Формирование многослойных гетерофазных структур в имплантированном ионами кремнии

• Автор: Попов, Владимир Павлович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 424 с. : ил.

Список сокращений и условных обозначений

ACM - атомно-силовая микроскопия ГД - гидростатическое давление ДЦ - донорные центры

ВИМС - вторичная ионная масс-спектрометрия

ВРЭМ - высокоразрешающая растровая электронная микроскопия

ВТ - высокие температуры (отжига)

ИК - инфракрасная (спектроскопия)

ИФМ - Институт физики микроструктур (г. Галле, Германия)

КМОП - комплементарные металл-оксид-полупроводниковые (транзисторы)

КНИ - кремний-на-изоляторе

КП - кислородные преципитаты

КТР - коэффициент термического-расширения

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
ПЭФ - приближение эффективной среды
РОР/К - резерфордовское обратное рассеяние и каналирование (ионов)
СБИС - сверх большие интегральные схемы СЭ - спектральная эллипсометрия ТД - термодоноры
ТООЗ - ток, ограниченный объёмным зарядом
DLTS - Deep Level Transient Spectroscopy (нестационарная спектроскопия глубоких уровней) FD FET - Fully Depleted Field Effect Transistor (полностью обедняемый МОП транзистор)
PD FET - Partially Depleted Field Effect Transistor (частично обедняемый МОП транзистор) RTA - Rapid Thermal Annealing (быстрый термический отжиг)

1 Обоснование выбора гетероструктур на основе кремния в качестве
базового материала микроэлектроники
1.1 Обоснование выбора области исследований. Актуальность
изучения многослойных гетероструктур кремния и оксида кремния с позиций распада пересыщенных твердых растворов примесей и • дефектов.
1.2 Определение научной новизны и цели работы
1.3 Защищаемые положения
2 Образование гетерофазных систем в распадающихся твердых
растворах легирующих примесей: кластеризация примесных атомов и дефектов на начальных стадиях распада пересыщенных твердых растворов
2.1 Гомо- и гетерогенное зародышеобразование при распаде
нерегулярных твердых растворов. Модели растворимости и диффузии в сравнении с экспериментом.
2.2 Растворимость, диффузия и кластеризация В, Р, Ая и БЬ при
сверхбольших концентрациях. Механизмы восходящей диффузии
и образования гетероструктур при диффузионно- и реакционно-лимитируемой агрегации
2.3 Распад пересыщенных твердых растворов при внешнем
неравновесном воздействии.
Формирование гетероструктур в распадающихся твердых растворах
фоновых примесей: начальные стадии кластеризации примесных
атомов кислорода водорода и дефектов
3.1 Распад пересыщенного твердого раствора кислорода: когерентная коагуляция и гетерогенная кластеризация.
3.2 Релаксация напряжений и состава выделений в гетерофазных системах при высоких температуре и давлении. Формирование гетероструктур.
3.3 Термодинамическая модель кластеризации водорода в кремнии на основе теории нерегулярного твердого раствора
Формирование внутренних границ имплантированным водородом и
дефектами: процессы блистеринга и механохимического скола
4.1 Изменение структурных и электрофизических свойств кремния, облученного ионами водорода: формирование донорных центров при отжиге
4.2 Формирование донорных центров и блистеринг при отжиге кремния, имплантированного ионами Н+, Не+ и 0+, в интервале температур 300-600°С.
4.3 Формирование ИК-активных дефектов и протяженных дефектов (пластинчатых включений и дислокационных петель) при имплантации водорода.
4.4 Образование пор, микротрещин и блистеров при больших дозах облучения водородом и последующем отжиге: димеризация и кластеризация имплантированного водорода.
Твердофазная и жидкофазная рекристаллизации позволяют увеличить содержание бора в узлах почти на порядок, если имплантируемая область была предварительно аморфизована облучением тяжелыми ионами. При этом последний метод обеспечивает существенно меньшее сопротивление из-за уменьшения концентрации захваченных при неравновесной кристаллизации дефектов [39]. Наименьшее сопротивление слоя кремния при концентрации электрически активного бора до 1021см'3 получено с помощью низкотемпературной молекулярнолучевой эпитаксии [40]. Недавно авторам работ [27,41,42], используя водородсодержащую газофазную молекулярно-лучевую эпитаксию на (100) Si при температуре 600°С, удалось успешно разместить в решетке до 25% атомов бора, что на много порядков выше предела равновесной растворимости (~1х1019см 3) и термодинамического предела.
Максимальная концентрация электрически активных атомов бора при комнатной температуре составила около 3 ат.% [27]. Однако, в отличие от других примесей элементов третьей и пятой групп не наблюдалось насыщения и спада в концентрации носителей заряда с ростом концентрации бора, что не соответствует данным из раздела 2.1 и свидетельствует об отсутствии кластеризации и преципитации. Для объяснения отсутствия кластеризации бора в газофазной эпитаксии в работе [43] был использован метод функционала плотности с применением ультрамягкого потенциала Вандербильта. Были рассчитаны энергии формирования различных кластеров атомов бора в кремнии (рис. 17) и определены причины изменения степени ионизации акцепторов с ростом концентрации примеси. Энергия образования комплекса определялась как:
AH/D) = AE(D) - nBjuB + qne (3)
где:
AE(D) = Etot(D) - Еш(0) - пв ЕШ(В) + nSi Etot(Si) + q3VMB (4)
В выражении (4) Etot(D) — полная энергия ячейки с комплексом В, а Еш(0) - без такого комплекса, - пв и nsi — число атомов В в комплексе и число удаленных атомов кремния, со-