3. Примесь в междоузлиях

Одним из интересных выводов, сделанных на основании данных об эффекте каналирования (гл. 4), было заключение о наличии междоузельной компоненты внедренной примеси, столь же или даже более значительной, чем замещающая компонента. В настоящее время электрические свойства ряда примесей в ионно-легированных слоях объясняются наличием именно междоузельной компоненты.

На n- и р-кремнии, облученном ионами таллия при 350-450C, были проведены измерения термо-э.д.с., эффект Холла и каналирования. Сразу после внедрения (при 450С) в образце имеется одинаковое количество атомов галлия в узлах и в нормальных тетраэдрических междоузлиях. При повышении температуры отжига до 600С междоузельная компонента галлия увеличивается от 30 до 60%, а замещающих атомов остается меньше 5% от общего количества внедренного галлия.

Для кристаллов обоих типов проводимости измерения термо-э.д.с. показывает, что n-слой образуется в той же области температур отжига, где высока концентрация междоузельных атомов. Когда тип проводимости ионно-легированного слоя противоположен типу проводимости подложки, можно измерять эффект Холла. Измененная слоевая концентрация носителей составляет ~10¹⁰ см^-2, когда ионно-легированный слой имеет электронную проводимость, и ~10¹¹ см^-2 для р-слоя; таким образом, в обоих случаях N_S намного меньше концентрации внедренных атомов. Малое число носителей в р-слое можно объяснить тем, что акцепторный уровень галлия в кремнии имеет энергию ионизации ~ 0,26 эВ.

Аналогичное поведение примеси обнаружено в n- и р-кремнии, облученном кадмием при температуре подложки 350°С.

Возможно, что наличием междоузельной компоненты объясняется и характер отжига кремния, облученного ионами алюминия.

Обобщая эти данные, была предложена модель, на основании которой по измеренной подвижности можно определить число ионизированных доноров N_D и ионизированных акцепторов N_A. Если ионно-легированный слой компенсирован, то измеренное значение концентрации носителей равно разности концентраций N_A-N_D. Подвижность же определяется общим числом заряженных примесных центров, т.е. величиной N_A+N_D, поскольку при так их концентрациях рассеяние на примеси должно доминировать над решеточным рассеянием.

4. Влияние температуры внедрения

Одним из неожиданных результатов измерений эффекта каналирования оказалось отсутствие аморфного слоя и локализация большей части внедренных атомов во вполне определенных положениях в решетке в тех случаях, когда ионное внедрение проводилось при повышенной температуре.

Наиболее существенными особенностями электрических свойств слоев при «горячем» легировании является отсутствие стадии отжига при 600°С и необходимость довольно высоких температур отжига, для достижения слоевой концентрации. Измерения эффекта каналирования на образцах, облученных при высокой температуре, показали, что 90% внедренных атомов сурьмы находится в узлах решетки. Следовательно, постепенное увеличение слоевой концентрации носителей нельзя объяснить переходом примеси из междоузлий в узлы, а следует связать с наличием дефектов. Находятся такие дефекты в непосредственной близости от иона сурьмы или они расположены на заметном удалении и действуют как компенсирующие центры, это неизвестно. Необходимость высокотемпературного отжига отмечалась также в случае ионного внедрения мышьяка, фосфора, алюминия и галлия при повышенных температурах.

Для «горячего» внедрения было установлено, что явно выраженная стадия отжига при 600°С отсутствует и что только после отжига при 900°С достигается электрическая активность примеси, равная той, которая получается в случае облучения при комнатной температуре и последующего отжига при 600°С (10¹⁵ см^-2). В настоящее время не ясно, почему для слоев, легированных при повышенной температуре, требуется более высокотемпературный отжиг. В случае алюминия и галлия это может объясняться реакцией вакансий с междоузельной примесью, так же как в случае внедрения бора (п.2).

Исследования внедрения ионов бора также показали, что температура образца при ионном внедрении может оказать существенное влияние на характеристики отжига. Для образцов, облученных при температурах не ниже комнатной требуется отжиг при 900°С. Для образцов же, облученных при температуре -195°С, почти полная электрическая активность примеси достигается после отжига при 600°С. Измерения эффекта каналирования показали, что при низкотемпературном ионном внедрении аморфный слой образуется при дозах ионов бора, превышающих 10¹⁵ см^-2. Таким образом, почти полный отжиг при 600С отражает процесс рекристаллизации аморфного слоя. Однако такой эффект обусловлен не одной только низкой температурой внедрения. Измерения эффекта Холла показали, что в случае внедрения ионов бора и сурьмы при малой дозе и низкой температуре эта стадия отжига отсутствует.

