Характеристика отжига

1.Общие данные

Электрические характеристики внедренных атомов III и V групп обнаруживают много общих особенностей при отжиге. Ионное внедрение при комнатной температуре и дозах, при которых образуется аморфный слой, характеризуется большим ростом величины N_s (в некоторых случаях на один-два порядка) в той области температур, где рекристаллизуется аморфный слой. Часто одновременно в 3-4 раза уменьшается подвижность (рис.1), что характеризует переход от ситуации, когда электрические характеристики определяются слабо легированной областью с высокой подвижностью, к ситуации, когда доминирующим становится влияние сильно легированного слоя с малой подвижностью. Если ионное внедрение проводится при повышенных температурах (350-500°С), то при отжиге наблюдается медленный рост N_s и для достижения максимальной электрической активности примеси при дозах 10¹⁴-10¹⁵ см^-2 требуется отжиг при температуре 750-900°С.

Однако имеются и заметные различия в поведении при отжиге n- и р-слоев. Например, коэффициент использования N_S/N_D (N_D - доза внедренных ионов) меняется в зависимости от вида легирующей примеси, величины N_D и температуры отжига. При внедрении бора максимальная электрическая активность достигается после отжига при температуре 900-1000°С. Внедрение галлия при определенных условиях ионной бомбардировки и отжига приводит к возникновению n-слоя.

При интерпретации характеристик отжига ионно-легированных слоев следует различать изохронный и изотермический отжиг. При изохронном отжиге выбирают определенную длительность отжига (обычно исходя из оценки скорости нагрева и охлаждения образца), а затем измеряют характеристики слоя после отжига, постепенно повышая температуру отжига. Форма кривых такого изохронного отжига зависит от длительности отжига. В ходе изотермического отжига при 450°С наблюдается плавный рост концентрации носителей. При более высокотемпературном отжиге (550°С) концентрация десятикратно увеличивается в первые 30 мин, а затем плавно спадает.

Форма изохронной кривой в какой-то мере зависит от длительности отжига. До настоящего времени наибольшее внимание уделялось изохронному отжигу; исключение составляют лишь легированные бором и фосфором слои, для которых изучался не только изохронный, но и изотермический отжиг. Если не считать высокотемпературной стадии отжига сдоев, легированных бором (эту стадию мы рассмотрим ниже), то характеристики отжига таковы, что их нельзя описать процессами первого порядка. Характеристики изотермического отжига зависят также от дозы. Несмотря на все эти трудности, по-видимому, удастся добиться большего понимания характеристик отжига ионно-легированных слоев путем подбора соответствующей комбинации изохронного и изотермического отжигов.

Недостаточно исследован такой вопрос, как возможная зависимость электрических характеристик от среды, в которой производится отжиг. Каждая группа исследователей выбирает какую-либо среду (вакуум, аргон, азот) и считает ее стандартным условием отжига. В настоящее время мало данных для того, чтобы однозначно сказать, влияет ли среда на характеристики отжига. Еще один недостаточно изученный эффект - возможное растворение части легированного слоя при обычных химических операциях, используемых для уменьшения токов утечки. Например, плавиковая кислота растворяет поверхностный слой образца, облученного ионами при комнатной температуре. Такой возможный эффект влияние имеющихся в исходном материале кислорода, углерода, дислокаций и других включений на поведение слоев при отжиге. Обычно полагают, что концентрация внедренных атомов и дефектов достаточно велика и их влияние подавляет вклад этих центров. Однако это условие может не выполняться на хвостовом участке распределения, где концентрация внедренных атомов мала. В последующем мы будем считать, что ни один из перечисленных эффектов не играет заметной роли. Согласие результатов, полученных в различных лабораториях, дает основание считать, что это действительно так.

2. Стадии отжига

а. Т<600°С. Измерение степени разупорядочения решетки методом обратного рассеяния каналированных частиц показало, что при малой дозе легирования в кремнии имеется четко выраженная стадия отжига при температуре 300°С. Эта стадия приписывается рекристаллизации изолированных разупорядоченных областей вокруг треков ионов. При анализе электрических характеристик ионно-легированных образцов было установлено, что для инверсии типа проводимости обычно необходим отжиг при 300-350°С. Инверсия и появление р-n-перехода наблюдаются после отжига при 300-350°С и в образцах, легированных фосфором, литием, галлием и сурьмой.

При Т>350°С концентрация носителей в ионно-легированных слоях обычно возрастает (см. рис. 1 и 3). Это объясняется наличием дефектов в непосредственной близости от внедренных атомов-дефектов, которые должны диссоциировать и диффундировать прочь, прежде чем окажется возможным проявление электрических характеристик внедренных атомов.

