Спб.: Политехника, 2004. - 679 c.
ISBN 5-7325-0236-Х
Скачать (прямая ссылка): spravochniktehnologaoptika2004.djvu Предыдущая 1 .. 113 > .. >> Следующая
Окончательное полирование монокорунда и граната с требованиями по форме N (0,1-4,0) и ЛN (0,1-0,4) и чистоте Р IV продолжают на полировальниках из дюралюминия или меди алмазом АСМ1/0; АСМО,5/0,1; АСМО,3/0 последовательно на станках типа ПД. При доводке поверхностей менее 1N снижают давление до 50 кПа и менее (особенно на блоках диаметром более 0,1 м).
Окончательное полирование граната, фианита и кварца с указанными точностями осуществляют на полировальниках из смол СП с наполнителями (оксидом хрома, полиритом и т. п.).
Окончательное полирование монокорунда без требований по отступлению от формы, но с повышенными требованиями по шероховатости (Rz < 0,01) и чистоте (Р III, без сетки царапин) продолжают алмазом АСМ1/0, АСМО,5/0,1 либо оксидом хрома на полировальнике из полировочных смол СП4-СП6 с наполнителями или без них (см. табл. 5.12). Полирование ОД с целью получения максимального пропускания в ВУФ- и УФ-областях спектра продолжают алмазом до АСМО,5/0,1 на полировальниках из дюралюминия и затем на искусственной замше, натянутой на тот же полировальник, субмикронными порошками а-А1203 зернистостью
0,5/0 с водой или этиловым спиртом [а. с. СССР 1663063, 1593307].
Полирование монокорунда для последующего просветляющего покрытия пленками Si02 продолжают на искусственной замше водной суспензией коллоидного кремнезема с а-А1203 зернистостью
294
0,5/0 в концентрации Т: Ж = 1: 4. Считается, что полученная поверхность наиболее приготовлена для эпитаксиального покрытия .
5.5. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ И ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ
Существующие методы, которые применяются для изучения нарушенного слоя, можно условно разделить на две группы: методы, с помощью которых непосредственно наблюдают макро- и микро-структурные изменения в поверхностном слое; методы, с помощью которых исследуют изменение физико-механических или химических свойств материала по мере удаления поверхностного слоя, возникшего в результате механической обработки. Методы 1-й и 2-й групп характеризуются различной сложностью постановки экспериментов, но каждый из них предусматривает последовательное изучение отдельных слоев, все более отстоящих от поверхности. Послойное удаление нарушенного слоя производят полированием или химическим травлением.
1. В методе, основанном на изменении скорости травления поверхности в зависимости от степени ее разрушения, самая высокая скорость отмечается при травлении наружного рельефного слоя. По мере удаления нарушенного слоя скорость травления уменьшается и приближается к скорости травления монокристалла. Толщина слоя, который нужно удалить до получения постоянной скорости травления, принимается за глубину поврежденного слоя. Однако результаты зависят от ряда факторов: типа травите-ля, температуры, скорости перемещения в объеме травителя, освещенности поверхности и т. д. .
2. В методе экзоэлектронной эмиссии поток электронов возникает в запрещенной зоне кристалла с локальных энергетических уровней, соответствующих дефектам структуры. Регистрация экзоэлектронов может осуществляться на воздухе счетчиком типа Гейгера-Мюллера либо в вакууме вторично-электронными умножителями. Наиболее четко зависимость экзоэмиссии от глубины нарушенного слоя выражена в диапазоне 0,3-6,0 мкм .
3. Рентгеновский метод аномального прохождения рентгеновских лучей (АПРЛ) состоит в том, что совершенный кристалл в положении брэгговского отражения пропускает рентгеновские лучи, почти не поглощая их, в то время как в неотражающем положении сильно их поглощает. Поэтому реальные кристаллы, имеющие несовершенства кристаллической решетки, вызывают уменьшение АПРЛ. Таким же образом на АПРЛ влияют нарушения кристаллической решетки, возникающие в результате механической обработки. Эффект АПРЛ можно регистрировать по изме-
295
нению интегральной интенсивности или фотографическим путем (снятием топограмм) .
Методика определения глубины нарушенного слоя по полуширине кривой качания приведена в работе . Как известно, полуширина кривой качания зависит от внутризеренной структуры кристалла - размера блоков мозаики и их разориентации. Механическая обработка приводит к нарушению монокристаллического строения, в частности, к интенсивному дроблению кристалла на блоки и их разориентации. Появление разориентированных блоков приводит к уширению кривой качания ftfeZ-отражения по сравнению с кривой для кристалла без подобных разрушений. Между величиной нарушенного слоя и полушириной кривой качания существует линейная зависимость.
4. В методе, основанном на эффекте Тваймана , пластину, одинаково обработанную с обеих сторон, полируют с одной стороны и измеряют стрелу прогиба. По кривой, характеризующей зависимость стрелы прогиба от толщины слоя, удаленного с другой стороны пластины, определяют глубину поврежденного слоя.
5. В методе, основанном на зависимости микротвердости от глубины нагружения индентора, измерения производят на приборе ПМТ-3. С постепенным удалением нарушенного слоя значения микротвердости повышаются и достигают постоянного значения, не зависящего от нагружения индентора .

суспензию диоксида кремния составляют в соотношении: 1 ч. порошка диоксида кремния и 5 ч. воды. Суспензия в течение всего процесса полировки должна тщательно перемешиваться. Процесс полировки с использованием суспензии из диоксида кремния проводят на полировальнике из замши с частотой вращения до 100 об/мин.

Диоксид циркония в виде водной суспензии с соотношением компонентов 1: 10 и величиной зерна не более 0,1 мкм с успехом используется на окончательном этапе процесса полировки.

Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить так называемый алмазный фон с поверхности полупроводниковых пластин, возникающий на первых двух этапах, и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя. Последний этап полировки позволяет получить поверхности полупроводниковых пластин с чистотой обработки, соответствующей 13-14-му классу.

Дальнейшее совершенствование и улучшение методов полировки полупроводниковых материалов предусматривает изыскание путей

повышения производительности процесса, создание новых полировочных материалов, обеспечивающих наряду с высоким качеством обработки поверхности хорошую геометрическую форму пластин, К новым перспективным методам полировки следует отнести химико-механические способы, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу.

