Исследование влияния пространственно-временного распределения энергии на фазовые переходы при импульсных энергетических воздействиях на полупроводники

Наиболее широко и успешно используемым методом модифицирования приповерхностных слоев в полупроводниковой технологии до настоящего времени остается ионная имплантация [1−4], являющаяся универсальным методом введения в любой материал любых легирующих примесей в строго контролируемом количестве. В результате имплантации в тонком приповерхностном слое могут быть достигнуты весьма высокие концентрации примесных атомов. Вместе с тем, в этом же слое образуется большое число радиационных дефектов. Поэтому одной из основных проблем в технологии ионной имплантации остается поиск способов проведения отжига ионно-легированных слоев (ИЛС) с целью восстановления кристаллической структуры и обеспечения максимальной электрической активации внедренной примеси без ухудшения параметров подложки. В ходе таких исследований в Казанском физико-техническом институте в 1974 году был предложен один из самых первых методов импульсной обработки имплантированных слоев — «лазерный отжиг». Высокие скорости нагрева и кристаллизации при импульсно-лазерном облучении [5−17] приводят к проявлению целого ряда уникальных особенностей, в частности, к формированию сильнолегированных субмикронных бездефектных слоев с концентрацией примеси, значительно превышающей предельную равновесную растворимость. Высокая плотность энергии, когда за несколько десятков наносекунд реализуется несколько джоулей на см2 и малая длительность импульсов обеспечивают возможность воздействия на поверхностные слои без изменения физических свойств полупроводника в целом. При этом характер плавления и кристаллизации существенным образом отличается от аналогичных процессов, протекающих в стационарных условиях. Энергия излучения, выделяемая в кристалле, передается в виде тепла атомам решетки за очень короткие промежутки времени, что приводит к выделению большого количества теплоты в тонком поверхностном слое и расплавлению его. Распределение выделенной энергии самым существенным образом влияет на результаты импульсного отжига. Сильное и неравномерное поглощение светового излучения поверхностью зачастую приводит к эрозии поверхности ИЛС, существенно ограничивает толщину модифицируемого слоя, уменьшает воспроизводимость результатов обработки. В связи с этим интенсивно исследуются новые методы обработки ИЛС, лишенные этих недостатков и с целью придания обрабатываемым материалам требуемых свойств. Исследуется влияние режимов (длительность импульса, энергия импульса и т. д.) лазерной обработки на структуру и электрические свойства ИЛС, изучаются их физические механизмы.

Перспективным способом обработки имплантированных полупроводников является метод импульсной лазерной обработки излучением, направленным со стороны подложки при пониженных значениях температуры окружающей среды. На момент начала над данной работой этот метод являлся новым и совершено неизученным. Для его успешного применения необходимо было изучить его физические основы, получить систематизированные данные по влиянию режимов лазерной обработки на структуру и электрофизические параметры. Работы, проводимые в этом направлении ранее, осуществлялись при комнатных температурах, однако эффективность отжига была низкой, так как подложка кремния при комнатной температуре сильно поглощает излучение на длине волны технологических лазеров (Х,=1.06 мкм).

Другим альтернативным методом стало использование импульсных корпускулярных пучков [18−34] (ионов, электронов) микрои наносекундных длительностей, характер взаимодействия которых с поверхностью материала значительно отличается от лазерного излучения: глубиной проникновения высокоэнергетических ионов, профилем распределения выделенной в полупроводник энергии и, соответственно, распределением температурного поля по глубине области легирования. При этом энергетические возможности мощных ионных пучков значительно выше, чем электронных. Ускорительная техника способна получить пучки с плотностью потока энергии на уровне 1013−1014Втхсм" 2 [34].

