Диффузия, сегрегация и электрическая активация легирующих примесей в диффузионных и имплантационных слоях кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Александров, Олег Викторович

• Александров, Олег Викторович
• доктор физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Александров, Олег Викторович

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Особенности диффузии основных легирующих примесей в кремнии.

2.1.1. Электрическая неактивность легирующих примесей.

2.1.2. Плато и концентрационная зависимость коэффициента диффузии.

2.1.3. Приповерхностный пик концентрации.

2.1.4. Перегиб и хвост.

2.1.5. Низкотемпературная диффузия.

2.1.6. Дип-эффект и расширение скрытых слоев.

2.2. Влияние структурных дефектов на диффузию легирующих примесей в кремнии.

2.3. Моделирование диффузии основных легирующих примесей в кремнии.

2.4. Диффузия основных легирующих примесей при быстром термическом отжиге имплантированных слоев кремния.

2.5. Свойства слоев кремния, имплантированных редкоземельными элементами.

2.5.1. Электрическая активность примесей редкоземельных элементов в имплантированных слоях кремния.

2.5.2. Перераспределение примесей редкоземельных элементов в имплантированных слоях кремния.

2.7. Выводы.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РАСЧЕТА

3.1. Создание легированных слоев и определение их параметров.

3.2. Методики исследования структурных дефектов.

3.3. Методики измерения деформации.

3.4. Определение профилей концентрации примесей и носителей заряда.

3.5. Расчет коэффициентов диффузии примесей.

3.6. Численное решение диффузионно-кинетических уравнений.

3.7. Быстрый термический отжиг пластин кремния.

3.8. Выводы.

4. ОСОБЕННОСТИ ДИФФУЗИИ ОСНОВНЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ

ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИИ

4.1. Деформация решетки кремния электрически неактивным фосфором.

4.2. Кластеризация фосфора в диффузионных слоях кремния.

4.3. Влияние электрически активного и неактивного фосфора на диффузию.

4.4. Приповерхностное накопление фосфора.

4.5. Перераспределение бора при дип-эффекте.

4.6. Низкотемпературная диффузия фосфора.

4.6.1. Определение параметров низкотемпературной диффузии фосфора.

4.6.2. Деградация п-р-п транзисторов при низкотемпературных обработках.

4.7. Распад твердого раствора фосфора в диффузионных слоях кремния.

4.8. Выводы.

5. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ, ВВЕДЕННЫХ ДИФФУЗИЕЙ И ИМПЛАНТАЦИЕЙ, НА ДИФФУЗИЮ ОСНОВНЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМИИ

5.1. Влияние дислокаций несоответствия на диффузию фосфора.

5.1.1. Влияние ориентации кремния, типа маски и ширины окна.

5.1.2. Влияние толщины пленки фосфоросиликатного стекла.

5.2. Влияние дефектов, введенных имплантацией, на высокотемпературную диффузию фосфора.

5.3. Влияние дефектов, введенных имплантацией, на низкотемпературную диффузию фосфора.

5.4. Влияние дефектов, введенных имплантацией, на диффузию основных легирующих примесей при быстром термическом отжиге.

5.5. Выводы.

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИИ И СЕГРЕГАЦИИ ОСНОВНЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИИ

6.1. Модель диффузии примеси замещения.

6.1.1. Высокотемпературная стадия диффузии.

6.1.2. Низкотемпературная стадия диффузии.

6.2. Высокотемпературная диффузии фосфора.

6.3. Низкотемпературная диффузии фосфора.

6.4. Низкотемпературная диффузии мышьяка.

6.5. Высокотемпературная диффузии бора.

6.6. Совместная диффузия бора с фосфором.

6.7. Влияние стоков собственных точечных дефектов на диффузию фосфора.

6.8. Приповерхностная сегрегация фосфора.

5.9. Выводы.

7. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ПРИМЕСИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ЭРБИЯ В ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЯХ КРЕМНИЯ

7.1. Влияние кислорода на электрическую активацию эрбия.

7.2. Влияние соимплантации электрически неактивных примесей на электрическую активацию эрбия.

7.3. Модель электрической активации примеси эрбия в имплантированных слоях кремния.

7.4. Выводы.

8. СЕГРЕГАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЯХ КРЕМНИЯ

8.1. Модель сегрегационного перераспределение Ег при отжиге слоев кремния, аморфизованных имплантацией.

8.2. Влияние условий имплантации на перераспределение Ег.