§ 3.8. Контроль качества механической обработки

Электрические параметры готовых полупроводниковых приборов и ИМС существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных полупроводниковых пластин, так как эти несовершенства механической резки, шлифовки и полировки неблагоприятно сказываются на последующих технологических процессах: эпитаксии, фотолитографии, диффузии и др. Поэтому после проведения процессов механической обработки полупроводниковые пластины подвергаются контролю. Оценку качества производят по следующим основным критериям годности: 1) геометрические размеры и форма полупроводниковых пластин; 2) чистота обработки поверхности пластин; 3) глубина механически нарушенного слоя.

Контроль геометрических размеров и форм пластин предусматривает определение толщины, стрелы прогиба, клиновидности и плоскостности пластин после каждого вида механической обработки.

Толщину пластин определяют путем измерения ее в нескольких точках поверхности с помощью индикатора часового типа с ценой деления 1 мкм.

Стрелу прогиба пластин определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, расположенных в центре пластины на противоположных ее сторонах, т. е. измеряют толщину пластины в центральной точке, а затем пластину переворачивают на другую сторону и снова измеряют толщину в центральной точке. Разность полученных значений толщины даст стрелу прогиба.

Клиновидность определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, но расположенных не в центре пластины, а по ее краям на противоположных концах пластины, отнесенную к диаметру пластины. Для более полной картины рекомендуется повторить измерения для двух точек, расположенных на концах диаметра, перпендикулярного диаметру, который был выбран для первого измерения.

Плоскостность определяют измерением толщины пластины в нескольких точках, расположенных по диаметру пластины.

Контроль чистоты обработки поверхности пластин включает в себя определение шероховатости, наличия- на поверхности сколов, рисок, впадин и выступов.

Шероховатость оценивают высотой микровыступов и микровпадин на поверхности полупроводниковой пластины. Оценку шерохо-

ватости проводят либо сравнением поверхности контролируемой пластины с эталонной поверхностью, либо измерением высоты микронеровностей на микроинтерферометре МИИ-4 или на профило-трафе-профилометре.

Наличие на поверхности пластин сколов, рисок, впадин и выступов контролируется визуально с помощью микроскопа.

Контроль глубины механически нарушенного слоя. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя полупроводниковой пластины после резки, шлифовки и полировки принято называть механически нарушенным слоем. Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глубь объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пластины. Процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.

Структура механически нарушенного слоя имеет сложное строение и может быть разделена по толщине на три зоны. Первая зона представляет собой нарушенный рельефный слой, состоящий из хаотически расположенных выступов и впадин. Под этой зоной расположена вторая (самая большая) зона, которая характеризуется одиночными выколками и идущими от поверхности зоны в ее глубь трещинами. Эти трещины начинаются от неровностей рельефной зоны и простираются по всей глубине второй зоны. В связи с этим слой полупроводникового материала, образованный второй зоной, получил название «трещиноватый». Третья зона представляет собой монокристаллический слой без механических повреждений, но имеющий упругие деформации (напряженный слой).

Толщина нарушенного слоя пропорциональна размеру зерна абразива и может быть определена по формуле

где k- 1,7 для кремния и & = 2,2 для германия; ? - размер зерна абразива.

Для определения глубины механически нарушенного слоя используют три способа.

Первый способ заключается в последовательном стравливании тонких слоев нарушенной области и контроле поверхности полупроводниковой пластины на электронографе. Операцию стравливания проводят до того момента, когда вновь полученная поверхность полупроводниковой пластины обретет совершенную монокристаллическую структуру. Разрешающая способность данного метода лежит в пределах ± 1 мкм. Для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать толщину снимаемых каждый раз слоев. Процесс химического травления не может обеспечить снятие сверхтонких слоев. Поэтому тонкие слои снимают травлением не полупроводникового материала, а предварительно окисленного слоя. Метод окисления поверхности с последующим стравливанием слоя оксида

дает возможность получить разрешающую способность менее 1 мкм.

Второй способ основан на зависимости предельного тока анодного растворения полупроводниковой пластины от наличия дефектов на ее поверхности. Так как скорость растворения слоя с дефектами структуры значительно выше, чем монокристаллического материала, то значение анодного тока при растворении пропорционально этой скорости. Поэтому при переходе от растворения нарушенного слоя к растворению монокристаллического материала будет наблюдаться резкое изменение как скорости растворения, так и значения анодного тока. По моменту резкого изменения анодного тока судят о глубине нарушенного слоя.

Третий способ основан на том, что скорость химического травления полупроводникового материала нарушенного слоя значительно выше скорости химического травления исходного ненарушенного монокристаллического материала. Поэтому толщину механически нарушенного слоя можно определить по моменту скачкообразного изменения скорости травления.

Критериями годности полупроводниковой пластины после определенного вида механической обработки являются следующие основные параметры.

После резки слитков на пластины диаметром 60 мм поверхность не должна иметь сколов, больших рисок, класс чистоты обработки должен быть не хуже 7-8; разброс по толщине пластины не должен превышать ±0,03 мм; прогиб не более 0,015 мм; клиновидность не более 0,02 мм.

После процесса шлифовки поверхность должна иметь матовый однородный оттенок, не иметь сколов и царапин; клиновидность не выше 0,005 мм; разброс по толщине не выше 0,015 мм; чистота обработки должна соответствовать 11-12-му классу.

После процесса полировки чистота поверхности должна соответствовать 14-му классу, не иметь алмазного фона, сколов, рисок, царапин; прогиб должен быть не хуже 0,01 мм; отклонение от номинала толщины не должно превышать ±0,010 мм.

Необходимо отметить, что контроль качества полупроводниковых пластин (подложек) имеет огромное значение для всего последующего комплекса технологических операций изготовления полупроводникового прибора или сложной интегральной микросхемы. Это объясняется тем, что механическая обработка подложек является, по существу, первой из цикла операций всего процесса производства приборов и поэтому позволяет исправить отклонение параметров от нормы забракованных при контроле пластин (подложек). При некачественном проведении контроля пластины, имеющие какие-либо дефекты или несоответствие требуемым критериям годности, попадают на последующие технологические операции, что приводит, как правило, к неисправимому браку и резкому снижению такого важного экономического параметра, как процент выхода годных изделий на этапе их изготовления.

Таким образом, максимальная отбраковка негодных пластин после механической обработки гарантирует потенциальную надеж-

ность проведения всего комплекса технологических операций и в первую очередь технохимических и фотолитографических процессов, процессов, связанных с получением активных и пассивных структур (диффузия, эпитаксия, ионная имплантация, осаждение пленок и др.), а также процессов защиты и герметизации р-п-переходов.

ТЕХНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ ПОДЛОЖЕК ИМС

§ 4.1. Цели технохимических процессов подготовки подложек

Основными целями технохимических процессов подготовки подложек ИМС являются: получение чистой поверхности полупроводниковой пластины; удаление с поверхности полупроводниковой пластины механически нарушенного слоя; снятие с полупроводниковой пластины слоя исходного материала определенной толщины; локальное удаление исходного материала с определенных участков поверхности подложки; создание определенных электрофизических свойств обрабатываемой поверхности подложки; выявление структурных дефектов кристаллической реше

Контроль диффузионных слоев проводится в основном по таким параметрам, как глубина залегания сформированного p–n –перехода, проводимость поверхностного слоя и поверхност­ная концентрация атомов примеси.

Наиболее распространенным методом контроля глубины залегания p–n –перехода является метод окрашивания шлифа. Для измерения глубины залегания примеси порядка единиц микрометра и менее удобно использовать сферический шлиф.

Рис. 9.3. Схема процесса изготовления сфери­ческого шлифа на пластине с диффузионным слоем:

1 – пластина полупроводника; 2 – р–n –перехоя;

3 – стальной шар; 4 – окрашенная р –область шлифа

Его изготовляют при вращении стального шара диаметром 35 – 100 мм, при­жимаемого к поверхности пластины. Образование сферы происходит за счет того, что в место контакта вращающийся шар – кристаллическая пластина подают абразивную суспензию или наносят на поверхность шара алмазный порошок в виде эмульсии. Для большей точности измерения диаметр зерна абразивного материала не должен превышать 1 мкм. Чтобы выявить границы р–n –перехода, глубина сферической лунки должна быть больше глубины залегания р–n –перехода. Границу выявляют по окрашиванию (потемнению) р –области вследствие окисления в травителе, состоящем из 48 %–ной плавиковой кислоты с небольшой добавкой (до 0, 05–0, 1 %) 70 %–ной азот­ной кислоты.

Глубина залегания диффузионного р–n –перехода:

x j = l 2 /(4D) (9.4)

где l – длина хорды контура сферического шлифа (рис.9.3), измеряемая с помощью микроскопа; D – диаметр шара.

Для повышения точности измерений изготовляют несколько шлифов (до 5), а полученные результаты усредняют.

Наиболее распространенным методом измерения поверхностного сопротивления является четырехзондовый метод. Погрешность измерения поверхностного сопротивления обычно не превышает 5 – 10 %. Для определения поверхностной концентрации легирующей примеси необходимо знать характер распределения примесей в диффузионной области, который зависит от условий проведения процесса.

Ионная имплантация

Ионной имплантацией (ионным легированием) называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантации.

Назначение и применение ионной имплантации

Наиболее распространенным применением ионной имплантации в технологии формирования ИМС является процесс ионного легирования кремния. Часто приходится проводить имплантацию атомов в подложку, которая покрыта одним или несколькими слоями различных материалов. Ими могут быть как тонкие слои тяжелых металлов (например, Та или силицида тантала TaSi 2), так и диэлектриков. Существование многослойной структуры может вызвать резкие перепады в профиле легирования на границе отдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами приповерхностных слоев последние могут быть выбиты в более глубокие области легируемого материала. Такие "осколочные эффекты" способны вызвать ухудшение электрических характеристик готовых приборов.

Во многих случаях для получения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.

Общая траектория движения иона называется длиной пробега R , а расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированной длиной пробега R p .

9.5.2. Применение ионной имплантации в технологии СБИС. Создание мелких переходов

Требование формирования n + слоев, залегающих на небольшой глубине, для СБИС можно легко удовлетворить с помощью процесса ионной имплантации Аs. Мышьяк имеет очень малую длину проецированного пробега (30 нм) при проведении обычной имплантации с энергией ионов 50 кэВ.

Одной из прогрессивных тенденций развитии СБИС является создание КМОП– транзисторов. В связи с этим большое значение имеет получение мелких p + – слоев. Такие слои очень сложно сформировать путем имплантации ионов В + .

Решение проблемы, связанной с имплантацией бора на небольшую глубину, на практике облегчается использованием в качестве имплантируемых частиц ВF 2 . Диссоциация молекулы ВF 2+ при первом атомном столкновении приводит к образованию низкоэнергетических атомов бора. Кроме того, использование молекулы ВF 2 имеет преимущество при проведении процесса отжига структур.

Полирование

Для улучшения качества обработки поверхности полупроводниковых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки. Процесс полирования отличается от процесса шлифования технологическим режимом, размером зерна и видом абразива, а также материалом полировальника. Обработка происходит с использованием свободного абразива. Процесс полирования проводят на мягких полировальниках, которые представляют собой жесткие диски, обтянутые мягким материалом. В качестве абразива используют микропорошки синтетического алмаза, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния. Полировочный материал должен удерживать частицы абразивного материала в процессе обработки пластин. Процесс полирования пластин может происходить в несколько этапов. Для начала применяют микропорошки с более крупной зернистостью. На последующих этапах, после проведения операции очищения от следов предыдущей обработки, меняют материал полировальника и используют более мелкие микропорошки. Нагрузка на полупроводниковые пластины несколько увеличивается. Водная суспензия в течение всего процесса полирования тщательно перемешивается. Последний этап полирования имеет большое значение. Он дает возможность удалить фон частиц с поверхности пластин, возникающий на первых этапах полировки и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя. Так же могут применяться химико-механические способы полирования, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу, .

Полирование пластины проводим в несколько этапов, с рабочей стороны:

· Предварительное полирование алмазной пастой АСМ-3 на мягкой ткани до глубины нарушенного слоя 6-9 мкм.

· Повторное полирование алмазной пастой АСМ-1 на мягкой ткани до глубины нарушенного слоя 4-6 мкм.

· Окончательное полирование алмазной пастой АСМ-0,5 на мягкой ткани до глубины нарушенного слоя 3-1 мкм., .

Химико-механическое полирование

Удаление с поверхности подложки остаточного механически нарушенного слоя необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя, поэтому следующим технологическим процессом является химическая обработка пластин. Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-химическим свойствам (органические, неорганические, солевые, ионные, механические и др.) и характеру их взаимодействия (физически и химически адсорбированные) с полупроводниковыми материалами, на которых они находятся.

К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Удаление органических загрязнений требует более сложного процесса отмывки, так как при нагревании они разлагаются и выделяют газообразные вещества, ухудшающие последующие технологические процессы.

