НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2010, том 46, № 12, с. 1413-1417
УДК 546.28:521.315.592
ОСОБЕННОСТИ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В КРЕМНИИ, ИМПЛАНТИРОВАННОМ ИОНАМИ С УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ
~1 МэВ/НУКЛОН
© 2010 г. С. А. Вабищевич*, Н. В. Вабищевич*, Д. И. Бринкевич**, В. С. Просолович**, Ю.Н. Янковский**
*Полоцкий государственный университет, Белоруссия **Белорусский государственный университет, Минск e-mail: brinkevich@bsu.by Поступила в редакцию 30.09.2009 г.
Методами измерения микротвердости и эффекта Холла исследованы процессы дефектообразования в кремнии, имплантированном ионами бора, кислорода и аргона с удельной энергией ~1 МэВ/нуклон. Показано, что имплантация приводит к приповерхностному упрочнению монокристаллов кремния, обусловленному электрически неактивными дефектами межузельного типа, формирующимися в процессе диффузии к поверхности кремния собственных межузельных атомов из нарушенного ионной имплантацией слоя. Величина приповерхностного радиационного упрочнения существенно зависит от вида, энергии и дозы имплантируемых ионов. При имплантации легких ионов B+ указанный эффект достигал максимума при дозе ~5 х 1014 см-2, а для ионов O+ и Ar+ не выходил на насыщение даже при максимальной дозе 1 х 1016 см-2. При увеличении удельной энергии ионов до ~3 МэВ/нуклон (имплантация Kr+, 210 МэВ) наблюдается обратный эффект приповерхностного разупрочнения, обусловленный формированием радиационных дефектов преимущественно вакансионного типа.
ВВЕДЕНИЕ
Практический интерес к высокоэнергетичной ионной имплантации определяется тем, что применение ионного легирования с ускоряющим напряжением свыше 1 МэВ в процессе производства полупроводниковых приборов открывает широкие возможности для создания проводящих и легирующих слоев на глубинах в десятки микрон, обеспечивает сокращение числа этапов фотолитографии и позволяет отказаться от дорогостоящих эпитакси-альных структур.
На различных стадиях технологического процесса изготовления полупроводниковых приборов (окисления, диффузии, посадки в корпус и т.д.) пластины кремния подвергаются температурным и механическим воздействиям, приводящим к короблению пластин и образованию микротрещин. Указанные процессы приводят к снижению выхода годных приборов и во многом определяются прочностными свойствами имплантированных пластин. Прочностные характеристики сложным образом зависят от комплекса механических свойств обрабатываемого материала — упругих (модуль Юнга), пластических (твердость) и хрупких (трещиностойкость) [1]. Как правило, эти механические свойства определяются различными методами в условиях напряженного состояния, далеких от контактного нагруже-ния, имеющего место при абразивном воздействии.
Единственным методом, позволяющим моделировать контактное взаимодействие абразивных частиц с обрабатываемым материалом, является мик-роиндентирование. Условия, возникающие в локальной зоне под индентором, во многом аналогичны некоторым практически важным случаям контактного взаимодействия, например при сухом трении, абразивном износе и т.д. Поэтому микроиндентирование может применяться для моделирования элементарных актов контактного взаимодействия в условиях, приближенных к реальным эксплуатационным [2].
Цель данной работы — исследование влияния радиационных дефектов, созданных высокоэнерге-тичной имплантацией, на физико-прочностные свойства монокристаллического кремния.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Полированные пластины кремния марки КЭФ-4,5(100) толщиной 460 ± 20 мкм имплантировали ионами В+, Аг+ и 0+ с удельной энергией ~1 МэВ/нуклон и дозами (Ф) от 1 х 1013 до 1 х х 1016 см-2 при комнатной температуре на импульсном циклотроне ИЦ-9. Плотность ионного тока варьировали в интервале от 0.3 до 2.5 мкА/см2. Проецированный пробег (ЯР) ионов в этих материалах составлял ~15 мкм. Проводили также имплантацию
1414 Н, ГПа
13
12
11
10
10 100 1000
Ф х 10-13, см-2
ВАБИЩЕВИЧ и др.
(Н50—Н200)/ Н200
1
3
........I_I.........I_I.........I_I........
10000
Рис. 1. Зависимости микротвердости Si от дозы имплантированных ионов кислорода при нагрузках 50 (1), 100 (2), 200 г (3).
0 1 м|_^.......
0 10 100 1000 10000
Ф х 10-12, см-2
Рис. 2. Зависимости относительного изменения микротвердости при увеличении нагрузки от 50 до 200 г от дозы облучения ионами В+ (1), 0+ (2) и Аг+ (3).
0
ионов криптона с энергией 210 МэВ и дозой 5 х 1012—6 х 1013 см-2.
Микротвердость (Н) измеряли на приборе ПМТ-3 по стандартной методике вдоль направления <100). Нагрузку на индентор варьировали в пределах 30—300 г. При каждом измерении на поверхность образца наносили не менее 50 отпечатков и проводили обработку результатов измерений с использованием методов математической статистики. Это обеспечивало погрешность измерений микротвердости менее 3% (с доверительной вероятностью 0.95).
