ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 1, с. 78-85
УДК 537.311.33
НАКОПЛЕНИЕ И ВЫХОД ИМПЛАНТИРОВАННОГО ВОДОРОДА ИЗ БЛИСТЕРОВ В 81 ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ
© 2004 г. П. А. Александров, Е. К. Баранова, И. В. Баранова, В. В. Бударагин, В. Л. Литвинов
РНЦ "Курчатовский Институт", Институт информационных технологий, Москва, Россия
Поступила в редакцию 06.06.2002 г.
Оптическими методами исследованы процессы накопления и выхода имплантированного водорода из блистеров в кремнии при термообработке в интервале температур 350-1020°С. Установлено, что накопление газообразного водорода внутри блистеров происходит до температуры 450-500°С и сопровождается увеличением толщины блистеров и деформацией их крышек. При более высокой температуре газообразный водород выходит из блистеров, растворяясь в кремнии. Вследствие снижения внутреннего давления происходит частичная релаксация упругодеформированного поверхностного слоя и уменьшение толщины блистеров. При стравливании поверхностного слоя на месте блистеров, приблизительно на глубине их залегания, обнаруживаются скопления мелких пор (<0.3 мкм). Собственно процессы, определяющие отщепление, происходят до ~500°С. Эффективность отщепления, особенно при более высоких температурах, существенно зависит от скорости нагрева.
ВВЕДЕНИЕ
Метод ионного отщепления (скалывания) основан на имплантации водорода с последующим соединением пластин через слой изолятора и термообработкой. Впервые он был реализован в технологии Smart-Cut® [1] для получения структур "кремний-на-SiO^'. Потенциальные возможности метода связаны с его использованием для переноса пленок не только Si, но и других кристаллических материалов на различные подложки [2-7]. Однако, несмотря на практические достижения, до настоящего времени нет достаточно полного понимания механизмов физических процессов, протекающих на различных стадиях обработки пластин и приводящих к отщеплению. Поведение водорода играет ключевую роль в этих процессах и поэтому, как правило, является основным предметом исследования. Отсутствие эффекта отщепления при использовании ионов инертных газов (например Не [8]) свидетельствует о специфических свойствах внедренного водорода, связанных с его химическими взаимодействиями в кристаллической решетке.
Основным фактором при отщеплении является переход водорода из связанных состояний в решетке в газообразное состояние внутри различных микрополостей, локализованных вблизи максимума имплантационного распределения (~Rp). С этой точки зрения состояния имплантированного водорода в кремнии можно разделить на две основные группы.
К первой группе относятся связанные состояния водорода в составе простых дефектов, к числу которых принадлежат водородсодержащие ва-кансионные и межузельные комплексы (типа VxHy или THy), примесные центры и молекулы H2, занимающие межузельные положения Td в решетке кремния [9-11]. В целом эта группа характеризуется распадом водородосодержащих дефектов
при термообработке (начиная с ~200°С [12]). В результате распада происходит одновременное высвобождение атомов водорода и их диффузия с захватом на более устойчивых ловушках, в частности, в микропорах вакансионного типа.
Другая группа состояний обусловлена образованием микропор и крупных (макроскопических) пластинчатых дефектов, внутри которых водород собирается в молекулярном газообразном состоянии H2(g), а на их внутренних поверхностях может образовывать поверхностные SiHx = 123 связи.
Особый интерес представляют связанные состо-
*
яния H2 в водородных пластинчатых дефектах (ВПД) или "HIPs - hydrogen induced platelets" [13]. Перестройка ВПД при термообработке приводит к одновременному образованию полостей и переходу
водорода в газообразное состояние H* —► H2(^.
Исходное соотношение между различными состояниями внедренного водорода в кремнии зависит от условий облучения, в первую очередь, от дозы и температуры. В режимах ионного отщепления имплантация обычно проводится в интервале температур от комнатной до 200-300°С при дозе облучения от 2 ■ 1016 до ~1017 см-2 [14]. В этих условиях водород непосредственно после имплантации находится преимущественно в растворенном состоянии в решетке кремния в составе различных простых дефектов и в ВПД.
При последующем нагреве образца от ~300 до ~400-450°С происходит образование и выделение H2(^ внутрь различных полостей. Давление, создаваемое газообразным водородом, увеличивается по мере его накопления и приводит к возникновению механических напряжений, превышающих предел прочности материала. В итоге на глубине ~Rp образуется трещина, отделяющая
поверхностный слой от подложки. В зависимости от механических условий на поверхности образца давление газа вызывает либо локальное выпучивание поверхностного слоя при достижении критического размера трещины [15] (блистеринг), либо ее дальнейший боковой рост, приводящий к отщеплению. Таким образом, в основе отщепления и блистеринга лежат одни и те же причины.
