Дефектообразование и рекристаллизация в пленках кремния на сапфире при ионном облучении

Актуальность проблемы.

Кремний на сапфире (КНС) рассматривается как один из перспективных материалов для изготовления высокочастотных интегральных схем (ИС) с повышенной плотностью элементов [1−3]. Структуры, изготовленные по этой технологии, более долговечны, имеют высокую радиационную стойкость и потребляют меньше энергии по сравнению со структурами, изготовленными на массивном кремнии.

Обычно КНС-структуры создаются методом газофазного осаждения кремния на монокристаллические сапфировые подложки с ориентацией (1,10,2).

В настоящее время, для производства микросхем выращиваются плёнки кремния с толщинами около 300 нм. Однако, для изготовления электронных приборов с высоким быстродействием толщина кремниевого слоя должна быть не более 100 нм. Проблема получения таких тонких слоев заключается в том, что на ранних стадиях эпитаксиального роста из-за различия параметров кристаллической решетки кремния и сапфира именно в этом слое возникает большое количество структурных дефектов. Наличие таких дефектов является существенным препятствием для производства интегральных схем на основе КНС структур.

В ряде работ [4−8] была продемонстрирована возможность уменьшения плотности таких дефектов за счет эпитаксиальной рекристаллизации в твёрдой фазе. На первом этапе этого процесса пленка кремния аморфизуется вблизи границы раздела с сапфиром с помощью ионной имплантации. При этом кристаллическая структура пленки кремния вблизи поверхности остается неповрежденной. В указанных публикациях установлено, что после процедуры отжига кристаллическая структура пленки кремния на сапфире существенно улучшается. Однако анализ опубликованных к моменту начала выполнения настоящей диссертационной работы показал, что до нее были оптимизированы параметры процессов имплантации и отжига. И, главное, не были ясны механизмы существенного улучшения кристаллического совершенства кремниевой пленки. В частности, не ясен вопрос с выбором оптимальной энергии имплантации [4−15].

Поэтому целью диссертационной работы являлось: Экспериментально изучить процессы образования дефектов в пленках кремния на сапфире под действием ионного облучения и выявить механизмы эпитаксиальной твердофазной рекристаллизации.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать методику исследования образования радиационных дефектов в пленках кремния на сапфире под действием облучения ионов высоких энергий.

2. Изучить влияния энергии, дозы и плотности потока имплантируемых частиц на степень аморфизации КНС-структур.

3. Исследовать влияния температурных режимов, при которых происходит имплантация, на степень разрушения кристаллической решетки кремниевой пленки под действием ионного облучения.

4. Провести анализ механизмов восстановления кристаллической решетки после ионного облучения и высокотемпературного отжига.

Научная новизна.

1. Получены новые экспериментальные данные о дефектообразовании в пленках кремния на сапфире под действием ионного облучения с различными энергиями.

2. Изучено влияние дозы и плотности тока имплантируемых частиц на степень аморфизации кремниевой пленки.

3. Изучено влияние температуры имплантации на формирование дефектов в пленке кремния.

4. Выявлен механизм, по которому происходит восстановление кристаллической структуры пленки кремния после ионного облучения и высокотемпературного отжига.

Научная и практическая ценность.

1. Разработаны физические основы промышленной технологии изготовления ультратонких слоев кремния на сапфире.

2. Обнаруженное влияние температурных режимов на параметры ионного облучения показало необходимость учета этого фактора для полного разрушения сильно дефектного слоя вблизи границы раздела кремний-сапфир.

3. Исследование процесса эпитаксиальной твердофазной рекристаллизации пленки кремния на сапфире показало, что регулируя параметры облучения и температуру КНС структуры, можно эффективно регулировать этот процесс.

4. Выявлен механизм восстановления кристалличности слоя кремния на сапфире после проведения ионного облучения и рекристалллизационного отжига.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В отличие от массивного кремния, для которого аморфизация наблюдается при 5×1016 ион/см2, пленки кремния на сапфире аморфизуются при меньших критических дозах облучения (1015 ион/см2).

