авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Преципитация бора в кремнии при имплантации и отжиге: расслоение на стадии оствальдовского созревания

На правах рукописи

Феклистов Константин Викторович

ПРЕЦИПИТАЦИЯ БОРА В КРЕМНИИ ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ И ОТЖИГЕ:

РАССЛОЕНИЕ НА СТАДИИ ОСТВАЛЬДОВСКОГО СОЗРЕВАНИЯ

Специальность — 01.04.10

Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Новосибирск-2011 1

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Федина Людмила Ивановна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Попов Владимир Павлович доктор физико-математических наук, профессор Гридчин Виктор Алексеевич

Ведущая организация: Томский государственный университет

Защита состоится «27» декабря 2011 г. в «15» часов на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Учреждении Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр. акад. Лаврентьева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан «1» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, доцент А. Г. Погосов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Наночастицы в виде преципитатов или включений инородных фаз в твердых телах, обладающие дискретным спектром электронных состояний, зависящим от их размеров, часто называемые квантовыми точками, вызывают повышенный интерес исследователей в связи с возможностью их применения в электронных приборах нового поколения [1]. Создание упорядоченных ансамблей наночастиц путем самоорганизации является одной из важнейших задач развивающихся нанотехнологий. Известны примеры самоорганизации наночастиц при эпитаксиальном росте напряженных полупроводниковых слоев [2, 3] и в растворах химически реагирующих веществ [4]. В условиях ионной имплантации, широко используемой для создания захороненных в твердотельной матрице нанопреципитатов, также проявляются эффекты самоорганизации в виде расслоений ансамбля преципитатов, однако механизмы, лежащие в основе этих эффектов, изучены недостаточно, чтобы их использовать в технологии [5].

Развитие ансамбля преципитатов в твердом растворе проходит стадии зародышеобразования, роста всех зародышей преципитатов из раствора и, наконец, переходит в стадию Оствальдовского созревания, когда концентрация примеси в растворе падает, приближаясь к равновесной, и рост одних преципитатов происходит за счет растворения соседних, более мелких преципитатов [6]. Именно взаимодействием между преципитатами на стадии Оствальдовского созревания объясняется в литературе самоорганизация или упорядочение ансамбля преципитатов в твердых телах [5].

Принципиальная возможность применения модели Оствальдовского созревания для описания самоорганизации слоистого ансамбля преципитатов в условиях ионной имплантации была показана в [5]. Однако период расслоения, получаемый в расчетах, не соответствовал экcпериментальным данными. Это определяет актуальность исследования стадии Оствальдовского созревания неоднородных ансамблей преципитатов в твердых телах и процессов их самоорганизации. В диссертации исследован эффект самоорганизации слоистого по глубине ансамбля нанопреципитатов бора (38 нм), возникающий в сильнолегированном бором кремнии при высокодозной имплантации бора и последующей термообработке.

Объектом исследования в данной работе является ансамбль преципитатов бора в кремнии, созданный высокодозной имплантацией ионов бора и последующими высокотемпературными отжигами. Выбор объекта основан на том, что бор является одной из основных и самых изученных легирующих примесей в кремнии, а ионная имплантация и отжиги — стандартные операции в кремниевой технологии. Кроме того, важнейшие параметры, необходимые для описания преципитации бора в кремнии, такие как равновесная растворимость бора в узлах решетки кремния (Csol) и коэффициент диффузии бора, известны в литературе. Другие ключевые данные, касающиеся условий преципитации бора при имплантации, не были известны в литературе и являлись предметом структурных исследований методом просвечивающей электронной микроскопии. Получение этих данных позволило построить количественную модель процесса.

Предметом исследования является пространственное упорядочение ансамбля преципитатов бора по глубине образца в виде слоев преципитатов, разделенных прослойками с низкой концентрацией преципитатов. Ранее методом масс спектроскопии вторичных ионов (МСВИ) было показано, что в сильно легированном бором кремнии после имплантации бора и последующего высокотемпературного отжига наблюдаются квазипериодические флуктуации полной концентрации бора [7].