Таким образом, горячее легирование обладает рядом эффектов, которые отсутствуют при обычных режимах легирования.

1. Отжиг ионнолегированных слоев кремния

Основными преимуществами ионного легирования в отличие от традиционных методов высокотемпературной диффузии являются:

• низкая температура процесса;

• чистота процесса;

• возможность точного регулирования профиля распределения примесных атомов и создания мелколежащих р-n-переходов с глубиной меньше 1 мкм;

• воспроизводимость результатов легирования.

Однако для активации введенной примеси и устранения структурных дефектов, возникающих в процессе легирования, необходимо после ионного легирования проводить отжиг при высокой температуре. Это ведет к восстановлению кристаллической решетки полупроводникового материала и переводит значительную пасть внедренных ионов в узлы решетки, где они становятся электрически активными.

Известно, что большинство дефектов образующихся при имплантации, отжигаются при температурах до 600°С. Так, вакансии отжигаются при 180°С, Е-центры при 120-190°С, комплексы вакансия-атом III группы до 230°С, т.е. комплексы вакансий с другими атомами полностью отжигаются до 290°С.

Отжиг более сложных дефектов, таких как дивакансии и А-центры, происходит при более высоких температурах 300-350°С. После отжига при 600°С в основном все структурные дефекты отжигаются, однако в ионнолегированном слое остаются еще компенсирующие дефекты и глубокие уровни, что заметно влияет на концентрацию носителей, электрическая активация которых проявляется еще при температуре отжига 300-350°С.

Резкое возрастание эффективной поверхности концентрации носителей в случае образования аморфного слоя при легировании наблюдается лишь при температуре отжига 500-650С. Если же аморфный слой не образуется, то для активации примеси требуются еще более высокие температуры отжига 700-750°С.

Таким образом, для активации внедренной примеси и распада структурных дефектов необходимо проводить отжиг ионнолегированных слоев при температуре 1000°С и выше, что сравнимо с температурными и временными режимами традиционного метода высокотемпературной диффузии примесей. Однако использование таких режимов отжига ионнолегированных слоев приводит к загрязнению кремниевой пластины неконтролируемыми быстродиффундирующими примесями Cu, Au, Fe, источником которых служит применяемая при отжиге технологическая оснастка. Это ведет к необратимому ухудшению электрофизических параметров материала за счет уменьшения времени жизни носителей заряда, а также высаживания быстродиффундирующих примесей на дислокациях и образования проводящих трубок.

Другим недостатком высокотемпературного отжига ионнолегированных слоев является образование дислокаций и линий скольжения за счет возникновения градиента температур, как по площади пластины, так и по ее толщине при нагреве их в диффузионной печи. Это в свою очередь вызывает изменение параметров ИМС особенно при высокой плотности активных элементов. Следует отметить, что возникновение больших напряжений в полупроводниковой пластине при отжиге вызывает не только образование дислокаций и линий скольжения, а также приводит к дополнительному изгибу пластин, что отрицательно сказывается на проведении литографических процессов. Так, при проекционной литографии на микрозазоре повышенный изгиб пластин приводит к отсутствию резкого изображения на части поверхности пластины и, как следствие, к рассовмещению элементов и повреждению фотошаблонов. При этом проблема деформации пластин особенно обостряется при переходе к пластинам большого диаметра: 76, 100 и 150 мм.

Наиболее существенным недостатком термического отжига является невозможность быстрого управления процессом нагрева из-за большой инерционности диффузных печей и, как следствие, это приводит к неконтролируемому диффузионному перераспределению внедренной примеси. Наличие диффузионного перераспределения в свою очередь не позволяет формировать активные элементы с мелколежащими р-n-переходами (0,1-0,2 мкм) а следовательно, не позволяет уменьшать размера активных элементов и соответственно увеличивать плотность активных элементов без увеличения размера площади кристалла ИМС, что является чрезвычайно важной задачей в области микроэлектроники.

