МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 2, с. 98-103
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.315.592
ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ДИФФУЗИЮ МЫШЬЯКА И СУРЬМЫ В ИМПЛАНТИРОВАННОМ КРЕМНИИ © 2012 г. М. Джадан1, А. Р. Челядинский2, В. Ю. Явид2
1 Tafila Technical University, Jordan E-mail: muhanad_jadan@yahoo.com 2 Белорусский государственный университет E-mail: chelyadinski@bsu.by Поступила в редакцию 21.03.2011 г.
Исследована диффузия имплантированных 8Ь и Аз в слоях кремния с различным содержанием радиационных дефектов при термоотжиге в печи и быстром термическом отжиге (БТО). Концентрация дефектов варьировалась дополнительным внедрением ионов 81+. С ростом концентрации дефектов в слое коэффициент диффузии сурьмы растет как при ламповом отжиге, так и при термоотжиге в печи, что обусловлено диффузией по избыточным вакансиям. Коэффициент диффузии Аз с ростом концентрации радиационных дефектов в слое при ламповом отжиге растет, а при термоотжиге в печи падает. Рост коэффициента диффузии Аз при БТО связывается с междоузельными атомами 81. Наблюдаемое уменьшение коэффициента диффузии Аз обусловлено захватом примеси на избыточные вакансии как на ловушки. Однако при концентрациях дефектов намного выше концентрации примеси коэффициент диффузии Аз увеличивается, но остается существенно ниже собственного значения. Из результатов следует, что скорость собственной диффузии Аз по междоузель-ному каналу выше, чем по вакансионному.
ВВЕДЕНИЕ
В формировании областей сток/исток МОП-транзисторов и эмиттеров биполярных транзисторов широко используется имплантация ионов Аз и 8Ь [1, 2].
При имплантации тяжелых ионов Аз и 8Ь в кремний с энергиями около ста кэВ при дозах 1014 см-2 и выше слой является аморфным. При последующей термообработке диффузионное перераспределение примеси идет параллельно с процессом рекристаллизации слоя. На диффузию примесей могут влиять только часть дефектов, расположенных на хвостах распределения нарушений по глубине. Поскольку количество этих дефектов в слое внедрения невелико, их воздействие на диффузию этих тяжелых примесей четко не проявляется. При больших энергиях ионов этих примесей (десятки МэВ), например, при формировании многослойных структур, когда треки ионов не являются аморфными, вопрос воздействия радиационных дефектов на диффузию Аз и 8Ь в кремнии будет иметь практическое значение. Вместе с тем создание высоких концентраций дефектов вакансионного и междоузельного типа может дать дополнительную информацию о механизмах диффузии примесей.
Целью данной работы было исследование влияния на диффузию мышьяка и сурьмы радиационных дефектов, вводимых в слои кремния, предварительно легированные этими примесями, путем дополнительной имплантации ионов кремния.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Профили диффузии определялись из измерений слоевой концентрации носителей заряда при контролируемом удалении слоев кремния. Измерения эффекта Холла и проводимости выполнялись в конфигурации Ван-дер-Пау [3]. Исследовались образцы кремния ^-типа проводимости, имплантированные ионами Аз и 8Ь. Затем образцы отжигались в атмосфере аргона при температуре 1050°С для рекристаллизации аморфного слоя. Слои, легированные мышьяком и сурьмой, облучались ионами 81+ дозами 6 х 1013-2 х 1014 см-2. Диффузия проводилась при термообработке в печи и при быстром термическом (ламповом) отжиге (БТО). Концентрации радиационных дефектов в имплантированном слое оценивались рентгеноди-фракционным методом по величине изменения периода решетки в слое Аа и исходя из величины смещения атомов в первой координационной сфере дефекта (0.02 нм.) [4]. Кривые дифракции (111) снимались на двухкристальном рентгеновском спектрометре при параллельном расположении кристалла-монохроматора и исследуемого образца на излучении СиКа1. Точность определения изменения периода решетки составляла ±1 х 10-6 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1, 2 показаны профили распределения мышьяка (носителей заряда) по глубине в слоях
Концентрация, см 3 1019
10
18
10
17
50
100
150
200 250 Глубина, нм
Рис. 1. Профили распределения мышьяка (140 кэВ, 1 х 1014 см 2) в после БТО (1200°С, 20 с). (1)- исх., (2—5) - доп.
имплантация ионами 81+ (60 кэВ) дозами: (2)
0; (3) - 6 х 1013; (4) - 1 х 1014; (5) - 2 х 1014 см-2
кремния, дополнительно облученных ионами 81+ различными дозами и отожженных методом БТО (рис. 1) и в печи (рис. 2). Термообработка БТО проводилась при 1200°С длительностью 20 сек. Отжиг в печи выполнен в атмосфере Лг при температуре 1070°С в течение 15 мин. Кривыми 1 на рис. 1, 2 представлены профили концентрации носителей заряда в исходных образцах. Исходными были образцы, имплантированные ионами Л дозой 1 х х 1014 см-2 и отожженные в атмосфере Лг при температуре 1050°С для кристаллизации аморфного слоя. После этой термообработки слоевая концентрация носителей заряда составляла 8 х 1013 см-2, т.е. степень электрической активации составляла 80%. Положения максимумов распределения примеси соответствовали расчетным значениям проецированных пробегов Ер [5] при энергии ионов 140 (рис. 1) и 250 кэВ (рис. 2), но они несколько уширены по сравнению с профилями внедрения. При расчетах коэффициента диффузии учитывались экспериментальные значения АЯр.