Выполняли также измерения эффекта Холла, спектров ИК-поглощения и спектров ЭПР в сочетании с последовательным удалением слоев.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Установлено, что имплантация ионов с удельной энергией ~1 МэВ/нуклон приводит к эффекту приповерхностного упрочнения: микротвердость при малых нагрузках (50 г и менее) существенно возрастала, а при нагрузках 200 г и выше ее изменения не превышали 3—5%, что близко к погрешности измерений (рис. 1). Эффект приповерхностного радиационного упрочнения существенно зависел от массы, энергии и дозы имплантируемых ионов. Так, при имплантации ионов бора с энергией 13.6 МэВ указанный эффект достигал максимума при дозе имплантации ~5 х 1014 см-2, а для ионов кислорода и аргона не выходил на насыщение даже при максимальной дозе 1 х 1016 см-2 (рис. 2). Этот эффект наименее выражен при имплантации более тяжелых ионов аргона.
При исследовании электрофизических и оптических свойств кремния, облученного высокоэнергетическими ионами В+, 0+ и Аг+, в слое внедрения наблюдались две области эффективного формирования радиационных дефектов, обусловленные различными механизмами торможения ионов. Одна из них, обусловленная ядерным механизмом торможения, находилась на глубине ~14 мкм. Вторая - связанная с торможением электронными оболочками, располагалась на меньшей глубине (~6 мкм) и состояла из дефектов вакансионного типа (в частности, дивакансий) [3]. Формирование центров зарождения аморфной фазы (так называемых ^-центров, соответствующих сигналу ЭПР с g = = 2.0055) наблюдалось при дозах свыше 1 х 1015 см-2 на глубине, соответствующей проецированному пробегу ионов ЯР. Изменения слоевого сопротивления в приповерхностном слое монокристалла при высокоэнергетичной имплантации бора, аргона и кислорода обнаружено не было. Данное обстоятельство указывает на то, что в приповерхностной области в процессе имплантации формируются электрически неактивные дефекты.
Полученные экспериментальные результаты могут быть объяснены с учетом следующих обстоятельств. В процессе облучения кремния образуются первичные радиационные дефекты - вакансии (V) и собственные межузельные атомы (I), способные диффундировать по кристаллу. Наиболее подвижны собственные межузельные атомы. Так, по данным авторов [4], их диффузионная длина в имплантированных ионами Не+ пластинах выращенного бестигельной зонной плавкой кремния марки БКДБ (удельное сопротивление 2000 Ом см) может достигать 200 мкм. Вакансии же в указанном материале диффундируют на глубины, не превышаю-
щие 10 мкм. В процессе диффузии первичные радиационные дефекты (Vи I) взаимодействуют с примесями и дефектами, что приводит к снижению их диффузионной длины. В кремнии, полученном методом Чохральского, концентрация примесей (в частности, кислорода) существенно (более чем на 2 порядка) выше, чем в Si, полученном бестигельной зонной плавкой. Поэтому в нашем случае диффузионная длина первичных радиационных дефектов будет значительно ниже. Однако собственные межузельные атомы из области дефектообразова-ния, обусловленного электронным механизмом торможения ионов, могут легко достигать поверхности.
Таким образом, приведенные данные позволяют предположить, что за приповерхностное упрочнение кремния при высокоэнергетичной имплантации ответственны диффундирующие к поверхности собственные межузельные атомы. Выходящие на поверхность дефекты I способны формировать электрически неактивные дефекты межузельного типа, а также "залечивать" дефекты вакансионного типа (например, микропоры [5]), существующие в приповерхностном слое монокристалла. Отметим, что формирование дефектов межузельного типа в тонком приповерхностном слое (глубиной до 0.5 мкм) при низкоэнергетичной имплантации ионов Лг+ (энергия 40 кэВ) отмечалось авторами [6].
Ранее установлено, что дефекты междоузельного типа способствуют упрочнению кремния [7], а введение вакансионных дефектов сопровождается разупрочнением монокристаллов кремния [8]. Это легко объяснимо, если учесть, что сжатие (инденти-рование) бездислокационных полупроводников сопровождается генерацией избыточных собственных межузельных атомов [9, 10]. Вакансии являются стоками для I, что должно снимать пересыщение по собственным межузельным атомам и, соответственно, приводить к снижению микротвердости материала. С другой стороны, дефекты межузельного типа должны подавлять генерацию собственных межузельных атомов при индентировании и, соответственно, упрочнять кристалл.
Таким образом, оба механизма (формирование межузельных дефектов и "залечивание" ваканси-онных дефектов) должны приводить к увеличению микротвердости. На наш взгляд, исходя из приведенных экспериментальных данных, определяющим является формирование дефектов межузель-ного типа. Об этом свидетельствует также наблюдавшееся нами методом селективного травления формирование в приповерхностной области имплантированных образцов В-дефектов, являющихся, согласно [11], агломератами собственных межузельных атомов, стабилизированных углеродом.
Зависимость АН/Н от дозы имплантации (см. рис. 2) обусловлена тем, что нарушенный ионной имплантацией слой является эффективным стоком
В, мкм2 0.25 г
0.20 -
„ ......I_I_I........I_I_I........I_I_I.......
0 10 100 1000 10000
Ф X 10-12, см-2
Рис. 3. Зависимости дисперсии измеряемо
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.