Дослідження механізмів дифузії імплантованих домішок в шаруватих структурах на основі кремнію в умовах нерівноважної концентрації точкових дефектів - Автореферат
Фізичні процеси, що протікають на границях розділу твердотільних фаз при імплантації різних домішок. Механізм прискореної дифузії в кремнії та їх кластеризації за рахунок додатково введених точкових дефектів з наступними температурними обробками.
При низкой оригинальности работы "Дослідження механізмів дифузії імплантованих домішок в шаруватих структурах на основі кремнію в умовах нерівноважної концентрації точкових дефектів", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Для модифікації властивостей цих матеріалів часто використовуються іонно-променеві методи, які дають змогу змінювати структуру, провідність, оптичні параметри та інші характеристики твердих тіл за рахунок введення в них різних атомів. При вирішенні проблем формування мілких p/n переходів виникають ускладнюючі фактори повязані з сегрегацією легуючих домішок на межі поділу фаз, втрати електричної активності внаслідок кластерізації домішок та їх прискорена дифузія та прискорена дифузія за участі точкових дефектів. Дослідження фізичних механізмів цих явищ являється актуальною задачею фізики твердого тіла, тому, що це дасть змогу вивчити квазіхімічні реакції в системі домішки-точкові дефекти при дії різних факторів (умови відпалу, структура гетерного шару). Метою роботи були дослідження фізичних процесів, що протікають на границях розділу твердотільних фаз при імплантації різних домішок, вивчення механізмів прискореної дифузії домішок (As, Sb, B) в кремнії та їх кластеризації за рахунок додатково введених точкових дефектів з наступними температурними обробками, дослідження процесів гетерування рекомбінаційно-активних домішок в шаруватих структурах мультикристалічний кремній - поруватий кремній - алюмінієва плівка, дослідження впливу УЗ випромінювання на процеси дифузії дефектів при імплантації бору та аргону в кремній. Предметом дослідження були фізичні механізми модифікації профілів розподілу домішок та їх електричної активації при імплантації в структури діелектрична плівка-кремній, роль нерівноважних точкових дефектів в цих процесах, механізми гетерування дефектів і домішок в структурах мультикристалічний кремній - поруватий кремній - алюмінієва плівка, дифузія домішок і дефектів при дії ультразвуку в процесі імплантації домішок.Перший розділ дисертації присвячений аналізу літератури по взаємодії точкових дефектів з імплантованими в кремній домішками, процесам сегрегації домішок на границях розділу діелектричний шар - кремній, електричній активації, кластеризації та преципітації домішок, а також впливу різних факторів, таких як УЗ опромінення і температура, на дифузію домішок та точкових дефектів. При відпалі, вуглець розміщуючись в вузлах кристалічної гратки викликає інжекцію вакансій, в той час, як кисень призводить до формування SIOX фази і інжекції власних міжвузлових атомів. Вважається, що в процесі відпалу домішки накопичуються в SIO2/Si внаслідок більшої його домішкової розчинності. Цей факт свідчить, що значна частина накопиченої на межі поділу SIO2/Si домішки перебуває в електрично не активному стані. Показано, що накопичений на поверхні зразка позитивний заряд призводить до неоднорідного розпилення досліджуваних поверхонь, що є значним джерелом похибок у визначенні концентрації та глибини залягання домішок.Точкові дефекти можуть змінювати як розчинність As в легованій області, так і входити до складу кластерів арсену, окрім того, призводити до модифікації профілів розподілу As в кремнії. Для управління концентрацією і типом точкових дефектів було використано імплантацію домішок кисню та вуглецю, які, за рахунок створення хімічних звязків з Si, в процесі відпалу структур, дозволяють змінювати концентрацію точкових дефектів відносно їх рівноважної величини при даній температурі. Мас спектрометричні дослідження показали, що додаткова імплантація вуглецю приводить до суттєвого уширення профілів, зменшення концентрації As в максимумі розподілу та появи значного затягування профілю у глибину (рис.4.). Відпал структур імплантованих киснем призводить до стабілізації профілю розподілу As і невеликого зміщення розподілу в напрямку поверхні зразка.Така поведінка арсену імовірно повязана з появою блокуючого шару між максимумами розподілу O2 і As. Дослідження залежності поверхневого опору Rs від температури відпалу контрольних зразків (без додаткової імплантації) і зразків, додатково імплантованих киснем і вуглецем дозволили слідкувати за електроактивацією As в кремнії, яка оцінювалась по величині поверхневого опору.Досліджено процеси гетерування введених імплантацією в мультикристалічний кремній нерівноважних рекомбінаційно-активних домішок міді та заліза шаром Al/пор-Si/мк-Si при використанні швидких термічних відпалів. Показано, що ефективність гетерування залежить від часу та температури відпалів, структури гетерного шару та характеру розподілу в ньому Al при відпалах. Встановлено, що точкові дефекти, сформовані при відпалах кремнієвих зразків імплантованих киснем та вуглецем дозволяють модифікувати розподіл та концентрацію As імплантованого в кремній. Велика кількість вакансій утворена в зразках імплантованих вуглецем призводить до стимульованої (прискореної) дифузії As в напрямку максимуму розподілу вуглецю. Вперше показано, що використання УЗ обробки при імплантації іонів бору та аргону призводить до зменшення концентрації дефектів поблизу поверхні кремнію як до так і після відпалів, а також дозволяє зменшити критичну дозу аморфізації кремнію.