Авторы предположили, что флуктуации связаны с образованием преципитатов бора, однако экспериментально это не было подтверждено. О подобных концентрационных флуктуациях в сильнолегированном кремнии в условиях горячего облучения протонами сообщалось в еще более ранней работе [8], в которой флуктуации были объяснены восходящей диффузией бора [9]. При этом считалось, что атомы бора в области флуктуаций остаются электрически активными. Поэтому первой задачей исследования было проверить, связаны ли наблюдаемые в условиях имплантации концентрационные флуктуации бора с электрически активным бором или они возникают за счет формирования преципитатов.



Сложность явлений, происходящих при имплантации, обусловлена генерацией большого количества точечных дефектов и их взаимодействием, как с примесями, так и между собой. Несмотря на то, что бор является хорошо изученной примесью в кремнии, детали его кластеризации с междоузельными атомами кремния (I), приводящей к формированию мелких борсодержащих междоузельных кластеров (в научной англоязычной литературе BIC-clusters) и преципитатов, остаются неясны из-за многообразия реакций кластеризации [10,11]. Понимание этого вопроса актуально не только в рамках решаемой задачи о расслоении ансамбля преципитатов. Нежелательное формирование BIC-кластеров в сверхмелких p-n-переходах при имплантации низкоэнергетичных ионов бора и последующих термообработках приводит фактически к полной деактивации имплантируемого бора. Одновременно с деактивацией наблюдается ускорение диффузии бора за счет испускания BIC-кластерами неравновесных I, формирующих высокоподвижные пары с узловым бором BsI [12]. Это определяет актуальность изучения процессов преципитации бора для дальнейшего совершенствования кремниевой технологии.

Целью диссертационной работы является развитие существующих представлений о самоорганизации имплантированного бора в кремнии, приводящей к формированию слоистого по глубине ансамбля преципитатов и построение модели расслоения.

Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы и решены следующие основные научные задачи:

Экспериментально доказать, что в сильно легированном бором кремнии после высокодозной имплантации бора и отжига образуется слоистый по глубине ансамбль преципитатов бора.

Исследовать процессы кластеризации бора и точечных дефектов в виде протяженных дефектов (дислокационных петель) и преципитатов бора в зависимости от исходного уровня легирования бором и концентрации дефектов, введенных при имплантации;

определить условия преципитации бора в кремнии.

Проверить способность классической модели Оствальдовского созревания описать процесс расслоения ансамбля преципитатов бора в кремнии.

Разработать количественную модель расслоения ансамбля преципитатов бора в кремнии на основе модели Оствальдовского созревания с учетом физических явлений, происходящих в имплантированном слое.

Методы исследования: Анализ структурных дефектов и преципитатов бора, введенных в кремний с различным содержанием узлового бора CBo -0, (0.82.5)x1020см- при имплантации ионов бора с дозой 1х10152х1016 см-2 и отжиге при Т=9001070оС, проведен с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), включая высокоразрешающую электронную микроскопию (ВРЭМ).

Распределения атомов бора в электрически активных узловых положениях получены методом Холла в сочетании с послойным стравливанием. Результаты сопоставлялись с распределениями полной концентрации бора, полученными методом МСВИ в [7].

Программа CrystalTRIM в составе пакета ISE TCAD использована для расчета общего количества точечных дефектов, генерированных и запасенных при имплантации.

Численное моделирование эволюции ансамбля преципитатов и концентрации в растворе на основе модели Оствальдовского созревания выполнялось разностными методами на пространственно-временной сетке с использованием расчетного компьютерного кластера Xeon16.

Научная новизна:

Показано, что узловой бор с пороговой концентрацией СВо=2.5х1020см-3, значительно превышающей равновесную растворимость бора при используемых температурах отжига, приводит к формированию неоднородного, слоистого по глубине, ансамбля очень мелких преципитатов бора с размером 3-8 нм в имплантированных бором и отожженных слоях кремния.

Установлен критерий, разделяющий процессы формирования протяженных дефектов (дислокационных петель) и преципитатов бора как два конкурирующих канала деактивации бора в условиях ионной имплантации и отжига, который определяется соотношением концентрации неравновесного узлового бора СВо и локальной концентрации междоузельных атомов кремния CI, введенных имплантацией. При CICBo, формируются дислокационные петли Франка междоузельного типа, а при CICBo -преципитаты бора.