При температуре отжига, равной примерно 400°С и более, присутствие кластеров проявляется в малой величине подвижности и сильной температурной зависимости концентрации доноров и акцепторов в ионно-легированных слоях. При внедрении фосфора, алюминия и бора, например, подвижности меньше, чем в некомпенсированном материале с такой же концентрацией примеси. После отжига при температуре 500°С подвижность уже не так сильно отличается от рассчитанной по концентрационным кривым, т.е. большая часть кластеров при этом уже распалась.

Но даже после отжига при 500°С в слое еще остаются и компенсирующие дефекты, и глубокие уровни. Эти дефекты слабо сказываются на подвижности при комнатной температуре, но заметно влияют на концентрацию носителей.

б. Т»600°С. Вообще говоря, при увеличении дозы внедренных ионов для того, чтобы концентрация N_S достигла максимального значения, требуются все более высокие температуры отжига. Но если ионное внедрение проводится при комнатной температуре и дозы достаточны для образования аморфного слоя (наличие которого можно установить по появлению молочного оттенка облученной поверхности), то основное увеличение N_S приходится на температуру ~600°С). Для образца, получившего дозу 10¹⁵ см^-2, наблюдается пятикратное увеличение слоевой концентрации при увеличении температуры отжига от 550 до 600°С. При меньших дозах (10¹⁴ см^-2) из кривых отжига видно, что N_S, непрерывно растет до температур, превышающих 800°С. Аналогичные результаты были получены Кларком и Манчестером при внедрении 10¹⁴ см^-2 ионов аллюминия.

Стадия отжига при ~ 600°С обнаружена также и для слоев, легированных галлием, фосфором, сурьмой и висмутом при комнатной температуре. Поскольку эта стадия совпадает с отжигом аморфного слоя, выявленному по эффекту каналирования, мы объясним ее рекристаллизацией аморфного слоя. Во всех случаях ионного внедрения при комнатной температуре, в которых обнаруживалась стадия отжига при 600°С, доза легирования была достаточной для формирования аморфного слоя.

Стадия отжига при 600°С часто оказывается основной особенностью отжига, и обычно максимальная слоевая концентрация носителей N_S(max) достигается сразу после этой стадии. Величина N_S(max) часто намного меньше дозы внедрения ионов. Такой эффект может быть связан с наличием междоузельной компоненты и присутствием компенсирующих центров.

Концентрация носителей равна дозе внедрения после отжига при ~600°С. Аналогичные результаты получены при внедрении сурьмы (рис.1). Измерение эффекта каналирования на образцах, облученных сурьмой в сходных режимах, показало, что после отжига при 600°С примерно 90% внедренной сурьмы занимает узлы решетки. При внедрении висмута электрические характеристики заметно отличаются от характеристик, полученных при внедрении мышьяка или фосфора. Сравнение, что слоевая концентрация носителей и число атомов висмута в узлах изменяются при отжиге аналогично, но слоевая концентрация N_S составляет всего 10-15% от числа замещающих атомов. Уменьшение N_S при высоких температурах отжига в первом приближении также соответствует уменьшению замещающей компоненты внедренного висмута, определенному по эффекту каналирования. Как и для сурьмы и галлия, уменьшение N_S при легировании висмутом можно связать с постепенным приближением к равновесной растворимости. Тогда такое уменьшение должно зависеть от максимальной концентрации примеси, а тем самым от энергии внедряемых ионов. Следовательно, для данных легирующих примесей величина N_S при высоких температурах может возрастать с увеличением энергии внедряемых ионов.

Измерения при послойном стравливании на образцах, легированный висмутом, показали, что истинная величина N_S, определенная интегрированием концентрационной конвои, примерно в 1,5 раза больше эффективной слоевой концентрации; следовательно, N_S составляет ~20% от числа замещающих атомов висмута.

Несмотря на то, что N_S намного меньше числа внедренных атомов, максимальная концентрация носителей в слое (2х10¹⁹ см^-3); измеренная при последовательном стравливании, все же в 10 раз выше максимальной растворимости висмута в твердом кремнии (2х10¹⁸ см^-3 при 1300°С). Из кривой зависимости подвижности от концентрации носителей в этих образцах следует, что подвижность очень мала. Бэрон и др. высказали предположение, что в слое имеются компенсирующие акцепторные центры, но природа таких центров пока неизвестна. Кроудер установил, что при более высокой энергии внедрения (240 кэВ) N_S заметно выше и составляет 50% от числа внедренных атомов висмута. При низких энергиях внедрения компенсирующие центры расположены в приповерхностной области.