К химически адсорбированным загрязнениям относятся различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности пластин, катионы и анионы химических веществ. Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений используют ряд последовательных операций, каждая из которых удаляет несколько видов загрязнений. Травление является обязательной технологической операцией, .

При травлении кремния роль окислителя выполняет азотная кислота.

Фтористоводородная (плавиковая) кислота, входящая в состав травителя, переводит окись кремния в тетрафторид кремния. Для травления, дающего зеркальную поверхность пластин, используют смесь указанных кислот в соотношении 3:1, температура травления 30...40°С, время травления около 15 с.

Химико-механическое полирование проводим в два этапа:

· Первичное полирование суспензией аэросила, SiO 2 (зерно 0,04 - 0,3 мкм), до глубины нарушенного слоя 2-1 мкм.

· Окончательное полирование суспензией цеолита, до глубины нарушенного слоя 1-0,5 мкм., .

Введение

Глава 1. Аналитический обзор литературы 11

1.1. Общие характеристики метода ионной имплантации 11

1.1.1 Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах 11

1.1.2. Образование радиационных дефектов при ионной имплантации 15

1.1.3. Формирование профилей распределения радиационных дефектов

1.2. Влияние параметров имплантации протонов на микроструктуру, профиль распределения, механические и электрофизические свойства кремния

1.2.1. Влияние энергии протонов 27

1.2.2. Влияние дозы протонов 29

1.2.3. Влияние постимплантационного отжига 33

1.2.4. Влияние разной ориентации подложек 38

1.3. Применение имплантации протонов в технологии изготовления полупроводниковых приборов

1.4. Заключение по Главе 1 45

Глава 2. Методы исследования структуры нарушенных слоев 46

2.1. Метод рентгеновской дифрактометрии 47

2.1.1. Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии 48

2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии 51

2.1.2.1. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей на микродефектах в монокристаллах

2.1.2.2. Профили интенсивности ТРД в случае монокристаллов с дефектами кулоновского типа

2.2. Метод рентгеновской топографии 64

2.3. Метод просвечивающей электронной микроскопии 66

2.4. Заключение по Главе 2 67

Глава 3. Объекты исследования и методики экспериментов и измерений 68

3.1. Кристаллы кремния, имплантированные с различными энергиями и дозами ионами водорода после имплантации и отжига

3.2. Методика облучения 69

3.3. Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM

3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления 72

3.5. Методика рентгеновских исследований 73

3.5.1. Идентификация нарушенного слоя с помощью метода рентгеновской топографии

3.5.2. Изучение структуры ионноимплантированных слоев методом рентгеновской дифрактометрии

3.5.3 Метод определения интегральных характеристик нарушенного слоя

3.5.4. Методика получения профилей деформации по кривым дифракционного отражения

3.5.5. Определение параметров микродефектов по результатам измерения интенсивности диффузного рассеяния рентгеновских лучей

3.6. Методика подготовки образцов для исследования методом просвечивающей электронной микроскопии

3.7. Заключение по Главе 3 89

Глава 4. Результаты комплексного исследования ионноимплантированных слоев и их обсуждение

4.1. Результаты исследования влияния облучения на структурные свойства кремния

4.1.1. Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя

4.1.2. Результаты исследования влияния поля механических напряжений на формирование нарушенного слоя при имплантации ионов водорода в кремний

4.1.3. Результаты исследования влияния постимплантационной термической обработки на процесс дефектообразования

4.1.4. Результаты определения параметров и качественных изменений характера микродефектов в имплантированных протонами слоях кристаллов кремния

4.1.5. Анализ изменения характеристик микродефектов кристаллов кремния, облученных протонами при термической обработке

4.2. Результаты исследования возможности применения 146 имплантации протонов для коррекции характеристик рІп- фотодиодов

4.3. Заключение по Главе 4 158

Основные результаты и выводы по диссертации 160

Литература 163

Введение к работе

В последние десятилетия возможности традиционной металлургии полупроводников были существенно расширены за счет использования технологии ионной имплантации, которая позволяет вводить в материал практически любые примеси с концентрациями, не ограниченными пределом растворимости . В настоящее время достаточно хорошо изучены основные закономерности процессов, протекающих при этом способе легирования, выявлены его достоинства и возможности использования, а сама ионная имплантация стала одним из базовых технологических процессов.

Долгое время практически единственным применением ионной имплантации, как в планарной, так и непланарной технологии являлось введение легирующих примесей в полупроводники при производстве дискретных приборов и интегральных схем . В последние годы область применения ионной имплантации существенно расширилась.

Актуальность работы обусловлена быстро развивающимися направлениями практического использования ионной имплантации в современной технологии производства приборов микроэлектроники. В частности, для контролируемого введения радиационных нарушений с целью разделительной изоляции элементов интегральных схем, ускорения диффузии и стимуляции электрической активности внедренных примесных атомов, прецизионной корректировки и создания высокоомных резисторов, получения аморфизированных слоев, геттерирования нежелательных примесей, управления свойствами контакта металл-полупроводник и др. . Но за стремлением получить оптимальные параметры ионноимплантированного материала, готового для производства на его основе прибора, остается в тени изучение процессов, происходящих в кристалле во время проведения в нее имплантации ионов, что тоже важно для микроэлектронных технологий. С отсутствием четкого представления о механизме структурных изменений в

приповерхностных пересыщенных дефектами слоях ионноимплантированных структур связано большинство технологических проблем.

Исследования, выполненные в последние годы, показали перспективность облучения кремния легкими ионами (водород, гелий) для формирования, так называемых "нарушенных" слоев и областей. Особенностью таких слоев является существование в них большого количества структурных дефектов, создаваемых имплантацией ионов водорода и последующей термообработкой. В зависимости от режимов имплантации, температуры и времени отжига возможно создание областей, насыщенных дефектами различного вида: кластерами и скоплениями точечных дефектов, микропорами, газовыми пузырями, заполненными водородом. Изучение природы и характеристик дефектов, возникающих при имплантации, позволит расширить возможности метода ионной имплантации в области создания новых технологий и управления характеристиками микроэлектронных устройств. Информация о структуре ионноимплантированных образцов позволит решить вопрос о подборе доз и энергий ионной имплантации, а также температуры отжига с целью оптимизации свойств нарушенного слоя для конкретного практического применения. Все это делает данную работу актуальной.

