ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 69-73
УДК 537:534.8
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО ИОНАМИ №, Fe И ^
© 2015 г. Б. Э. Эгамбердиев*, Н. Т. Рустамов, А. С. Маллаев, А. М. Норов
Ташкентский государственный технический университет им. А.Р. Беруни, 700095 Ташкент, Республика Узбекистан *Е-таИ: bahrom_prof@mail.ru Поступила в редакцию 20.08.2014 г.
В работе приведены результаты экспериментальных исследований ионно-имплантационных слоев N1, Бе и Со в кремнии. Доказано, что при определенных условиях термической обработки и дозах облучения на поверхности монокристалла образуются так называемые эпитаксиальные силициды, которые могут играть роль проводящих слоев или металлических покрытий.
Ключевые слова: ионная имплантация, эпитаксиальные силициды, молекулярно-лучевая эпитак-сия, вторично-ионная масс-спектроскопия, электронная оже-спектроскопия.
БО1: 10.7868/80207352815060086
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее радикальных способов воздействия на состояние и свойства поверхности твердых тел является ионная имплантация. Если введение чужеродных атомов в кремний со средними энергиями (десятки и сотни кэВ) и малыми (до 1013 см-2) дозами позволяет управлять отдельными свойствами 81, то имплантация ионов больших энергий (до 50 кэВ) с большой дозой (1015-1017 см-2) позволяет создавать поверхностные слои с концентрацией примесных атомов одного порядка с концентрацией атомов 81, а в отдельных случаях даже больше. Иными словами, низкоэнергетическая ионная имплантация может служить мощным инструментом для синтеза новых тонких пленочных материалов с модифицированными свойствами. Однако успешное использование данного метода зависит от понимания многообразных процессов, происходящих в твердом теле на электронном и атомном уровнях при ионной имплантации.
Ионная имплантация в зависимости от дозы и энергии облучения приводит к существенному изменению состава, структуры и свойств полупроводниковых материалов. В этом отношении монокристаллы кремния, легированные ионами N1, Бе и Со с энергией Е = 20-50 кэВ, представляют особый интерес, так как при низких дозах облучения (Б < 1015 см-2) могут создавать электроактивные центры с большой концентрацией, которые невозможно получить методом термодиффузии; при высоких дозах ионов образуются силициды ме-
таллов с новыми физическими свойствами [1, 2]. В частности, пленки силицидов Со812 и №812 имеют кубическую решетку и обладают очень маленьким удельным сопротивлением (р = 30-50 мкОм • см), вследствие чего являются весьма перспективными в создании СВЧ-транзисторов с металлической и проницаемой базой. Однако такие пленки в настоящее время получают методами молекулярно-лучевой и твердофазной эпитаксии. Получение скрытых проводящих пленок силицидов N1, Бе и Со методом ионной имплантации и исследование их физико-химических, электрофизических свойств пока еще находится на стадии развития.
Актуальность работы связана с существованием ряда нерешенных вопросов с как точки зрения технологии эпитаксиального роста, так и с точки зрения понимания физики роста и влияния структуры на физические свойства пленок силицидов, применение которых открывает новые возможности для создания приборных структур с уникальными техническими характеристиками.
Дальнейшее развитие микроэлектроники требует новых неординарных материалов, обеспечивающих увеличение степени интеграции микросхем и развитие функциональной электроники. В этом плане наиболее перспективными материалами являются силициды.
Основная цель данной работы - исследовать влияние отжига на кристаллическую структуру поверхности кремния, легированного ионами N1, Бе и Со.
70
ЭГАМБЕРДИЕВ и др.
Рис. 1. Аналитическая камера роста: 1, 2, 3 — электронно-лучевые испарители; 4 — эффузионный источник; 5 — образец; 6 — манипулятор; 7 — нагреватель; 8 — термопара; 9 — электронная пушка дифрак-тометра быстрых электронов; 10 — люминесцентный экран; 11 — квадрупольный газоанализатор; 12 — криопанель; 13, 14 — кварцевые датчики скорости осаждения; 15, 16 — заслонки; 17 — ионный насос;
18 — пульт управления заслонками с термоприводом;
19 — источники питания электронно-лучевых испарителей; 20 - ЭВМ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Были проведены экспериментальные исследования концентрационных профилей распределения атомов N1, Бе и Со, имплантированных в кремний с энергией Е0 = 40 кэВ с вариацией дозы облучения в интервале 1015-1017 ион/см2. В качестве исходного материала использован кремний марки КДБ с удельным сопротивлением р = 10 Ом • см. Исследования проводились с использованием методов вторично-ионной масс-спектрометрии, обратного резерфордовского рассеяния и электронной микроскопии.