8.3. Перераспределение Ег при кристаллизации скрытых аморфизованных слоев.

8.4. Перераспределение Но при кристаллизации аморфизованных слоев.

8.5. Перераспределение Yb и О при кристаллизации аморфизованных слоев.

8.6. Модель сегрегации редкоземельных элементов при кристаллизации аморфизованных слоев кремния.

8.7. Выводы.

9.3АЮПОЧЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диффузия, сегрегация и электрическая активация легирующих примесей в диффузионных и имплантационных слоях кремния»

Актуальность темы. Важнейшей тенденцией развития микроэлектроники является уменьшение размеров элементов полупроводниковых приборов (ППП) и интегральных микросхем (ИМС) от микрометровых к субмикрометровым и нанометровым с целью улучшения электрических параметров, увеличения степени интеграции и уменьшения потребляемой мощности. Уменьшение вертикальных размеров достигается прежде всего путем снижения температуры и сокращения времени технологических процессов легирования полупроводников методами диффузии и ионной имплантации. При этом в поведении основных легирующих примесей (В, Р, As, Sb) проявляется ряд особенностей, усиливающихся при увеличении концентрации и снижении температуры: различие концентраций примеси и основных носителей заряда (политропия), плато, перегиб, хвост и приповерхностный пик на концентрационных профилях примесей, влияние на распределение примесей, диффундирующих совместно (дип-эффект) или в глубине подложки (расширение скрытых легированных слоев). При отжиге слоев кремния, сильнолегированных фосфором, бором, или мышьяком, при пониженных температурах (500-700°С) на профилях примеси появляются дополнительные перегиб и хвост, обусловленные так называемой низкотемпературной диффузией. Некоторые из наблюдаемых особенностей, такие как плато, исследованы достаточно обстоятельно, тогда как ряд других особенностей, такие как неполная электрическая активация, приповерхностная сегрегация и низкотемпературная диффузия, оставались недостаточно изученными. Некоторые особенности поведения основных легирующих примесей связывались с влиянием структурных дефектов. Однако результаты работ по влиянию дефектов, вводимых как диффузией, так и имплантацией, весьма противоречивы и исследованы недостаточно полно. Отсутствовали модели, позволяющие объяснить всю совокупность наблюдаемых явления с единых позиций. Предлагаемые модели, как правило, относились лишь к отдельным особенностям, при этом зачастую содержали физически необоснованные предположения и параметры, не соответствующие экспериментальным.

Особенности и закономерности поведения легирующих примесей необходимо учитывать при изготовлении ППП и ИМС, в которых они определяют ряд электрических параметров и могут являться причиной их невоспроизводимости и деградации. Для этого наряду с совершенствованием технологии легирования необходимо изучение общих закономерностей поведения легирующих примесей в полупроводниках, разработка адекватных физических моделей технологических процессов легирования, учитывающих особенности диффузии, сегрегации и электрической активации.

Важным направлением развития современной микроэлектроники является интеграция ИМС с оптоэлектронными устройствами в системах обработки и передачи информации. Одним из перспективных путей на этом направлении является формирование в кристаллической матрице кремния оптически и электрически активных центров (ОАЦ и ЭАЦ) посредством его легирования примесями редкоземельных элементов (РЗЭ). Наибольший интерес из примесей РЗЭ представляет примесь эрбия, создающая центры люминесценции с длиной волны 1.54 мкм, отвечающей минимуму потерь оптоволоконных линий связи. Из различных методов введения РЗЭ в полупроводник наиболее эффективным является ионная имплантация. При отжиге слоев кремния, имплантированных РЗЭ, происходит образование ОАЦ и ЭАЦ донорного типа, между концентрациями которых имется прямая корреляция. Природа и состав связанных с РЗЭ ОАЦ и ЭАЦ являются в настоящее время предметом интенсивных исследований. Для увеличения концентрации ОАЦ и ЭАЦ используют дозы имплантации, превышающие порог аморфизации. При отжиге аморфизованных слоев кремния обнаружено значительное перераспределение примесей РЗЭ эрбия и празедиума, отличающее их в этом отношении от поведения основных легирующих примесей.

Для проектирования и изготовления оптоэлектронных приборов на основе кремния, легированного РЗЭ, необходимо дальнейшее, более полное исследование электрической активации и перераспределения примесей РЗЭ в имплантированных слоях кремния, разработка физических моделей образования донорных центров и сегрегации, лежащих в основе этих процессов.

