МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 1, с. 50-55
= ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.315.592
СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ и-ТИПА, СОЗДАВАЕМЫХ
ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ
© 2013 г. П. К. Садовский1, А. Р. Челядинский1, В. Б. Оджаев1, П. И. Гайдук1, А. И. Белоус2, В. И. Плебанович2, Ю. Б. Васильев2
белорусский государственный университет, Минск, Беларусь 2ОАО "Интеграл", Минск, Беларусь E-mail: Chelyadinski@bsu.by, dzsto2@integral.by Поступила в редакцию 24.01.2012 г.
Исследованы электрофизические и структурные параметры слоев кремния, созданных имплантацией Sb, P, а также совместной имплантацией Sb и P и отожженных при различных температурах (700—1220°С). Степень электрической активации сурьмы и параметр решетки ионно-легированно-го слоя определяются атомами Sb в узлах решетки и образующимися преципитатами сурьмы. При высоких температурах (1220°С) отжига в инертной среде преципитаты распадаются, и на их месте образуются микропустоты. Преципитаты и микропустоты сжимают решетку кремния. При высокотемпературном отжиге в среде кислорода микропоры не образуются. Активация примеси составляет 100%. Период решетки в слое совпадает с расчетными значениями. В слоях кремния, созданных двойной имплантацией сурьмы и фосфора, атомы фосфора являются центрами преципитации сурьмы.
Б01: 10.7868/80544126913010055
ВВЕДЕНИЕ
В создании сильно легированных слоев кремния я-типа в качестве активных элементов транзисторов используется ионная имплантация фосфора. В силу несовпадения ковалентных радиусов Я атомов 81 (0.1175 нм) и Р (0.11 нм) при высоком уровне легирования на границе слоя и подложки возникают упругие напряжения, ведущие к генерации дислокаций несоответствия [1], что ухудшает электрофизические параметры полупроводниковых приборов [2]. Возможным методом компенсации упругих напряжений может быть двойная имплантация Р и 8Ь (Я8Ь = 0.135 нм) с противоположным воздействием этих элементов на решетку кремния. Однако при высоком уровне легирования возникает проблема растворимости примеси и ее воздействия на решетку кристалла во всех формах существования. Особенно это важно для сурьмы с более низкой растворимостью в кремнии, чем у фосфора.
Целью работы являются структурные и электрофизические исследования поведения 8Ь в кремнии при термообработке при больших дозах имплантации, а также поведения примесей 8Ь и Р при их совместной имплантации.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования выполнены на кристаллах кремния (111)-ориентации ^-типа проводимости с удельным сопротивлением р0 = 10 Ом • см. Имплантацию ионов сурьмы и фосфора проводили на установках типа "Везувий". Энергия ионов сурьмы составляла 60 и 600 кэВ, фосфора — 30 кэВ. Доза имплантации варьировалась в пределах 5 х 1014— 1 х 1016 см-2. Постимплантацион-ная термообработка проводилась в печи в атмосферах азота и кислорода.
Структурные превращения, происходящие в кремнии при имплантации и последующей термообработке, изучались методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на электронном микроскопе ЭМ-125. Изменение периода решетки (ПР) в кремнии в результате легирования примесями замещения исследовалось рентгеноди-фракционным методом на двухкристальном спектрометре при параллельном расположении кри-сталла-монохроматора и исследуемого образца. Изучалась дифракция Си^а1 излучения от плоскостей (111) в третьем и четвертом порядках отражения. Точность в определении изменения ПР составляла ±2 х 10-6 нм. Электрическая активация внедренных примесей исследовалась путем
Таблица 1. Электрическая активация имплантированной сурьмы в кремнии
п/п Доза, см-2 Энергия, кэВ Температура отжига, °С Слоевая концентрация носителей заряда, см-2 Активация, %
1 1 х 015 60 700 7 х 1014 70
2 2 х 015 60 700 7.7 х 1014 38
3 5 х 015 60 700 2.6 х 1014 5
4 1 х 015 60 1000 4 х 1014 40
5 2 х 015 60 1000 4.3 х 1014 21
6 5 х 015 60 1000 3.2 х 1014 6
7 1.2 х 015 60 1150 7.3 х 1014 61
8 2.4 х 015 60 1150 7.5 х 1014 31
9 7.1 х 015 60 1150 8 х 1014 11
10 5 х 014 600 1150 3.2 х 1014 64
11 1 х 015 600 1150 6.6 х 1014 66
12 5 х 015 600 1150 2.3 х 015 46
13 2.4 х 015 60 1220 2.3 х 015 100
14 1 х 016 60 1220 1 х 1016 100
измерения эффекта Холла и проводимости по методике Ван дер Пау [3]. Профили распределения внедренных примесей по глубине слоя определялись методом масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) на установке CAMECA IMS 4f.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследований слоевой концентрации носителей заряда в кремнии, имплантированном сурьмой и отожженном при различных температурах, в зависимости от дозы представлены в табл. 1. Как видно из таблицы, степень электрической активации (отношение слоевой концентрации носителей заряда к дозе ионов) при температуре отжига 700°С заметно выше, чем при 1000°С. Однако с дальнейшим повышением температуры отжига степень электрической активации повышается. При температуре отжига 1220°С имеет место полная активация внедренной сурьмы в кремнии при дозе ионов 1 х 1016 см-2. В этом случае длительность отжига была 8 ч, так что объемная концентрация примеси не превышала предела растворимости при этой температуре [4].
