11.5.3. Отжиг дефектов ионно-имплантированных слоев

Высокотемпературный отжиг пластин

Отжиг ионно-имплантированных слоев приводит к устра­нению дефектов в полупроводниковой пластине, его продол­жительность и температура проведения сильно зависят от дозы легирующих ионов. Отжиг необходим также для пере­вода примесных ионов в электрически активное состояние, в котором непосредственно после проведения процесса ионной имплантации находится около 10% внедренных ионов. Отрицательным воздействием высокотемпературной обработки при этом является диффундирование атомов примеси, которое искажает первоначально сформированный профиль распре­деления внедренных атомов. Выбор температуры отжига, Обеспечивающей полную активацию доноров и акцепторов и устранение остаточных дефектов, с одной стороны, и мини­мальное протекание диффузии введенных атомов, с другой стороны, является одной из основных проблем технологии ионной имплантации.

Рис. 11.5.12. Зависимость отношения кон­центрации атомов бора в узлах крис­таллической решетки к дозе имплан­тации бора от температуры изохорного (30 мин) отжига при энергии ионов бора 150 кэВ и различных дозах Д: 1 — Д=2*10¹⁵; 2 — Д=2,5*10¹⁴; 3 — Д=8-10¹² ион*см^-2

По-разному во время отжига ведут себя легкие и тяжелые примесные ионы. Так легким ионам бора легче передвигаться по кристаллу, и соответственно для них вероятность занять. места в узлах кристаллической решетки больше, чем для тяжелых атомов галлия, индия или таллия. По этой причине перечисленные выше три элемента редко применяются для создания легированных областей методом ионной имплан­тации.

Во время отжига протекают одновременно несколько про­цессов: отжиг радиационных дефектов, диффузия примесей и самодиффузия, ассоциация и диссоциация образованных ра­нее дефектных комплексов, перевод аморфных участков по­лупроводника, образовавшихся после ионной имплантации, в монокристаллические. В случае малой дозы имплантированных ионов их электрическая активность возрастает при увеличении температуры отжига (рис. 11.5.12). В области I про­исходит ликвидация таких точечных дефектов, как дивакансии. При увеличении дозы облучения происходит падение степени замещения узлов кристаллической решетки внедрен­ными ионами, этот эффект обычно называют отрицательным отжигом. Для области II характерны переход атомов крем­ния из междоузлии и вытеснение ими примесных ионов из кристаллической решетки. При повышении температуры от 700 до 1000°С концентрация активных атомов бора вновь увели­чивается (область III).

Лазерный и электронно-лучевой отжиг

Обычный отжиг пластин после ионной имплантации про­водится при температуре порядка 1000° С. Как отмечалось, этот процесс приводит не только к восстановлению кристалли­ческой решетки, но и к ряду нежелательных последствий, например снижению времени жизни носителей заряда.

Лазерный отжиг в результате локального высокотемпера­турного нагрева приповерхностных дефектных областей пол­ностью восстанавливает кристаллическую структуру путем повторного эпитаксиального наращивания. За короткое время действия лазерного нагрева (скорость сканирования лазер­ного луча, работающего в непрерывном режиме обычно на­ходится в пределах 5—100 мм/с, продолжительность экспо­нирования при этом составляет 10—100нс) дефектные обла­сти, имеющие аморфную структуру, расплавляются, что дает возможность имплантированным ионам при последующей кристаллизации этих областей разместиться в узлах решетки. Следует отметить, что метод позволяет строго контролиро­вать область рекристаллизации пластины и управлять глу­биной залегания легирующей примеси с помощью изменения длительности и интенсивности лазерного импульса. Большая скорость лазерного отжига исключает необходимость проведения этого процесса в вакууме или в среде инертного газа. Отжиг при импульсном электронном облучении дефектных областей кремниевой пластины имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерным. Электронный пучок позволяет облу­чать большие площади, его взаимодействие с материалом подложки не зависит от ее оптических свойств, в то же время импульсный электронный пучок позволяет проводить термо­обработку областей пластины через узкие (до 5 мкм) окна в оксидных пленках.

Таблица 11.5.1 Сравнение технологических процессов обработки пластин лазерным и электронным лучом

Характеристики	Электронный луч	Лазерный луч
Длительность импульса	10—200 нс	10—130нс
Параметры, влияющие на взаимодействие луча с материалом подложки	Плотность и ориентация подложки, энергия электронов	Длительность и энергия импульса, длина волны температура, кристаллическая структура, степень легирования, способ об­работки поверхности
Управление лучом	Электромагнитное поле	Оптическое
Диаметр обрабатываемой поверхности	75 мм	30 мкм—20 мм
Макроскопическая однородность	±5%	Распределение Гаусса в сечении
Макроскопическая однородность	Улучшается при наложении одного пучка на другой	Дифракционные картины, области с повышенной температурой
Плотность энергии	1 Дж/см2	1—10 Дж/см2
Глубина высокотемпературной обработки	Вследствие проникнове иия электронов вглубь подложки, варьируется энергией электронов	Проплавление до глубины около 1 мкм (ограничение связано с образованием дефектов)
Среда	Вакуум	Воздух или вакуум
Ограничения метода	При наличии остаточных зарядов, радиационно наведенной проводимости радиационных дефектов	При наличии колебаний энергии лазерного им пульса, неравномерности-, в нагреве, неровностей поверхности, при невоз­можности отжига покры­тых оксидом поверхно­стей

Однако при больших дозах облучения происходит накопление зарядов на ловушках оксидного мас­кирующего слоя, для их ликвидации необходим низкотем­пературный отжиг при T~500°С. Сравнение импульсного ла­зерного и электронно-лучевого отжигов приведены в табл. 11.5.1.