Целью данной работы являлось выявление основных закономерностей формирования дефектной структуры слоев кремния, имплантированных ионами водорода в различных условиях и ее эволюции при термической обработке, а также исследование возможности использования имплантации протонов для модификации свойств поверхностных слоев кремния с целью улучшения параметров и увеличения выхода годных электронных приборов.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие основные задачи :

1). Установить зависимость характера дефектообразования от условий имплантации (энергии и дозы);

2). Выяснить роли внешних факторов (температура, поля механических напряжений) в формировании дефектной структуры в процессе имплантации;

3). Определить структурные и электрофизические характеристики слоев кремния, нарушенных имплантацией протонов и проследить их изменения в ходе последующей термической обработки;

4). Идентифицировать и определить характеристики микродефектов, возникающих в процессе имплантации ионов водорода и проследить их эволюцию в процессе термической обработки;

5). Выявить возможности использования свойств нарушенных слоев, созданных имплантацией протонов для управления характеристиками кремниевых электронных приборов.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

Получены новые результаты об изменениях структурных и электрофизических свойств нарушенных слоев кристаллов кремния при облучении его протонами с энергиями в диапазоне от 100 до 500 кэВ, дозами от 10 15 до 2-10 16 смЛ

Впервые выявлены особенности формирования нарушенных слоев ^ при воздействии внешних факторов: температуры и поля механических напряжений.

Изучено изменение структурного состояния слоев кремния, имплантированного протонами при термической обработке в широком диапазоне температур (100 - 1100С).

Впервые определены характеристики микродефектов, формирующих нарушенный слой, и исследованы их изменения при термической обработке.

Предложена модель эволюции микродефектов в нарушенных имплантацией протонов (Е = 100-500 кэВ, D = 10 15 -2-10 16 см* 2) слоях кристаллов кремния при термической обработке в диапазоне температур Т = 200-1100С.

6. Показана эффективность использования нарушенных слоев кристаллов кремния, образованных при протонном облучении и отжиге, для коррекции характеристик кремниевых рІп-фотодиодов.

Практическая значимость результатов работы:

Разработана методика проведения измерений и обработки экспериментальных данных для определения параметров нарушенных слоев методом рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения.

Отработана неразрушающая методика определения природы и характеристик микродефектов с разными знаками дилатации. Методика на основе анализа асимптотического диффузного рассеяния позволяет расширить спектр наблюдаемых микродефектов.

Установленная роль внешних факторов ионной имплантации в процессе формирования дефектной структуры должна учитываться в технологии создания нарушенных слоев.

Результаты определения характеристик микродефектов в кристаллах кремния, имплантированных протонами различных доз и энергий, подвергнутых термообработке в широком интервале температур, могут быть использованы для создания нарушенных слоев с оптимальными свойствами.

Разработан метод защиты поверхности кремниевых pin-фото диодов, включающий облучение периферии p-n-переходов протонами и последующий отжиг. Определен оптимальный режим облучения и отжига для данного типа приборов, повышающий выход годных.

Основные положения, выносимые на защиту:

Результаты определения интегральных характеристик нарушенного слоя кристаллов кремния, облученных протонами с энергией 150 кэВ и дозами от 2,5-Ю 15 см" 2 до 2-Ю 16 см" 2 в интервале температур от 50 до 610С.

Результаты изучения воздействия внешних факторов ионной имплантации: дозы, температуры и поля механических напряжений, на процесс формирования дефектной структуры в кристаллах кремния.

Результаты исследований структурных и электрофизических характеристик нарушенных слоев кремния, формируемых при облучении протонами сЕ = 200, 300, 100+200+300 кэВ, D = 2-Ю 16 см" 2 и последующей термической обработке в интервале температур от 100 до 900С.

Экспериментально установленная немонотонная зависимость интегральных и электрофизических характеристик нарушенного слоя от температуры отжига.

Модель эволюции радиационных микродефектов в имплантированных ионами водорода (Е= 100-500 кэВ, D= 10 I5 -2-I0 16 см" 2) слоях кремния при термической обработке в интервале температур от 200 до 1100С.

Результаты исследований механизма влияния структурных и электрофизических параметров поверхностных слоев кремния, модифицированных облучением протонами и последующим вакуумным отжигом, на В АХ ріп-ф ото диодов; режимы оптимальной протонной обработки диффузионных pin-фото диодов с глубиной залегания р-п-переходов - 3 мкм.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ (ТУ) (Москва, 1998 г.), IX Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний -2000» (Москва, 2000 г.), X Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2000 г.), Третьей Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - XXI век» (Зеленоград, 2000 г.), Третьей Международной конференции «Водородная обработка материалов» (ВОМ-2011) (Донецк - Мариуполь, 2001 г.), VI Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации

материалов методами нетрадиционных технологий» (MHT-VI) (Обнинск,

г.), XI Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001 г.), 2-ой Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г.), XII Международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2002 г.), Совещании по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния «Кремний - 2002» (Новосибирск, 2002 г.), IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2002» (Зеленоград,

г.), Третьей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний - 2003» (Москва, 2003 г.).

Работа отмечена Дипломом I степени, как лучшая научная работа, представленная на научно-техническую конференцию - конкурс студентов, аспирантов и молодых специалистов 1998 г. (МГИЭМ (ТУ)).

Публикации

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 101 наименование.

Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах

Дефектообразование при имплантации ионов водорода и влияние дефектов на физико-химические параметры кремния являются серьезной проблемой при создании кристаллов с заданными свойствами. Микродефекты (МД), образовавшиеся в результате коагуляции точечных дефектов и создающие вокруг себя сильные поля упругих искажений, приводят к возникновению дополнительного изменения свойств кристалла и их существенной локальной неоднородности . Интерес к исследованию МД определяется недостаточной изученностью, как самой природы МД, механизмов их образования, так и влияния их на физические свойства кристалла и, соответственно, на основные характеристики приборов на их основе.

С целью исследования МД, а также возможности применения имплантации ионов водорода в технологии изготовления полупроводниковых структур необходимо рассмотреть влияние параметров имплантации протонов на свойства кремния,

Метод ионной имплантации универсален и неспецифичен, позволяет вводить в любые мишени ионы различных элементов в строго контролируемых количествах, задавать распределения концентраций по глубине последовательностью ионных доз с различными энергиями; во многих случаях такие распределения просто невозможно получить иными методами .

