Исследование дефектообразования в ионно-имплантированных иттербием слоях кремния методом оптического ультрафиолетового отражения

Исследование дефектообразования в ионно-имплантированных иттербием слоях кремния методом оптического ультрафиолетового отражения

В планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов, больших и сверхбольших интегральных схем использование метода ионной имплантации является основным, который сочетает загонку примеси в матрицу в виде высоко точно управляемых доз ускоренных ионов, а также последующую их диффузионную разгонку. Основным недостатком данного метода является образование структурных (в том числе, радиационных) постимплантационных дефектов связанных как со значениями энергий, плотностью токов ионов, так и с размерами ускоряемых ионов, их сильным взаимодействием с поверхностью полупроводника.

Ниже приводятся результаты исследования дефектообразования — постимплантационных радиационных нарушений образуемых при введении ионов иттербия (Yb+) в кремний (Si), а также профиля распределения и перераспределения ионно-имплантированного Yb+ в условиях термического отжига (ТО). Распределение степени дефектообра-зования имлантированного слоя получено методом ультрафиолетового (УФ) отражения. Как известно, монокристаллический Si дает в УФ области два пика отражения при л=0,275 мкм и л=0,365 мкм. Эти длины волн соответствуют пороговому значению энергии (4,51 и 3, 62 эВ) прямых межзонных переходов X1-X4 и Г1-Г25. При имплантации кремния амплитуды пиков отражения уменьшаются с ростом дозы ионов, причем наиболее чувствительным является пик отражения при л=0,275 мкм.

Полагая изменение отражения пропорциональным степени разупорядоченности, можно оценивать дефектность имплантированных структур по формуле:

D=[(Rc-Rs)/(Rc-Ra)]· 100%,.

дефектообразование иттербий кремний имплантация где Rc, Rs, Ra — величины коэффициента отражения при л=0,275 мкм кристаллического, аморфного и исследуемого образцов Si, соответственно. При этом точность оценки степени разупорядоченности обычно ~ 3%. Следует подчеркнуть, что на коротких волнах коэффициент поглощения б=105 см-1 и глубина проникновения света составляет несколько десятков ангстрем, т. е. исследуется только приповерхностный слой образцов.

Выбирая экспериментально оптимальную для конкретной дозы условия ТО имплантированного слоя, можно восстанавливать кристалли-ческую структуру, причем как показывают результаты, чем больше введенных атомов становятся электрически активными, тем меньше степень разупорядоченности имплантированного слоя. Полученные данные по УФ отражению в сочетании с дополнительным расчетом по модели лобовых соударений, а также наличие концентрационных профилей внедренных ионов дают возможность идентифицировать дефекты, создаваемые ионным легированием.

Концентрационное распределение ионно-имплантированного Yb+ в Si получено нами методом нейтронно-активационного анализа (НАА) по остаточной активности с использованием анодного и химического секционирования Si. Толщина снятого слоя — окисла определялась эллипсометрией, а также взвешиванием образца.

В настоящей работе в КЭФ-15 и КДБ-15 имплантировались ионы Yb+ с энергиями Е = 70 120 кэВ, дозой Q = 1014 1016 см-2, плотность ионного тока которых была j = 510 А/см 2. Получены с помощью метода УФ отражения экспериментальные кривые распределения степени разупорядоченности — дефектообразования, а также НАА концентрационный профиль 173в+. Положение максимума распределения примеси 173в+ хорошо совпадает с рассчитанным по теории Линхарда-Шарфа-Шиотта. Корреляция между дефектностью и концентрационным профилем при этом очевидна, а максимум распределения дефектов расположен ближе к поверхности кремния, чем максимум распределения примеси, как в случае с фосфором. На глубине порядка 2RP наблюдается отклонение концентрационного профиля от закона Гаусса. Кривая дефектности в этих глубинах тоже изменяется немонотонно.

Из полученных данных установлено, что количество дефектов возрастает не пропорционально дозе имплантации и наиболее оптимальной по стабильности профиля дефектов будет доза Q = 1· 1015 см-2. Как показывают зависимости распределения дефектов от температуры отжига в интервале 400 — 10 000С, для дозы Q = 1· 1016 см-2, оптимальной температурой отжига при выдержке 30 минут будет температура 6000С.

Результаты исследований по УФ отражению показали, что двухступенчатый ТО относительно одноступенчатых более эффективен и дает гораздо меньший уровень степени дефектообразования и равномерное их распределение по глубине исследуемых образцов. Комплексное сопоставление концентрационных профилей 173в+, профилей электри-чески активной составляющей части примесей, а также соответственно профилей дефектообразования в исследуемых Si образцах установило их удовлетворительную физическую интерпретацию.