При рассмотрении процесса преципитации бора в условиях ионной имплантации на основе численного моделирования процесса Оствальдовского созревания учтено влияние неравновесных точечных дефектов на начальное распределение бора в растворе, на формирование преципитатов и на диффузию бора.

Практическая ценность диссертации:

Определены условия формирования протяженных дефектов и преципитатов бора в одной из распространенных систем в кремниевой технологии (имплантация ионов бора в кремний и отжиг), которые отвечают за процесс деактивации примеси и могут быть использованы для оптимизации процессов создания полупроводниковых приборов.

Создана численная модель, которая позволяет прогнозировать эволюцию ансамбля преципитатов бора. Найденные закономерности преципитации бора в условиях ионной имплантации закладывают основы для управления расслоением ансамбля преципитатов.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных научных конференциях:

International Autumn School on "Microscopy of Tomorrows Industrial Materials” (Berlin, Germany, 2005);

Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» - «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ – 2006» (Москва, 2006);

VIII Российская конференция по физике полупроводников "ПОЛУПРОВОДНИКИ 2007" (Екатеринбург, 2007);





V Международная конференции и IV школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе “КРЕМНИЙ-2008” (Черноголовка, 2008);

25th International Conference on Defects in Semiconductors «ICDS-25»

(St.Petersburg, Russia, 2009);

IX Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2009" (Новосибирск-Томск, 2009);

XXIII Российская конференция по электронной микроскопии "РКЭМ-2010" (Черноголовка, 2010).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 4 рецензируемых статьях и изложены в 7 тезисах ведущих отечественных и международных конференций.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы из 147 наименований.

Общий объем диссертации 195 страниц, включая 29 рисунков и три таблицы.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в подготовке, сопровождении экспериментов и обработке первичных экспериментальных данных.

Соискателем лично сделана модернизация и автоматизация установки измерений эффекта Холла и проведены эксперименты по измерению электрофизических параметров легированного бором кремния. Соискатель самостоятельно сформулировал физико-математическую задачу и выполнил численное моделирование процесса расслоения ансамбля преципитатов на основе модели Оствальдовского созревания с учетом процессов, происходящих в кремнии при имплантации бора. Интерпретация полученных результатов и написание статей проводились совместно с соавторами опубликованных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

Наличие узлового бора в Si с пороговой концентрацией СВо=2.5х1020см-3, значительно превышающей его равновесную растворимость Csol, инициирует процесс преципитации бора и пространственное расслоение ансамбля преципитатов в условиях имплантации бора и последующего отжига. Часть междоузельных атомов кремния, не участвующая в преципитации бора, кластеризуется независимо в виде протяженных дефектов.

При CBо ниже пороговой, но выше Csol, в имплантированном слое реализуются два конкурирующих процесса кластеризации междоузельных атомов кремния (I) и подвижного узлового бора в виде BsI, обеспечивающие два основных канала деактивации бора в виде преципитатов или дислокационных петель Франка междоузельного типа, которые определяются соотношением CBо и локальной концентрации междоузельных атомов кремния CI: при CICBо формируются петли Франка, а при CICBо — преципитаты.

