научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИИ БОРА, ФОСФОРА И МЫШЬЯКА В КРЕМНИИ ПРИ ОТЖИГЕ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИИ БОРА, ФОСФОРА И МЫШЬЯКА В КРЕМНИИ ПРИ ОТЖИГЕ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 4, с. 289-304

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.315

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИИ БОРА, ФОСФОРА И МЫШЬЯКА В КРЕМНИИ ПРИ ОТЖИГЕ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ © 2014 г. В. И. Рудаков, В. В. Овчаров, В. Ф. Лукичев*, Ю. И. Денисенко

Ярославский филиал Физико-технологического института Российской АН *Физико-технологический институт Российской АН E-mail: valeryrudakov@rambler.ru Поступила в редакцию 29.08.2013 г.

Экспериментально и теоретически исследовано влияние градиента температуры на диффузию бора, фосфора и мышьяка при отжиге кремния в неизотермическом ламповом реакторе в секундном и минутном диапазонах. Определены параметры термодиффузионного процесса: для диффузии бора в секундном диапазоне — эффективный коэффициент диффузии Df ~ 10-12 см2/с и эффективная

3 4

измеряемая теплота переноса Qmeff ~ 10 —10 эВ. Дано объяснение полученным результатам на основе уравнений неравновесной термодинамики. DOI: 10.7868/S0544126914030053

ВВЕДЕНИЕ

Важной задачей в настоящее время является поиск путей эффективного управления диффузией примеси и предсказание эволюции концентрационных профилей в процессе постимплантаци-онного отжига. Основными требованиями, предъявляемыми к процессу отжига, является сочетание минимального времени диффузии при максимально возможном удалении радиационных нарушений и высокой степени активации примеси. Одним из наиболее перспективных считается быстрый термический отжиг (БТО), основанный на облучении пластины кремния мощным потоком некогерентного излучения в инфракрасном, видимом или ультрафиолетовом диапазонах [1, 2]. Время отжига может варьироваться от миллисекунд до нескольких минут. Теория БТО, несмотря на интенсивные исследования в этой области, до конца не разработана [3—10]. Одной из основных ее проблем является ускоренная диффузия примеси на "хвостах" концентрационного профиля, характеризующаяся аномально высоким коэффициентом диффузии Б. Его значение может превышать соответствующую величину при обычной термической диффузии на 1—2 порядка. С целью эффективного управления "хвостами" профилей при диффузии бора, фосфора и мышьяка была предпринята попытка ввести дополнительный управляющий параметр, влияющий на диффузию примеси — градиент температуры УТ по глубине кремниевой пластине [11—12]. Результаты эксперимента показали, что введение УТ при постимплантационном отжиге оказывает заметное влияние на распределение примеси в

кремнии. Такое влияние УТ на распределение примеси невозможно объяснить без привлечения дополнительных предположений о значениях эффективных параметров, определяющих процесс термодиффузии. "Традиционные" значения теплоты переноса О* по порядку величины соответствуют значениям энергии активации примеси Е и лежат в пределах от 1 до 10 эВ. При существующем в пластине градиенте температуры порядка 100 К/см (даже при коэффициенте стимулированной диффузии на 1—2 порядка, превышающем обычные значения коэффициентов диффузии) такие значения теплоты переноса не могут вызвать заметного расхождения неизотермических профилей, соответствующих разным знакам УТ, при временах отжига ~10—103 с. Первая попытка объяснить наблюдаемые расхождения между профилями на основе действия аномально высокого УТ, существующего в поверхностном слое, была предпринята в [13]. Предполагалось, что граница между кристаллической областью подложки и нарушенным поверхностным слоем обладает структурой с очень низкой теплопроводностью, вследствие чего там возникает относительно высокое значение УТ. Однако, как показали более поздние исследования [14, 15], в приграничной области, примыкающей к кристаллу, протяженностью порядка пяти атомных плоскостей обеспечивается плавный переход от кристаллической структуры к аморфной. Очевидно, такой переход не предполагает возникновения в данном месте высокого значения УТ, связанного с аномально низкими значениями теплопроводности. Другой причиной возникновения высоких значений УТ на границе раздела "аморфизиро-

4

289

| } ч

Пластина

= }г + },

сопй

эффекта является стимулированная диффузия примеси [4, 5, 18—20]. В основе механизма стимулированной диффузии лежит генерация избыточных собственных точечных дефектов (СТД) материала пластины — вакансий и собственных меж-доузельных атомов (СМА). СТД образуются при растворении остаточных дефектов — дислокационных петель и дефектов упаковки, сформировавшихся в процессе ионной имплантации [4, 6, 7, 19, 21-26].

На рис. 1 представлена схема тепловых потоков, иллюстрирующая процесс нагрева пластины при создании УТ в установке неизотермического отжига. В стационарном состоянии уравнение теплового баланса можно записать в виде

Теплоотвод

Рис. 1. Баланс тепловых потоков, подводимых и отводимых от нижней поверхности пластины.

ванная поверхность - кристаллическая подложка" может являться твердофазная рекристаллизация [16]. Градиент температуры в подложке может влиять на скорость движения межфазной границы, и, следовательно, на величину, возникающего на ней градиента температуры. В свою очередь, это приводит к разделению примесных профилей, соответствующих двум противоположным знакам У Т. Обоснованность этого предположения будет обсуждаться в дальнейшем.