План
Основний зміст роботи.
Вывод
1. Розроблено методику високочастотного розпилення діелектричних матриць для проведення масс-спектрометричного аналізу розподілу домішок в твердих тілах. Проведено аналіз форми кратерів в різних діелектричних матриць залежно від умов розпилення.
Вперше показано, що однорідність розпилення поверхні діелектричних матриць на дні кратера залежить від частоти первинного іонного струму сформованого внаслідок прикладання ВЧ-напруги з прямокутною формою імпульсів між "стінкою" плазми та зразком.
2. Досліджено процеси гетерування введених імплантацією в мультикристалічний кремній нерівноважних рекомбінаційно-активних домішок міді та заліза шаром Al/пор-Si/мк-Si при використанні швидких термічних відпалів. Показано, що ефективність гетерування залежить від часу та температури відпалів, структури гетерного шару та характеру розподілу в ньому Al при відпалах. Запропоновано модель гетеруючого ефекту повязану з кінетикою преципітації атомів металу та інжекцією точкових дефектів при фотонних відпалах. Вперше виявлено прискорену (аномальну) дифузію домішки заліза в гетерний шар.
3. Встановлено, що точкові дефекти, сформовані при відпалах кремнієвих зразків імплантованих киснем та вуглецем дозволяють модифікувати розподіл та концентрацію As імплантованого в кремній. Велика кількість вакансій утворена в зразках імплантованих вуглецем призводить до стимульованої (прискореної) дифузії As в напрямку максимуму розподілу вуглецю. Міжвузлові атоми кремнію, що формуються внаслідок розростання фази SIOX при відпалах зразків імплантованих киснем, призводять до утворення блокуючого шару, який перешкоджає дифузії арсена.
Показано, що максимальна електроактивація As в Si спостерігається після відпалів при температурах 700-750?С впродовж 30 секунд. Збільшення часу або температури відпалів призводить до деактивації арсену, як в присутності додатково введених домішок, так і без них. При великих дозах імплантованого кисню, залежність електричної активності від часу відпалу при оптимальній температурі має нелінійний характер. Після відпалу впродовж години, поверхневий опір починає зменшуватись. Вже через 2 години такої температурної обробки As/Si структури, величина поверхневого опору характерна для 30 секундного відпалу. Даний факт указує на перспективність використання подібних модифікаційних обробок для збільшення концентрації електроактивного арсену в технології створення надмілких p/n переходів.
4. Вперше показано, що використання УЗ обробки при імплантації іонів бору та аргону призводить до зменшення концентрації дефектів поблизу поверхні кремнію як до так і після відпалів, а також дозволяє зменшити критичну дозу аморфізації кремнію. Вперше знайдено ефект пригнічення прискореної дифузії імплантованого в кремній бору при УЗ опроміненні. Запропоновано модель пригнічення прискореної дифузії бору повязану з сепарацію точкових дефектів внаслідок стимульованої ультразвуком дифузії власних міжвузлових атомів Si.
Основні результати опубліковано в таких роботах
1. Б.М. Романюк, В.Г. Попов, В.П. Мельник, М.І. Клюй, В.І. Горбулик, О.С. Оберемок. Вплив термічних обробок на час життя нерівноважних носіїв заряду в Cz-Si. // Науковий вісник Чернівецького університету. (Фізика. Електроніка.), 2000, випуск 79, с. 25-29.
2. B. Romanjuk, D. Kruger, V. Melnik, V. Popov, Ya. Olikh, V. Soroka, O. Oberemok. Ultrasound effect on radiation damages in boron implanted silicon. // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2000. V. 3, N 1. p.p. 15-18.
4. I.P. Lisovskyy, I.Z. Indutnyy, P.Ye. Shepeliavyi, B.M. Gnennyy, O.S. Oberemok. Densification of SIOX films due to thermal annealing // Abstracts of the 19th Int. Conf. on Amorphous and Microcrystalline Semiconductors (ICAMS19).- 2001, Aug. 27-31.- Nice, France.- p. 49.
5. O. Oberemok, P. Lytvyn. Borophosphosilicate glass component analysis using secondary neutral mass spectrometry.// Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2002, Vol. 5, № 1. p.p. 101-105.