Модель Оствальдовского созревания описывает пространственное расслоение ансамбля преципитатов бора в условиях имплантации и отжига. Для этого необходимо учесть влияние неравновесных точечных дефектов, обусловливающих неоднородное распределение узлового бора, последовательное зарождение преципитатов от краев имплантированного слоя к центру и ускоренную преципитацией диффузию узлового бора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая значимость, дана краткая аннотация полученных результатов по главам диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан обзор различных систем, в которых наблюдаются слоистые ансамбли преципитатов, включая концентрационные флуктуации примесей, возникающие в условиях ионной имплантации. Подробно рассмотрены работы, в которых в условиях высокодозной имплантации бора в сильнолегированный бором кремний наблюдаются квазипериодические флуктуации полной концентрации бора [7], которые далее будут сопоставлены с результатами численной модели расслоения ансамбля преципитатов бора, разработанной в диссертации. Рассмотрена теория Лифшица-Слезова [6], общепринятая для описания эволюции однородного ансамбля невзаимодействующих преципитатов в твердых телах на стадии Оствальдовского созревания, но не применимая для описания расслоения ансамбля преципитатов. При учете взаимодействия между соседними преципитатами в предположении стационарной концентрации в растворе Хайнингу и Рейсу удалось получить расслоение [5], однако полученный ими период расслоения не соответствовоал экспериментальным результатам. Проведенный в диссертации анализ модели Хайнига-Рейса показал, что авторы получили расслоение в результате неправомерно используемых допущений о стационарной концентрации в растворе и средней концентрации в растворе, равной равновесной растворимости. Это ставит под сомнение принципиальную возможность получения расслоения ансамбля преципитатов в рамках модели Оствальдовского созревания.

Вторая часть главы 1 посвящена проблеме кластеризации точечных дефектов и бора при имплантации. Показано, что число квазихимических реакций, описывающих кластеризацию бора и I при образовании BIC-кластеров, черезвычайно велико. При этом считается, что BIC-кластеры являются прекурсорами преципитатов бора. На основе квантово-химических расчетов [10,11] в литературе была выдвинута гипотеза о существовании цепочек кластеризации, приводящих к повышенному содержанию либо I, либо бора в кластерах. В первом случае это должно приводить к формированию протяженных дефектов, во втором — преципитатов бора. Однако экспериментально эта гипотеза не подтверждена. На основании уменьшения плотности {113} дефектов [13 15] и дислокационных петель Франка [16] в кремнии с повышением концентрации узлового бора перед имплантацией, авторами было высказано предположение, что формирование BIC-кластеров, прекурсоров преципитатов, препятствует формированию протяженных дефектов. Однако доказательств перерастания BIC-кластеров в преципитаты бора не было представлено. Поэтому условия преципитации бора до сих пор не ясны. Далее в главе 1 приведен обзор литературы по диффузии бора в кремнии, концентрационной зависимости коэффициента диффузии бора [17], переходной ускоренной диффузии бора за счет формирования высокоподвижных пар узловых атомов бора с междоузельными атомами кремния BsI [12].

В заключении главы 1 сформулированы задачи, которые необходимо решить для установления механизма расслоения ансамбля преципитатов бора в кремнии.

Во второй главе описаны методы исследований, используемые в диссертации. Для определения пространственного распределения электрически активных атомов бора в кремнии использовался метод Холла в сочетании с послойным стравливанием кремния.

Анализ дефектов структуры и визуализация преципитатов бора проведены с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), включая высокоразрешающую электронную микроскопию (ВРЭМ).

В третьей главе представлены результаты анализа пространственного распределения концентрации электрически активного бора в образцах, в которых формируется слоистый ансамбль преципитатов бора (образцы с исходным содержанием узлового бора СВо=2.5х1020 см-3 после высокодозной 1х1016 см-2 имплантации ионов бора и последующего высокотемпературного отжига при Т=900 оС), а также в контрольных имплантированных образцах без предварительного введения узлового бора (СВо=0 см-3), где формируются только дислокационные петли Франка. Показано, что во всех образцах устанавливается концентрация бора в узлах СBs=1.11.3·1020 см-3, значительно меньшая концентрационных флуктуаций бора в максимумах- (410)х10 20см-3, что подтверждает деактивацию бора за счет преципитации.

В четвертой главе методами ПЭМ и ВРЭМ исследованы закономерности формирования преципитатов бора и протяженных дефектов при имплантации бора в Si [a3]. Показано, что при высокодозной ((12)х10 16 см-2) имплантации бора в кремний с концентрацией СВо=2.5х1020см-3, превышающей его растворимость при температуре последующего отжига T=900-1075оС, формируется слоистый по глубине образца ансамбль преципитатов. Показано, что положения слоев преципитатов по глубине имплантированного слоя соответствуют позициям максимумов на квазипериодическом распределении бора (Btot) (см. позиции стрелок на рис.1,c), а оценки концентрации бора в преципитатах соответствуют концентрации бора в максимумах. Таким образом, установлено, что атомы бора, которые накапливаются в максимумах квазипериодических флуктуаций полной концентрации бора, обнаруженных методом МСВИ в [7], являются электрически неактивными, т.е. расслоение сформировано не атомами бора, растворенными в узловых позициях решетки кремния, а неактивным бором, накопленным в преципитатах.