В отличие от лазерного или электронного отжигов на момент начала данной диссертационной работы имелось очень мало данных об импульсноионной обработке (ИИО) кремния, о поведении при этом имплантированной примеси, и практически отсутствовали данные о возможностях применения метода к соединениям А3В5, поэтому развитие исследований в этой области является весьма актуальным. Также остается актуальным вопрос повышения степени электрической активации внедренной примеси в соединениях А3В5 особенно для создания подконтактных областей и активных слоев приборов СВЧ электроники. Вместе с тем вопросы о пространственно-временном распределении энергии ионов и его влиянии на фазовые переходы, на диффузионное перераспределение имплантированной примеси и ее электрическую активацию остаются малоизученными.

В связи с этим целью настоящей диссертационной работы явилось изучение основных закономерностей протекания структурных и фазовых переходов, поведения имплантированной примеси при облучении полупроводников мощными импульсами, а также их зависимостей от пространственно-временного распределения поглощенной энергии различных видов излучения (лазерного, ионного). Конкретно были поставлены следующие задачи.

1. Исследовать влияние параметров импульсных световых и ионных пучков на-носекундной длительности на фазовые переходы и трансформацию структуры имплантированного кремния и арсенида галлия.

2. Исследовать процессы неравновесной растворимости имплантированной в Б! и ваАз примеси, индуцированные последующей обработкой мощными импульсами ионов наносекундной (т=50 не) длительности, а также процессы формирования и термического распада пересыщенных твердых растворов.

3. Провести анализ процессов поглощения света в монокристаллическом и имплантированном кремнии при высоких уровнях возбуждения в широком интервале температур для создания физических основ нового способа управления пространственным распределением поглощенной энергии — импульсной лазерной обработки излучением, направленным со стороны подложки.

4. Провести расчеты температурных полей и перераспределения примеси в 81 и ОаАэ при импульсно-энергетических воздействиях с учетом специфики пространственно-временного распределения энергии, выделяемой в объеме кристалла для каждого вида используемого излучения (свет, ионы).

5. Исследовать возможность формирования р-п переходов на кремнии с использованием импульсно-ионных пучков и лазерного излучения, направленного со стороны монокристаллической подложки.

Научная новизна работы.

1. Изучено влияние пространственно-временного распределения поглощенной энергии излучения на температурные поля и кинетические параметры образующейся границы раздела кристалл — расплав.

2. Детально изучены процессы трансформации кристаллической структуры и перераспределения имплантированных примесей в Б! и ОаАБ в зависимости от пространственно-временного распределения поглощенной энергии используемых излучений.

3. Исследованы процессы электрической активации примесей в ИЛС при обработке наносекундными энергетическими импульсами, а также при последующих термических воздействиях.

4. Обнаружена аномально высокая контрастность поглощения лазерного излучения в кристаллическом и аморфном кремнии при низких температурах, что позволяет управлять пространственным распределением поглощения излучения при импульсной лазерной обработке (ИЛО).

Практическая значимость.

1. Изучены возможности и установлены оптимальные режимы импульсно-ионной обработки имплантированных слоев и ОаАэ с целью создания сильнолегированных слоев и формирования резких глубокозалегающих р-п переходов.

2. На основе обнаруженной аномально высокой контрастности в коэффициентах поглощения имплантированного и неимплантированного слоев кремния, наблюдающейся при низких (<100К) температурах образца изучены возможности импульсного лазерного отжига имплантированных слоев излучением, направленным со стороны подложки, с длиной волны лазерного излучения, лежащей вблизи края собственного поглощения полупроводника.

3. Установлены оптимальные температурные и спектральные диапазоны для использования промышленных лазеров при обработке кремния с импульсным лазерным излучением со стороны подложки.

4. Определены области термической стабильности пересыщенных ИЛС на и ваАз, сформированных с использованием импульсных обработок, что особенно важно для разработки низкотемпературных технологий изготовления полупроводниковых приборов.

5. Результаты численных расчетов температурных полей использованы для выбора и оптимизации режимов импульсно-ионной и лазерной обработок.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. При низких (<100К) температурах образца обнаружена аномально высокая контрастность в коэффициентах поглощения мощного лазерного излучения с длиной волны вблизи края собственного поглощения для имплантированной и кристаллической областей кремния.