6. O. Oberemok. HFM sputtering of the BPSG layers in the INA-3 instrument. // International conference INA-Anwendertreffen (Clausthal-Zellerfeld, 20 October 2001 Germany).
7. В.Г Литовченко, О.С. Оберемок, В.Г. Попов, Ю.В. Рассамакін, Б.М. Романюк. Гетерування рекомбінаційно-активних домішок в мультикристалічному кремнії при швидких термічних обробках. // 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-1 (з міжнародною участю). Україна, Одеса, 10-14 вересня 2002 р. Том 2. Стендові доповіді. - Тези доповідей: У 2 т. - Одеса: Астропринт, 2002. - 295 с.
8. С.Г. Волков, А.А. Євтух, В.Г. Литовченко, О.С. Оберемок, В.Г. Попов, Ю.В. Рассамакін, Б.М. Романюк. // Гетерування рекомбініційно-активних домішок в мультикристалічному кремнії при швидких термічних обробках.// Український фізичний журнал 2002, том 47, № 7, с. 684-689.
9. Yu. V. Rassamakin, A. A. Evtukh, V. G. Litovchenko, A. S. Oberemok, V. G. Popov, and B. N. Romanyuk. // Model concepts for the gettering metal impurities in structures based on Si with developed surface EPS -12: General Conference Trends in Physics (26-30 August 2002 Budapest). P1 - 110 - C.
10. Лисовский И.П., Индутный И.З., Гненный Б.Н., Литвин П.М., Мазунов Д.О., Оберемок А.С., Сопинский Н.В., Шепелявый П.Е. Фазово-структурные превращения в пленках SIOX в процессе вакуумных термообработок // Физика и техника полупроводников - 2003. - Том. 37, выпуск 1. - с. 98-103.
11. М.Я. Валах, В.Н. Джаган, Л.А. Матвеева, А.С. Оберемок, Б.Н. Романюк, В.А. Юхимчук. Исследования влияния углерода на свойства гетероструктур Si / SIGE // Физика и техника полупроводников - 2003. - Том. 37, выпуск 4. - с. 460-464.
12. Б. М. Романюк, В.Г. Попов, О.С. Оберемок, В.П. Мельник, С.Г. Волков. Вплив імплантації іонів О , С на перерозподіл і електричну активність арсену на границі розділу структур SIO2-Si. // Науковий вісник Чернівецького університету. (Фізика. Електроніка.), 2005, випуск 237, с. 14-18.
Оберемок О. С. Дослідження механізмів дифузії імплантованих домішок в шаруватих структурах на основі кремнію в умовах нерівноважної концентрації точкових дефектів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.07. - фізика твердого тіла - Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.
Дисертація присвячена дослідженню впливу нерівноважних точкових дефектів на процеси перерозподілу домішок поблизу границь розділу фаз в твердому тілі, вивченню механізмів прискореної дифузії домішок, їх електричної активації та преципітації, дослідженню процесів гетерування рекомбінаційно-активних домішок в шаруватих структурах мультикристалічний кремній - поруватий кремній - алюмінієва плівка та дослідженню впливу УЗ випромінювання на процеси дифузії дефектів при імплантації іонів бору та аргону в кремній.
Показано, що точкові дефекти, сформовані внаслідок відпалу SIO2/Si структур додатково імплантованих домішками кисню або вуглецю дозволяють керувати поведінкою домішки арсену поблизу поверхні.
Досліджено активацію домішки As після ізохронних та ізотермічних відпалів в присутності кисню та вуглецю.
Показано, що por-Si Al/Si структура є ефективним гетерним шаром при ШТВ. Виявлено прискорену дифузію атомів заліза на гетерний шар в мультикристалічному кремнії. Запропоновано модель гетеруючого ефекту повязану з кінетикою преципітації атомів металу та інжекцією точкових дефектів при ШТВ.
Виявлено, що УЗ опромінення, при імплантації, призводить до зменшення дефектності як у вихідних, так і у відпалених зразках, а також до пригнічення прискореної дифузії бору в кремнії. Запропоновано фізичну модель цього явища.
Оберемок А.С. Исследование механизмов диффузии имплантированных примесей в многослойных структурах на основе кремния в условиях неравновесной концентрации точечных дефектов. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины. - Киев, 2005.
Диссертация посвящена исследованию влияния неравновесной концентрации точечных дефектов на поведение имплантированных примесей вблизи границ разных фаз в твердом теле, изучению механизмов ускоренной диффузии примесей, их электрической активации и преципитации, исследованию процессов гетерирования рекомбинационно-активных примесей слоистыми структурами мультикристаллический кремний - пористый кремний - алюминиевая пленка и исследованию влияния ультразвукового (УЗ) облучения на процессы диффузии дефектов при имплантации ионов бора и аргона в кремний. Разработана методика послойного высокочастотного распыления диэлектрических матриц.