Таким образом, можно указать следующие недостатки термического отжига ионнолегированных слоев кремния:

• малое время жизни основных носителей заряда из-за высокой концентрации рекомбинационных центров;

• загрязнение полупроводникового материала быстродиффундирующими примесями и образование проводящих трубок;

• генерация дислокаций и линий скольжения;

• дополнительный изгиб полупроводниковых пластин;

• неконтролируемое диффузионное перераспределение внедренной примеси.

Следует отметить, что при внедрении средних (16-160 мкК/см²) и больших (1600 мкК/см² и выше) доз полностью устранить структурные нарушения не удается даже длительным отжигом при температурах 1000°С и выше. Тем не менее, даже после такого отжига остаются еще дефекты, представляющие собой либо дислокационные петли, образующиеся при коагуляции вакансий или междоузлий, либо сетки дислокаций. Это означает, что применение высокотемпературного отжига ионнолегированных слоев для устранения структурных дефектов и активации внедренной примеси значительно уменьшает достоинства ионного легирования, перечисленные выше. В то же время тенденция к снижению температуры в технологии ИМС при переходе к созданию сверхбольших ИМС ведет к тому, что необходимо исключать высокотемпературный отжиг после ионного легирования. Поэтому усилия многих исследований направлены как на изучение условий внедрения, обеспечивающих минимальные концентрации дефектов, так и на разработку способов отжига, исключающих вредное влияние нагрева на полупроводниковый материал.

Лекция 12

Импульсный отжиг ионнолегированных слоев

В настоящее время проводятся многочисленные исследования по использованию лазерного излучения для отжига ионнолегированных слоев, причем эти исследования охватывают практически все виды ионов, а также энергии и дозы обучения, используемые в современной технологии создания ИМС. Наличие такого обширного экспериментального материала позволяет уже на сегодняшний день выделить общие закономерности лазерного отжига слоев кремния, легированных различными ионами.

Так, было установлено, что во всех случаях лазерный отжиг ионнолегированных слоев носит пороговый характер, т.е. при плотностях энергии лазерного излучения меньше некоторого порогового значения (W_пор) отжиг дефектов, вносимых имплантацией ионов, не имеет места. При этом значение W_пор зависит от ряда факторов: типа применяемого лазера, массы и энергии внедряемых ионов, дозы легирования, ориентации подложки, температуры подложки.

Верхним пределом плотности энергии при лазерном отжиге является так называемая энергия деструкции (W_дестр.), при которой происходит нарушение верхнего слоя материала. При этом W_дестр зависит от тех же параметров, что и W_пор. Следовательно, плотность энергии при лазерном отжиге должна удовлетворять условию W_порW_эфW_дестр., что обеспечивает наиболее эффективный отжиг. Согласно литературным данным, пороговая мощность отжига импульсом неодиевого лазера, который является наиболее перспективным для этих целей составляет 2,5х10⁷ Вт/см при длительности импульса 15-20х10^-9 с. Указанный режим является оптимальным с точки зрения получения эффективного отжига. О пороге кристаллизации можно судить и по исчезновению сигнала ЭПР, связанного с присутствием аморфной фазы и появлением в спектре ЭПР линий, обусловленной электронами проводимости в кремнии, легированном фосфором при мощности импульсов неодиевого лазера 2х10⁷ Вт/см.

Исследования ионнолегированных слоев после лазерного отжига при эффективных плотностях энергии, показали, Что в отличие от термического отжига лазерный отжиг позволяет получить концентрацию носителей заряда выше предела ее растворимости. Так, при имплантации ионами элементов III (Ga, In) и IV (As, Sb, Bi) групп с энергиями от 100 до 250 кэВ и дозами от 10¹⁵ до 10¹⁷ см^-2 после лазерного отжига с использованием рубинового лазера при плотности энергии 1,5 Дж/см² и длительности импульса 15x10^-9 с превышение предела растворимости составило от 4 до 500 раз. Данные результаты полностью подтверждают мысль о том, что при лазерном отжиге имеет место жидкофазная рекристаллизация при температурах выше температуры плавления кремния. Следует ответить, что высокие коэффициенты использования примеси имеют место лишь для доз легирования выше 10¹⁹ м^-2. Однако при уменьшении дозы легирования происходит снижение доли активных атомов. Даже использование импульсов с энергией вблизи порога разрушения не приводит к конверсии слоя при дозе <10¹⁶ м^-2.