С ростом концентрации радиационных дефектов (дозы ионов 81+) коэффициент диффузии мышьяка растет (см. рис. 1). Напротив, при термоот-
жиге в печи с ростом концентрации радиационных дефектов коэффициент диффузии мышьяка падает (рис. 2). Рассчитанные коэффициенты диффузии при термоотжиге в печи В, концентрации дефектов С для каждой дозы ионов кремния Ф81 представлены в таблице. Для контрольного образца определенный коэффициент диффузии составляет 3 х 10-14 см2 с-1, что соответствует собственному значению. С ростом концентрации дефектов в слое коэффициент диффузии уменьшается до значения 7 х 10-15 см2 с-1. При дальнейшем увеличении плотности дефектов в слое коэффициент диф-
Зависимость коэффициента диффузии мышьяка в кремнии от концентрации радиационных дефектов при термоотжиге в печи
Ф81, см-2 СВ, см 2 В, см "2 с-1
0 0 3 х 10-14
6 X 1013 6.5 х 1019 2 х 10-14
1 X 1014 9.9 х 1019 7 х 10-15
2 х 1014 1.63 х 1020 1.5 х 10-14
0
Концентрация, см-3
0 100 200 300 400
Глубина, нм
Рис. 2. Профили распределения мышьяка (250 кэВ, 1 х 1014 см-2) в 81 после отжига в печи (1070°С, 15 мин). (1)- исх., (2-5) - доп. имплантация ионами 81+ (110 кэВ) дозами: (2) - 0; (3) - 6 х 1013; (4) - 1 х 1014; (5) - 2 х 1014 см-2.
фузии несколько возрастает, но остается меньше собственного значения.
Увеличение коэффициента диффузии мышьяка при ламповом отжиге с ростом концентрации дефектов можно связать с воздействием на диффузию междоузельных атомов кремния. Понижение величины ускорения диффузии Лз при дозе ионов 81+ 2 х х 1014 см-2 возможно связано с уходом части междо-узельных атомов кремния на образование протяженных нарушений - дефектов упаковки внедренного типа. Порогом образования этих нарушений в случае ионов 81+ является доза 1 х 1014 см-2 [6]. Замедление ускоренной диффузии Ля и бора в заглубленных слоях при сверхпересыщении кремния собственными междоузельными атомами наблюдали в работе [7]. Сверхпересыщение создавалось низкотемпературной (500-700°С) термообработкой кремния сильно легированного Ля, ведущей к образованию кластеров Ля. При сверхпересыщении часть междоузельных атомов 81 образовывали остаточные протяженные нарушения.
Увеличение коэффициента диффузии Ля имеет место и при окислении поверхности кремния [8], что обусловлено образованием избыточных атомов 81. Но
это может быть объяснено как непосредственным участием атомов 81 в ускоренной диффузии, так и за счет уменьшения вакансий при избытке междоузель-ных дефектов. В нашем случае наблюдается ускорение диффузии Ля при ламповом отжиге за счет меж-доузельных атомов 81 при одновременном пересыщении слоя вакансиями. Из этого следует, что атомы 81 непосредственно ускоряют диффузию Ля, вероятнее всего вследствие образования высокоподвижных комплексов атом Лз-междоузельный атом 81. Аналогичная пара ответственна за ускоренную диффузию имплантированного фосфора в кремнии [9].
Уменьшение коэффициента диффузии мышьяка при термоотжиге в печи с ростом концентрации радиационных дефектов (см. таблицу) связывается нами с захватом атомов Ля на избыточные вакансии как на ловушки. При дозе ионов 81+ 2 х 1014 см-2, когда концентрация избыточных вакансий становится намного больше концентрации примеси, коэффициент диффузии Ля несколько увеличивается за счет диффузии по избыточным вакансиям, но остается меньше собственного значения. Эти результаты находятся в соответствии с представлениями [10], согласно которым собственная диф-
Концентрация, см-3
0 20 40 60 80 100 120 140
Глубина, нм
Рис. 3. Профили распределения сурьмы (90 кэВ, 2 х 1014 см-2) в 81 после отжига в печи (1100°С, 15 мин). (1) - исх., (2-4) - доп. имплантация ионами 81+ (40 кэВ) дозами: (2) - 0; (3) - 1 х 1014; (4) - 2 х 1014 см-2.
фузия мышьяка (в отсутствие избыточных точечных дефектов) протекает по двум каналам: вакан-сионному и междоузельному. При больших концентрациях вакансий подавляется междо-узельный канал диффузии. При этом из этих результатов следует, что скорость диффузии мышьяка по междоузельному каналу выше скорости его диффузии по вакансионному каналу.
Необходимо отметить, что при дозе Аз 1 х х 1014 см-2 его объемная концентрация в слое составляет около 4 х 1018 см-3 (рис. 2). Концентрация радиационных дефектов в слое, как видно из таблицы, даже при дозе ионов 81+ 6 х 1013 см-2 на порядок выше концентрации мышьяка. По-видимому, значительная часть вакансий и междоузельных атомов 81 взаимно аннигилирует, а также диффундируют за пределы слоя внедрения, и только меньшая часть избыточных точечных дефектов воздействует на диффузию примеси.
На рис. 3, 4 представлены профили диффузии имплантированной сурьмы в зависимости от концентрации в слое радиационных дефектов при отжиге в печи при температуре 1100°С в течение 15 минут и БТО (1200°С, 10 секунд). Исходными были образцы кремния, импланти
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.