ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 4, с. 88-91
УДК 546.28
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОМОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ОБЛУЧЕНИИ ИОНАМИ
РАЗЛИЧНЫХ МАСС
© 2004 г. А. Н. Киселев, В. Л. Левшунова, В. А. Перевощиков, В. Д. Скупов
Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ им. НИ. Лобачевского,
Нижний Новгород, Россия Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Методом сканирующей атомно-силовой микроскопии обнаружено, что последовательное облучение ионами гелия и аргона образцов кремния приводит к возникновению на поверхности кристаллов характерных полусферических или конусообразных выступов. Предполагается, что возникновение таких выступов по своей природе аналогично блистерообразованию в металлах. Активная роль в этом процессе может принадлежать микродефектам, вблизи которых накапливается гелий. Доказательством последнего служат данные об изменениях микродефектности после облучения, полученные в работе методом селективного химического травления.
ВВЕДЕНИЕ
Смешанное (или комбинированное) облучение полупроводников ионами различных масс обычно используется для определения содержания внедренных примесей в узлах и междоузлиях кристаллической решетки имплантированного слоя, а также для выяснения механизмов перераспределения атомов между этими двумя состояниями [1]. Вместе с тем представляет определенный интерес использование последовательного облучения для решения актуальной для микроэлектроники задачи создания низкотемпературных технологий управления примесно-дефектным составом кристаллов и структур на глубинах, превышающих пробег ионов. Для решения этой задачи необходимы знания механизмов и кинетики протекания многих процессов, различающихся по своей природе, но в совокупности обусловливающих целенаправленную модификацию свойств приборных композиций. Важная роль в такой совокупности принадлежит микроморфологии, формируемой ионным облучением поверхности геттера, особенно в случае, когда он создается на рабочей стороне полупроводниковой пластины между активными элементами приборов.
Ранее в [2, 3] было показано, что при облучении кремния большими дозами ионов неона (превышающими дозу аморфизации) происходит изменение топографии поверхности кристаллов вследствие образования блистеров и свеллинга. Цель настоящей работы состояла в исследовании влияния комбинированного облучения ионами гелия и аргона на микроморфологию поверхности и дополнительно - на микродефектность кристаллов кремния.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектами исследований служили бездислокационные пластины кремния КЭФ-15 с ориентацией (111) толщиной 630 мкм. Исходные образцы готовились с финишным химико-динамическим полированием рабочей (облучаемой) стороны и химико-механическим полированием обратной (нерабочей) стороны. Кристаллы облучались только ионами гелия и аргона с энергией E = 40 кэВ, дозой Ф = 1 ■ 1015 см-2, а также в последовательности He+-Ar+ и Ar+-He+ при тех же режимах.
Микроморфология поверхности образцов исследовалась в сканирующем зондовом микроскопе ТМХ-2100 "Accurex" в режиме Non-Contact AFM. Кроме этого фиксировалось изменение микродефектной структуры кристаллов по глубине методом селективного химического травления в растворе HF : CrO3 = 1 : 1 в сочетании с послойным химико-динамическим полированием в смеси HNO3 : HF : : CH3COOH = 40 : 1 : 1 со скоростью 1 мкм ■ мин-1. Измерения проводились как с рабочей, так и с противоположной сторон кристаллов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Облучение только ионами гелия или аргона практически не влияет на высоту микронеровностей поверхности и лишь деформирует вид гистограмм распределения латеральных размеров деталей рельефа (рис. 1а, б, в). Напротив, последовательное облучение сначала ионами аргона (или гелия), а затем ионами гелия (или аргона) существенно изменяют и микроморфологию поверхности, и гистограммы распределения латеральных размеров микронеоднородностей рельефа (рис. 1г, д). Наибольшее изменение претерпевает поверхность
(а)
4.50
нм £4.47
4.50
2.25 мкм
00
(б)
3000
1500 нм
00
3000
1500 нм
1500 нм
Ы, отн. ед. 962-,
7214812400
1-1
0.03 0.22 0.41 0.61 0.80 Латеральный размер, мкм
Ы, отн. ед 1002
752
501
250
0
20.07
140.47 260.87 381.27 501.67 Латеральный размер, нм
00
Ы, отн. ед. 172
129
86
43
0
20.07 210.70 401.34 591.97 782.61 Латеральный размер, нм
(г)
3000
1500 нм
1500 нм
Ы, отн. ед. 2130
1597
1065
532
0
20.07
00
95.32 170.57 245.82 321.07 Латеральный размер, нм
3000
58.91
3000
00
Ы, отн. ед. 1446
1085
723
361
0
20.07 225.75 431.44 637.12 842.81 Латеральный размер, нм
Рис. 1. Микротопограммы поверхности и гистограммы распределения латеральных размеров микронеровностей рельефа рабочей стороны кристаллов кремния до (а) и после облучения ионами Аг+ (б), Не+ (в) и в комбинации Аг+-Не+ (г) и Не+-Аг+ (д).
нм
рабочей стороны кристаллов, облучавшихся в последовательной комбинации Не+-Аг+ (рис. 1д). Характерно различие в форме возникающих вы-
ступов: для случая облучения по схеме Аг+-Не+ они имеют вид усеченных конусов с эффективным диаметром у основания 160-190 нм и поверх-
90
КИСЕЛЕВ и др.
