Стимулирование синтеза диэлектрических слоев в кремнии дальнодействующим ионным облучением

3.2. Вольтамперные характеристики структур БУ^у-Б! и влияние на них имплантации аргона в тыльную строну пластин.82.

3.2.1. Режимы облучения и методика измерения вольтамперных характеристик слоев 813^.82.

3.2.2. Результаты и обсуждение исследований вольтамперных характеристик структур БУЧу^.83.

3.3. Влияние имплантации аргона в нерабочую сторону пластин на диэлектрическую проницаемость слоев нитрида кремния.89.

3.3.1. Методика импульсных измерений диэлектрической проницаемости изолирующих слоев.89.

3.3.2. Результаты импульсных измерений диэлектрической проницаемости структур 8УМу-81.91.

3.4.

Заключение

93.

Глава 4. Процессы блистеринга при имплантации аргона в кремний.

Физическая модель дальнодействующего влияния ионного облучения аргоном на синтез нитрида кремния.94.

4.1.

Введение

94 4.

4.2. Изменение топографии поверхности кремния при облучении ионами аргона с различными дозами.95.

4.3. Спонтанно-акустическая модель дальнодействуюгцего стимулирования синтеза диэлектрических фаз в кремнии при имплантации аргона.115.

4.4. Моделирование распространения волны давления по глубине кристалла.124.

4.5.

Заключение

132.

Общее заключение и выводы.133.

Литература

137.

Приложение 1.151.

Приложение 2.152 5.

К приоритетным задачам современной микроэлектроники относятся исследования, связанные с повышением быстродействия и надежности приборов. В связи с этим уделяется большое внимание разработкам технологий «кремний на изоляторе» (КНИ). Это вызвано высокой радиационной стойкостью интегральных схем на КНИ-основе, повышением быстродействия за счет снижения паразитных емкостей, а также перспективой трехмерной интеграции [1]. Одним из способов создания современных КНИ-структур является метод ионного синтеза, при котором в кремниевую подложку имплантируются ионы азота или кислорода с энергией порядка 100−200 кэВ при повышенной температуре 400−600°С и.

18 2 дозами -10 см", после чего структуры отжигаются при температурах 1100−1200°С в течение нескольких часов. Основные усилия направлены на совершенствование качества синтезируемых скрытых диэлектрических слоев 81зМ4 или 810 г, а также отсеченного приповерхностного слоя кремния. Для этого варьируются режимы имплантации, используется прерывистый цикл «имплантация-отжиг» [2], применяется совместная имплантация ионов азота и кислорода [3] и т. д. Например, в [4] проводилось дополнительное облучение структур КНИ на 81зМ4 ионами фтора, в результате чего авторы наблюдали увеличение напряжения пробоя и упорядочение профиля концентрации азота в нитридном слое. Изменения в синтезируемом слое могут происходить и при дополнительном облучении структур с обратной стороны. Так, в работе [5], было обнаружено, что после дополнительного облучения образцов с внедренным азотом ионами аргона с противоположной стороны, произошло перераспределение профиля концентрации азота. Авторы работы [6] обнаружили уменьшение плотности ловушек на границе 6 кремний-приповерхностный оксид кремния при облучении обратной стороны подложки аргоном. Данный эффект изменения свойств материалов при ионной бомбардировке на расстояниях, во много раз превышающих пробег ионов, получил название эффекта дальнодействия (ЭД) при ионной имплантации и изучается уже около 30 лет. К настоящему времени собрано большое количество экспериментальных данных по этому эффектупроводятся теоретические моделирования. Но, несмотря на это, единой теории, которая согласовывалась бы со всеми экспериментальными данными, до сих пор пока не создано. Некоторые работы показывают, что ЭД может использоваться для модификации эксплуатационных свойств материалов, применяющихся сейчас в микроэлектронике. Кроме того, облучение ионами инертных газов может влиять и на состояние химически активных примесей. В работе [7] было обнаружено, что при облучении образцов кремния, выращенных по Чохральскому, ионами аргона с дозами, превышающими 1016.