2. Основным механизмом восстановления кристаллической структуры является рекристаллизация в пленке кремния от поверхностного слоя, являющегося затравкой. Оптимальная толщина такого слоя составляет 30 нм.

3. Для процесса реализации эпитаксиальной рекристаллизации необходимо разрушить ионным облучением сильно дефектную область плёнки кремния. Показано, что для получения пленок кремния с высоким качеством кристалличности, необходимо также разупорядочить кристаллическую структуру сапфира вблизи границы кремний-сапфир.

4. Полное разрушение сильнодефектной области зависит от энергии имплантируемых ионов и температуры. Оптимальная энергия разупорядочения сильнодефектной области при температуре жидкого азота 200 кэВ, а при комнатной температуре 230 кэВ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:

• Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2010, 2011, 2012, 2013);

• Научная сессия в МИФИ (Москва, 2011);

• Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва, 2011);

• XII Межвузовская школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2011);

• International Conference «Microand Nanoelectronics — 2012» (Russia, Zvenigorod, 2012);

• International Conference on Atomic Collisions in Solids" (Japan, Kyoto, 2012).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа содержит 111 страницы машинописного текста, 58 рисунков, 5 таблиц.

Список литературы

включает 89 наименований.

Результаты исследования КНС-структур после проведения ионного облучения и активации твердофазной рекристаллизации с применением методики ПЭМ (рис. 52) подтверждают данные измерений POP. Представленный график показывает количество структурных дефектов кремниевой пленки по всей толщине. Видно, что в области толщиной 100 нм вблизи границы раздела кремний-сапфир в исходной пленке имеется большое количество дефектов двойникования. После облучения двойники практически исчезают, что говорит о рекристаллизации кремниевой пленки также и вблизи границы раздела. Сравнение кристалличности образца после имплантации и термической обработки с исходным состоянием показывает, что концентрация двойников значительно падает. Это хорошо согласуется с данными POP в режиме каналирования. Отчетливо видно наличие высокой концентрации двойников в исходной структуре (рис. 48, вставка а) и их отсутствие после ионной имплантации Si+ и последующей термической обработки (рис. 48, вставка Ь). depth, nm.

Рис. 48. Зависимость концентрации двойников от расстояния, отсчитываемого от границы раздела «кремний-сапфир»: и — исходная КНС-структура- • - после имплантации 57+ с энергией 200 кэВ, дозой 6*10'4 БИсм2- ипосле имплантации и высокотемпературной обработки. — ПЭМ изображение «КНС" — структур: а — до модификацииЬ — после модификации.

Ускоряющее напряжение микроскопа — 200кВ.

3.2.4.1. Исследование влияния плотности тока.

На рис. 49 приведены РОР-спектры КНС-структур имплантированных при различных плотностях ионного тока. Доза облучения составляла 6><1014 ион/см2. Как видно из рисунка, при плотности тока 1000 нА/см2 наблюдается аморфизация пленки кремния. При плотностях тока 100 нА/см2 вблизи поверхности наблюдается слой порядка 15 нм, не разрушенный ионным облучением. При плотности тока 50 нА/см2 — 30 нм. А как было показано выше, оптимальной является «затравка» толщиной 30 нм.

5 и 1-¦-1-¦-1-'-1.

590 600 610 620 номер канала.

Рис. 49. РОР-спектры образцов, облучённых с различной плотностью тока. Анаправление, в котором канал отсутствуетВ — 1000 нА/см2- С -100 нА/см2- D — 50 нА/см2.

Таким образом, варьируя дозу и плотность тока Si+, можно управлять толщиной «затравочного» слоя или же эффективно влиять на время технологического цикла при производстве тонких пленок кремния на сапфире с высоким качеством кристалличности.

