ОРИЕНТАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ СИНТЕЗА СПЛОШНЫХ

269
Секция 3. Модификация свойств материалов
ОРИЕНТАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ СИНТЕЗА СПЛОШНЫХ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СКРЫТЫХ СЛОЕВ НИТРИДА И
КАРБИДА КРЕМНИЯ ПРИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОЙ ИОННОЙ
ИМПЛАНТАЦИИ
С.А. Петров
Научно-исследовательское учреждение “Институт прикладных физических проблем имени
А.Н. Севченко” Белорусского государственного университета, Курчатова, 7, Минск, 220108,
тел. 8-017-2123817, e-mail: [email protected]
В работе исследовалось влияние кристаллографической ориентации кремниевой мишени на кристаллическую
структуру скрытых слоев β-Si3N4 и β-SiC, формируемых методом высокоинтенсивной ионной имплантации в
самоотжиговом режиме. Установлен синтез их сплошных монокристаллических слоев в кремнии (001)-ориентации.
Предложен механизм образования данных сплошных монокристаллических слоев.
Введение
Имплантация ионов кислорода и азота остается основным промышленно освоенным методом
создания структур кремний-на-изоляторе (КНИ) с
захороненным изолирующим слоем, хотя выдвигаются и альтернативные варианты. Высокоомные слои получаются, например, после облучения ионами H+ или C+. Несмотря на достигнутые
успехи, ионному синтезу скрытых диэлектрических
слоев, как и всякому другому методу создания
КНИ-структур, присущи определенные недостатки
и ограничения. Прежде всего, это весьма жесткие
термические и радиационные воздействия на
материал. Поэтому исследования физических
процессов, протекающих при ионном синтезе,
продолжает привлекать внимание широких кругов
специалистов. Вместе с тем, необходимо более
подробно разобраться с влиянием ориентации
кремниевой подложки на кристаллическую структуру слоев β-Si3N4 и β-SiС, формируемых с помощью высокоинтенсивной ионной имплантации
(ВИИ). Считается, что ориентация (001) является
наиболее благоприятной для легирования кристаллов Si с высокими плотностями ионного тока, так
как скорость кристаллизации V<001> в направлении
<001> максимальна и превышает V<111> в 20 раз
при ее чисто термическом механизме [1].
Цель настоящей работы – выяснение механизма синтеза сплошных монокристаллических
слоев β-Si3N4 и β-SiC в монокристаллической
кремниевой мишени (001)-ориентации при ВИИ.
Методика эксперимента
Монокристаллические образцы (001)- и (111)-Si
имплантировали ионами N2+ с энергией 140 кэВ
17
18
дозами 1⋅10 – 1⋅10 см−2 при плотностях ионного
тока 100 и 250 мкА/см2 на установке “Kasper”
(г. Минск, ПО “Горизонт”). Через 6 – 8 с после
начала имплантации мишень разогревалась до
1073 и 1273 K. Указанные температуры оставались неизменными в процессе дальнейшего
+
внедрения ионов N2 в мишень. Облучение монокристаллических образцов (001)- и (111)-Si ионами
C+ с энергией 40 кэВ дозами 2⋅1017 –2⋅1018 см−2 при
плотностях ионного тока 120 и 300 мкА/см2 проводилось в камере ионного ускорителя “ИЛУ-3”
(г. Москва,
Институт Атомной энергии имени
И.В. Курчатова). Режим облучения ионами C+ с
энергией 40 кэВ при плотности ионного тока
2
300 мкА/см приводит к разогреву мишени до
1023 – 1123 K. К этому времени концентрация
атомов
углерода
в
области
среднего
проективного пробега ионов не превышает
2⋅1021см−3.
Площадь контакта с держателем составляла
менее 0,01 % поверхности образца. В пределах
размеров мишени ионный пучок был однородным по сечению, что обеспечивало практически равномерный нагрев пластин и отсутствие в них заметных термонапряжений.
Основная часть
Результаты проведенных исследований показывают, что структура формируемого в процессе ВИИ как скрытого слоя β-Si3N4, так и β-SiС
зависит от ориентации подложки, температуры и
режима облучения. Синтезировать их сплошные
монокристаллические слои удавалось только
для мишени (001)-ориентации (рис. 1 а, в). При
облучении образцов (111)-Si формируемый слой
нитрида и карбида кремния имел следующую
структуру: монокристаллическую прослойку с
высокой плотностью двойников первого и
второго порядков вблизи границы раздела с
кристаллической матрицей кремния и поликристаллический слой, расположенный ближе к поверхности (рис. 1 б, г).
