ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 12, с. 5-8
УДК 620.19
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИМПЛАНТИРОВАННОГО ВОДОРОДА В АМОРФНОЙ ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ а-8Ю2
© 2004 г. А. Д. Мокрушин, Ю. А. Агафонов, В. И. Зиненко, А. Н. Пустовит
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка,
Московская область, Россия
Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Методом вторично-ионной масс-спектрометрии измерены глубинные распределения водорода в образцах кварцевого стекла, имплантированного различными дозами ионов Н+ с энергией 40 кэВ. Распределения характеризуются наличием интенсивного приповерхностного пика и практически постоянной концентрацией на больших глубинах вплоть до пробега имплантированных ионов. Такой характер распределения можно объяснить влиянием радиационно-индуцированной диффузии атомов водорода к поверхности, через которую проводится имплантация.
ВВЕДЕНИЕ
Свойство имплантированного в кремний водорода накапливаться в пузырьках, которые при последующей термообработке образуют сплошной газовый слой, лежит в основе 8тай-Си1-техноло-гии изготовления структур кремний-на-изолято-ре (КНИ) [1-3]. Для дальнейшего развития этой технологии необходима более полная информация о поведении водорода в кремнии и системах полупроводник-диэлектрик-полупроводник (ПДП) как в процессе имплантации, так и при дальнейшем отжиге. Практически в каждом конкретном случае достаточно определить наиболее вероятные состояния водорода (локализация атомов Н вблизи того или иного дефекта, химическая связь с внутренней или внешней поверхностью раздела, молекулярный газ в пузырьках и т.д.) и его распределение по объему исследуемого объекта. Наиболее информативными методами, позволяющими судить о состоянии водорода в обсуждаемых объектах или их структурных аналогах, являются инфракрасная спектроскопия [2, 4] и электронный парамагнитный резонанс [5]. В самое последнее время с использованием рассеяния ионов в различных модификациях удалось получить информацию о пространственном (кристаллографическом) положении внедренных атомов водорода как на поверхности монокристаллического кремния [6], так и в объемных плоских дефектах [7], образующихся в результате высокодозной имплантации ионов водорода и дальнейшего отжига кремния.
Прямую информацию о глубинном распределении водорода дает метод вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС). Этот метод успешно применялся для анализа водорода, вводимого в кремний [3, 8] или гетерогенные системы 8Юг/81
[9] и 81/810^81 [8, 10, 11]. Результаты этих работ обнаруживают две особенности:
1. Характер распределения водорода в кремнии зависит от величины дозы имплантации, как это наглядно демонстрирует рис. 1, построенный по данным работы [8]. При дозах ~5 х 1016 см-2, обычно используемых в 8тай-Си1-технологии, экспериментальное распределение соответствует расчетному и имеет четкий максимум вблизи пробега протонов Яр. При больших дозах (2-3) х 1017 см 2 распределение принимает вид плато, начинающееся практически от поверхности образца.
2. При диффузионной миграции водорода в гетерогенных системах в измеряемом распределении обнаруживаются пики, положение которых соответствует переходам 81/8Ю2 [9, 10]. Накопление водорода в приповерхностных областях свидетельствует о наличии в них глубоких центров захвата, природа которых пока не установлена однозначно. Кроме того, характер распределения водорода в системе 81/8Ю2/81 сразу после "склейки" пластин и после дополнительного отжига [8] говорит о высокой проницаемости слоя а-8Ю2 в отношении водорода.
Резюмируя, можно сказать, что в кремнии поведение водорода анализировалось довольно подробно, по КНИ-структурам имеются лишь отдельные работы, а диэлектрики практически не рассматривались. Исходя из этого, мы задались целью исследовать поведение водорода, имплантированного в аморфную двуокись кремния различной природы: объемный образец а-8Ю2 (кварцевое стекло), слой термического оксида на поверхности кремниевой пластины, захороненный в кремнии 81МОХ-слой (КНИ-структура). Экспериментально изучались распределения водорода по глубине образца, по-
Концентрация, см
1021
1020
10
19
(a)
/ \
/ х / '
х
0.5
1.0 1.5
Глубина, мкм
Концентрация, см
1022
г-з
1021 1020
10
19
10
18
(б)
100 200 300 400
500 600 Глубина, нм
I, 103 имп./с 103
102 101
Рис. 1. Распределение водорода по глубине в образцах
кремния: а - ионы Н+ с энергией 130 кэВ и дозой
6 х 1016 см-2; б - протоны с энергией ~20 кэВ и дозой 2.25 х 1017 см-2 [8].
лучаемые методом ВИМС, при различных дозах имплантации. В данной работе приводятся и анализируются результаты, полученные с образцами кварцевого стекла марки КУВИ.