2 1 см" усиливается поглощение ИК-излучения в области около 1150 см". Это означает, что увеличилось количество оптически активного кислорода, т. е. возросло количество связей 81−0. Таким образом, было показано, что ионное облучение может стимулировать процессы образования химических связей.

Целью данной работы является исследование дальнодействующего влияния ионно-лучевой обработки на синтез диэлектрических слоев нитрида кремния в предварительно обогащенных азотом также ионно-лучевым методом кристаллов кремния.

Выбор нитрида кремния в таких экспериментах с двойным облучением обусловлен его хорошими диэлектрическими свойствами, близостью к кремнию по термическому расширению и тем, что экспериментальное определение его свойств не вызывает больших сложностей. В литературе подробно описаны способы ионно-лучевого синтеза 813М4 и сформулированы трудности его получения — проблема кристаллизации при постимплантационном отжиге, образование пузырьков азота в слое, 7 проявление азотом донорных свойств. При успешном развитии исследований открывается перспектива практического использования результатов в технологии получения КНИ-структур. Исследования с применением оптической спектроскопии, электрофизических методов, сканирующей зондовой микроскопии были также направлены на дальнейшее прояснение природы ЭД и возможности его применения для управляемого влияния на твердотельные реакции взаимодействия азота с кремнием.

Актуальность работы.

Задача получения высококачественных приповерхностных или «захороненных» в кристалле полупроводника изолирующих диэлектрических слоев является одной из насущных в микроэлектронике. В частности, поиск новых способов формирования гетероструктур «кремний на изоляторе» (КНИ-структур), в том числе с применением ионной имплантации, активно ведется во всем мире. Вместе с тем, при ионном облучении возможны существенные изменения в дефектной системе кристалла далеко за зонной торможения имплантируемых ионов. Природа этого эффекта дальнодействия (ЭД) еще далеко не выяснена. Актуальность данной работы определяется тем, что в ней впервые демонстрируется возможность использования ЭД для улучшения диэлектрических характеристик встроенных в кристалл кремния слоев 81зК4, 8Ю2 без длительного высокотемпературного отжига и предлагается новая физическая модель ЭД.

В качестве используемых методов исследования получаемых структур в работе применялись ИК-спектроскопия, сканирующая зондовая микроскопия (атомно-силовая микроскопия), измерения шарового шлифа, измерения вольтамперных характеристик, емкостные измерения диэлектрической проницаемости.

В результате выполнения работы установлено, что дополнительное облучение тыльной стороны пластины кремния с внедренным ионной имплантацией азотом усиливает ИК-поглощение в области у=850−860 см" 1, 8 т. е. в образцах растет количество стехиометрической аморфной фазы 813М4. Кроме того, показано, что улучшаются диэлектрические свойства синтезируемых слоев — растет удельное сопротивление, а диэлектрическая проницаемость приближается к значениям, характерным для стехиометрического нитрида кремния. Исследование морфологии поверхности кремния, облученной ионами Аг+, выявляет процессы блистерования. С процессами эволюции блистеров связывается возникновение в облучаемом кристалле упругой волны давления, способной стимулировать образование связей БьЫ и, как следствие, улучшать диэлектрические свойства слоев SiзN4 на расстояниях, значительно превосходящих область торможения ионов.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Обнаружено дальнодействующее стимулирование ионным облучением реакции синтеза скрытых и приповерхностных слоев аморфной фазы нитрида кремния в кремнии.

2. Получены дозовые зависимости оптического поглощения в ИК-области и удельного сопротивления синтезируемых слоев, связанные с формированием фазы 81зМ4.

3. Исследована дозовая зависимость процессов зарождения, роста, коалесценции и микровзрывов блистеров аргона с образованием кратеров диаметром порядка 0,5 мкм.