Анализируя зависимость структуры синтезируемого слоя β-Si3N4 или β-SiС от кристаллографической ориентации подложки, необходимо
отметить, что при эпитаксиальном росте
аморфных слоев чистого Si в направлении
<111> образуется большее количество протяженных дефектов. Как видно на рис. 2 и 3 (пример облучения Si ионами As+ с энергией 120 кэВ
2
при плотности ионного тока 50 мкА/см ), в момент окончания кристаллизации образцы (111)Si содержат большее количество дефектов, чем
(001)-Si. Показано, что средняя скорость кристаллизации в интервале времени облучения 4 –
10 с для (111)-ориентации в 3 раза меньше, чем
для (001)-ориентации в диапазоне 2 – 4 с при
той же рассматриваемой разнице толщин
аморфного слоя. Предполагается, что при ВИИ
9-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 20-22 сентября 2011 г., Минск, Беларусь
9th International Conference “Interaction of Radiation with Solids”, September 20-22, 2011, Minsk, Belarus
270
Секция 3. Модификация свойств материалов
а
б
а
а) в
г
Рис. 1. Просвечивающая электронно-дифракционная
картина: а) для (001)-Si, б) (111)-Si после имплантации
17
2
ионов N2+ с энергией140 кэВ дозой 9,7⋅10 см− при
2
плотности ионного тока 100 мкА/см и в) для (001)-Si, г)
(111)-Si после облучения ионами C+ с энергией 40 кэВ
17
2
2
дозой 6⋅10 см− при плотности ионного тока 300 мкА/см
Рис. 3. Энергетические спектры резерфордовского
обратного рассеяния ионов He+ с энергией 0,7 МэВ,
рассеянных на (001)-Si. Время облучения: 1 – 2, 2 – 6,
3 – 8, 4 – 10, 5 – 40 с, 6 – случайный спектр
ного образования неориентированных зародышей – включений SiO2 (α-кварца) поликристаллической структуры, которые в процессе роста и
формируют поликристаллический слой нитрида
или карбида кремния.
Заключение
Рис. 2. Энергетические спектры
резерфордовского
обратного рассеяния ионов He+ с энергией 1 МэВ,
рассеянных на (111)-Si. 1 – случайный спектр; 2, 3 и 4 –
осевые спектры для времени облучения 4, 10 и 16 с
соответственно;
5 –осевой
спектр
исходного
монокристалла кремния
одним из факторов, определяющих процесс формирования β-Si3N4 или β-SiC, является соотношение скорости ее эпитаксиального роста и скорости гетерогенного зародышеобразования, которая определяется скоростью поступления ионов
N2+ или C+ и температурой мишени в процессе
имплантации. При плотностях ионного тока 100 –
300 мкА/см2 достаточно быстро накапливаются
атомы N и C в приповерхностном слое (111)-Si, и
перед фронтом монокристаллической прослойки βSi3N4 или β-SiC создаются условия для гетероген-
В ходе самоотжигового режима ВИИ кремниевых образцов ориентации (111) получить
сплошной монокристаллический слой не удавалось. Это объясняется, по-видимому, наличием
для (111)-Si наибольшей плотности атомов на
единицу его площади и значительно большей
концентрации дефектов, чем в (001)-Si. Достигая
критической величины концентрации остаточных
нарушений в приповерхностном слое мишени,
скорость кристаллизации резко замедляется и
при быстром темпе накопления атомов N или С
перед фронтом монокристаллической прослойки
β-Si3N4 или β-SiC растет фаза α-кварца, формирующая поликристаллический нитридный или
карбидный слой. Синтез этой фазы связывается
как с миграцией атомов отдачи кислорода из
пленки естественного окисла на поверхности
кремниевой мишени, так и его частичной
кристаллизацией. Установлено, что для (001)-Si
зародышами монокристаллического β-Si3N4 или
β-SiC являются включения монокристаллического коэсита.
Список литературы
1. Александров П.А., Баранова Е.К., Демаков К.Д.,
Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Ширяев С.Ю. // Физика и
техника полупроводников. - 1986. - 20. - С.149.
THE ORIENTED EFFECT OF THE SYNTHESIS OF BURIED CONTINUOUS SINGLE-CRYSTAL
LAYERS OF NITRIDE AND SILICON CARBIDE FOR HIGH-INTENSITY ION IMPLANTATION
S.A. Petrov
A.N. Sevchenko Scientific-Research Institute of Applied Physics Problems, Kurchatov str. 7, Minsk 220108,
Belarus, tel. 8-017-2123817, e-mail: [email protected]
In this research was estimated the influence of crystallographic orientation of the silicon target on the crystal structure of
buried layers β-Si3N4 and β-SiC, generated by the high-intensity ion implantation in self-annealing regimes. The synthesis of
their composition single-crystal layers in the silicon (001)-orientation is set up. The mechanism of the formation of continuous
single-crystal layers is introduced.
9-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 20-22 сентября 2011 г., Минск, Беларусь
9th International Conference “Interaction of Radiation with Solids”, September 20-22, 2011, Minsk, Belarus