Первичным процессом при ионной имплантации является проникновение ионов в вещество и их торможение до тепловых скоростей. Установившееся в результате этого распределение внедренных атомов по глубине называется профилем распределения, отличающееся от окончательного распределения примесных атомов, в которое часто вносят вклад диффузные процессы. Теория торможения ионов средних энергий в аморфных телах была разработана Линдхардом, Шаффом и Шиотом (теория ЛШШ) . Сущность теории ЛШШ кратко сводится к следующему. При бомбардировке твердых тел заряженными частицами определяющую роль играют неупругие соударения со связанными электронами тормозящего вещества (электронное торможение), в которых кинетическая энергия движущегося иона расходуется на электронные переходы в атомах, а также на возбуждение коллективных колебаний электронов и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение), в которых энергия передается атомам как целым. Какой из этих эффектов будет преобладать, зависит от энергии и массы ускоренных частиц и массы и порядкового номера атома мишени.

Согласно теории ЛШШ распределение пробегов ионов оказывается гауссовым и характеризуется средним нормальным (проецированным) пробегом Rp и среднеквадратичным (стандартным) отклонением ARP (рис. 1.1.1). падающий ион поверхность мишени Рис. 1.1.1. Схематическое изображение полной длины пробега R, нормального пробега Rp и стандартного отклонения ARp. Результирующие траектории ионов представляют собой сложные кривые и имеют в аморфном веществе статистический характер. Общая траектория движения иона называется длиной пробега R. Если масса иона Ы\ много больше массы атома мишени М2, то отклонения малы и ион движется почти прямолинейно. Поэтому длина его пути вдоль траектории R слабо отличается от Rp. Если же Mi М2, а энергия иона Е не слишком велика, то траектория извилиста и Rp значительно меньше R. Вследствие статистического характера движения ионов величины Rp и R не имеют определенного значения, а колеблются около средних значений .

Следует отметить, что вклад ядерного торможения доминирует при малых энергиях имплантации, а электронного - при больших. При сложении кривых потери энергии за счет ядерного и электронного торможений суммарная величина потери энергии постоянна в очень широком диапазоне энергий падающих ионов. В результате этого полная длина пробега ионов R приблизительно пропорциональна первоначальной энергии падающего иона.

Простейшим профилем распределением ионов является нормальное, или гауссово, для построения которого требуется лишь два первых момента - проективный пробег Rp и стандартное отклонение ARP . Гауссово распределение является удовлетворительным приближением к реальным распределениям примеси по пробегам или по глубине в тех случаях, когда эти пробеги являются достаточно симметричными. Однако это выполняется не всегда. Особенно заметны отступления от симметрии в случаях бомбардировки легкими ионами более тяжелых мишеней при условии преобладания электронных потерь.

Можно использовать различные виды асимметричных профилей распределения. Классическим методом построения распределения пробегов ионов является распределение Пирсона IV- распределение в приближении четырех параметров: Rp, ARP, асимметрии распределения и эксцесса р. Подробно этот метод рассмотрен в . Для ряда значений асимметрии в рассчитаны таблицы функций распределения Пирсона в безразмерных единицах. Таблицы позволяют для любых известных значений Rp, ARp и асимметрии легко построить профиль распределения внедренной примеси для широкого круга мишеней, ионов и их энергий.

Чтобы получить профиль концентрации N(x) примеси, распределение Пирсона нужно умножить на дозу: N(x) = N0-f{x). (1.1.3) Существует еще один метод получения распределения пробегов ионов, который называется методом Монте-Карло . Идея метода состоит в том, что в ЭВМ моделируется некоторый элемент твердого тела, задаются законы, по которым происходит взаимодействие иона с атомами, а затем на такое смоделированное «твердое тело» в случайное место его поверхности выпускается ускоренный до определенной энергии «ион». Иными словами, проводится машинный эксперимент, при котором можно проследить весь путь иона, в том числе и место его остановки. После многократного повторения этой операции так, чтобы погрешности, связанные со среднестатистическими отклонениями, были малы, можно построить распределение ионов по глубине. Соответствие результатов таких машинных экспериментов реальным, определяется правильностью задания законов взаимодействия. Одновременно с исследованием пробегов ионов методом Монте-Карло можно получить такие сведения, как распределение числа первично смещенных атомов мишени по глубине (концентрацию дефектов). Во всех методах разделяют торможение на упругую и неупругую компоненты, не учитывая реальной обол очечной структуры атома, полностью вторичные процессы, используются некоторые другие упрощающие допущения . В итоге ошибка при расчете средних значений Rp и ARP может достигать 20-25%.

Таким образом, профиль распределения имплантированных ионов в монокристаллах зависит от многочисленных факторов: направления ионного пучка, его расходимости, состояния поверхности, совершенства структуры кристалла, а также температуры мишени, поскольку она влияет на амплитуду тепловых колебаний и кинетику накопления радиационных дефектов.

Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии

Метод основан на регистрации углового распределения дифрагированного пучка исследуемым образцом (то есть на измерении кривой дифракционного отражения), с дальнейшим анализом параметров полученной кривой . Наиболее информативным и удобным для исследования монокристаллов является метод записи кривых качания в геометрии Брэгга . Наличие на поверхности кристалла слоя с различной степенью нарушения по разному влияет на параметры дифракционных кривых (процентное отражение, полуширина, интегральный коэффициент отражения, закон спадания «хвостов»). По величине отклонения этих параметров, при сравнении с теоретически рассчитанными для идеального образца, можно делать заключение о характеристиках нарушенного слоя, таких как среднее изменение параметра решетки, эффективная глубина нарушенного слоя и определять профили деформации.

Исследуемый образец, обычно, освещается пучком рентгеновских лучей, предварительно монохроматизированных отражением от кристалла монохроматора, который остается неподвижным, в то время как исследуемый кристалл осуществляет вращение вблизи угла дифракции . Кривую, характеризующую зависимость интенсивности, отраженного кристаллом излучения от угла поворота, называют кривой качания, или кривой дифракционного отражения (КДО). Характеристиками совершенства структуры кристаллов являются следующие параметры кривой качания: интегральный коэффициент отражения R, который определяется как отношение всей интенсивности, отраженной исследуемым кристаллом, умноженной на угловую скорость, к интенсивности, отраженной кристаллом-монохроматором; полуширина кривой качания, т.е. полная ширина кривой на половине высоты, определяющая интервал углов поворота, в котором интенсивность уменьшается наполовину от максимума.

Дефекты в кристаллах могут влиять на указанные характеристики кривых качания за счет изменения кривой отражения исследуемого кристалла, т.е. коэффициент отражения R2 и форма кривой R(P) изменяются. Сравнение расчетных и экспериментальных кривых качания является основой для оценки совершенства структуры кристаллов.