3.2.4.2. Исследование влияния температуры высокотемпературного отжига на твердофазную рекристаллизацию КНС-структур

После проведения ионного облучения пучком БГ дозой 6×1014 ион/см2 с плотностью тока 50 нА/см2 и твердофазной рекристаллизации КНС-структур при температуре 950 °C наблюдается значительное улучшение кристалличности. Из представленных на рис. 50 спектров РОР видно, что после процедур, описанных выше, в пленке кремния вблизи границы раздела кремний-сапфир (490−550 канал) качество кристалличности улучшилось более чем в два раза (кривая С).

Для того чтобы улучшить кристаллическую структру пленки кремния в еще большей степени, был проведен дополнительный отжиг при температуре 1100 °C. Из РОР спектра (кривая В), представленного на рис. 50, видно, что по сравнению с отжигом при температуре 950 °C (кривая С), степень кристалличности кремниевого слоя улучшается начиная с 530 канала. Однако вблизи границы раздела (490−530 канал) наблюдается ухудшение качества кристалличности. Кроме того, пологие фронты на границе раздела кремний-сапфир свидетельствуют о проникновении алюминия в пленку кремния. А наличие А1 в пленке кремния в дальнейшем может негативно сказаться на электрофизических параметрах создаваемых электронных устройств. Необходимо также отметить, что выход ионов рассеянных от кислорода на кривых, А и С находятся в 310 канале. Однако для кривой В сигнал смещается в сторону поверхности на 30 каналов, что соответствует 80 нм. Это говорит о том, что на указанной глубине вблизи границы раздела может образовываться оксид кремния.

0) X о со о X 0 X л 1.

СЕ ф о о го о. о X н.

03 о. О о 4 о X л со.

400 500 номер канала.

Рис. 50. РОР-спектры образцов, облученных Б Г 200 кэВ и отожженных при температуре 950° Скривая С (канал) — при температуре 950° С + 1100° Скривая В (канал). А-канал исходной КНС-структуры.

Кроме того, после проведения ионного облучения пучком 8 Г различными дозами (в диапазоне от 1014 ион/см2 до 1015 ион/см2) и процедуры рекристаллизации КНС-структур при температуре 950 °C, все образцы были повторно отожжены при температуре 1100 °C. На рис. 51 представлены РОР-спектры, полученные после процедур описанных выше. Наилучший результат также достигается при дозе 6×1014 ион/см2. Как видно из спектров, по сравнению с первым отжигом, степень кристалличности кремниевого слоя улучшается. Однако при таких температурах происходит проникновение алюминия в пленку кремния, о чем свидетельствуют пологие фронты на границе раздела кремний-сапфир. В образце, которому соответствует доза имплантации 10'5 ион/см2, после проведения высокотемпературного отжига восстановление исходной структуры не произошло.

Рис. 51. POP-спектры образцов, отожженных при температуре 950° С + 1100° С после имплантации 200 кэВ, 4*1014 Si/см2 — кривая В (канал) — после имплантации 200 кэВ, бх1014 Si/см2 — кривая С (канал).

3.2.4.3. Получение 100 нм пленки кремния на сапфире с высоким качеством кристалличности.

Результаты детального исследования КНС-структуры на всех стадиях обработки представлены на рис. 52. Для удобства представления POP спектр утоненного до 100 нм образца сдвинут до границы раздела кремний-сапфир.

Из представленного графика видно, что после имплантации в исходной структуре осталась узкая область кристаллического кремния порядка 30 нм вблизи поверхности. Остальная часть пленки кремния полностью аморфизована. Тонкая монокристаллическая область вблизи поверхности кремния является центром кристаллизации для аморфной части. Возможные центры рекристаллизации, находящиеся в сильнодефектной области у границы раздела «кремний-сапфир», здесь не участвуют в рекристаллизации, по-видимому, из-за резкого уменьшения её скорости. Кроме того, при облучении пленки кремния с энергией 200 кэВ происходит разупорядочение кристаллической структуры сапфира вблизи границы кремний-сапфир. Поэтому при дальнейшей высокотемпературной обработке сапфировая подложка не является центром кристаллизации. После проведения высокотемпературной обработки качество кристаллической структуры улучшилось более чем в два раза, а после утонения с последующим отжигом остаточных дефектов оно улучшилось в четыре раза по сравнению с исходной структурой.

300 пт.

800 900.

ЬаскэсаКегес! епегду (Ке/).

Рис. 52. Энергетический спектр обратнорассеянных ионов Не+ с энергией 1,5 МэВ для угла рассеяния 120 градусов. I (канал) — после имплантации 200 кэВ, 6×10'4 БИсм2- А (канал) — исходная КНС-структураВ (канал) имплантирован 5/ + высокотемпературная обработкаС (канал) — после всех стадий обработкиЯ — направление, в котором канал отсутствует.

Однако использование низких температур является серьезным ограничением. При нагреве до комнатных температур в КНС-структуре возникают внутренние напряжения, которые в последствии ограничивают применение пленок кремния на сапфире. Дальнейшие исследования были направлены на поиски возможности получения пленок кремния на сапфире при температурах и вблизи 0 °C.

3.2.4.4. Исследование дефектообразования в КНС-структурах после облучения при температурах вблизи 0 °C.

Первые эксперименты были направлены на поиски оптимальной дозы, при которой происходит аморфизация интерфейсного слоя пленки кремния вблизи поверхности сапфировой подложки под действием облучения ионами при температурах вблизи 0 °C.

Образцы крепились с помощью теплопроводящей пасты к держателю, который мог охлаждаться до температуры -20° С. Имплантацию проводили при температурах от +22,5° С до -18°С. Доза имплантации варьировалась от 2×1014 до Зх1015 ион/см2. Параметры имплантации и температура, при которых происходило облучение образцов, указаны в Таблице 5.

Е, кэВ т, °с Доза, ион/см2.

1 200 0 2хЮ14.

2 200 0 4хЮ14.

3 200 0 6хЮ14.

4 200 0 8×1014.

5 200 0 1015.

6 200 0 2хЮ15.

7 200 0 ЗхЮ15.

8 200 0 1хЮ15.

9 200 -10 1хЮ15.

10 200 23,5 1хЮ15.

11 200 -18 1хЮ15.

12 200 -10 1,5хЮ15.

13 200 -10 0,8хЮ15.

14 200 8 1хЮ15.

15 200 0 0,9×1015.

16 200 -5 1хЮ15.

17 200 -10 1хЮ15.

18 215 0 1хЮ15.

19 215 0 1ДхЮ15.

20 215 -10 1хЮ15.

21 230 0 1хЮ15.

22 230 0 1, ЗхЮ15.

23 230 0 0,8хЮ15.

Заключение

.

1. С использованием резерфордовского обратного рассеяния разработана методика проведения экспериментов по изучению образования дефектов под действием ионного облучения и процессов рекристаллизации с более высокой точностью по сравнению с работами опубликованными ранее.

2. Исследование процессов образования дефектов в пленках кремния на сапфире при облучении ионами Si+ с энергиями от 120 до 230 кэВ в зависимости от дозы облучения позволило установить, что:

— в отличие от массивного кремния, для которого аморфизация наблюдается при 5×1016 ион/см2, пленки кремния на сапфире аморфизуются при меньших критических дозах облучения (1015 ион/см2);

— основным механизмом восстановления кристаллической структуры является рекристаллизация от поверхностного слоя кремния, являющегося затравкой. Оптимальная толщина такого слоя 30 нм;

— для получения пленок кремния с высоким качеством кристалличности необходимо разупорядочить кристаллическую структуру сапфира вблизи границы кремний-сапфир.

3. Экспериментально установлено, что полное разрушение сильнодефектной области зависит от энергии имплантируемых ионов. Оптимальная энергия разупорядочения сильнодефектной области при температуре жидкого азота — 200 кэВ, а при комнатной температуре -230 кэВ.

4. Получена ультратонкая пленка кремния на сапфире с высоким качеством кристалличности на пластине диаметром 150 мм, которая используется для производства тестовых интегральных схем.