Вследствие высоких значений активации внедренной примеси при лазерном отжиге происходит значительное улучшение и других электрофизических параметров ионнолегированных слоев, а именно, поверхностного сопротивления, концентрации носителей, времени жизни и других.

Важным электрофизическим параметром ионнолегированных слоев является профиль распределения внедренной примеси, после лазерного отжига. Изучению данного вопроса в литературе уделялось большое внимание, т.к. наличие перераспределения являлось косвенным доказательством справедливости модели плавления приповерхностного слоя при лазерном отжиге наносекундными импульсами. Проведенные исследования показали, что во всех случаях для любой примеси и при любой дозе наблюдается перераспределение примеси как в направлении к поверхности, так и вглубь кристалла. Причем, теоретически было доказано, что такое перераспределение примеси может быть вызвано лишь диффузией в жидком состоянии. При этом конечный профиль распределения примеси зависит от плотности энергии лазерного излучения, дозы легирования, числа последовательных импульсов и коэффициента распределения примеси. Так, для примеси с низким коэффициентом распределения (Cu, Fe) лазерный отжиг вызывает значительное перераспределение примеси в направлении к поверхности за счет того, что фронт плавления перемещается вначале вглубь имплантированного слоя, а затем к его поверхности очищая этот слой от посторонних примесей. Например, при легировании медью (Е= 150 кэВ, D=6,9х10¹⁵ см^-2) почти вся внедренная примесь после лазерного отжига была локализована в приповерхностном слое толщиной 20 нм.

В случае если коэффициент распределения примеси >10^-3, перераспределение примеси происходит вглубь кристалла. Причина эта вызвана переплавом приповерхностной области и определяется коэффициентом диффузии в жидком кремнии, который достигает примерно 10^-8 м².с^-1; так что даже при; длительности 10^-7 с характерная длина диффузии будет составлять 40-50 нм. Учитывая, что диффузионная длина зависит также от времени существования расплава, которое; как указывалось выше, составляет 800 нс, диффузионная длина может изменяться от 0,25 до 0,70 мкм.

На высокую эффективность лазерного отжига ионнолегированных слоев указывают сравнительные исследования слоевой проводимости кремния, легированного В⁺, Р⁺, Sb⁺ после термического (Т=800-1000С и t=30 мин) и лазерного (W=10⁷ Вт.см^-2, =15-20 нс, =0,69 и 1,06 мкм) отжигов. Сопоставление значений проводимости после лазерного (_л) термического (_т) отжигов показало, что проводимость слоев у образцов, отожженных лазерным лучом, выше по сравнению с _т. Так отношение _л/_т составляет 1,02-1,65 при использовании при термическом отжиге температуры 1000С и 1,035-8,75 при Т=800С в зависимости от дозы легирования. Результаты холловских измерений показали, что при лазерном отжиге между концентрацией носителей и подвижностью имеют место такие же соотношения, как и в слоях, легированных методом диффузии.

Важным показателем качества ионнолегированных слоев после лазерного отжига является его кристаллическая структура. Исследования, проведенные методом электронной микроскопии и обратного резерфордовского рассеяния, показали, что с помощью лазерного отжига возможно получение высококачественных кристаллических слоев как на подложках с ориентацией (III), так и с ориентацией (100). Сравнение качества структуры ионнолегированных слоев после термического и лазерного отжигов указывает на более высокое качество слоев, отожженных лазером. Так, после лазерного отжига отсутствуют всякие радиационные дефекты, размеры которых сравнимы с разрешающей способностью электронного микроскопа (10А⁰). Объяснение данного факта, по-видимому, связано с тем, что граница раздела расплавленный слой - монокристаллический слой может оставаться без зародышеобразования дислокаций в течение времени 50 мс, т.е. намного больше времени существования расплава, которое составляет, как указывалось ранее, 800 нс.