Целью данной работы является экспериментальное и теоретическое исследование влияние градиента температуры на диффузию бора, фосфора и мышьяка в кремний при отжиге ионноимпланти-рованных слоев в неизотермическом реакторе.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.1. Особенности и методика отжига в неизотермическом реакторе

Экспериментальные исследования влияния градиента температуры У Т на диффузию примеси в условиях БТО были выполнены на установке термоградиентной обработки полупроводниковых пластин [17]. Создание градиента температуры в этой установке достигалось при регулируемом одностороннем нагреве полупроводниковой пластины источником излучения с максимумом в области длин волн 0.75-1.1 мкм и отводом тепла с необлучаемой стороны пластины. Следует отметить, что при такой длине волны излучения на диффузию примеси с облучаемой стороны может оказывать влияние фотонный эффект, который проявляется в улучшении электроактивации примеси с уменьшением длины волны падающего излучения [4]. Вторым важным проявлением этого

^ Ы ^V + ,

сопй

или

К = сте (т2 - Т*оШ) + к.

Т - Тсо

I

(1)

(2)

где Jw — плотность продольного теплового потока в пластине; Jr и }соЫ — потери тепла с нижней поверхности пластины за счет излучения и теплопроводности, соответственно; ДТ = Т1 - Т2, где Т1 и Т2 — температуры верхней и нижней поверхности пластины; Тсоп1г — контролируемая температура элемента, регулирующего теплоотвод (водо-охлаждаемого пьедестала); кЫ и к& — теплопроводности, соответственно, пластины и газа, заполняющего реактор; Б — площадь пластины; е — приведенная излучательная способность пластины и водоохлаждаемого пьедестала; а — постоянная Стефана—Больцмана. Как видно из уравнения (2), величина УТ зависит от температуры пьедестала и может регулироваться изменением величины зазора I между пьедесталом и пластиной. При увеличении I, составляющая теплового потока }сопа становится существенно меньше Jr, и величина УТ значительно снижается; в этом случае мы имеем дело с вариантом одностороннего лампового нагрева, близкого к "изотермическому" нагреву, реализуемого в ряде конструкций оборудования БТО.

Для исследования влияния УТ на эволюцию концентрационных профилей бора, фосфора и мышьяка, имплантированных в пластины низколегированного кремния (100) п- и^-типа, проводились эксперименты по диффузии этих примесей в секундном (0—60 с) и минутном (4—10 мин) диапазонах отжига. Термообработка всех имплантированных подложек кремния проводилась в нейтральной атмосфере. Образцы в виде пластин диаметром 100 мм и толщиной 0.45 мм или кусочков подложек с размерами 20 х 20 мм2 — располагались на тонких теплоизолирующих держателях

г

1

2

T, °C 1050

т = 60 c

20

10

70

100 t, c

Рис. 2. Температурно-временная диаграмма процесса отжига с временной полкой т = 60 с.

на расстоянии I = 0.45 мм от охлаждаемой поверхности медного пьедестала. Отжиг образцов производился при двух направлениях градиента, соответствующих значениям УТ = ±70 К/см и температуре нижней поверхности подложки 1030°С, контролируемой по пирометру. При этом разница температур между верхней (нагреваемой) и нижней (охлаждаемой) сторонами образца находилась в пределах 3—3.5°С. Исходные и диффузион-

ные профили после отжига ионно-имплантиро-ванных слоев контролировались с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на спектрометре Cameca IMS 4F, травление производилось в пучке первичных ионов О+. Калибровка по глубине профилей производилась измерением глубины кратера на профилометре Talistep.

1.2. Диффузия бора в секундном временном диапазоне

В исходные пластины кремния КЭФ-4,5 с двусторонней полировкой с каждой стороны имплантировался бор с дозой 7.6 х 1014 см-2 и энергией 40 кэВ. Затем на обе стороны пластины при температуре 800° С в течение 80 мин наносилась защитная пленка нитрида кремния Si3N4 толщиной 0.125 мкм. После этого проводился неизотермический БТО пластины в течение т =10 с и т = 60 с согласно температурно-временной диаграмме на рис. 2. Распределение концентрации бора по глубине пластины после отжига представлена на рис. 3 и 4. Как видно из рис. 3, неизотермические профили смещены друг относительно друга. Расстояние между ними возрастает от значения Ах1 ~ ~ 0.03 мкм (в области пика концентрации С) на уровне С1 = 1019 см-3 до Дх2 ~ 0.054 мкм на уровне С2 = 1017 см-3 (на "хвостах" профиля). Пиковые значения концентраций также смещены друг относительно друга, однако дать количественную оценку этого смещения, исходя из представлений о влиянии УТ, как обобщенной силы, действую-

(а)

(б)

7E+19 6E+19 5E+19

т/ а

S 4E+19

и ц

а

| 3E+19

ен ц

н

о Ко

2E+19 -

1E+19

0E+00

1E+20 ет

1E+19 =

1E+18

1E+17 z

1E+16

0.2 0.4

Глубина, мкм

0.2 0.4

Глубина, мкм

Рис. 3. Концентрационные профили бора в в образцах после отжига в неизотермических условиях с т = 10 с (© = 0 — исходный профиль): (а) —

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком