48 удк 539.1.04 вклад дополнительной ионной имплантации в

УДК 539.1.04
ВКЛАД ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В
СТИМУЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ ИОННОГО СИНТЕЗА ФАЗЫ SI3N4
В СЛОЯХ КРЕМНИЯ, ОБОГАЩЕННЫХ АЗОТОМ
Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, К.А. Марков, Е.А. Питиримова, В.В. Сдобняков
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Методами просвечивающей электронной микроскопии, ИКспектроскопии и регистрации вольтамперных характеристик исследовалось влияние ионно-лучевой обработки аргоном тыльной стороны
пластины кремния на состояние слоя SixNy, синтезированного на лицевой стороне. Результат такого воздействия сравнивается с результатами постимплантационных отжигов, а также с результатом ионнолучевой обработки тыльной стороны пластины неоном и кремнием,
проводимой в тех же условиях, что и при бомбардировке аргоном. Показано, что имплантация аргона при ΦAr ~ 1017 см-2 и Т = 5000С является эффективным способом воздействия на синтезированный слой SixNy
и может служить альтернативой постимплантационным отжигам.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальных технологических проблем современной микроэлектроники является разработка надежных и недорогих способов формирования структур
"кремний на изоляторе" (КНИ-структуры). Наиболее перспективной технологией
создания таких структур является имплантация ионов азота или кислорода в кремний. Хотя идея создания КНИ-структур путем имплантации в кремний ионов азота
или кислорода сформулирована более 15 лет назад, ее реализация наталкивается
на значительные трудности, связанные, в том числе, и со сложными режимами
постимплантационного высокотемпературного отжига.
В работах [1-4] было показано, что при бомбардировке аргоном при Т=5000С
тыльной поверхности образцов кремния, ранее облученных с лицевой стороны
ионами азота, увеличивается доля фазы Si3N4 в синтезированном слое SixNy. Этот
вывод был сделан на основе изучения шаровых срезов [1], ИК-спектров поглощения в области 700-900 см-1 [1, 2, 3], измерений энергетического сдвига Ожеэлектронов [2], определения электрических свойств слоев SixNy [3, 4]. Зависимость
данного эффекта от дозы внедренного аргона ΦAr имела вид «размытой» ступеньки
в логарифмическом масштабе в интервале доз 1016 см-2 <ΦAr<1017 см-2 [5, 6]. На основании данных атомно-силовой микроскопии [5-8] была предложена модель [9],
суть которой заключается в следующем: в процессе имплантации аргона с дозами
ΦAr ~ 1016 см-2 в кремнии на глубине x~(Rp+∆ Rp) образуются блистеры (пузырьки);
по мере набора дозы блистеры увеличиваются в размерах, на поверхности наблюдаются вздутия; при ΦAr ~ 1017 см-2 блистеры взрываются, а на их месте образуются кратеры с диаметром около 1 мкм; взрыв блистеров порождает упругую волну с
перепадом давления ~109 Па, которая и меняет свойства синтезированного слоя
SixNy на лицевой стороне пластины.
48
Целью настоящей работы является сопоставление результата воздействия пучка ионов аргона на тыльную сторону пластины кремния со слоем SixNy с результатами температурных отжигов, а также с воздействием пучков ионов неона (имеет
место процесс блистерования) и кремния (в этом случае блистерования нет).
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В экспериментах использовались пластины кремния промышленных марок
БКЭ–100, БКД–2000 и КЭМ–0,005 с ориентацией – (111), толщиной - 0.3–0.6 мм.
Все образцы подвергались стандартной ХМП–обработке.
Для создания скрытых слоев ионы азота имплантировались в кремний с энергиями пучка ЕN=150 кэВ. При формировании поверхностных слоев SixNy азот внедрялся с энергией ЕN=50 кэВ; доза варьировалась в пределах ФN = (1÷5).1017 см-2, а
плотность ионного потока не превышала jN ≤1014 см-2с-1. Затем проводился постимплантационный отжиг при температурах от 500оС до 1200оС в атмосфере сухого
азота или облучение с обратной стороны ионами аргона (или неона, кремния) со
следующими параметрами: EAr,Ne,Si=40 кэВ, доза внедрения ФAr,Ne,Si = 1017 см-2,
плотность потока ионов - jAr,Ne,Si ≤ 1014 см-2с-1. Температура образца в период имплантации составляла 500оС. Подобный выбор температурного режима вызван
тем, что в [1,2] было замечено: именно при Т ≥ 5000С наблюдается эффект увеличения доли фазы Si3N4 в слоях SixNy.
В процессе имплантации происходит разогрев мишени ионным пучком. Нами
были сделаны оценки равновесной температуры образца по известной формуле [10]:
1
T∞ = (
P
+ To4 ) 4 ,
2 Aσε
где P – мощность, А – площадь облучаемой поверхности, σ - постоянная СтефанаБольцмана излучения черного тела (σ = 5,67*10-12 Вт*см-2 К-4), ε - излучательная
способность поверхности образца (для кремния ε = 1), То – температура окружающей среды. Сделанные оценки показали, что даже в форсированных режимах имплантации (Е = 50 кэВ, j = 1014 см-2с-1, Ф = 1017 см-2) образец может нагреваться до
255оС, если нет специального подогрева мишени, а арматура коллекторного устройства находится при комнатной температуре 20оС, если же использовать принудительный подогрев до 500оС, то повышение температуры составляет величину
около 35оС. Эти оценки сделаны без учета теплоотвода элементами конструкции
коллекторного устройства, на самом деле разогрев образцов был еще меньше.
Изменения в слоях SixNy изучались с помощью просвечивающей электронной
микроскопии (ПЭМ), ИК-спектроскопии и регистрации вольтамперных характеристик (ВАХ). В приведенных исследованиях использовался электронный микроскоп
марки ЭМ-100 при ускоряющем напряжении 75 кВ. ИК спектры записывались на
спектрометре Bruker IFS 113V, здесь применялись высокоомные подложки кремния. Для электрических измерений использовались поверхностные слои SixNy на
пластинах КЭМ-0,005. ВАХ измерялись по двухконтактной схеме Ме-SixNy-Si-Ме
(подобно тому, как это делалось в [3, 4]). Выбор низкоомной подложки КЭМ-0.005
был сделан для того, чтобы уменьшить вклад ее собственного сопротивления и
барьерных эффектов в общее сопротивление структуры. В качестве контактного
материала использовался эвтектический сплав In-Ga c диаметром контактных площадок 5 мм.
49
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Влияние температурного режима имплантации азота
В первых публикациях, посвященных проблеме ионно-лучевого синтеза изолирующих слоев в кремнии, считалось, что температура внедрения азота (или кислорода) не играет существенной роли, главное - последующий высокотемпературный отжиг; в более поздних работах отмечалась положительная роль предварительного принудительного подогрева мишени при имплантации до 400-5000С: это
позволяло получать более качественные изолирующие слои (см. ссылки в [11, 12]).
В своих первых экспериментах [1, 2] мы выполняли имплантацию азота при
комнатной температуре. В данной работе проведено сопоставление ПЭМизображений синтезированных слоев, полученных имплантацией азота без подогрева мишени и при температуре 4000С (см. рис. 1). Из представленных микрофотографий видно, что имплантация азота при комнатной температуре приводит к расстрескиванию синтезированного слоя (рис. 1а), причем наибольшая плотность
микротрещин наблюдается вблизи внутренней границы раздела SixNy-Si. Именно с
растрескиванием следует связывать возникновение «черного» слоя на глубине
x~(Rp+∆ Rp), наблюдавшееся на шаровых срезах структур Si-SixNy-Si с помощью
оптического микроскопа в работах [1, 2]. Растрескивания удается избежать, если
выполнить принудительный подогрев образца во время имплантации до Т = 400оС
(рис. 1б). Но и в этом случае, из-за большого количества дефектов, а также из-за
того, что не весь внедренный азот прореагировал с кремнием, качество диэлектрических слоев оставляет желать лучшего. На микрофотографии, представленной на
рис. 1в, видна мелкодисперсная структура, т.е. слой не являет сплошным. Для устранения этих недостатков при синтезе изолирующих слоев принято прибегать к
а)
1
б)
1
2
2
3
3
в)
50
2
Рис. 1. Микрофотографии слоев SixNy,
синтезированных при облучении атомарным азотом с Е = 40кэВ, Ф =
5*1017см-2 при температурах:
а) Т = 22оС (увел. 1200), б) Т = 400°С
(увел. 1200), в) Т = 400оС (увел. 7200),
где 1 – кремниевая подложка, 2 – синтезированный слой, 3 – вытравленное отверстие
постимплантационному отжигу. Этот прием хорошо себя зарекомендовал при создании слоев SiOx [11, 12], но он, видимо, имеет существенные ограничения, связанные с кристаллизацией, в случае синтеза нитрида кремния.