Решение выше перечисленных задач является актуальной проблемой физики полупроводников.

Целью работы является исследование диффузии, сегрегации и электрической активации основных легирующих примесей и примесей РЗЭ в диффузионных и имплантированных слоях кремния и разработка физических моделей этих процессов.

Основные задачи работы:

1. Экспериментальное исследование особенностей и закономерностей поведения основных легирующих примесей в кремнии, преимущественно характерной примеси фосфора, проявляющихся при высоких концентрациях, в том числе влияния дефектов, самонаведенных диффузией и введённых имплантацией электрически активных и неактивных примесей.

2. Экспериментальное исследование процессов электрической активации и сегрегационного перераспределения примесей РЗЭ в имплантированных слоях кремния.

3. Разработка физических моделей, описывающих особенности и закономерности процессов диффузии, сегрегации и электрической активации основных легирующих примесей и примесей РЗЭ в диффузионных и имплантированных слоях кремния.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Выполнены экспериментальные исследования следующих особенностей поведения фосфора в сильнолегированных слоях кремния:

- исследована деформация решетки кремния, связанная с электрически неактивным фосфором и установлено равенство коэффициентов деформации решетки кремния электрически активным и неактивным фосфором;

- показано, что зависимость концентрации носителей заряда от концентрации фосфора имеет вид кривой с насыщением и описывается полиномом, коэффициенты которого уменьшаются с увеличением степени;

- показано, что образование выделений второй фазы при распаде твёрдого раствора фосфора в диффузионных слоях кремния происходит преимущественно из электрически неактивного фосфора;

- показано, что приповерхностный пик концентрации (ППК) фосфора образуется при отжиге не только в окислительной, но и в инертной атмосфере; что относительная высота ППК увеличивается с уменьшением температуры отжига.

2. Выполнены экспериментальные исследования явлений, связанных с низкотемпературной (500-700°С) диффузией (НТД) фосфора:

- установлена зависимость скорости НТД от температуры создания легированного слоя и поверхностной концентрации носителей заряда;

- исследована кинетика перемещения р-п перехода при НТД и на участке линейности кинетики Лх(Vt) определены параметры температурной зависимости коэффициента НТД;

- показано, что деградация напряжения смыкания транзисторных структур обусловлена НТД фосфора из эмиттера; предложен способ подавления НТД и связанной с ней деградации напряжения смыкания транзисторных структур.

3. Выполнены экспериментальные исследования следующих проявлений влияния дислокаций несоответствия, самонаведенных диффузией, а также радиационных и вторичных дефектов, введенных имплантацией, на высокотемпературную (1000-1100°С) и низкотемпературную (500-700°С) диффузию фосфора:

- показано, что влияние ширины окна и типа маски, а также ориентации поверхности кремния и толщины фосфоро-силикатного стекла на высокотемпературную диффузию фосфора обусловлено образованием дислокаций несоответствия, замедляющих диффузию;

- установлено, что предварительная имплантация электрически неактивных примесей (Ar, N, О) замедляет высоко- и низкотемпературную диффузию, а электрически активных примесей (В, Р) - ускоряет низкотемпературную диффузию фосфора;

- показано, что замедление диффузии фосфора дислокациями несоответствия, вторичными и радиационными дефектами происходит в области низких концентраций - на хвосте концентрационного профиля.

4. Разработана модель диффузии основных легирующих примесей в кремнии по дуальному парному механизму (посредством пар примесь-вакансия

AV) и примесь-собственный междоузельный атом (AI)), в которой вклад пар AV и AI учитывается непосредственно через парциальные коэффициенты диффузии примеси, а причиной нарушения равновесия по собственным точечным дефектам полагается диффузия нейтральных AI пар;

- на основе разработанной модели диффузии по дуальному парному механизму описаны: высоко- и низкотемпературная диффузия фосфора, низкотемпературная диффузия мышьяка, высокотемпературная диффузия бора, перераспределение бора при совместной диффузии с фосфором, а также влияние структурных дефектов на высоко- и низкотемпературную диффузию фосфора;

- на основе модели диффузии по парно-вакансионному механизму с учетом поверхностного потенциала описана приповерхностная сегрегация фосфора.

5. Выполнены исследования закономерностей электрической активации примеси РЗЭ эрбия в имплантированных слоях кремния:

- изучено влияние совместной имплантации ионов электрически неактивных примесей (С, N, О и F) на температурную зависимость коэффициента электрической активации и профили донорных центров;

- показано, что с увеличением дозы соимплантации кислорода коэффициент электрической активации растёт с насыщением, а профили донорных центров смещаются к поверхности;

- разработана модель электрической активации примеси РЗЭ при постимплантационных отжигах, позволяющая описать температурную зависимость коэффициента активации и профили концентрации донорных центров.

6. Выполнены исследования закономерностей сегрегационного перераспределения примесей РЗЭ эрбия, гольмия и иттербия в аморфизованных имплантацией слоях кремния.

- разработана модель (приближение жидкой зоны) перераспределения примесей РЗЭ при твердофазной эпитаксиальной (ТФЭ) кристаллизации аморфизованных слоев кремния с эмпирической координатной зависимостью коэффициента сегрегации;

- изучено влияние условий имплантации (температуры, дозы и энергии ионов РЗЭ, а также дозы соимплантации ионов кислорода) на сегрегационное перераспределение и параметры координатной зависимости коэффициента сегрегации примеси РЗЭ эрбия;

- показано, что закономерности сегрегационного перераспределение гольмия и иттербия аналогичны соответствующим закономерностям для эрбия и имеют близкие параметры координатной зависимости коэффициента сегрегации;

- разработана модель сегрегации примесей РЗЭ, позволяющая описать координатную зависимость коэффициента сегрегации и накопление примеси в пограничном слое постоянной ширины в процессе твердофазной эпитаксиальной кристаллизации.

Научная ценность работы состоит в том, что в результате её выполнения решена крупная научная проблема, связанная с исследованием особенностей поведения основных легирующих и примесей РЗЭ в диффузионных и имплантированных слоях кремния; разработанные физические модели развивают представления о механизмах диффузии, сегрегации и электрической активации примесей в полупроводниках.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Полученные в работе экспериментальные результаты по особенностям диффузии основных легирующих примесей и влиянию на диффузию структурных и радиационных дефектов позволяют усовершенствовать технологические процессы диффузионного и ионного легирования, оказывать влияние на концентрационные профили примесей, учитывать эти факторы при производстве в кремниевых ППП и ИМС.

2. Разработанные модели диффузии основных легирующих примесей позволяют усовершенствовать программы физико-технологического моделирования технологии кремниевых ППП и ИМС, повысить качество их проектирования и разработки.

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований электрической активации и перераспределения примесей РЗЭ в имплантированных слоях кремния позволяют установить и оптимизировать режимы легирования при разработке технологии изготовления оптоэлектронных приборов на основе кремния, легированного РЗЭ.

4. Результаты работы использованы в ряде НИР и ОКР, выполненных в ЗАО "Светлана-Полупроводники" при разработке и изготовлении ряда типов кремниевых ППП и ИМС, а также в преподавании дисциплин "Специальные вопросы технологии ИМС" и "Технология материалов и изделий электронной техники" в СПбГЭТУ(ЛЭТИ) и СПбГТИ(ТУ).

Положения, выносимые на защиту:

1. Неполная электрическая активация фосфора в сильнолегированных слоях кремния связана с образованием узельными атомами фосфора и кремния кластеров типа SiiPm, укрупняющихся с увеличением концентрации примеси; кластеры электронеактивного фосфора являются основой выделений второй фазы при распаде твёрдого раствора фосфора.

2. Коэффициент низкотемпературной (500-700°С) диффузии фосфора зависит как от температуры и времени НТД, так и от температуры создания сильнолегированного слоя, а также от поверхностной концентрации носителей заряда; НТД фосфора является причиной деградации напряжения смыкания п-р-п транзисторных структур и может быть подавлена ионной имплантацией электрически неактивных примесей.

3. Самонаведенные дислокации несоответствия и вторичные дефекты, введённые имплантацией электрически неактивных примесей (N, О, Аг), замедляют высокотемпературную (1000-1100°С) и низкотемпературную (500-700°С) диффузию фосфора в области малых концентраций на хвосте концентрационного профиля; радиационные дефекты, введённые имплантацией ионов электрически активных примесей (В, Р), ускоряют низкотемпературную диффузию фосфора; степень ускорения диффузии основных легирующих примесей (В, Р, As, Sb) из имплантированных слоев кремния спадает экспоненциально со временем быстрого термического отжига.