На рисунке 1 представлены примеры формирования преципитатов и протяженных дефектов (дислокационных петель) в образцах с различным содержанием СBо в сравнении с контрольным образцом. Видно, что во всех случаях в области среднего проецированного пробега ионов (Rp) наблюдается слой с большой плотностью дислокационных петель. C увеличением СВо сужается толщина дислокационного слоя (рис.1, a-c), и по обе стороны от него появляются преципитаты бора (рис.1,b,c). Их появление сопровождается возникновением дополнительных боковых максимумов на МСВИ профилях бора Btot (рис.1,b,c). Из ПЭМ и ВРЭМ анализа следует, что в контрольном и слаболегированных бором образцах (СBо0.8·1020см-3, рис.1,a,b) наблюдаются дислокационные петли Франка преимущественно междоузельного типа (I-типа) и в небольшом количестве (25%) вакансионного типа (V-типа). Их ВРЭМ изображения показаны на рис.2,a,b соответственно. Видно, что структура кристаллической решетки в плоскости I-петель сильно разупорядочена и деформирована (рис.2,а) по сравнению со структурой петель V-типа (рис.2,b) и структурой петель I-типа в образце с низкой дозой имплантации (рис.2,c). Такие аномалии в структуре указывают на наличие большого количества примеси в плоскости дефекта упаковки петель I-типа в мелкодисперсной форме в результате большой дозы имплантированного бора. Отсутствие преципитатов в дислокационном слое указывает на то, что бор (в виде подвижных комплексов BsI [12]) захватывается в плоскость петли Франка I-типа при ее росте, в результате чего деактивация бора обеспечивается слоем дислокационных петель Франка (см. BsBtot на рис.1,a).

При достижении СBо=2.5·1020см-3 (рис.1,с,d) дислокационный слой в Rp состоит преимущественно из полных дислокационных петель, которые не имеют дефекта упаковки в плоскости петли (и, следовательно, не могут захватывать бор), а преципитаты бора формируются как по краям, так и внутри дислокационного слоя (см.

вставки на рис.1,с), обеспечивая его деактивацию (см. BsBtot на рис.1,c). Это свидетельствует о том, что при достижении порогового значения С Bо=2.5x1020см- реализуется другая цепочка кластеризации атомов бора с участием узлового бора и подвижных комплексов BsI, приводящая к формированию преципитатов.

Рис. 1 [110]- ПЭМ изображения поперечных срезов образцов с различным СBо: (a)-контрольный образец СBо=0, (b)- СBо=0.8х1020 и (c,d)- СBо=2.5х1020см-3, после имплантации ионов бора с дозой D=1х1016 (a-c) и 2х1016см-2 (d) и отжига при T=900oC в течение 1 часа, совмещенные с распределениями бора по глубине имплантированного слоя: Во - исходный узловой бор (b,с) (длинный пунктир- данные МСВИ из [7], пустые квадраты- Холл);

B as implanted (а)- имплантированный бор;

Bs (а,с) – электрически активный бор, Btot (а,b,с) - полная концентрация бора- данные МСВИ из [7]. На вставках увеличенные изображения преципитатов слева от дислокационного слоя (b), внутри слоя петель ((с) внизу) и ВРЭМ изображение преципитата из дислокационного слоя в Rp ((с) - вверху). CI сконструированный профиль междоузельных атомов кремния (короткий пунктир – (b)).

