Дефекто-примесная инженерия в ионно- имплантированном кремнии Комаров Фадей Фадеевич Мильчанин Олег Владимирович Цель: Цель: исследовать процессы электрической активации и диффузии атомов легирующей примеси, формирования и эволюции вторичных дефектов структуры в тонких слоях кремния при низкоэнергетичной имплантации ионов и последующей термообработке, а также при использовании подходов, позволяющих снижать неравновесную ускоренную диффузию легирующей примеси. Задачи: исследовать основные закономерности диффузионного перераспределения атомов легирующей примеси при различных температурах и длительностях отжига; исследовать процессы дефектообразования при низкоэнергетичной имплантации легирующей примеси и последующей термообработки; разработать и оптимизировать режимы дополнительных низкотемпературных обработок и совместной имплантации ионов углерода с целью снизить неравновесную ускоренную диффузию легирующей примеси при отжиге имплантированных слоев кремния

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 2 Емкость DRAM и размер элементов МОП-ПТ. Прогноз Ассоциации Полупроводниковой Промышленности (Semiconductor Industry Association – SIA) Пути решения: 1) Создание новых методов формирования p-n переходов PIII - плазменная иммерсионная ионная имплантация; P-GILD – проецированное газово- иммерсионное лазерное легирование; RVD – быстрое газо-фазное легирование; B 10 H 12 – кластерная имплантация. 2) Развитие стандартной кремниевой технологии – низкоэнергетичная ионная имплантация. Основная тенденция развития микроэлектроники – уменьшение вертикальных и линейных размеров легированных областей в кремниевой подложке. УМЕНЬШЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЛЕГИРОВАННЫХ ОБЛАСТЕЙ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 3 ТРАДИЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ 1. Низкоэнергетическая ионная имплантация Влияние эффекта каналирования на профили бора Проблемы: эффект каналирования дефекты структуры Влияние массы ионов на формирование аморфного слоя в кремнии

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 4 ТРАДИЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ 2. Термообработка Проблемы: неравновесная ускоренная диффузия примеси; компромисс между максимальной степенью активации примеси, минимальной диффузией примеси, полным отжигом структурных дефектов Диффузия в кремнии: (a) – условия равновесной диффузии; (b) – неравновесная ускоренная диффузия (TED) атомов бора

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 5 НЕРАВНОВЕСНАЯ УСКОРЕННАЯ ДИФФУЗИЯ Основные характеристики НУД: 1)Диффузионная способность легирующей примеси может быть в 10 2 – 10 6 раз выше, чем равновесная величина; 2)Диффузионная способность уменьшается со временем – вплоть до равновесной величины. Причина явления НУД: Формирование подвижных комплексов «атом примеси» – «междоузельный атом кремния», за счет вытеснения избыточными собственными междоузельными атомами (СМА) кремния примеси из замещающих положений в решетке. Диффузионная способность легирующей примеси пропорциональна концентрации СМА кремния.

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 6 ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ Отжиг неаморфизованного слоя I-V-пары – > кластеры дефектов (междоузельного типа) – > {311}- дефекты –> СМА. Время отжига {311}-дефектов: 950 °С – десятки секунд; 800 °С – десятки минут. Отжиг аморфного кремния Полная рекристаллизация а-Si от границы раздела a-Si/c-Si к поверхности происходит при 550 °С. Область под границей раздела а-Si/с-Si – вторичные дефекты структуры (дислокационные петли (ДП) и {311}-дефекты). 700 °С: ДП + {311}-дефекты. 800 °С:доминирующие дефекты – ДП. Стабильность ДП при 900 °С – несколько часов, при 1050 °С – несколько секунд Активация примеси Время активации при быстром термическом отжиге (БТО): 1000 °С – несколько секунд, 800 °С – десятки минут