2. Влияние температуры отжига на состояние ионно-синтезированного
слоя SixNy
Проведенные исследования образцов, подвергнутых отжигам при температурах
Т = 500, 600, 700оС в течение 2 часов, показали, что хотя данные ИКспектроскопии и свидетельствуют об увеличении интенсивности поглощения (см.
рис. 2), слой SixNy остается мелкодисперсным, граница раздела по-прежнему нечеткая, вблизи неё наблюдаются довольно крупные ямки травления (см. рис. 3).
0,02
0,01
∆Т, отн. ед.
1
0,00
2
-0,01
-0,02
3
-0,03
4
ν , см
-0,04
1300
1200
1100
1000
900
800
-1
700
Рис. 2. Дифференциальные ИК-спектры пропускания образцов со слоями SixNy, синтезированными при облучении азотом (ЕN = 150 кэВ, ФN = 5.1017 см–2, Тимп = 400оС), после
постимплантационных обработок относительно образца с таким же слоем, но не подвергавшегося дополнительным воздействиям: 1 – отжиг при Тотж = 500оС; 2 – отжиг при
Тотж = 600оС; 3 – отжиг при Тотж = 700оС; 4 – после внедрения аргона (ЕAr = 50 кэВ,
Ф = 1017см–2, Тимп = 500°С)
Образцы, отожженные при Т = 800оС, имеют более четкую границу раздела,
однако наблюдаются дендридные выделения фазы Si3N4, (рис. 4), свидетельствующие о том, что начался процесс кристаллизации. По данным работы [13] – это
кристаллические включения β-Si3N4. Дальнейшее увеличение температуры отжига
приводило к полной кристаллизации и разрушению слоев, поэтому наблюдать их в
электронный микроскоп, а также определить достаточно точно вольтамперные
характеристики не представлялось возможным.
51
Т, отн. ед.
Рис. 3. Микрофотография слоя SixNy,
синтезированного при облучении азотом
(ЕN = 50 кэВ, ФN = 5.1017 см–2, Тимп =
400оС), после отжига при Тотж = 600оС
в течение 2 часов. Увел. 4800
Рис. 4. Дендридные выделения Si3N4
в образце, облученном азотом
с ЕN = 50 кэВ, ФN = 5*1017см–2,
Тимп = 400°С и отожженном при
Т = 800°С. Увел. 4800
1 ,1
1 ,0
0 ,9
0 ,8
0 ,7
0 ,6
0 ,5
0 ,4
0 ,3
0 ,2
0 ,1
0 ,0
1300
1
2
ν, с м
1200
1100
1000
900
8 00
-1
700
Рис. 5. ИК-спектры пропускания кремния после имплантации азота
(ЕN = 150 кэВ, ФN = 5.1017 см-2, Тимп = 400оС): линия 1 – после внедрения азота,
линия 2 – после дополнительного отжига при Тотж = 1200оС в течение 2 часов
Кристаллизация слоя SixNy подтверждается появлением тонкой структуры на
ИК-спектре таких образцов, причем, чем выше Тотн.ед., тем лучше она проявляется
(на рис. 5 приведен спектр образца, отожженного при Т = 1200оС в течение 2 часов). Этот результат согласуется с данными, представленными в работе [13]. Процесс кристаллизации изолирующих нитридных слоев является нежелательным
результатом и представляет основную проблему при их формировании методом
ионно-лучевого синтеза. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что
высокотемпературные отжиги являются узким местом в технологии создания изолирующих слоев с помощью имплантации ионов азота в кремний. В связи с этим
существует необходимость найти альтернативу постимплантационному отжигу
при ионно-лучевом формировании слоев SixNy.