4. Разработанная модель диффузии примеси замещения по дуальному парному механизму (посредством пар примесь-вакансия (AV) и примесь-собственный междоузельный атом (AI)) позволяет описать высоко- и низкотемпературную диффузию фосфора, низкотемпературную диффузию мышьяка, высокотемпературную диффузию бора, совместную диффузию бора с фосфором, а также влияние структурных дефектов на высоко- и низкотемпературную диффузию фосфора; модель диффузии по парно-вакансионному механизму с учетом поверхностного потенциала позволяет описать приповерхностную сегрегацию фосфора.

5. Образование донорных центров при отжиге слоев кремния, имплантированных РЗЭ эрбием, происходит с участием соимплантированных электрически неактивных примесей (О, С, N, F); температурная зависимость коэффициента активации РЗЭ эрбия описывается моделью, учитывающей образование комплексов РЗЭ Ег с атомами кислорода и собственными междоузельными атомами.

6. Перераспределение примеси РЗЭ эрбия при отжиге аморфизованных слоев кремния зависит от условий имплантации - температуры, дозы и энергии ионов РЗЭ, а также дозы соимплантации ионов кислорода; закономерности сегрегационного перераспределения гольмия и иттербия аналогичны соответствующим закономерностям для эрбия; разработанные модели перераспределения и сегрегации позволяют описать сегрегационное перераспределение примесей РЗЭ, координатную зависимость коэффициента сегрегации и накопление примеси в приграничном слое постоянной ширины в процессе твердофазной эпитаксиальной кристаллизации.

Личный вклад автора. Результаты работы получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором ставились цели и задачи исследования, он принимал непосредственное участие в эксперименте, разрабатывал физические модели, проводил расчёты с использованием численных методов, а также обрабатывал и обобщал результаты, формулировал выводы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях и совещаниях, в том числе, на III Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупроводниках (Новосибирск, 1978), на IV и V Всесоюзных конференциях по физико-химическим основам легирования полупроводников (Москва, 1979, 1982), на 6-ой и 7-ой Всесоюзных конференциях "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Минск, 1981 1984), на Всесоюзном совещании по радиационной физике твердого тела (Звенигород, 1981), на Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электронной техники" (Минск, 1985), на Всесоюзном совещании "Фотонные процессы в микроэлектронике" (Суздаль, 1987), на 2-ой Всероссийской конференции по физике полупроводников" (Санкт-Петербург, 1996) на Всероссийском совещании "Нанофотоника" (Н. Новгород, 1999) и наследующих международных конференциях и симпозиумах: 5, 6 International Autumn Meeting "Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology"(Germany, 1993, 1995), 18 International Conference on Defects in Semiconductors (Japan, 1995), Symposium "Rare Earth Doped Semiconductors II" (USA, 1996), Symposium "Defects in Electronic Material H"(USA, 1996), Symposium "Light-Emitting Diodes: Research, Manufacturing and Applications"(USA, 1997), на 3-ей и 4-ой Международных конференциях "Рост кристаллов: проблемы прочности и массопереноса" (Обнинск, 1999, 2001), на Международной конференции "Физические процессы в неупорядоченных структурах" (Ульяновск, 1999) и на Международном симпозиуме "Фото- и электролюминесценция в полупроводниках и диэлектриках" (Санкт-Петербург, 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 печатных работ, включая 67 статей, 12 докладов на конференциях и симпозиумах и 1 авторского свидетельства.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Александров, Олег Викторович

Основные результаты работы следующие.

I. Экспериментальное исследование закономерностей и особенностей поведения основной легирующей примеси фосфора в сильнолегированных слоях кремния:

1 - показано, что электрически неактивный фосфор в сильно-легированных слоях кремния создаёт такую же деформацию, как и электрически активный; зависимость концентрации носителей заряда от концентрации фосфора имеет вид кривой с насыщением и описывается полиномом, коэффициенты которого уменьшаются с увеличением степени; результаты объясняются образованием узельными атомами фосфора и кремния кластеров типа SijPm, укрупняющихся с увеличением концентрации примеси;

2 - показано, что скорости высоко- и низкотемпературной диффузии фосфора, а также бора при совместной диффузии с фосфором определяются поверхностной концентрацией электрически активного фосфора, присутствие электрически неактивного фосфора не влияет заметным образом на диффузию в области малых концентраций; положения перегиба и хвоста на концентрационных профилях бора и фосфора при их совместном диффузионном и ионном легировании одинаковы;