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 7 1. Скорость набора дозы Увеличение генерации дефектов, что позволяет получать аморфные слои при меньших дозах имплантации. Уменьшение слоевого сопротивления. Увеличение степени активации примеси. 2. Двухступенчатый отжиг 1) °С, минут – удаление точечных дефектов от границы a-Si/с-Si, рекристаллизация a-Si. 2) °С БТО – активация легирующей примеси. 3. Предварительная аморфизация ионами Si + или Ge + Аморфные слои подавляют каналирование имплантированных ионов легирующих примесей, особенно легких ионов, и как следствие уменьшают глубину залегания имплантационного профиля. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ПРИ СОЗДАНИИ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ P-N-ПЕРЕХОДОВ В КРЕМНИИ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 8 4. Сверхбыстрый нагрев при БТО Получают переходы с меньшей глубиной залегания и меньшим количеством дефектов. Причина эффекта – энергия активации процесса диффузии легирующей примеси меньше, чем энергия активации для процесса отжига дефектов. 5. Совместная имплантация А) BF 2 : Использование ионов BF 2 + позволяет в 49/11 раз использовать большую энергию имплантации по сравнению с ионами B +, без увеличения глубины легирования. Аморфизация слоев кремния в процессе имплантации тяжелых ионов BF 2 +. Б) Азот: Уменьшение деградации подзатворного окисла, вызванной присутствием F – уменьшение диффузии атомов бора в затвор. В) Углерод: Высокая геттерирующая способность углерода к СМА кремния. Г) Германий: Эффективная пред-аморфизация кремния, при относительно малых дозах – граница раздела а-с Si является резкой. Компенсация напряжений в кремнии, создаваемых имплантацией ионов бора. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ПРИ СОЗДАНИИ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ P-N-ПЕРЕХОДОВ В КРЕМНИИ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 9 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Электронные микрофотографии кремния, имплантированного ионами В +

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 10 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Изменение периода решетки Δа в имплантированном кремнии в зависимости от плотности тока ионов J эф.: 1 – В +, Ф = 1,8·10 15 см –2 ; 2 – С +, Ф = 4·10 14 см –2 1 2

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 11 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Доля атомов углерода в узлах решетки кремния в зависимости от плотности ионного тока

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 12 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Восстановление периода решетки в кремнии, имплантированном ионами В + 1 – Si:P, ρ 0 = 0,5 Ом·см; J эф.=0,04 мкА/см 2 2 – Si:P, ρ 0 = 0,5 Ом·см; J эф.=2 мкА/см 2 3 – Si:В, ρ 0 = 0,005 Ом·см; J эф.=0,2 мкА/см 2

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 13 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 14 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 15 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 16 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 17 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 18 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Электрическая активация имплантированных атомов бора (1, 2) и фосфора (3, 4); 2, 4 – отжиг с подсветкой электронами

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 19 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Движение атома Si в кремнии в поле упругих деформаций, создаваемых примесью замещения

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 20 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 21 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Зависимость коэффициента усиления горизонтальных транзисторов от напряжения на базе для опытной (3 шага) и текущей (1 шаг) партии

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 22 ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Обратная ветвь вольт-амперной характеристики входных планарных диодов на опытной (3 шага) и текущей (1 шаг) пластинах

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 23 Имплантация: ионы Sb + : 60 кэВ, см -2 ; ионы P + : 20 кэВ, см -2. Отжиг: 550 °С, 30 мин.; 850 °С, 30 мин. В исследованиях для предварительной аморфизации использовали имплантацию сурьмы: А) ионы сурьмы имеют большую массу; Б) сурьма легирующая донорная примесь; В) имплантация сурьмы технологически хорошо отработана; Г) одновременное введение сурьмы и фосфора должно приводить к компенсации напряжений. РЕЗУЛЬТАТЫ: 1) Очень резкий n + -p-переход с глубиной залегания 210 нм. 2) Не обнаружено вторичных дефектов структуры. ДВОЙНАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ СУРЬМЫ И ФОСФОРА КАК МЕТОД СОЗДАНИЯ ТОНКИХ n + СЛОЕВ В КРЕМНИИ Профили распределения электрически активной примеси после имплантации и термообработки в (100) кремнии (КДБ-10)

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 24 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ ФОРМИРОВАНИЕ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ p + -n – ПЕРЕХОДОВ В КРЕМНИИ Профили электрически активного бора в p + -n переходах, сформированных имплантацией ионов BF 2 + (20 кэВ, 5х10 14 см -2 ) и последующего термического отжига.