Однако использование лазерного отжига, несмотря на его достоинства, приводит к ряду нежелательных явлений. Одним из существенных недостатков является высокая концентрация точных дефектов, дающих глубокие уровни в запрещенной зоне; возникающее при воздействии импульсов длительностью до 10^-6 с, что может оказаться серьезной проблемой на пути широкого внедрения лазерного отжига. Кроме того, существенным недостатком лазерного отжига является неоднородность поглощения лазерного излучения по всей площади пластины. Неоднородность поглощения связана с неоднородностью оптических характеристик облучаемых пластин, а именно, наличием на их поверхности окислов, в которых методами литографии и имплантации формируются активные области ИМС, т.е. имеются аморфные области кремния, не закрытые окислом. Таким образом, незащищенные участки кремния отражают приблизительно 30% излучения, в то время как кремний, закрытый окислом с толщиной, которая кратна одной четверти длины волны используемого излучения, имеет практически нулевое отражение, и вся падающая энергия поглощается в кремнии. Это означает, что в области, не покрытые окислом или покрытие толщиной между двумя кратными величинами /4, получают значительно меньше энергии, чем области с толщиной окисла, кратной /4. Это приводит к эрозии окисного слоя, что недопустимо в технологии ИМС. Таким образом, лазерный отжиг наиболее целесообразно применять лишь на структурах, имеющих однородные оптические характеристики по всей площади пластины, например, при создании солнечных батарей.

Уже в первых работах, посвященных лазерному отжигу, было отмечено, что механизм отжига в основном носит термический характер и не зависит от степени когерентности используемого излучения. В связи с этим было высказано предположение о возможности отжига ИМС мощными импульсам некогерентного излучения. Действительно, в 1978 г. был проведен отжиг и слоев кремния, имплантированных бором, с использованием световых импульсов некогерентного излучения, полученного путам разряда между двумя вольфрамовыми электродами в объеме, заполненном аргоном или ксеноном. Длительность светового импульса составляла 15 мкс. Сравнение поверхностного сопротивления образцов кремния n-типа, легированных ионами бора (Е = 30 кэВ, D=10¹⁵ см^-2), отожженных импульсным некогерентным излучением и обычным нагревом (900°С, 60 мин) показало, что сопротивление после термоотжига составляло 160 Ом/, а световым импульсом -125 Ом/. Полученные результаты убедительно доказывают эффективность импульсного отжига с использованием некогерентных источников света.

В настоящее время для импульсного отжига созданы установки, обеспечивающие плотности потока мощности от 20 до 2х10⁶ Вт/см² и длительности от микросекунд до десятков секунд. Однако следует отметить, что использование коротких длительностей импульса <10^-2 с требует применения повышенного давления в камере отжига (6х10² – 2х10⁵ Па) для того, чтобы избежать ударной волны, разрушающей образец. Другим существенным недостатком использования таких импульсов является возникновение больших перепадов температуры по толщине образца и, как следствие, генерация структурных дефектов, что недопустимо при создании ИМС. Использование же длительностей импульса >10^-2 с позволяет получать равномерный нагрев по всему объему в теплоизолированной полупроводниковой пластине, а следовательно, избежать генерации структурных дефектов. Другим преимуществом использования таких импульсов является отсутствие ударной волны.

Следует считать, что наиболее приемлемым источником для импульсного отжига, с точки зрения получения импульсов длительностью >10^-2 с, является использование ксеноновых газоразрядных ламп. Установка с ксеноновой газоразрядной лампой имеет ряд преимуществ перед другими источниками: она более проста по конструкции, имеет высокий к.п.д. (60%) при превращении электрической энергии в световую, обеспечивает высокую воспроизводимость импульсов, отжигает большие площади образцов, не требует создания вакуумной установки.