3-е использованием методов с непрерывным удалением материала (ВИМС и коррозионного потенциала) исследованы условия образования приповерхностного накопления фосфора: показано, что накопление имеет место как при диффузионном, так и при ионном методах легирования, при отжиге как в окислительной, так и в инертной атмосфере; относительная высота приповерхностного пика концентрации увеличивается с уменьшением температуры отжига и слабо зависит от среды отжига; 4 - исследована низкотемпературная диффузия фосфора (НТД) из сильнолегированных слоев кремния в диапазоне 500 - 700°С; установлено, что скорость НТД зависит как от температуры, так и от времени НТД, а также от температуры создания сильнолегированного слоя и поверхностной концентрации носителей заряда; показано, что деградация напряжения смыкания в п-р-п транзисторах обусловлена НТД фосфора из сильно-легированного слоя эмиттера;

5 - иссследована кинетика распада фосфора в сильнолегированных диффузионных слоях кремния; показано, что процесс распада сопровождается образованием и коалесценцией выделений, а также генерацией дислокационных петель, и лимитируется ускоренной НТД фосфора к центрам зародышеобразования; образование выделений второй фазы происходит, главным образом, из кластеров электрически неактивного фосфора.

II. Влияние самонаведенных и введённых имплантацией дефектов на диффузию основных легирующих примесей в кремнии:

1 - установлено, что дислокации несоответствия замедляют диффузию фосфора в области хвоста распределения; показано, что этот эффект обуславливает влияние ориентации поверхности кремния, ширины окна и типа окисной маски на кинетику диффузии и форму диффузионного фронта, а также влияние толщины плёнки фосфоросиликатного стекла на концентрационный профиль фосфора;

2 - показано, что дефекты, введенные имплантацией ионов электрически неактивных примесей (Аг, N и О), замедляют высокотемпературную диффузию фосфора; дефекты, введенные имплантацией ионов легирующих примесей (В и Р), ускоряют, а введенные имплантацией электрически неактивных примесей (N и О), замедляют низкотемпературную диффузию фосфора; предложено использовать имплантацию электрически неактивных примесей для подавления НТД фосфора и связанной с ней деградации транзисторных структур;

3 - показано, что диффузия основных легирующих примесей (В, Р, As и Sb) при быстром термическом отжиге имплантированных слоев кремния ускорена; определен вид и параметры зависимости от текущих времени и температуры величины ускорения диффузии, связанной с отжигом радиационных дефектов, введенных имплантацией.

III. Моделирование диффузии и сегрегации основных легирующих примесей в диффузионных и имплантированных слоях кремния:

1 - на основе дуального парного механизма разработана модель диффузии примеси замещения в кремнии, в которой вклад в диффузию различных зарядовых состояний и типа примесно-дефектных пар определяется с помощью парциальных коэффициентов диффузии примеси и относительных долей парно-вакансионной и парно-междоузельной составляющих диффузии с учетом пересыщения по собственным междоузельным атомам вследствие диффузии нейтральных примесно-междоузельных пар; в рамках модели количественно описаны: а) диффузия фосфора в широком диапазоне поверхностных концентраций как при высоких (900-1100°С), так и при низких (500-700°С) температурах; б) низкотемпературная диффузия мышьяка из сильнолегированного слоя кремния - концентрационные профили и кинетика диффузии в диапазоне температур 600-800°С; в) высокотемпературная диффузия бора в дипазоне температур 850-1100°С -концентрационная зависимость коэффициента диффузии и профили примеси; г) совместная диффузия бора и фосфора в кремнии при диффузионном и ионном легировании, зависимость величины дип-эффекта от поверхностной концентрации электронов; д) влияние стоков, связанных со структурными дефектами, на высоко- и низкотемпературную диффузию фосфора в кремнии;

2 - на основе парно-вакансионного механизма с учетом поверхностного потенциала разработана модель приповерхностной сегрегации фосфора; модель позволяет описать зависимость относительной высоты приповерхностного пика концентрации (ППК) от уровня легирования, объяснить слабое влияние среды отжига на высоту ППК, существование времени установления стационарного значения ППК и подавление ППК при компенсационном легировании бором.

