або вуглецю дозволяють керувати поведінкою домішки арсену поблизу поверхні.

Досліджено активацію домішки As після ізохронних та ізотермічних відпалів в присутності кисню та вуглецю.

Показано, що por-Si+Al/Si структура є ефективним гетерним шаром при ШТВ. Виявлено прискорену дифузію атомів заліза на гетерний шар в мультикристалічному кремнії. Запропоновано модель гетеруючого ефекту пов’язану з кінетикою преципітації атомів металу та інжекцією точкових дефектів при ШТВ.

Виявлено, що УЗ опромінення, при імплантації, призводить до зменшення дефектності як у вихідних, так і у відпалених зразках, а також до пригнічення прискореної дифузії бору в кремнії. Запропоновано фізичну модель цього явища.

Ключові слова: точкові дефекти, імплантація, електроактивація, преципітація, гетерування, дифузія, ультразвукове опромінення, МСВН.

Оберемок А.С. Исследование механизмов диффузии имплантированных примесей в многослойных структурах на основе кремния в условиях неравновесной концентрации точечных дефектов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины. – Киев, 2005.

Диссертация посвящена исследованию влияния неравновесной концентрации точечных дефектов на поведение имплантированных примесей вблизи границ разных фаз в твердом теле, изучению механизмов ускоренной диффузии примесей, их электрической активации и преципитации, исследованию процессов гетерирования рекомбинационно-активных примесей слоистыми структурами мультикристаллический кремний – пористый кремний – алюминиевая пленка и исследованию влияния ультразвукового (УЗ) облучения на процессы диффузии дефектов при имплантации ионов бора и аргона в кремний. Разработана методика послойного высокочастотного распыления диэлектрических матриц.

Обнаружено, что скорость накопления имплантированной примеси мышьяка (As) на границе раздела фаз SiO2/Si значительно больше в сравнении с примесью сурьмы (Sb) при быстрых термических отжигах (БТО). Перераспределение примеси мышьяка более эффективно осуществляется на первых этапах отжига, тогда как перераспределение примеси сурьмы определяется временем отжига при одинаковых температурах. Показано, что точечные дефекты, сформированные вследствие отжига кремниевых структур дополнительно имплантированных примесями кислорода или углерода на большую глубину, чем мышьяк, позволяют управлять поведением примеси вблизи поверхности исследуемых структур. Предложены физические модели диффузии As в структурах имплантированных ионами кислорода или углерода. Исследована электрическая активность примеси As после изохорных и изотермических отжигов в присутствии кислорода или углерода.

Исследованы процессы диффузии имплантированных в кремний примесей Cu и Fe на гетерный слой при БТО. Показано, что слой пористого кремния действует как эффективный гетер примесей из объема кристалла, однако при осуществлении отжигов в не достаточно чистых условиях он быстро насыщается примесями из окружающей среды, окисляется, и при превышении температуры 800?С сам становится источником примесей, которые диффундируют в объем кристалла. Наличие пленки Al на поверхности пористого кремния приводит к образованию тонкой пленки Al2O3, которая защищает гетерный слой от проникновения примесей из атмосферы печи. Степень пористости определяет эффективность процесса гетерирования, что связано с образованием своеобразной Si-Al эвтектики вблизи границы раздела por-Si+Al/Si. Предложены оптимальные температуры и времена БТО для получения гетерирующего эффекта (T=750єC. t= 120 секунд.). Произведена оценки энергии активации и коэффициентов диффузии меди и железа в имплантированных образцах, подверженных БТО. Обнаружено ускоренную (аномальную) диффузию железа в гетерный слой, в то время как коэффициент диффузии меди соответствует литературным данным для монокристаллического кремния. Предложено модель гетерирующего эффекта связанную с кинетикой преципитации атомов метала и инжекцией точечных дефектов при фотонных отжигах.

Исследовано и показано, что использование in-situ УЗ обработки позволяет уменьшить критическую дозу аморфизации кремния при имплантации примеси аргона. Данный факт может быть использован для подавления каналирования имплантированных электрически активных примесей при изготовлении сверхмелких p-n переходов, а также для оптимизации процессов твердофазной рекристаллизации имплантированных слоев при пост-имплантированных отжигах (в частности, для уменьшения концентрации точечных дефектов).

Установлено, что использование УЗ облучения при имплантации ионов бора приводит к уменьшению концентрации точечных дефектов в кремнии. При отжигах происходит сепарация вакансий и собственных междоузельных точечных дефектов, что способствует размещению атомов бора в узлах кристаллической решетки кремния и увеличивает электрическую активацию примеси. Показано, что УЗ обработка пластин во время имплантации атомов бора в Si существенно уменьшает диффузию B при последующих отжигах. Предложена модель этого процесса.

Ключевые слова: точечные дефекты, имплантация, электроактивация, преципитация, гетерирование, диффузия, ультразвуковое облучение, МСВН.

Oberemok O.S. Investigation of the diffusion mechanisms of implanted dopants in the layered silicon-based structures at non-equilibrium point defect concentration. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by a specialty 01.04.07 – Solid State Physics. – V. Lashkarev Institute of Semiconductor Physics NAS Ukraine. – Kyiv, 2005.

The influence of non-equilibrium point defect concentration on the dopant gettering, redistribution, enhanced diffusion, electrical activation near to interfaces in solid were investigated. Also the ultrasound (US) treatment action during argon or boron implantation on the point defects diffusion were studied.

The layer-by-layer high-frequency sputtering technique of the dielectric targets was developed.

It is shown that point defects formed as a result of the rapid thermal annealing (RTA) of the oxygen or carbon implanted SiO2/Si structures allow to control the behavior of the implanted dopants near interfaces. The arsenic electrical activation in silicon was studied after isochoric and isothermal annealing.

It is found that porous Si + Al/Si structure is the efficient gettering layer for silicon implanted by copper or iron after the RTA annealing. The iron-enhanced diffusion toward the gettering layer was discovered. Optimal temperatures and times were proposed for the gettering