Из планарных ПЭМ изображений дислокационных петель были сделаны оценки концентрации междоузельных атомов (I), запасенных после имплантации и отжига в дислокационных петлях. На основании этих оценок был сконструирован профиль междоузельных атомов кремния (CI) (рис.1b), выживших при имплантации после рекомбинации генетически связанных пар Френкеля [18]. Это позволило установить количественный критерий реализации одного из двух путей кластеризации неподвижного узлового бора Bo и подвижных комплексов BoI, BsI и I в зависимости от соотношения концентраций CI и CBо. В случае CICBо, начиная с реакций Bo+I=BoI и BoI+IBI2 [19], реализуется кластеризация междоузельных атомов BoI2+nI, в которую атомы бора вовлекаются в виде подвижных комплексов BsI [12]. В результате формируются борсодержащие кластеры, которые при отжиге развиваются в протяженные дефекты (петли Франка I-типа) (рис.1,a,b в районе Rp). В случае CICBо, начиная с реакций Bo+I=BoI и BoI+BoB2I [20], реализуется преципитация бора B2I+mBsI (рис.1,a,b по бокам от Rp), если уровень исходного легирования бором превышает его равновесную растворимость при температуре отжига (CBоCsol). При достижении порогового значения СBо=2.5x1020см-3 преципитаты бора формируются по всей глубине имплантированного слоя (рис.1,c,d) независимо от соотношения CI и CBо.

Рис.2. [110] ВРЭМ изображения дислокационных петель Франка I-типа (a) и V-типа (b) в образце с CBо=0.8x1020см-3, имплантированном с D=1x10 16 см-2, после отжига при Т=900 оС в течение 1 часа. (c)- ВРЭМ изображение петли Франка I-типа в контрольном образце с D=1x1015см-2.

Таким образом, экспериментальное наблюдение конкурирующего характера процессов формирования петель Франка и преципитатов бора в зависимости от соотношения CI и СBо подтверждает современные научные представления о существовании различных цепочек кластеризации, отличающихся высоким содержанием либо I, либо бора [10].

Полученные результаты согласуются с теоретическим предположением [11] о том, что BIC-кластеры с высоким содержанием I и малым содержанием бора развиваются в протяженные дефекты, а BIC-кластеры с высоким содержанием бора развиваются в преципитаты бора.

В пятой главе рассмотрено применение классической модели Оствальдовского созревания для системы хаотически расположенных в 3D пространстве преципитатов, выполняющих роль локальных источников/стоков, в которой для учета взаимодействия преципитатов впервые применено приближение нестационарной диффузии примеси в растворе [a4]. При этом скорость роста/растворения каждого преципитата определялась диффузионным потоком на/c него по аналогии с [6] в приближении стационарной диффузии с первым граничным условием, задаваемым соотношением Гиббса-Томсона на поверхности преципитата [6,5]:

2E ( ), C G ( R)=C sol exp (1) k B TC bR где R — радиус преципитата, Csol(T) — концентрация бора в растворе возле плоской границы с фазой преципитата (равновесная растворимость бора в узлах решетки), kB — постоянная Больцмана, Т — температура, Cb — концентрация бора в преципитате, Е — поверхностная энергия границы раздела между преципитатом и твердым раствором (параметр моделирования). В отличие от общепринятой в литературе модели Оствальдовского созревания [6,5] второе граничное условие задавалось в локальной окрестности преципитата, а не на бесконечном удалении от него. Применение соотношения Гиббса-Томсона (1) подразумевает, что равновесная концентрация успевает установиться непосредственно в маленькой окрестности на поверхности преципитата, а диффузия из раствора, где концентрация отличается от равновесной, приводит к росту/растворению преципитата: если концентрация в растворе выше равновесной (CBsCG), то преципитат является закритическим и растет;

если ниже равновесной (CBsCG) - то подкритическим и растворяется.

Корректность данной модели была проверена в сопоставлении с аналитическим решением Лифшица-Слезова [6] (LSW) для однородного ансамбля преципитатов.

Показано, что в рамках такой модели расслоение ансамбля преципитатов бора не происходит. Этот результат опровергает сложившиеся в литературе представления о возможности описания расслоения преципитатов на основе модели Оствальдовского созревания [5]. Как показано в диссертации, они основаны на неправомерном использовании приближения стационарной диффузии при описании взаимодействия преципитатов и предположения о том, что средняя концентрация в растворе равна равновесной растворимости (Csol), при нахождении скорости роста/растворения преципитатов.