В качестве объектов исследований использовались слитки монокристаллического кремния пи ^-типов, легированного бором или фосфором соответственно, с концентрацией от 1013 до 1018 см-3, выращенные методами Чохральского и бестигельной зонной плавки. В качестве примесей были выбраны элементы переходной группы железа (марганец, железо, кобальт, никель). Выбор этих примесей диктовался тем, что, с одной стороны, их поведение и свойства кремния, легированного этими примесями, оставались мало изученными,
а с другой стороны, возможностями выявления новых особенностей, связанных с наличием у этих примесей незаполненной 3^-оболочки. Применялся метод ионной имплантации.
Имплантацию ионов N1, Бе и Со в кремний осуществляли на установке ИЛУ-3 при энергии ионов 40 эВ вдоль кристаллографической оси (111). Профиль распределения никеля, железа и кобальта в кремнии измеряли на вторично-ионной масс-спектрометрической установке ^8-2200 фирмы ШЬег и на установке, описанной в [4]. Удельное сопротивление образцов измеряли четырехзон-довым методом.
В состав комплекса (рис. 1) входят три ростовые камеры (1, 2 и 3). В камере 1 осуществлялся эпитаксиальный рост кремния, дисилицида кобальта Со812 и фторида кальция СаБ2. Другая камера была оборудована тремя источниками молекулярных пучков: двумя электронно-лучевыми испарителями 2 и 3, служащими источниками кремния и кобальта соответственно, и эффузион-ного источника для осаждения СаБ2 4. Образец 5, укрепленный на молибденовом держателе, помещали внутри камеры на манипуляторе 6. Манипулятор был оборудован нагревателем 7 и термопарой 8, позволяющими регулировать температуру образца в диапазоне температур от комнатной до 1000°С с точностью ±0.5°С. Для обеспечения равномерного нагрева образца и равномерного осаждения испаряемых материалов было предусмотрено вращение держателя с образцом при помощи электромотора.
Ростовая камера была оборудована дифракто-метром быстрых электронов на отражение, позволяющим анализировать структуру поверхности кристалла непосредственно в процессе роста. Ди-фрактометр включал в себя электронную пушку 9 и люминесцентный экран 10. Для контроля состава атмосферы остаточных газов использовали квадрупольный газоанализатор 11. В аналитической камере 3 исследовали выращенные эпитак-сиальные структуры методами электронной оже-спектроскопии, вторично-ионной масс-спектро-метрии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Вакуум в системе поддерживался на уровне 5 х 10-9 Па.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение структурных изменений в очень тонких слоях поверхности связано с определенными трудностями. Во-первых, использование рентгеновских лучей требует очень сложных методических процедур. Так как рентгеновские лучи проникают очень глубоко в кристалл, для получения достоверных результатов на нужной глубине необходимо нанести на поверхность образца некоторый слой пленки известного и чистого элемента.
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ 71
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения поверхности чистого кремния (а) и поверхности, легированной ионами Бе+ (б).
Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения поверхности кремния, облученной ионами №+ дозой 1016 ион/см2, после отжига при температуре 850°С (а) и ионами Со, после отжига при температуре 950°С (б).
С другой стороны, очень трудно аналитически выделить рентгеновские рефлексы, связанные именно с нужной глубиной. Поэтому, не вдаваясь в тонкости структуры и ее параметры, для определения структурных изменений был использован обычный растровый электронный микроскоп РЭМ-200.
На рис. 2 представлены электронно-микроскопические изображения поверхности 81 до ионного легирования, после легирования, а также после обработки при разных температурах. Как видно из рисунков, в случае чистого кремния поверхность гладкая и равномерная, так как образцы были отшлифованы и отполированы (рис. 2а). После ионного легирования, в зависимости от дозы облучения и типа ионов, электронно-микроскопическая картина существенно изменяется. Поверхность становится шероховатой или матовой (рис. 2б).
Температурный отжиг сильно влияет на состояние имплантированных образцов. При малых дозах облучения и термическом отжиге до 800°С в случае Бе существенных изменений не происходит. При температуре 800°С и выше на электронно-микроскопическом изображении поверхности наблюдаются некоторые окантованные области, характерные для монокристаллов. Элементный анализ этих "окантовок" методом электронной оже-спектроскопии показал, что они состоят в основном из атомов 81 и Бе и частично - кислорода. Амплитудное распределение оже-пиков кремния и железа позволяет утверждать, что эти области являются силицидами типа Бе812.
Аналогичные картины наблюдаются в случае других легирующих примесей. При дозе облучения 1016 ион/см2 ионами N1 окантованные области появляются при температуре 850°С и выше (рис. 3а). В случае Со при дозе облучения 1016 ион/см2 такие
Рис. 4. Электронно-микроскопические изображения поверхности кремния, легированной ионами Бе+дозой 1017 ион/см2, после отжига при температуре 800°С (а) и поверхности кремния, легированной ионами Со+ дозой 1017 ион/см2 , после отжига при температуре 950°С (б).
области выявляются при температуре выше 950°С (рис. 3б).
Результаты исследований показали, что после прогрева образцов при Т > 650°С,
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.