4. Предложена оригинальная физическая модель спонтанного, или самосогласованного формирования гиперзвуковых акустических импульсов давления, вызывающих наблюдаемые изменения в синтезируемых изолирующих слоях на большом расстоянии от зоны торможения ионов аргона.

Практическая значимость работы. 1. Показана перспектива предлагаемого альтернативного метода получения и улучшения свойств ионно-синтезированных диэлектрических слоев 9.

Si3N4 и Si02 в кремнии с применением дополнительного ионного облучения аргоном противоположной стороны пластины кремния. Появляется возможность избежать длительного высокотемпературного постимплантационного отжига, который приводит к крупнозернистой кристаллизации и растрескиванию диэлектрика и не всегда совместим с технологией микроэлектроники.

2. Метод с последовательной двойной имплантацией встречными пучками ионов может использоваться для создания актуальных для микроэлектроники КНИ-структур.

3. Имеются предпосылки для распространения метода двойной имплантации для стимулирования формирования других фаз в полупроводниковых кристаллах ионным облучением.

Степень участия автора в проведенных исследованиях.

Все основные результаты получены автором. ИК-измерения на спектрометре Bruker IFS113V выполнялись в сотрудничестве с аспирантом ИХВВ РАН Курицыным Д. И., исследования с помощью атомно-силовой микроскопии — при участии доцента кафедры ФПО ННГУ Филатова Д. О. и аспирантов физического факультета ННГУ Лобанова Д. А. и Круглова A.C., исследования с помощью электронной микроскопии — при участии аспиранта физического факультета ННГУ Сдобнякова В. В. Методика экспериментов и полученные результаты обсуждались с чл.-корр. РАН, директором ИХВВ Чурбановым М. Ф., проф. Тетельбаумом Д. И., проф. Титовым А. И. Физическая модель ЭД разработана совместно с проф. Демидовым Е. С. и доц. Карзановым В.В.

По материалам диссертации опубликовано в журналах РАН и научных сборниках 6 статей, в материалах конференций 19 работ.

Основные результаты апробировались на конференции «ВНКСФ-3» (Екатеринбург, 31 марта — 5 апреля 1995 г.), «Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов» (Нижний Новгород, 12−14 марта 1996 г.), конференции E-MRS, 1996 Spring meeting, (Страсбург, 4−7 июня, 1996), конференции «XVI Научные чтения имени академика Н.В.Белова», (Нижний Новгород, 15−16 декабря 1997 г.), 2,3,4,5 Всероссийских семинарах «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, сентябрь 1994 г., сентябрь 1996 г., июнь 1998 г., октябрь 2000 г.), VIII Межнациональном совещание «Радиационная физика твердого тела» (Украина, Севастополь, 29 июня — 4 июля 1998 г.), международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 1998 г.), 11th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM98), (Amsterdam, 1998, August31-September4), конференции «Структура и свойства твердых тел» (Нижний Новгород, 27−28 сентября 1999 г.), Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» ВИП-14, (Звенигород, 30 августа-3 сентября 1999 г.), Всероссийских совещаниях «Зондовая микроскопия — 99» и «Зондовая микроскопия — 2000», (Нижний Новгород, 10−13 марта 1999 г., 28 февраля — 2 марта 2000 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния («Кремний-2000»), 7 Russian-Japanese International Symposium on Interaction of fast charged particles with solids (Нижний Новгород, 9−16 октября 2000 г.), а также на ежегодных сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 1996;1999 гг.).

Диссертационная работа выполнялась при поддержке следующих грантов и целевых программ:

Грант Минобразования РФ Конкурсного центра по фундаментальному естествознанию, тема НГ-109 по НИЧ ННГУ, 1995;1996 гг.;

Федеральная целевая программа «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997;2000 гг.», Учебно-научный центр «Физика и химия твердого тела» (проект № 0541), тема НИЧ ННГУ Н-231;

Грант Минобразования РФ Конкурсного центра по исследованиям в области ядерной физики и физики пучков ионизирующих излучений, тема НИЧ ННГУ НГ-172, 1998;2000 гг. (грант № 97−12−9.2−4).