Преимущество импульсного отжига с использованием длительностей импульса 10^-2 с проявляется также и на электрофизических параметрах ИМС. Так, использование импульсов длительностью 100 мкс для отжига кремния, легированного ионами BF₂, дозой от 10¹⁴ до I0¹⁶ см^-2 и энергией от 20 до 180 кэВ показало, что при данной плотности энергии облучения происходит только частичное восстановление решетки, причем степень восстановления падает с увеличением энергии имплантированных ионов (табл. 12.1). Следует отметить, что с увеличением плотности энергии с 7,68 до 20,6 Дж/см² степень рекристаллизации структуры и активация примеси, растет, однако значения поверхностного сопротивления так и не достигают значений, полученных при термическом отжигe (табл. 12.2). При превышении мощности разряда более критической величины возникали поверхностные нарушения, которые, по-видимому, были связаны с большим градиентом температуры по толщине образца. Исследование с помощью электронной микроскопии структурного совершенства слоев кремния, имплантированных ионами фосфора (Е=100 кэВ, D=2х10¹⁵ см^-2) после отжига световыми импульсами длительностью 0,8мс также показывает, что на поверхности наблюдаются дефекты, имеющие вид поликремниевых зерен достаточно больших размеров. В тоже время исследование отжига кремниевых пластин, легированных мышьяком (Е=100 кэВ, D=10¹⁵ ион/см^-2) световыми импульсами длительностью 10^-2 с и плотностью световой энергии в пределах 30-85 Дж/см^-2 позволило установить, что с увеличением энергии в импульсе слоевое сопротивление монотонно уменьшается и стабилизируется на уровне 90 Ом/. Идентичный результат был получен при изотермическом отжиге контрольных образцов в печи при Т=900С в течение 30 мин. Спектры обратного рассеяния также показали, что уже при W=65 Дж/cм² выход зондирующих ионов составляет 4,3%, что мало отличается от значений, характерных для исходного монокристалла, в то время как при использовании импульсов длительностью 0,8 мс это отличие довольно значительно и составляет 10%. Электрономикроскопические исследования таких образцов подтверждают вывод о полной рекристаллизации имплантированного слоя. При этом было обнаружено, что при плотностях энергии 70 Дж/см² появляются два вида, дислокационных петель неполные круговые петли Франка размером 20-50 нм с вектором Бюргера 1/3 и стержнеобразные петли, вытянутые в направлении (110). Средняя концентрация этих дефектов составляет 1,2х10¹⁰ и 0,6х10¹⁰ см^-2 соответственно. Стержнеобразные дефекты практически исчезают при увеличении плотности энергии в импульсе до 85 Дж/см², в то время как размеры и концентрация круговых петель практически не изменяется. Подобные результаты получаются и при изотермическом отжиге.

Следует отметить, что все исследования по отжигу ИМС проведенные с применением световых импульсов длительностью меньше 10^-2 с проводились на образцах размером 1x1 см², т.к. использование образцов больших размеров приводило к их разрушению. Это указывает на невозможность отжига такими импульсами пластин диаметра 76 мм и выше, используемых в микроэлектронике, а следовательно, и на неперспективность использования для отжига импульсов с длительностью меньшей 10^-2 с.

Важной особенностью оптического отжига ионнолегированных слоев при длительности импульса 10^-5-10^-1 с в отличие от лазерного отжига наносекундной длительностью является получение резких профилей, электрически активных примесей, описываемых ЛШШ-теорией, т.е. перераспределение легирующей примеси при таком отжиге отсутствует, что обеспечивает получение мелколежащих р-n-переходов. При этом коэффициент использования примеси близок к единице для доз имплантации от 6х10¹⁵ до 10²¹ м², а растворимость основных легирующих примесей (B, Р, As, Sb) в кремнии может достигать (1-2)х10²⁵ м^-3. Следует отметить, что в отличие от лазерного отжига наносекундной длительностью точечные дефекты в области р-n перехода в заметных концентрациях отсутствуют, а следовательно, это позволяет получать р-n-переходы высокого качества.

Таблица 12.1 Зависимость поверхностного сопротивления кремния от энергии имплантации ионов при импульсном отжиге (12,5 Дж/см²)

Энергия, кэВ	50	80	100	150
Поверхностное сопротивление, кОм	0,18	0,405	1,28	1,53

Таблица 12.2 Свойства структуры кремния после импульсного и термического отжигов

Вид отжига	Плотность энергии, Дж/см2	Время отжига, с	Поверхностное сопротивление, кОм	Фото-ЭДС, В
Импульсный	7,68	0,8х10-3	28,30	0
	10,70		13,30	0,31
	12,40		1,38	0,37
	14,20		1,10	0,45
	16,20		0,29	0,47
	18,30		0,58	0,45
	20,60		0,46	0,23
Термический (Т=750°с)		60	0,506	0,32
		120	0,489	0,44
		420	0,298	0,46
		720	0,230	0,48
		1020	0,209	0,49

Лекция 13

Блок металлизации