52
3. Влияние ионно-лучевой обработки тыльной стороны пластины
на состояние слоя SixNy
Как упоминалось выше, в работах [1-4] было показано, что альтернативой отжигу при синтезе нитридных слоев может быть облучение ионами аргона обратной стороны кремниевой пластины. На основании данных зондовой микроскопии
[5, 6] и сопоставления их с дозовой зависимостью эффекта [7, 8] была предложена
модель [9], суть которой состоит в том, что в процессе внедрения аргона идет процесс блистерования. Достигнув критических значений по размерам и плотности,
блистеры взрываются, порождая ударную волну, которая и меняет свойства слоя
SixNy на лицевой стороне пластины. На ИК-спектре наблюдается увеличение поглощения, а тонкая структура практически не проявляется (кривая 4 на рис. 2).
Микродифракция от таких слоев имеет вид, характерный для аморфных материалов (диффузное гало).
С целью подтверждения того, что изменения в слоях SixNy при дополнительной
ионно-лучевой обработке вызваны именно процессами образования и скоррелированного взрыва блистеров, было проведено исследование воздействия дополнительного облучения ионами Ne+ и Si+ на тыльную сторону кремниевых пластин в
тех же условиях, что и в случае облучения аргоном. Такой выбор ионов обусловлен тем, что при облучении ионами неона процесс блистерования также имеет место, однако из-за большего пробега и меньшей толщины распыляемого слоя блистеры находятся в глубине и не взрываются. Имплантация кремния вообще не
приводит к блистерованию. Проведенные исследования показали, что в образцах
со слоем SixNy, облученных ионами Ne+ и Si+, ничего существенного не происходит: граница раздела остается нечеткой, сохраняется сильная дефектность синтеб)
а)
1
2
2
1
в)
1
2
Рис. 6. Микрофотографии границ
раздела SixNy–Si в образцах, облученных азотом с ЕN = 50 кэВ,
ФN = 5*1017см–2, Тимп = 400°С и
с обратной стороны ионами:
а – неона, б – кремния, в – аргона
(во всех трех случаях Е = 50 кэВ,
Ф = 1017см–2, Т = 500°С). Увел.
4800. Здесь: 1 – кремниевая подложка, 2 – синтезированный слой
53
J , m A /c m
2
зированного слоя (см. рис. 6 а, б), а уменьшение токов утечки (кривые 4 и 3 рис. 6)
обусловлено частичным отжигом дефектов и изменением состояния поверхности
из–за повышенной (Т = 500оС) температуры имплантации.
В случае облучения аргоном наблюдалась наиболее четкая граница раздела (см.
рис. 5 в), заметно уменьшилось количество дефектов в нитридном слое, синтезированный слой стал однороднее, а токи утечки оказались наименьшими (кривая 5
на рис. 7). Последнее согласуется с результатами работ [1–6].
1 ,2
2
1
3 4
1 ,0
0 ,8
5
0 ,6
0 ,4
0 ,2
0 ,0
0 ,0
0 ,2
0 ,4
0 ,6
0 ,8
1 ,0
1 ,2
1 ,4
1 ,6
1 ,8
2 ,0
U , B
Рис. 7. Вольтамперные характеристики образцов кремния, облученных азотом
(ЕN = 50кэВ, ФN = 5*1017см–2, Тимп = 400°С): 1 – без дополнительной обработки; 2 – после
отжига при Т = 500оС (температурный режим ионной имплантации в тыльную сторону
пластины); 3 – после облучения ионами Si+; 4 – после облучения ионами Ne+; 5 – после
облучения ионами Ar+.