Следует отметить отличие радиационного блистеринга [16], происходящего непосредственно в процессе облучения, от термического блистеринга, который проявляется в ходе последующей термообработки после имплантации. Радиационный блистеринг обусловлен накоплением молекул или атомов плохо растворимого газа в вакансионных порах радиационного происхождения, т.е. непосредственно не связан с химическими свойствами внедренных частиц Н, Не. При этом захват последних на ловушках увеличивает их эффективную растворимость. Поэтому создание центров захвата может использоваться для подавления радиационного блистеринга [17]. Термический блистеринг, напротив, определяется именно химическим взаимодействием водорода с кремнием, т.е. образованием определенных связанных водородных состояний и их последующей термически стимулированной перестройкой, сопровождающейся выделением газа. При этом полная концентрация внедренных атомов водорода остается неизменной. Присутствие центров захвата и их распад при определенной температуре являются необходимыми условиями термического блисте-ринга.
По мере увеличения температуры термообработки, с одной стороны, усиливаются процессы распада водородсодержащих дефектов. Водород в виде газа скапливается в микротрещинах (блистерах), повышая внутреннее давление. Соответственно увеличивается эффективность отслаивания. С другой стороны, при температурах выше 450°С начинается конкурирующий процесс растворения водорода в кремнии. Водород уходит из блистеров, диффундирует в объем кремния или к внешней поверхности и выходит из образца. Давление внутри полостей уменьшается. В итоге эффективность отщепления определяется процессами перераспределения водорода между "объемом" кремния и "порами". Имеющиеся результаты исследований ионного скалывания при температурах термообработки примерно до 900°С [1, 18] свидетельствуют об уменьшении времени скалывания с ростом температуры. Наряду с этим, экспериментальные данные, полученные различными методами (термодесорбционной спектроскопии [18], методом ядерных реакций и ИК спектроскопии [19, 20]), подтверждают наличие обратного конкурирующего процесса растворения и выхода водорода из кремния. Следовательно, возникает вопрос о роли и относительном вкладе обоих указанных процессов.
Целью данной работы является изучение накопления и выхода имплантированного водорода из блистеров в кремнии при нагреве до высоких температур (~1000°С) в применении к процессу ионного отщепления.
МЕТОДИКА
Для исследований использовались исходные образцы ^-81(100) с удельным сопротивлением 10 Ом ■ см. Имплантация ионов водорода проводилась на ускорителе ИЛУ-4/17 при двух режимах
облучения. В первом режиме энергия ионов Н+
составляла 40 кэВ (20 кэВ/атом), доза - 8 ■ 1017 см-2. Температура при облучении ограничивалась мощностью ионного пучка и не превышала ~300°С. Образование наполненных водородом блистеров происходило непосредственно в процессе облучения (радиационный блистеринг). Во втором режиме доза имплантированных ионов Н+ с энергией 40 кэВ составляла 6 ■ 1016 см-2 при температуре облучения ~100°С. Блистеры после облучения не образовывались, а формировались в ходе последующей термообработки (термический блистеринг).
В обоих случаях после имплантации проводился изохронный (30 мин) термический отжиг на воздухе в температурном диапазоне от 250 до 1020°С с шагом 50-150°С при времени нагрева 6-8 мин.
Образцы, облученные в первом режиме, использовались для исследования образования и перестройки 81-Н-связей по ИК спектрам пропускания. Измерения проводились на спектрометре ИКС-29 по двухлучевой схеме в спектральном диапазоне V = 400-4000 см-1. Относительная концентрация водорода и ее изменение при термообработке определялись по интегральному поглощению в наиболее интенсивной полосе, наблюдаемой в ИК спектрах пропускания, VS1-H ~ 640 см-1 (изгибные колебания 81-Н-связей). Полная концентрация водорода в образце Л1о1 связана с интегральным поглощением I в выбранной полосе соотношением [21]:
N = к1, (1)
где
I = |(а / V) (IV. (2)
Здесь а - коэффициент поглощения, V - волновое число (см-1), а интегрирование в (2) производится в пределах выбранной полосы поглощения. Коэффициент пропорциональности к представляет собой силу осциллятора, а его абсолютные значения отличаются для разных типов колебаний (растяжение, изгиб или вращение 81-Н-связи), но при определении относительной концентрации можно принять к = 1.
Так как полоса VS1-H ~ 640 см-1 обладает сложной структурой (рис. 1а), она может быть разло-
А, отн. ед. 0.4
(а)
Сн, отн. ед. 120
100 80 60 40 20
(б)
550
600
650
700
750 0
V, см
г-1
200 400 600 800 1000
ТА, °С
кремнии: после имплантации
Рис. 1. Полоса ИК поглощения Vsi _ н ~ 640 см 1 на изгибных колебаниях 8^И-связей ]
Н+ , 20 кэВ/ат., 8 • 1017 см-2 (1) и изохронного (30 мин) отжига при температурах 400 (2), 470 (3), 520 (4), 600 (5), 650 (б)
и 750°С (7)(а). Относительное изменение полной концентрации и отдельных состояний водорода в кремнии при термообработке: полная концентрация (1-4) [19, 20, 34], (7) [35], (5) [18]; концентрация во
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.