^ N
105г
104
103
102
(а)
0
^ N
105г
104
103
102
10
15
(б)
20 25 30 35 Глубина травления, мкм
10 15 20 25 30 35 Глубина травления, мкм
Рис. 2. Зависимость концентрации микродефектов от глубины химического травления кремния в исходном состоянии (1), после облучения: Лг+ (2), Не+ (3), Ие+-Лг+ (4) и Лг+-Не+ (5) с рабочей (а) и нерабочей (б) сторон.
5
5
5
ностной концентрацией (1.0-1.2) • 108 см-2, в то время как воздействие в последовательности Не+-Лг+ приводит к образованию полусферических выступов с диаметром 320-736 нм и концентрацией (1.4-1.7) • 108 см-2.
Различие влияния схемы облучения проявляется и на микротопограммах поверхности нерабочей стороны кристаллов. В таблице приведены значения средне-арифметического отклонения высоты профиля (Яа) и максимальная высота микронеровностей (^), зафиксированные для трех различных участков поверхности кристаллов размером 3 х 3 мкм с нерабочей стороны.
Параметры микрошероховатости поверхности нерабочей стороны кристаллов после ионного облучения
Схема облучения Параметр шероховатости
Я^ нм Яр нм
Контрольный 0.330-0.453 1.82-4.17
Не+ 0.337-0.596 1.81-5.01
Лг+ 0.408-0.508 3.02-4.08
Лг+-Не+ 0.574-0.608 3.03-5.30
Не+-Лг+ 0.407-1.03 2.24-7.46
Как видно из таблицы, облучение в последовательности Не+-Лг+ оказывает более заметное влияние на параметры микрорельефа нерабочей стороны образцов по сравнению с другими схемами имплантации. Изменения рельефа поверхности стороны кристаллов, противоположной облучаемой, по-видимому, обусловлены консервативной и неконсервативной перестройкой остаточных структурных нарушений в приповерхностном слое после химико-механического полирования, которую инициируют упругие волны (УВ), распространяющиеся от зоны торможения ионов и усиливающиеся при прохождении через кристалл с микродефектами [4, 5]. При этом происходит и трансформация компонентов в самой подсистеме микродефектов образцов. Как показывают данные селективного травления, вблизи рабочей стороны наиболее интенсивное растворение кластеров Л-типа происходит при облучении ионами аргона (рис. 2а), что ранее наблюдалось в [4, 6], а вблизи нерабочей эффективным оказывается сочетание воздействия Не+-Лг+.
Последнее вместе с результатами исследований микроморфологии поверхности кристаллов может означать, что при облучении по схеме Не+-Лг+ происходит дополнительное усиление амплитуды УВ вследствие действия процессов, в которых актив-
ная роль принадлежит гелию, наряду с механизмами, указанными в [5, 6], т.е. растворением кот-трелловских атмосфер и самих кластеров. В свете данных [2, 3] естественно предположить, что таким процессом является блистерообразование, состоящее, по меньшей мере, из двух основных этапов. На первом этапе при облучении гелием возникают мелкие (г < 3 нм) газонаполненные пузырьки, локализованные вблизи микродефектов силами статического поля упругих напряжений вокруг кластеров и (или) мелких дислокационных петель. Второй этап связан с облучением ионами аргона и непосредственным возникновением блистеров (рис. 1д) в результате спонтанной коалес-ценции мелких газовых пузырьков, которую активируют УВ, генерируемые вдоль треков тормозящихся ионов. Имплантация аргона приводит к заметному снижению дозы блистерообразования по сравнению с облучением одним типом ионов [2, 3]. Согласно [7], давление газа в блистерах может достигать 6 ■ 107 Па, что соизмеримо с амплитудой УВ, создаваемых ионами аргона на глубинах, где залегает максимум концентрации внедренного гелия [4]. Динамическая перестройка мелких газовых пузырьков в блистеры сопровождается генерацией вторичных УВ, суперпозиция которых с первичными усиливает суммарное поле упругих волн и, как следствие, интенсифицирует структурные превращения в объеме и на обеих сторонах кристаллов. Проявление этого эффекта в случае облучения в последовательности Лг+-Не+ ослаблено тем, что облучение на первом этапе ионами аргона сопровождается частичным растворением микродефектов (рис. 2а), т.е. уменьшением центров зарождения блистеров.
Таким образом, представленные результаты свидетельствуют, что комбинированное облучение ионами инертных газов сначала легких, а затем средних (или тяжелых) масс может использоваться для геттерирования микродефектов. Явление блистерообразования может найти применение при формировании наноразмерных 3D-структур в производстве изделий микромеханики с заданными топологическими рисунками при комбинированном облучении ионами через специальные маски.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. М.: Мир, 1973. 296 с.
2. Ежевский A.A., Хохлов А.Ф., Круглое A.B., Максимов Г.А. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Физика твердого тела. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 1998. Вып. 2. С. 51.
3. Ежевский A.A., Хохлов А.Ф., Максимов Г.А. и др. // Вестник Нижегородского государственного университета им.
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.