2. Стадии отжига

а. Т<600°С. Измерение степени разупорядочения решетки методом обратного рассеяния каналированных частиц показало, что при малой дозе легирования в кремнии имеется четко выраженная стадия отжига при температуре 300°С. Эта стадия приписывается рекристаллизации изолированных разупорядоченных областей вокруг треков ионов. При анализе электрических характеристик ионно-легированных образцов было установлено, что для инверсии типа проводимости обычно необходим отжиг при 300-350°С. Инверсия и появление р-n-перехода наблюдаются после отжига при 300-350°С и в образцах, легированных фосфором, литием, галлием и сурьмой.

При Т>350°С концентрация носителей в ионно-легированных слоях обычно возрастает (см. рис. 1 и 3). Это объясняется наличием дефектов в непосредственной близости от внедренных атомов-дефектов, которые должны диссоциировать и диффундировать прочь, прежде чем окажется возможным проявление электрических характеристик внедренных атомов.

При температуре отжига, равной примерно 400°С и более, присутствие кластеров проявляется в малой величине подвижности и сильной температурной зависимости концентрации доноров и акцепторов в ионно-легированных слоях. При внедрении фосфора, алюминия и бора, например, подвижности меньше, чем в некомпенсированном материале с такой же концентрацией примеси. После отжига при температуре 500°С подвижность уже не так сильно отличается от рассчитанной по концентрационным кривым, т.е. большая часть кластеров при этом уже распалась.

Но даже после отжига при 500°С в слое еще остаются и компенсирующие дефекты, и глубокие уровни. Эти дефекты слабо сказываются на подвижности при комнатной температуре, но заметно влияют на концентрацию носителей.

б. Т600°С. Вообще говоря, при увеличении дозы внедренных ионов для того, чтобы концентрация N_S достигла максимального значения, требуются все более высокие температуры отжига. Но если ионное внедрение проводится при комнатной температуре и дозы достаточны для образования аморфного слоя (наличие которого можно установить по появлению молочного оттенка облученной поверхности), то основное увеличение N_S приходится на температуру 600°С). Для образца, получившего дозу 10¹⁵ см^-2, наблюдается пятикратное увеличение слоевой концентрации при увеличении температуры отжига от 550 до 600°С. При меньших дозах (10¹⁴ см^-2) из кривых отжига видно, что N_S, непрерывно растет до температур, превышающих 800°С. Аналогичные результаты были получены Кларком и Манчестером при внедрении 10¹⁴ см^-2 ионов аллюминия.

Стадия отжига при ~ 600°С обнаружена также и для слоев, легированных галлием, фосфором, сурьмой и висмутом при комнатной температуре. Поскольку эта стадия совпадает с отжигом аморфного слоя, выявленному по эффекту каналирования, мы объясним ее рекристаллизацией аморфного слоя. Во всех случаях ионного внедрения при комнатной температуре, в которых обнаруживалась стадия отжига при 600°С, доза легирования была достаточной для формирования аморфного слоя.

Стадия отжига при 600С часто оказывается основной особенностью отжига, и обычно максимальная слоевая концентрация носителей N_S(max) достигается сразу после этой стадии. Величина N_S(max) часто намного меньше дозы внедрения ионов. Такой эффект может быть связан с наличием междоузельной компоненты и присутствием компенсирующих центров.

Концентрация носителей равна дозе внедрения после отжига при ~600°С. Аналогичные результаты получены при внедрении сурьмы (рис.1). Измерение эффекта каналирования на образцах, облученных сурьмой в сходных режимах, показало, что после отжига при 600С примерно 90% внедренной сурьмы занимает узлы решетки. При внедрении висмута электрические характеристики заметно отличаются от характеристик, полученных при внедрении мышьяка или фосфора. Сравнение, что слоевая концентрация носителей и число атомов висмута в узлах изменяются при отжиге аналогично, но слоевая концентрация N_S составляет всего 10-15% от числа замещающих атомов. Уменьшение N_S при высоких температурах отжига в первом приближении также соответствует уменьшению замещающей компоненты внедренного висмута, определенному по эффекту каналирования. Как и для сурьмы и галлия, уменьшение N_S при легировании висмутом можно связать с постепенным приближением к равновесной растворимости. Тогда такое уменьшение должно зависеть от максимальной концентрации примеси, а тем самым от энергии внедряемых ионов. Следовательно, для данных легирующих примесей величина N_S при высоких температурах может возрастать с увеличением энергии внедряемых ионов.

Измерения при послойном стравливании на образцах, легированный висмутом, показали, что истинная величина N_S, определенная интегрированием концентрационной конвои, примерно в 1,5 раза больше эффективной слоевой концентрации; следовательно, N_S составляет 20% от числа замещающих атомов висмута.

Несмотря на то, что N_S намного меньше числа внедренных атомов, максимальная концентрация носителей в слое (2х10¹⁹ см^-3); измеренная при последовательном стравливании, все же в 10 раз выше максимальной растворимости висмута в твердом кремнии (2х10¹⁸ см^-3 при 1300°С). Из кривой зависимости подвижности от концентрации носителей в этих образцах следует, что подвижность очень мала. Бэрон и др. высказали предположение, что в слое имеются компенсирующие акцепторные центры, но природа таких центров пока неизвестна. Кроудер установил, что при более высокой энергии внедрения (240 кэВ) N_S заметно выше и составляет 50% от числа внедренных атомов висмута. При низких энергиях внедрения компенсирующие центры расположены в приповерхностной области.