Если исследуемый кристалл отражает по схеме Брэгга , то в обычном случае дислокации при плотности, большей 5 104 см 2, вызывают появление таких разориентировок, которые могут быть легко замечены по уширению кривой качания. Если уширение обусловлено только разориентировками, кривая качания является суммой отдельных кривых, сдвинутых друг относительно друга на угол разориентировки, так как при повороте кристалла разные участки последовательно попадают в отражающее положение. Такое уширение не зависит от брэгговского угла. При этом, так как полуширина кривой качания равна обычно нескольким секундам, если монохроматор и образец - совершенные кристаллы, то дополнительное уширение в одну или несколько секунд надежно фиксируется. Если уширение кривой качания вызвано наличием в отражающем объеме участков с различным значением межплоскостных расстояний dj, то оно зависит от угла отражения: Д Ь = -(L)tg9. (2.1.4) При достаточно развитой субструктуре, когда дислокации сгруппированы в плоские сетки, кривые качания от отдельных субзерен могут разделяться, и общая кривая качания будет иметь несколько максимумов. Расстояние между ними равно разориентировке вокруг оси, параллельной оси вращения образца.

Если размер субзерен больше толщины слоя полупоглощения, тогда каждое субзерно отражает независимо от соседних и общая площадь кривой качания, состоящей из нескольких максимумов, будет как для совершенного кристалла. Если же их размер меньше толщины слоя полупоглощения, тогда субзерна, которые не экранируются лежащими над ними субзернами, уже вышедшими из отражающего положения полностью или частично, также могут давать существенный вклад в общую отраженную интенсивность. В результате существенно возрастает общий рассеивающий объем и угловой интервал отражения, что и приводит к сильному увеличению интегрального коэффициента отражения, который в пределе стремится к интегральному коэффициенту отражения, соответствующему кинематической теории.

Однако метод записи кривых дифракционного отражения в двухкри стальной схеме обладает существенным недостатком. Данный метод является интегральным, поскольку регистрируемая интенсивность собирается с широкой области обратного пространства вдоль сечения сферы Эвальда. При этом невозможно различить вклад в интенсивность кривой качания дифракционной (когерентной) и диффузной (некогерентной) компоненты рассеяния. При исследовании тонких слоев велик вклад диффузного рассеяния от структурных несовершенств нарушенного слоя (кластеры радиационных точечных дефектов, частично аморфизованные зоны и т.п.) в результирующую интенсивность. Это затрудняет однозначную трактовку получаемых результатов. Разделение этих эффектов требует подробного анализа распределения интенсивности окрестности узла обратной решетки, который может быть реализован на трехкристальном рентгеновском дифрактометре. 2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии Возможности рентгенодифракцио иного метода в исследовании структуры тонких нарушенных слоев можно сильно расширить, если в дифракционную схему ввести третий кристалл-анализатор, как это показано на рисунке 2.1.1 .

Назначение этого кристалла - анализ углового распределения рентгеновских лучей, отраженных исследуемым кристаллом . На совершенных кристаллах-анализаторах можно проводить такой анализ углового распределения с точностью до долей секунд. Получаемые трехкристальные кривые качания, отражают природу структурных изменений, прошедших в приповерхностных слоях кристалла, т.к. имеют высокую чувствительность к типу и характеристикам дефектов монокристаллов . Тем самым, представляется возможность судить о типе дефектов уже на основании самого только вида профилей интенсивности, измеряемых методом ТРД. Более того, высокая разрешающая способность метода ТРД позволяет извлекать весьма точную количественную информацию о характеристиках дефектов .

Отличие метода ТРД от обычных трехкристальных схем, в которых первые два совершенных кристалла служат для коллимации и монохроматизации излучения, падающего на третий кристалл-образец, заключается в том, что исследуемый образец выступает в качестве второго кристалла, а третий (совершенный) кристалл-анализатор осуществляет развертку углового распределения излучения, дифрагированного вторым кристаллом (рис. 2.1.1). Кристалл-образец отклоняют от точного условия Брэгга на угол а, а кристалл-анализатор вращают в некотором угловом диапазоне вблизи точного угла Брэгга. Регистрируемая детектором интенсивность рентгеновских лучей во время вращения третьего кристалла представляет собой спектр ТРД. При данной схеме записи, спектр обычно состоит из трех пиков, которые согласно сложившейся терминологии называют главным, псевдо и диффузным пиками. Угловые положения пиков определяются законами вращения кристаллов и геометрии дифракции.

Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM

Процессы дефектообразования при ионной имплантации зависят от многих факторов: температура мишени, доза и энергия имплантируемых ионов, их химическая активность, соотношение масс иона и атомов мишени, ориентации подложки. Не всегда есть возможность учесть влияние всех этих факторов. Программа TRIM (Transport of Ions in Matter) позволяет произвести приблизительные оценки первичных процессов ионной имплантации и дает возможность наглядно представить, как будет происходить проникновение иона в мишень и каковы будут последствия .

Расчеты профилей распределения ионов водорода и радиационных дефектов по глубине, производимые по программе TRIM, основываются на методе Монте-Карло . Сущность и точность данного метода описаны в Гл. 1, п. 1.1.1, 1.1.3. Программа TRIM учитывает только влияние энергии на профиль распределения ионов примеси, независимо от количества вводимых ионов. Поэтому, для набора необходимой статистики при расчете профиля распределения выбирается произвольное число вводимых ионов. В данной работе, для обеспечения удовлетворительной точности расчета, число ионов было принято равным 10000. Разброс значений среднего пробега, обусловленный статистическими флуктуациями присущими методу Монте-Карло при расчете для 10000 ионов по программе TRIM, составляет 1 нм. Это количество ионов приравнивалось дозе имплантации, которая задается как входной параметр программы. Средний порог дефектообразования Ej для кремния составляет величину 20 эВ . Толщина слоя мишени, в котором проводится расчет профиля распределения, принималась равной от 2 до 7 мкм, в зависимости от энергии вводимых ионов. Через каждые 2000 частиц количество ионов примеси, попавшее в слой пересчитывается в концентрацию ионов в этом слое (см 3). Далее рассчитываются доли кремния и атомов примеси по отношению ко всем частицам в данном слое. При следующем цикле моделируются столкновения с учетом вероятности взаимодействия атомов примеси и матрицы.