Обнаружено, что скорость накопления имплантированной примеси мышьяка (As) на границе раздела фаз SIO2/Si значительно больше в сравнении с примесью сурьмы (Sb) при быстрых термических отжигах (БТО). Перераспределение примеси мышьяка более эффективно осуществляется на первых этапах отжига, тогда как перераспределение примеси сурьмы определяется временем отжига при одинаковых температурах. Показано, что точечные дефекты, сформированные вследствие отжига кремниевых структур дополнительно имплантированных примесями кислорода или углерода набольшую глубину, чем мышьяк, позволяют управлять поведением примеси вблизи поверхности исследуемых структур. Предложены физические модели диффузии As в структурах имплантированных ионами кислорода или углерода. Исследована электрическая активность примеси As после изохорных и изотермических отжигов в присутствии кислорода или углерода.
Исследованы процессы диффузии имплантированных в кремний примесей Cu и Fe на гетерный слой при БТО. Показано, что слой пористого кремния действует как эффективный гетер примесей из объема кристалла, однако при осуществлении отжигов в недостаточно чистых условиях он быстро насыщается примесями из окружающей среды, окисляется, и при превышении температуры 800?С сам становится источником примесей, которые диффундируют в объем кристалла. Наличие пленки Al на поверхности пористого кремния приводит к образованию тонкой пленки Al2O3, которая защищает гетерный слой от проникновения примесей из атмосферы печи. Степень пористости определяет эффективность процесса гетерирования, что связано с образованием своеобразной Si-Al эвтектики вблизи границы раздела por-Si Al/Si. Предложены оптимальные температуры и времена БТО для получения гетерирующего эффекта (T=750?C. t= 120 секунд.). Произведена оценки энергии активации и коэффициентов диффузии меди и железа в имплантированных образцах, подверженных БТО. Обнаружено ускоренную (аномальную) диффузию железа в гетерный слой, в то время как коэффициент диффузии меди соответствует литературным данным для монокристаллического кремния. Предложено модель гетерирующего эффекта связанную с кинетикой преципитации атомов метала и инжекцией точечных дефектов при фотонных отжигах.
Исследовано и показано, что использование in-situ УЗ обработки позволяет уменьшить критическую дозу аморфизации кремния при имплантации примеси аргона. Данный факт может быть использован для подавления каналирования имплантированных электрически активных примесей при изготовлении сверхмелких p-n переходов, а также для оптимизации процессов твердофазной рекристаллизации имплантированных слоев при пост-имплантированных отжигах (в частности, для уменьшения концентрации точечных дефектов).
Установлено, что использование УЗ облучения при имплантации ионов бора приводит к уменьшению концентрации точечных дефектов в кремнии. При отжигах происходит сепарация вакансий и собственных междоузельных точечных дефектов, что способствует размещению атомов бора в узлах кристаллической решетки кремния и увеличивает электрическую активацию примеси. Показано, что УЗ обработка пластин во время имплантации атомов бора в Si существенно уменьшает диффузию B при последующих отжигах. Предложена модель этого процесса.
Oberemok O.S. Investigation of the diffusion mechanisms of implanted dopants in the layered silicon-based structures at non-equilibrium point defect concentration. - Manuscript.
Thesis for a candidate degree by a specialty 01.04.07 - Solid State Physics. - V. Lashkarev Institute of Semiconductor Physics NAS Ukraine. - Kyiv, 2005.
The influence of non-equilibrium point defect concentration on the dopant gettering, redistribution, enhanced diffusion, electrical activation near to interfaces in solid were investigated. Also the ultrasound (US) treatment action during argon or boron implantation on the point defects diffusion were studied.
The layer-by-layer high-frequency sputtering technique of the dielectric targets was developed.
It is shown that point defects formed as a result of the rapid thermal annealing (RTA) of the oxygen or carbon implanted SIO2/Si structures allow to control the behavior of the implanted dopants near interfaces. The arsenic electrical activation in silicon was studied after isochoric and isothermal annealing.
It is found that porous Si Al/Si structure is the efficient gettering layer for silicon implanted by copper or iron after the RTA annealing. The iron-enhanced diffusion toward the gettering layer was discovered. Optimal temperatures and times were proposed for the gettering effect obtained. Gettering effect model connected with metal precipitation kinetics and point defect injection at the RTA were suggested.
The results obtained have shown the significant influence of the in-situ US treatment on the defect formation during argon or boron implantation in silicon. The defect concentration decreases both the as-implanted and post-annealed samples, implanted with the US treatment. The suppression of boron-enhanced diffusion under the US treatment was found. The physical model of this effect connected with the stimulated silicon interstitial diffusion under the US treatment was proposed.