2. При импульсно-ионной и лазерной обработке излучением, направленным со стороны подложки, обеспечивается значительно более глубокое плавление и перекристаллизация ИЛС кремния и арсенида галлия по сравнению с им-пульсно-лазерным излучением, направленным с имплантированной стороны .

3. При оптимальных режимах ИИО достигаются рекордно высокие концентрации электронов в п-ОаАз (Пе=8×1019см" 3).

4. Изменение характера пространственно-временного распределения поглощенной энергии в зависимости от вида излучения (лазерного, ионного) существенным образом влияет на распределение температурных градиентов в приповерхностных областях, на скорость кристаллизации и, соответственно, на степень совершенства кристаллической структуры и поведение имплантированной примеси.

5. Электрофизические параметры ИЛС кремния и арсенида галлия определяются режимами импульсно-энергетических воздействий.

Результаты работы позволят выработать рекомендации для импульсных обработок конкретных полупроводниковых материалов и структур.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты, полученные автором в ходе таких исследований, сводятся к следующему.

1. Апробирован новый способ повышения эффективности процесса импульсного отжига разупорядоченных (в том числе имплантированных) полупроводников, основанный на управлении профилем пространственного распределения поглощенной в полупроводнике энергии. Способ практически реализован на примере двух видов наносекундного импульсного отжига: импульсно-ионного отжига и импульсно-лазерного отжига излучением, направленным со стороны монокристаллической подложки.

2. Изучено влияние профилей распределения поглощенной энергии излучения на процессы рекристаллизации, электрической активации, диффузионного и сегрегационного перераспределения имплантированной примеси в системах 8гР+, В4,1п± СаАв^Г, Те+, подвергнутых импульсно-лазерному и импульсно-ионному воздействиям в наносекундном диапазоне длительностей импульса.

3. Проведено численное моделирование процессов выделения энергии, нагрева, фазовых переходов, диффузионного и сегрегационного перераспределения примеси в имплантированных слоях 81, ваАв при лазерных и ионно-импульсных воздействиях в наносекундном диапазоне длительностей импульса. Результаты расчетов использованы для выбора и оптимизации режимов ИИО и ИЛО.

4. Впервые с использованием ионно-импульсного отжига сформированы сильнолегированные слои п-ваАз с рекордно высокими концентрациями электронов.

19 3 проводимости (Пс = 8×10 см"), что на порядок по величине, превышает уровень, достигаемый традиционными методами.

5. Исследована термическая стабильность полученных ИИО пересыщенных твердых растворов замещения как для кремния, так и для арсенида галлия. Установлены экспериментально температуры, при которых начинается распад ме-тастабильных растворов: 300 °C для 81 и 200 °C для ОаАэ.

6. Обнаружена аномально высокая контрастность в коэффициентах поглощения имплантированного и неимплантированного кремния, наблюдающаяся при низких (Т<100К) температурах образца и облучении импульсом лазерного излучения с длиной волны, лежащей вблизи края собственного поглощения полупроводника. На основе обнаруженного эффекта изучены возможности импульсного лазерного отжига имплантированных слоев излучением, направленным со стороны монокристаллической подложки.

В заключение автор выражает глубокую признательность д.ф.-м.н. И. Б. Хайбуллину и к.ф.-м.н. Р. М. Баязитову за постоянное внимание и руководство работой, д.ф.-м.н. В. А. Жихареву за консультацию при проведении теоретических расчетов, Ю. Н. Осину за проведение электронно-микроскопических и электронографических исследований, сотрудникам лаборатории И. А. Файзрахманову, М. И. Ибрагимовой за критические замечания по данной работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Пространственно-временное распределение поглощенной энергии различных видов излучения существенным образом определяет процессы рекристаллизации, нагрева, фазовые переходы, диффузионное и сегрегационное перераспределение примеси, электрическую активацию внедренной примеси в ионно-легированных слоях полупроводников. В соответствие с этим в данной работе были проведены исследования влияния пространственно-временного распределения поглощенной энергии различных видов излучения на указанные особенности при проведении импульсно-энергетических обработок.