Программа Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий», раздел «Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении», тема НИЧ ННГУ Н-223, 2000 г. (проект № 01.12.01.15).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Даль, но действующее ионное облучение аргоном Аг+ с энергией Е=40 кэВ, дозой Ф>1017 см" 2, температурой имплантации Т=500°С монокристаллов кремния, предварительно обогащенных азотом, стимулирует синтез диэлектрических фаз в кремнии. При этом улучшаются изолирующие свойства синтезируемых диэлектрических слоев.

2. Процесс синтеза диэлектрических слоев нелинейно зависит от дозы облучения аргоном. Заметные изменения оптических и электрических свойств синтезируемых слоев проявляются при дозах Фдг+ свыше 1016.

2 «Ь 17 2 см», а при Фдг ~Ю см" достигают максимума и выходят на насыщение.

3. Облучение аргоном поверхности кремния с различными дозами приводит к зарождению и росту блистеров, начиная с Фаг+~Ю16 см" 2, их.

В заключение данной работы можно сформулировать следующие выводы:

1. Впервые экспериментально установлена возможность стимулирования реакции ионного синтеза диэлектрических фаз в кремнии с помощью эффекта дальнодействия при ионной имплантации.

2. Определены условия, при которых происходит модификация имплантированного нитридного слоя в кремнии. Экспериментально установлены режимы облучения ионами Аг+ монокристаллов кремния, которые привели к изменениям структурных, электрических, оптических характеристик слоев 81<�№>: Е=40 кэВ, Т=500°С, Ф >1017 см" 2.

3. По данным ИК-спектроскопии и электрофизических измерений установлено, что ионно-лучевая обработка аргоном пластины кремния стимулирует синтез диэлектрической фазы 813^ в слое 8тК№> на другой стороне кристалла, при этом улучшаются изолирующие свойства диэлектрических слоев 81ХМУ — увеличивается удельное сопротивление, а диэлектрическая проницаемость приближается к приводимой в справочниках для стехиометрического 81зМф Возможно формирование азотированных диэлектрических слоев с параметрами, пригодными для практического применения в КНИ-структурах. Аналогичные данные ИК-спетроскопии получены при стимулировании эффектом дальнодействия образования фазы 8Юг в слоях кремния, обогащенных.

136 кислородом.

4. Исследования изменений морфологии поверхности кремния, облучаемого аргоном, в зависимости от дозы облучения, выявили зарождение, рост блистеров, начиная с ФАг~1016 см 2, их последующую коалесценцию и микровзрывы с образованием кратеров диаметром около 0,5 мкм при Фаг~Ю17 см" 2.

5. Наблюдаемые изменения в синтезируемых слоях связываются с зарождением, ростом и взрывом блистеров на облученной аргоном поверхности образцов. Предложена спонтанно-акустическая модель ЭД, согласно которой в результате скачкообразных самосогласованных эволюции и взрыва блистеров возникают гиперзвуковые акустические импульсы давления, стимулирующие формирование диэлектрической фазы 81зМ4 на большом удалении от зоны торможения ионов аргона.

Автор выражает благодарность своим научным руководителям, профессору Демидову Е. С. и доценту Карзанову В. В., за неоценимую помощь в организации и выполнении работы, чл.-корр.РАН Чурбанову М. Ф. и профессору Тетельбауму Д. И. за полезные обсуждения результатов, Васильеву В. К. и Шаргелю В. Л. за ионно-лучевую обработку, Курицыну Д. И. за помощь в ИК-измерениях, профессору Максимову Г. А. за предоставленную возможность проведения исследований с помощью сканирующей зондовой микроскопии, доценту Филатову Д. О. за помощь в этих измерениях, а также студентам физического факультета ННГУ, принимавших участие в экспериментах в ходе выполнения курсовых и дипломных работ.