3.11. Образование протяженных структурных дефектов

При отжиге имплантированных слоёв происходит трансформация вторичных дефектов (вакансионных и междоузельных кластеров, разупорядоченных областей) в более устойчивые протяженные структурные дефекты – дислокации, дислокационные петли, дислокационные сетки. При малых дозах имплантации (Q < 10¹³ см^–2) протяженные структурные дефекты не образуются, при небольших дозах имплантации (Q  10¹⁴ см^–2) плотность дислокаций и дислокационных петель невелика, так что они не взаимодействуют друг с другом, оставаясь одиночными. При больших дозах имплантации (Q > 10¹⁵ см^–2) дислокации и дислокационные петли взаимодействуют друг с другом, образуя дислокационные сетки. При невысоких температурах отжига (рис. 3.17, а,  = 700 С) сетки являются нерегулярными с ячейками неправильной формы. При увеличении температуры отжига (рис. 3.17, б,  = 900 С) ячейки сеток приобретают более правильную форму, сетки становятся всё более регулярными, превращаясь в сетки дислокаций несоответствия.

При отжиге в инертной (Ar) или неактивной (N₂) среде описанные протяженные структурные дефекты остаются внутри окна, в которое проводилась локальная имплантация. При отжиге в окислительной среде (сухой O₂ и/или пар H₂O) эти дефекты могут выходить за периметр окна, образуя так называемые внеконтурные дислокации. Внеконтурные дислокации развиваются из дислокационных петель типа внедрения, расположенных по периметру имплантированной области (рис. 3.18), и могут распространяться на десятки микрометров от края окна вдоль поверхности.

Образование внеконтурных дислока-ций объясняется пересыщением по собственным междоузельным атомам, создаваемым термическим окисле-нием (см. 2.8), а распространению вдоль поверхности способствует ска-чок напряжений на границе между легированной и нелегированной об-ластями. Условиями образования внеконтурных дислокаций являются:

– окислительная атмосфера отжига (сухой O₂ и/или пар H₂O);

– высокая доза имплантации (Q > 10¹⁵ см^–2 для ионов P⁺ и Q > 10¹⁶ см^–2 для ионов B⁺);

– ориентация поверхности кремния (111) или (110).

3.12. Качество имплантированных p–n-переходов и транзисторов

Радиационные и протяженные структурные дефекты, образующиеся, соответственно, при имплантации и последующих отжигах, могут оказывать влияние на качество ионно-имплантированных полупроводниковых приборов и ИМС. Попадая в область p–n-перехода, эти дефекты могут приводить к увеличению обратных токов вследствие увеличения скорости генерации-рекомбинации НЗ. На рис. 3.19 показана зависимость от температуры отжига обратного тока p–n-перехода I_обр, образованного имплантацией ионов фосфора (q = 1300 мкКл/см², E = 100 кэВ), в кремний марки КДБ-1 (111). Как видно из рисунка, начальный уровень I_обр весьма высок и возрастает с увеличением температуры отжига (область 1). В диапазоне температур 500…600 С (область 2) наблюдается быстрое падение обратного тока. При температурах свыше 600 С (область 3) падение I_обр происходит более медленно вплоть до достижения уровня тока, характерного для диффузионных p–n-переходов при использовании в качестве среды отжига инертного газа Ar (кривая 1).

Увеличение I_обр при низких температурах отжига в области 1 связано с эмиссией СТД (вакансий и СМА) из имплантированной области в область пространственного заряда p–n-перехода, где они образуют комплексы с атомами остаточных примесей (А-центры V-O, К-центры V-O-С и др.). При температурах 500…600 С в области 2 происходит рекристаллизация аморфного слоя, служащего источником СТД. При температурах отжига свыше 600 С (область 3) отжигаются остаточные РД, находящиеся вне первоначально аморфизованного слоя.

Рост обратного тока p–n-перехода при температурах отжига свыше 900 С в среде кислорода (кривая 2) связан с образованием внеконтурных дислокаций. Последние при попадании в область пространственного заряда p–n-перехода служат эффективными центрами генерации-рекомбинации.

Окислительная среда отжига оказывает негативное влияние и на качество n–p–n-биполярных транзис-торов, приводя к резкому увеличению тока утечки между коллектором и эмиттером I_к-э. На рис. 3.20 приведены интегральные распределения по току I_к-э для имплантированных транзисторов при температуре отжига 1050 ^оС в среде аргона (кривая 1), сухого кислорода (кривая 2) и влажного кислорода (кривая 3). При отжиге в инертной среде токи утечки между коллектором и эмиттером ионно-имплантированных транзисторов весьма малы и примерно соответствуют токам утечки диффузионных транзисторов (кривая 4).

Появление утечек при отжиге в окислительной среде коррелирует с образованием внеконтурных дислокаций, протыкающих тонкую базу транзисторных структур. Утечка «коллектор–эмиттер» связана с прохождением тока, ограниченного пространственным зарядом, по цилиндрам объёмного заряда, окружающим внеконтурные дислокации в базе.

Таким образом, качество ионно-имплантированных диодов и транзисторов не уступает качеству диффузионных диодов и транзисторов при условии проведения постимплантационных отжигов при достаточно высоких температурах (свыше ~ 900 C) и использования для отжигов инертной среды.