Для образцов с ВАХ 3,4,5 был один режим имплантации: Е = 40 кэВ, Ф = 1017см–2,
Тимп = 500°С, j ≈ 5*1013 см–2 с–1
ВЫВОДЫ
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Имплантация азота в кремний при комнатной температуре с целью синтеза
изолирующего нитридного слоя приводит к возникновению микротрещин в
синтезируемом слое вблизи границы SixNy-Si.
2. Растрескивания не наблюдается, если производить дополнительный подогрев
образца в период имплантации до Тимпл = 400оС.
54
3. Постимплантационные отжиги слоев SixNy при температурах 800оС и более не
пригодны, т.к. приводят к кристаллизации и разрушению синтезированного
слоя.
4. Ионно-лучевая обработка аргоном обратной стороны пластины кремния стимулирует синтез диэлектрической фазы Si3N4 в слое SixNy, сформированном на
лицевой стороне кристалла, и тем самым улучшает его изолирующие свойства
(ΦAr ~ 1017 см–2, Т = 5000С); структура слоя остается аморфной.
5. Облучение обратной стороны пластины ионами неона и кремния при тех же
условиях, что и ионами аргона, не влияет на изолирующие свойства нитридного слоя.
Авторы выражают благодарность Д.О. Филатову, В.К. Васильеву и В.Л. Шаргелю за помощь в проведении экспериментов.
Работа выполнялась в рамках программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" (проект
№01.02.01.15), а также при поддержке КЦ Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области ядерной физики и физики пучков ионизирующих
излучений (грант 97–12–9.2–4).
ЛИТЕРАТУРА
1. Павлов П.В., Марков К.А., Карзанов В.В., Демидов Е.С. // Высокочистые
вещества. 1995. Вып. 2. С. 56.
2. Карзанов В.В., Марков К.А., Мастеров Д.В. // Неорг. матер. 1998. Т. 34, в. 9.
С. 1138.
3. Демидов Е.С., Карзанов В.В., Марков К.А., Курицын Д.И. // Вестник Нижегородского университета. Сер. Физика тв. тела. 1998. Вып. 2. С. 105.
4. Демидов Е.С., Карзанов В.В., Марков К.А. // ФТП. 2000. Т. 34, в. 2. С. 170.
5. Демидов Е.С., Карзанов В.В., Марков К.А., Лобанов Д.А. и др. // Вестник
Нижегородского университета. Сер. Физика тв. тела. 2000. Вып. 1(3). С. 271–280.
6. Демидов Е.С., Карзанов В.В., Марков К.А., Лобанов Д.А. и др. // ФТП. 2001.
Т. 35, в. 1. С. 21.
7. Карзанов В.В. и др. Матер. Всерос. совещ. "Зондовая микроскопия-99",
Н.Новгород, 10-13 марта 1999 г. Н. Новгород: Изд. ИФМ РАН, 1999. С. 185.
8. Демидов Е.С., Карзанов В.В., Марков К.А., Лобанов Д.А. // Матер. Всерос.
совещ. "Зондовая микроскопия-2000", Н. Новгород, 28 февраля-2 марта 2000 г.
Н.Новгород: Изд. ИФМ РАН, 2000. С. 166.
9. Demidov E.S., Karzanov V.V., Markov K.A., Lobanov D.A. // 7th Rus.-Jap. Inter.
Symp. "On Interaction of fast charged particles with solids" (program and abstracts), N.
Novgorod, October 9-16, 2000. P. 27
10. Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация. М.: Энергия, 1975. 97 с.
11. Данилин А.Б. // Зарубежная электронная техника. 1986. N 4. С. 62.
12. Данилин А.Б. // Электронная промышленность. 1990. N 4. С. 55.
13. Pavlov P.V., Kruze T.A., Tetelbaum D.I. // Phys. stat. sol.(a). 1976. V 36, n. 1. P. 81.
55