IV. Электрическая активация примеси редкоземельного элемента эрбия в имплантированных слоях кремния:

1 - показано, что при совместной имплантации с кислородом коэффициент активации эрбия с увеличением дозы ионов О^ растёт с насыщением, а при одновременном росте доз ионов 0+ и Ег+ примерно постоянен вплоть до концентрации кислорода 7 1020 см"3; максимум концентрации донорных центров (ДЦ) смещается к поверхности в область пробега ионов кислорода и эрбия;

2 - показано, что при соимплантации ионов электрически неактивных примесей С+, N+ и F+, как и в случае соимплантации ионов 0+, происходит увеличение коэффициента электрической активации РЗЭ; изменение коэффициента активации с температурой отжига коррелирует с индивидуальным поведением соимплантированных примесей;

3 - предложена модель активации примеси РЗЭ эрбия при отжиге имплантированных слоев кремния, учитывающая образование ДЦ в виде комплексов РЗЭ с собственными междоузельными атомами и атомами присутствующего в подложке или имплантированного кислорода; модель позволяет описать зависимость коэффициента активации РЗЭ от температуры отжига, а также концентрационные профили носителей заряда.

V. Сегрегационное перераспределение примесей РЗЭ (Ег, Но, и Yb) при твердофазной эпитаксиальной (ТФЭ) кристаллизации аморфизованных имплантацией слоев кремния:

1 - на основе анализа концентрационных профилей примеси РЗЭ Ег разработана количественная модель сегрегационного перераспределения примесей РЗЭ при ТФЭ кристаллизации слоев кремния, аморфизованных ионной имплантацией; модель удовлетворительно описывает перераспределение примесей РЗЭ Ег, Но и Yb в процессе ТФЭ кристаллизации поверхностных и скрытых аморфизованных слоев кремния при эмпирической зависимости коэффициента сегрегации от толщины закристаллизованного слоя с параметрами близкими для разных РЗЭ;

2 - исследовано влияние условий имплантации РЗЭ эрбия (температура, доза, энергия) и соимплантации кислорода на изменение концентрационных профилей РЗЭ и параметры модели сегрегационного перераспределения; показано, что при уменьшении температуры мишени, увеличении дозы РЗЭ и соимплантации ионов кислорода уменьшается ширина пограничного слоя, что связывается с накоплением дефектности в аморфизованном слое и образованием комплексов РЗЭ с кислородом;

286

3 - показано что при отжиге слов кремния, аморфизованных имплантацией иттербия, происходит перераспределение примеси кислорода, присутствующего в подложке или введенного имплантацией; накопление кислорода в областях с максимальной концентрацией иттербия промоделировано диффузией кислорода к неподвижным атомам РЗЭ с образованием комплексов YbO„ с п от 1 до 6;

4 - разработана модель сегрегации примесей РЗЭ на межфазной границе (МФГ) a-Si/c-Si при ТФЭ кристаллизации аморфизованного слоя кремния с учётом генерации на МФГ собственных точечных дефектов - вакансий и собственных междоузельных атомов; модель позволяет описать координатную зависимость коэффициента сегрегации и перераспределение примесей РЗЭ в процессе ТФЭ кристаллизации, включая накопление примеси в зоне постоянной ширины перед движущейся МФГ.

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Александров, Олег Викторович, 2003 год

1. Electrochem. Soc. 1970. - V. 117, №5. - P.688-690.2.36. Mathiot D., Pfister J.S. // J. Phys.Lett. 1982. - V.43. - L453-.2.37. Но C.P., Plummer J.D., Hansen S.E., Dutton R.W. VLSI process modeling

2. Si02 interface// J. Appl. Phys. 1984. - V.56, №4. -P.932-935.2.44. Sai-Hales G.A., Short K.T., Williams J.S. Antimony and arsenic segregation at

3. Si // In: Inst. Phys. Conf. Ser. №23. London. - 1975. - P.550-553.2.86. Queisser H. J., Hubner K., Shockley W. Diffusion along low-angle boundary in

4. D'Avitaya, Chroboczek. 1.54 jam photoluminescence of erbium-implanted silicon //

5. J. Electrochem. Soc. 1975. - V.122, №6. - P.786-796.6.4. Малкович Р.Ш., Покоева B.A. Диффузия золота в сильнолегированномкремнии // ФТТ. 1976. - Т.18. - №9, - С.2606-2610.6.5. Weyer G., Fanciulli М., Freitag К., Larsen A.N., Lindroos М., Muller Е.,

6. Нач. лаборатории < ^Т^г-^1^55^ Федорович Ю.В.1. Нач. цеха Прокофьев С.П.1. Нач. СКТБ ДоманСкий Ю.Ф.