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 25 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ С ИОНАМИ BF 2 + ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ УГЛЕРОДА Профили электрически активного бора в p + -n переходах. Имплантация: BF 2 + (20 кэВ, 5х10 14 см -2 ) (кривая 3); С + (А - 30 кэВ, 5х10 14 см -2, Б - 20 кэВ, 4х10 14 см -2 ) (кривые 1-2) и последующего термического отжига: 1) 850 °С, 60 минут, N 2 (кривая 1). 2) 600 °С, 60 минут; 1000 °С, 2 минуты; 850 °С, 60 минут; N 2 (кривые 2-3). А Б

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 26 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ С ИОНАМИ BF 2 + ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ УГЛЕРОДА Значения слоевого сопротивления и слоевой концентрации в p + -n переходах в зависимости от режимов их формирования п/п Режимы обработки образцов Слоевое сопротивление, Rs [Ом/] Слоевая концентрация, Ns [см -2 ] Имплантация ионов BF 2 + Имплантация ионов С + Термообработка 1 20 кэВ, см -2 – 850 С, 60 минут кэВ, см -2 – 600 С, 60 минут, 1000 С, 2 минуты, 850 С, 60 минут кэВ, см кэВ, см С, 60 минут кэВ, см кэВ, см С, 60 минут, 1000 С, 2 минуты, 850 С, 60 минут кэВ, см кэВ, см С, 60 минут кэВ, см кэВ, см С, 60 минут, 1000 С, 2 минуты, 850 С, 60 минут

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 27 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ С ИОНАМИ BF 2 + ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ УГЛЕРОДА Светлопольные микрофотографии структуры кремния. Имплантация ионов BF 2 + (20 кэВ, 5х10 14 см -2 ) и С + (20 кэВ, 4х10 14 см -2 ) – В, Г. Термообработка: 1) 850 °С – 60 минут, в среде N 2 – А, В. 2) 600 °С – 60 минут, 1000 °С – 2 минуты, 850 °С – 60 минут, в среде N 2 – Б,Г. В

НИИ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БЕЛГОСУНИВЕРСИТЕТА, ЛАБ. ЭЛИОНИКИ 28 УМЕНЬШЕНИЕ НЕРАВНОВЕСНОЙ УСКОРЕННОЙ ДИФФУЗИИ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ ПРИ СОЗДАНИИ P-N – ПЕРЕХОДОВ Таким образом, показана принципиальная возможность улучшения структурных и электрофизических свойств формируемых p-n – переходов в кремнии с использованием: - Предварительных режимов термообработки; - Совместной имплантации примеси, замедляющей неравновесную ускоренную диффузию легирующей примеси. Перспективные направления исследований: Исследовать процессы дефектообразования и диффузии при низкоэнергетичной имплантации легирующей примеси и последующей термообработкеИсследовать процессы дефектообразования и диффузии при низкоэнергетичной имплантации легирующей примеси и последующей термообработке Исследовать влияние режимов предварительной аморфизации слоев кремния при создании мелкозалегающих p-n-переходовИсследовать влияние режимов предварительной аморфизации слоев кремния при создании мелкозалегающих p-n-переходов Разработать и исследовать режимы дополнительных низкотемпературных обработок с целью снизить неравновесную ускоренную диффузию легирующей примеси при отжиге имплантированных слоев кремнияРазработать и исследовать режимы дополнительных низкотемпературных обработок с целью снизить неравновесную ускоренную диффузию легирующей примеси при отжиге имплантированных слоев кремния Исследовать влияние БТО на процесс дефектообразования, диффузию и активацию легирующей примеси в кремнииИсследовать влияние БТО на процесс дефектообразования, диффузию и активацию легирующей примеси в кремнии