ЭКСПЕРИМЕНТ С помощью имплантера Varían 200-1000 пучок ионов h+, ускоренных до энергии 40 кэВ, вводился в исследуемый образец. Плотность тока пучка не превышала 3 мкА/см2, диапазон доз от 1015 до 1017 см-2. Распределение водорода по глубине образца регистрировалось на ионном микроанализаторе Cameca IMS-4F. Травление образца осуществлялось пучком ионов o+ с энергией 5.5 кэВ, диаметр пучка 20 мкм при токе около 100 нА. Пучок сканировал образец по площади 250 х 250 мкм, анализ производился с 20% площади центрального участка. Глубина конечного кратера определялась на профилометре Telistep. Предел чувствительности
10-1 ,
10
0 100 200 300 400 500 600
Глубина, нм
Рис. 2. Спектры ВИМС атомов Н для трех образцов кварцевого стекла, имплантированных дозами: ■ -2.5 х 1016, О - 5 х 1016, * - 1017 см-2.
микроанализатора соответствовал концентрации водорода ~5 х 1018 см-3. Для уменьшения зарядовых эффектов на диэлектрик напылялась пленка Аи толщиной 10 нм, а образец сканировался электронным пучком.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 в качестве примера приведены экспериментальные интенсивности счета вытягиваемых протонов в зависимости от глубины травления для трех образцов кварцевого стекла, имплантированных различными дозами. Привлекают внимание две особенности этих спектров: наличие интенсивного приповерхностного пика и равномерное распределение водорода в остальной, "объемной" части спектра. Для образцов а-ЗЮ2 даже при малой дозе имплантации не проявляется четкий пик в объемном распределении водорода, свойственный кремнию (рис. 1а), скорее оно похоже на высокодозное распределение в кремнии (рис. 16). Мы полагаем, что выравнивание распределения в обоих случаях обусловлено проявлением радиаци-онно-стимулированной диффузии водорода в направлении к поверхности, через которую проводится имплантация. В кремнии этот эффект становится заметным лишь при больших дозах, когда образуется слой аморфизованного материала. В случае а-ЗЮ2 исходный материал уже является аморфным, поэтому диффузионные эффекты проявляются при гораздо меньших дозах.
В пользу высказанной точки зрения говорят результаты работы [12], где были получены свидетельства обратной миграции водорода к поверхности стекла, через которую осуществлялось внедрение протонов с энергией 1 МэВ. Предварительно на эту поверхность наносилась пленка Ag
0
0
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИМПЛАНТИРОВАННОГО ВОДОРОДА 7
Значения площадей 5 в произвольных единицах под экспериментальными спектрами на глубинах от 50 нм до 500 нм и площадей за вычетом фона 50 (при малых дозах) при различных дозах имплантации Б
D, см-2 2.5 х 1015 5 х 1015 1016 2.5 х 1016 5 х 1016 1017
S, произв. ед. 17.9 16.3 31.5 52.1 91 130
S-Sq 0 0 15 37 74 115
толщиной 100 нм. Наблюдалось образование водородных пузырьков между пленкой и стеклом при дозах имплантации, превышающих 2 х 1013 см-2. По мнению авторов [12], оно происходит за счет диффузионного потока водорода из стекла. Согласно их оценкам, при дозе 1015 см-2 около четверти имплантированных протонов выходит обратно к поверхности стекла. Если при пробеге протонов ~10 мкм столь значительная часть их достигает поверхности, то в нашем случае (пробег 0.26 мкм) следует ожидать выхода к поверхности еще большей части имплантированного водорода. При этом частично водород может быть химически связан с поверхностью, обусловливая "нулевые" пики на рис. 2, а частично - совсем покинуть образец. Из-за неопределенности этой уходящей доли водорода мы не стали нормировать наши спектры на дозу имплантации и приводить объемную концентрацию водорода. Однако мы оценили площади 5 под спектрами на глубинах от 50 до 500 нм, значения которых в произвольных единицах приведены в таблице для исследованных нами доз. При дозах до 5 х 1015 см-2 объемный сигнал от водорода практически не превышает фона, так что соответствующую площадь можно считать фоновой. Для остальных доз в таблице приведены также значения
Анализ таблицы позволяет сделать вывод, что при дозах до 5 х 1016 см-2 количество объемного водорода пропорционально дозе, а при более высоких дозах такой пропорциональности не наблюдается, что, по-видимому, связано с усилением миграции водорода к поверхности стекла.
Наши предположения об уходе значительной доли имплантированного водорода за пределы кварцевого стекла находятся в соответствии с результатами работы [13] по термодесорбции имплантированного дейтерия из ряда полупроводников и диэлектриков. Полученные в [13] значения коэффициентов захвата дейтерия в ваАв (100), ваР (111) и БК составили соответственно 0.12, 0.76 и 0.04 при дозе имплантации порядка 1017 см-2 и энергии ионов Б+ ~ 40 кэВ. И хотя авторы [13] ничего не говорят о причинах столь существенной десорбции дейтерия (особенно в случае диэлектрика бК), кажется естественным отнести ее за счет обсуждавшейся выше радиационно-стимулированной
диффузии водорода к поверхности образца и последующему выходу его в свободное пространство.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, характер полученных нами методом ВИМС-распределений водорода по глубине
кварцевого стекла, имплантированного ионами h+ с энергией 40 кэВ, свидетельствует о наличии радиационно-стимулированной диффузии водорода в направлении к поверхности, через которую проводится имплантация. Это приводит к выходу значительной части водорода на поверхность образца, где он может хемосорбироваться, либо вовсе по
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.