При температурах отжига 700-1150°С степень электрической активации ниже, чем при температуре 1220°С, и она падает с ростом дозы ионов сурьмы, что связано с пределом растворимости примеси.
ПЭМ-исследования структуры имплантированных слоев показали, что неполная электрическая активация внедренной примеси обусловлена пределом растворимости Sb в Si; процесс распада пересыщенного раствора сопровождается
преципитацией сурьмы. На рис. 1а представлена светлопольная ПЭМ-микрофотография структуры слоя кремния, имплантированного ионами сурьмы дозой 2 х 1015 см-2 и отожженного при температуре 1000°С в течение 15 мин в атмосфере азота. Видно, что в слоях формируются выделения второй фазы (преципитаты) с плотностью ~2 х 1010 см-2. Размеры преципитатов составляют 10-20 нм, встречаются включения с размерами 25-30 нм. Концентрация преципитатов растет с увеличением дозы ионов сурьмы. Аналогичные преципитаты наблюдались в работе [5], где с помощью метода ПЭМ высокого разрешения они были идентифицированы как выделения металлической сурьмы. Отжиг при более низкой температуре (700°С), приводит к формированию высокой плотности больших не-регулярностей структуры (рис. 1б). Анализ ПЭМ-микрофотографий позволил уверенно идентифицировать микродвойники, анализ других дефектов структуры затруднен многократным перекрытием контраста. Более высокая степень активации примеси в этих образцах возможно обусловлена тем, что при 700°С образование и рост преципитатов затруднены из-за низкого коэффициента диффузии сурьмы.
На рис. 2а показаны профили распределения внедренной сурьмы с энергией 600 кэВ. Отжиг проводился при температуре 1150°С в течение 1 ч. Рентгенограммы этих образцов не содержат отдельного пика отражения от ионно-легированно-го слоя (рис. 3а). Наблюдалось лишь плечо на кривой дифракции со стороны меньших углов. Оценка периода решетки в легированном слое показала, что его величина на порядок меньше рассчитанного значения. При расчете исходили
Рис. 1. Микрофотографии ПЭМ кремния, имплантированного ионами 8Ь+ дозой 2 х 1015 см 2 и отожженного в атмосфере азота при температуре 1000°С (а) и 700°С (б).
10:
20
£ О
^ щ
^1019 к
Л н
£1018
X о
X
0 0.5 1.0 1.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Глубина, мкм Глубина, мкм
Рис. 2. Профили внедренной сурьмы в кремнии, полученные методом ВИМС: (а) — энергия 600 кэВ, доза 5 х 1015 см-2,
16 _2
отжиг при температуре 1150°С в атмосфере азота в течение 60 мин; (б) — энергия 60 кэВ, доза 1 х 10 см 2, отжиг при температуре 1220°С в атмосфере кислорода в течение 8 ч.
из концентрации электрически активной примеси. Наблюдаемое несоответствие расчетных и экспериментальных значений может быть связано с влиянием на период решетки кремния преципитатов сурьмы. Коэффициент теплового расширения сурьмы выше, чем кремния. Поэтому при охлаждении возможна релаксация атомов кристалла в направлении преципитатов, что ведет к сжатию решетки кремния. В результате увеличение периода решетки кремния за счет атомов 8Ь
в узлах компенсируется сжатием решетки за счет преципитатов. В работе [6] также сообщалось об уменьшении периода решетки кремния, легированного сурьмой, при образовании преципитатов примеси.
Результаты ПЭМ исследований кремния, легированного сурьмой, после отжига при температуре 1220° С в атмосфере азота и кислорода представлены на рис. 4а, б соответственно. В случае отжига в азоте для предотвращения ухода сурьмы
° 80 х н о
л н о о
х «
к
о X
н X
И
60
40
20
(а)
-150 -100 -50 еподл 50 де, с
100
100
« 80
X н о
л н
с
о
X «
к
с
х
н X
И
60
40
20
81
" (б) _ 1 : БЪ
\ 1 0
I : V 1
и 1 1 : х \ 1 1 1 1 1 1
20 10 е0 -10 -20 -30 -40
де, с
Рис. 3. Рентгенограммы кремния, имплантированного ионами БЪ+: (а) - энергия 600 кэВ, доза 5 х 1015 см 2,
отжиг
16 _2
при температуре 1150°С в атмосфере азота в течение 60 мин, отражение (444); (б) - энергия 60 кэВ, доза 1 х 10 см 2, отжиг при температуре 1220°С в атмосфере кислорода в течение 8 ч, отражение (333).
0
0
Рис. 4. Микрофотографии ПЭМ кремния, имплантированного ионами БЪ+: (а) - энергия 60 кэВ, доза 2.4 х 1015 см 2,
16 _2
отжиг при температуре 1220°С в атмосфере азота в течение 8 ч; (б) - энергия 60 кэВ, доза 1 х 1016 см 2, отжиг при температуре 1220°С в атмосфере кислорода в течение 8 ч.
на поверхность [7] данные образцы предварительно в течение 5 мин отжигались в атмосфере кислорода для формирования защитного слоя окисла, а затем отжиг продолжался в азоте в течение 8 ч. Как видно из рис. 4 а, в результате данного отжига преципитаты сурьмы не образуются. Для
этих образцов характерна мозаичная структура с размерами около 30 нм.
Образование такой мозаичной структуры можно объяснить следующим образом. При нагреве во время набора температуры отжига происходит выпадение атомов сурьмы в виде преципитатов. При
54
САДОВСКИЙ и др.
Таблица 2. Слоевые концентрации носителей заряда в крем
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.