После чтения входных данных и расчета необходимых параметров программа переходит к циклу налетающей частицы, в ходе которого рассматриваются столкновения и определяются новые направления движения: рассчитываются потери энергии при столкновениях, затем рассматривается возможность образования первично выбитых атомов (ПВА). Учитывается изменение траектории иона за счет упругого взаимодействия с атомом и потеря энергии ионом за счет неупругого взаимодействия с электронами атома мишени. Процесс повторяется пока энергия иона составляет более 0,001 от первоначальной. Если образуется ПВА, то его данные записываются в список 1. Если движение налетающей частицы прекращается, то программа переходит от цикла налетающей частицы к каскадному циклу. Структура каскадного цикла подобна структуре цикла налетающей частицы. Информация по ПВА переносится в список 2, а информация по новым вторично выбитым атомам записывается в список 1. После того как программа закончит работу с атомами из списка 2, список 1 объединяется с уменьшившимся списком 2. Эта процедура повторяется до тех пор, пока список 2 не будет исчерпан. Затем в зависимости от количества введенных ионов программа переходит или к циклу налетающей частицы, или выводит результаты расчета.

В результате расчетов, произведенных по программе TRIM, были получены зависимости концентрации ионов водорода и радиационных дефектов от глубины имплантированного слоя при различных энергиях имплантации в диапазоне 100-500 кэВ и комбинированном облучении. В программе считается, что в процессе имплантации образуется одинаковое количество вакансий и междоузельных атомов (см. Гл.], п. 1.1.3), поэтому результирующие профили выдаются относительно одного из видов точечных дефектов. 3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления

Срез выполняется под определенным углом при помощи шлифования алмазной пастой с размером зерна не более 1 мкм. Образец с нанесенным срезом крепится в каретке автоматической однозондовой установки, обеспечивающей прерывистую подачу образца с шагом, соответствующим перемещению по глубине 1 мкм. Через образец, имеющий низкоомные невыпрямляющие токовые контакты, пропускают постоянный ток. На поверхность образца с косым шлифом помещают зонд, в качестве которого использовалась вольфрамовая игла с острием, имеющим радиус скруглення около 1 мкм. При измерениях на резистор, включенный в цепь зонда, подается положительный потенциал. Измеряемой величиной является потенциал зонда, который меняется в зависимости от расположения точки касания зонда относительно края косого среза. Для измерения потенциала зонда использовался электрометрический усилитель постоянного тока с входным сопротивлением 10ш Ом.

Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя

Для выявления влияния дозы и температуры протонного облучения на характеристики нарушенного слоя были исследованы кристаллы кремния, толщиной 0,4 мм, с ориентацией поверхности (100), подвергнутые имплантации ионов водорода с энергией 150 кэВ и дозами 2,5-1015 см"2, 5-Ю15 см 2, 1-Ю16 см"2, 2 10 см. Температуры образцов при облучения составляли 50С, 140С, 230С, 320С, 430С, 550С, 610С. Исследования проводились с использованием двухкри стального рентгеновского дифрактометра в бездисперсионной схеме (рис. 3.5.2). В результате рентгенодифракционного эксперимента для всех указанных режимов облучения были получены кривые дифракционного отражения (КДО), представленные на рис. 4.1.1 - 4.1.3. По экспериментальным КДО, используя методику, описанную в п. 3.5.3 были получены количественные параметры ионноимплактированных слоев: средняя эффективная толщина и средняя относительная деформация.

Для всех доз имплантации водорода в кремний характер снятых кривых дифракционного отражения изменился по отношению к идеальной кривой (рис, 4.1.1 - 4.1.3), Как видно, основное отличие этих кривых от кривой, соответствующей отражению от необлученного кристалла (рис. 4.1.1) заключается в появлении (помимо основного максимума) дополнительной осцилляции интенсивности, характеризующей образование нарушенного слоя (рис. 4.1.2, 4.1.3). Во всех случаях кривые ассиметричны, причем со стороны углов меньших брэгговского интенсивность больше, чем с противоположной стороны. Для всех указанных доз при температурах от 50 до 550С со стороны малых углов хорошо видны когерентные осцилляции, характеризующие деформацию положительного знака, и явно выражен пик от нарушенного слоя (рис. 4.1.2 а, б, рис. 4.1.3, крива б). Видно также, что дополнительная интенсивность увеличивается с увеличением дозы от 2,5 1015 до 2 1016 см 2.

По методике, описанной в п. 3.5.3, была составлена программа вычисления интегральных характеристик нарушенного слоя ЬЭфф и Да/а непосредственно из экспериментальных КДО для программного пакета MATLAB. Результаты расчета интегральных характеристик для всех образцов приведены на зависимостях ЬЭфф(Т), Да/а(Т), ЬЭфф(Б), Aa/a(D) (рис. 4.1.4, 4.1.5).

Анализируя температурную зависимость ЬЭфф и Да/а (рис. 4.1.4 а, б) видно, что эффективная толщина и относительная деформация нарушенного слоя возрастают, достигая максимального значения при температуре 430С. Причем, при дозе облучения 2 10 см" величина Ьэфф увеличивается в 2,7 раза с ростом температуры облучения, тогда как при меньших дозах она возрастает почти в 4 раза. Относительная деформация увеличивается в среднем в 1,3 раза при росте температуры протонного облучения от 50С до 430С. С дальнейшим ростом температуры значения І фф и Да/а резко убывают.

Очевидно, что формирование нарушенного слоя в кристалле обуславливается течением двух конкурирующих процессов эволюции первичных радиационных дефектов. После выбивания атомов кремния из положения равновесия и образования междоузельных атомов и вакансий может иметь место их рекомбинации, и в этом случае дефекты исчезают. В другом случае за счет диффузионных процессов первичные междоузельные атомы и вакансии могут удаляться друг от друга и образовывать стабильные радиационные дефекты в виде пар, кластеров и т.д.

Анализ дозовой зависимости ЬЭфф и Да/а показывает рост значений этих величин с дозой, причем наибольшие изменения эффективной толщины и относительной деформации нарушенного слоя от дозы происходит при температурах до 140С (самый крутой наклон кривой, рис. 4.1.5 а, б), в 1,8 и 1,3 раза, соответственно.

В кремнии, облученном протонами в диапазоне температур 300 - 450С образуются, согласно , мелкие водородсодержащие доноры. Во время такой высокотемпературной имплантации в кремнии происходит распад пересыщенного раствора имплантированного водорода и взаимодействие его с радиационными дефектами и примесными атомами. Это взаимодействие приводит к образованию электрически активных дефектов, проявляющих свойства мелких донорных центров. Структура и параметры этих центров зависят от концентрации водорода.