Ранее было отмечено, что рекристаллизация аморфного слоя не всегда проходит совершенно одинаково. Если внедрение провидится при энергии 40 кэВ и комнатной температуре, то температура отжига возрастает при увеличении дозы выше 10¹⁵-10¹⁶ см^-2 (величина критической дозы зависит от сорта легирующего иона). Аналогичная дозовая зависимость температуры отжига установлена и при измерении электрических характеристик слоев, облученных фосфором. Как только доза внедрения превышает 10¹⁵ см^-2, приходится все больше и больше повышать температуру отжига, причем резкая ступенька на кривых отжига исчезает.

в. Т> 600°С. В ранних работах по исследованию процессов ионного внедрения предполагалось, что увеличение температуры образца во время ионной бомбардировки для уменьшения остаточного повреждения решетки позволит проводить отжиг при температуре не выше 500°С. Это предположение подтверждалось опытами по внедрению сурьмы при большой дозе (более 10¹⁵ см^-2) и высокой температуре подложки (450-500°С), в которых максимальная концентрация носителей достигалась после отжига при 500С. Правда, концентрация носителей в этой работе значительно превышала равновесную растворимость, и увеличение N_S благодаря отжигу дефектов могло быть замаскировано уменьшением N_S из-за выделения примесей при еще более высоких температурах отжига.

Почти во всех случаях, когда аморфный слои при внедрении не образуется, кроме, может быть, внедрения при больших дозах (10¹⁵ см^-2 и выше) и повышенных температурах легирования, для достижения максимальной величины N_S необходим отжиг при температурах не менее 700-750С. Это означает, что дефекты остаются в слое вплоть до этих температур. Необходимость высокотемпературного отжига не может быть объяснена недостаточным количеством легирующих атомов в узлах решетки. Например, при внедрении ионов сурьмы при дозе 5х10¹⁴ см^-2 и температуре 350С не менее 90% внедренных атомов оказывается в узлах. При ионном внедрении бора температурный ход холловских кривых также показывает, что для устранения влияния глубоких уровней (т.е. для получения нормальной энергии ионизации бора) требуется отжиг при 760°С. При внедрении фосфора в условиях каналирования ионов при комнатной температуре было установлено, что дефекты присутствуют в слое даже после отжига при 700-740°С. Природа дефектов, требующих такого высокотемпературного отжига, пока неизвестна.

Не следует, однако, делать вывод, что все особенности высокотемпературного отжига объясняются только присутствием дефектов. В случае бора, например, имеется серьезные свидетельства в пользу того, что определяющую роль может играть другой механизм. Кривые отжига образцов, легированных бором, полученные при разных дозах и температурах легирования.

Лишь после отжига при 900°С число носителей в слое достигает величины, равной дозе ионного легирования. Энергия активации отжига по их оценкам составляет 4,4 эВ. Зейдель и Макре также установили, что высокотемпературная стадия отжига характеризуется энергией активации 5 эВ. Они предположили, что увеличение электрической активности после отжига при 800С объясняется захватом междоузельного бора вакансиями. Основанием для этого предположения послужили результаты измерения эффекта каналирования в работах Фладды и др. и Норта и Гибсона. Авторы этих работ наблюдали увеличение замещающей компоненты внедренного бора после отжига при температурах свыше 600С. При повышении температуры отжига до 900°С и выше уже ~90% бора находится в узлах решетки.

При анализе слоев, облученных бором при комнатной температуре; наблюдался «отрицательный» отжиг: при температурах, меньших чем 600°С, число носителей уменьшалось по мере роста температуры отжига. Такой отрицательный отжиг в настоящее время можно объяснить тем, что в интервале температур от 200 до 500°С уменьшается замещающая компонента внедренного бора.

В таблице 10.1 суммированы различные данные по отжигу и указана предлагаемая нами интерпретация этих данных. Следует отметить, что в значительной мере наши объяснения в этой таблице нужно рассматривать лишь как предварительные. Хотя мы и убеждены в существовании изолированных разупорядоченных областей и в том, что образуется аморфный слой, но о влиянии их на электрические свойства мы можем лишь догадываться. Такие же сомнения в большинстве случаев возникают и при интерпретации данных по облучению быстрыми нейтронами.

Таблица 10.1 Основные особенности отжига дефектов в кремнии после ионного легирования при комнатной температуре

Температура отжига, С	Наблюдающийся эффект	Объяснение эффекта
70-200	Изменение на «хвосте» распределения	Диссоциация изолированных дефектов
300-350	Инверсия типа проводимости	Отжиг дефектов в непосредственной близости от внедренных атомов
400-450	Увеличение подвижности, величина (n) такая же, как для слиточного кремния	Диссоциация кластеров, влияющих на подвижность
600	Величина n(Т) меньше, чем для слиточного кремния	Наличие глубоких уровней
550-650	Сильное увеличение NS (для слоев, полученных ионным внедрением при комнатной температуре, когда имеется аморфный слой)	Рекристаллизация аморфного слоя
750	Величина n(Т) и (Т) такиеже, как для слиточного кремния	Отсутствие глубоких уровней
800-900	Увеличение NS (бор)	Взаимодействие междоузельного бора с вакансиями