Ранее было отмечено, что рекристаллизация аморфного слоя не всегда проходит совершенно одинаково. Если внедрение провидится при энергии 40 кэВ и комнатной температуре, то температура отжига возрастает при увеличении дозы выше 10¹⁵-10¹⁶ см^-2 (величина критической дозы зависит от сорта легирующего иона). Аналогичная дозовая зависимость температуры отжига установлена и при измерении электрических характеристик слоев, облученных фосфором. Как только доза внедрения превышает ~10¹⁵ см^-2, приходится все больше и больше повышать температуру отжига, причем резкая ступенька на кривых отжига исчезает.

в. Т> 600°С. В ранних работах по исследованию процессов ионного внедрения предполагалось, что увеличение температуры образца во время ионной бомбардировки для уменьшения остаточного повреждения решетки позволит проводить отжиг при температуре не выше 500°С. Это предположение подтверждалось опытами по внедрению сурьмы при большой дозе (более 10¹⁵ см^-2) и высокой температуре подложки (450-500°С), в которых максимальная концентрация носителей достигалась после отжига при 500°С. Правда, концентрация носителей в этой работе значительно превышала равновесную растворимость, и увеличение N_S благодаря отжигу дефектов могло быть замаскировано уменьшением N_S из-за выделения примесей при еще более высоких температурах отжига.

Почти во всех случаях, когда аморфный слои при внедрении не образуется, кроме, может быть, внедрения при больших дозах (10¹⁵ см^-2 и выше) и повышенных температурах легирования, для достижения максимальной величины N_S необходим отжиг при температурах не менее 700-750°С. Это означает, что дефекты остаются в слое вплоть до этих температур. Необходимость высокотемпературного отжига не может быть объяснена недостаточным количеством легирующих атомов в узлах решетки. Например, при внедрении ионов сурьмы при дозе 5х10¹⁴ см^-2 и температуре 350°С не менее 90% внедренных атомов оказывается в узлах. При ионном внедрении бора температурный ход холловских кривых также показывает, что для устранения влияния глубоких уровней (т.е. для получения нормальной энергии ионизации бора) требуется отжиг при 760°С. При внедрении фосфора в условиях каналирования ионов при комнатной температуре было установлено, что дефекты присутствуют в слое даже после отжига при 700-740°С. Природа дефектов, требующих такого высокотемпературного отжига, пока неизвестна.

Не следует, однако, делать вывод, что все особенности высокотемпературного отжига объясняются только присутствием дефектов. В случае бора, например, имеется серьезные свидетельства в пользу того, что определяющую роль может играть другой механизм. Кривые отжига образцов, легированных бором, полученные при разных дозах и температурах легирования.

Лишь после отжига при ~900°С число носителей в слое достигает величины, равной дозе ионного легирования. Энергия активации отжига по их оценкам составляет ~4,4 эВ. Зейдель и Макре также установили, что высокотемпературная стадия отжига характеризуется энергией активации ~5 эВ. Они предположили, что увеличение электрической активности после отжига при 800°С объясняется захватом междоузельного бора вакансиями. Основанием для этого предположения послужили результаты измерения эффекта каналирования в работах Фладды и др. и Норта и Гибсона. Авторы этих работ наблюдали увеличение замещающей компоненты внедренного бора после отжига при температурах свыше 600°С. При повышении температуры отжига до 900°С и выше уже ~90% бора находится в узлах решетки.

При анализе слоев, облученных бором при комнатной температуре; наблюдался «отрицательный» отжиг: при температурах, меньших чем 600°С, число носителей уменьшалось по мере роста температуры отжига. Такой отрицательный отжиг в настоящее время можно объяснить тем, что в интервале температур от 200 до 500°С уменьшается замещающая компонента внедренного бора.

В таблице 10.1 суммированы различные данные по отжигу и указана предлагаемая нами интерпретация этих данных. Следует отметить, что в значительной мере наши объяснения в этой таблице нужно рассматривать лишь как предварительные. Хотя мы и убеждены в существовании изолированных разупорядоченных областей и в том, что образуется аморфный слой, но о влиянии их на электрические свойства мы можем лишь догадываться. Такие же сомнения в большинстве случаев возникают и при интерпретации данных по облучению быстрыми нейтронами.

Таблица 10.1 Основные особенности отжига дефектов в кремнии после ионного легирования при комнатной температуре

3. Примесь в междоузлиях

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

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

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

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

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

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

4. Влияние температуры внедрения

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

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

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

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

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

1. Отжиг ионнолегированных слоев кремния

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

- низкая температура процесса;

- чистота процесса;

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

- воспроизводимость результатов легирования.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- загрязнение полупроводникового материала быстродиффундирующими примесями и образование проводящих трубок;

- генерация дислокаций и линий скольжения;

- дополнительный изгиб полупроводниковых пластин;

- неконтролируемое диффузионное перераспределение внедренной примеси.

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

Дата добавления: 2014-08-09; просмотров: 680; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!