В шестой главе представлены результаты применения модели Оствальдовского созревания для описания расслоения ансамбля преципитатов бора в условиях ионной имплантации [a4]. Показано, что введение в модель трех дополнений, учитывающих влияние неравновесных точечных дефектов на начальное состояние системы, преципитацию и диффузию атомов бора, позволяет воспроизвести эффект расслоения ансамбля преципитатов бора с помощью численного моделирования.

Первое дополнение определяет начальное распределение узлового бора в растворе для начального ансамбля преципитатов. Оно задается реакцией Уоткинса вытеснения атомов бора из узлов междоузельными атомами кремния: Bo+IBoI [21]. При моделировании начальное распределение узлового бора (Bs ini) задается с провалом в имплантированном слое как:

CBs ini = CBo - CI (2) 20 - Здесь СBо=2.5x10 см – исходное однородное распределение узлового бора в образце до имплантации, CI – неоднородное распределение междоузельных атомов кремния в имплантируемом слое, которое было получено в главе 4.

Второе дополнение учитывает последовательный характер формирования преципитатов бора от краев имплантированного слоя к центру, обусловленный кинетикой высвобождения собственных междоузельных атомов из BIC-кластеров (прекурсоров преципитатов бора). В последнюю очередь преципитаты формируются в районе Rp, где концентрация созданных имплантацией точечных дефектов максимальна. Основываясь на литературных данных об экспоненциально спадающей с характерным временем временной зависимости отжига BIC-кластеров [22], второе дополнение в модели реализовано в виде фронтов преципитации, распространяющихся от боков к центру имплантации с характерным временем задержки, которое является параметром моделирования и составляет около 20 минут для дозы имплантации D=1x1016 см-2 и около 10 минут для D=3-5x1015 см-2 при Т=900оС.

Третье дополнение учитывает ускоренную диффузию атомов бора в областях с интенсивным ростом преципитатов бора, которая обусловлена испусканием междоузельных атомов кремния растущими преципитатами. Ускоренная диффузия происходит за счет формирования высокоподвижных пар BsI [12]. Экспериментальные подтверждения того, что в условиях формирования фазы бора в кремнии ускоряется диффузия бора, даны в работах [23,24]. Ускорение преципитацией диффузии бора было введено в модель с помощью феноменологической зависимости переменного во времени и неоднородного в пространстве (по глубине образца (x)) коэффициента диффузии бора (D(t,x)) в зависимости от концентрации преципитатов (Сprec(t,x)) и средней скорости их роста (dm1/dt):

D(t,x) = 2E-14 + ДОБАВКА(Cprec, dm1/dt) [см2/сек], (3) где первое слагаемое отражает классический коэффициент диффузии бора в кремнии при T=900оС c учетом его концентрационной зависимости [17] а второе слагаемое — ускорение диффузии за счет преципитации. С повышением концентрации преципитатов и скорости их роста второе слагаемое растет. Чтобы ограничить рост коэффициента диффузии была выработана функциональная зависимость второго слагаемого в виде насыщающейся экспоненты.

Предложен механизм расслоения. Расслоение инициируется неоднородным начальным распределением концентрации узлового бора (Bs ini) (дополнение I), в результате которого сначала в боковых областях «1» (где CBsCG, рис.3а) формируются закритические преципитаты, рост которых приводит к формированию боковых максимумов «1» (см. Btot simul на рис.3,b). Расслоение распространяется за счет движения фронта преципитации от краев к центру имплантированного слоя (дополнение II) и влияния предыдущего слоя преципитатов на последующий. Задержка в формировании преципитатов от краев к центру является необходимым условием расслоения, чтобы диффузионные потоки из соседних слоев успевали изменять концентрацию в растворе из «подкритической» в «закритическую» или наоборот за время формирования следующего слоя преципитатов. Оценка длины диффузии с ускоренным коэффициентом диффузии D=1x10-13 см-2/сек (дополнение III) за характерное время задержки в распространении фронта преципитации от боков к центру =20 мин (дополнение II) дает L=(D)1/2=100 нм, что хорошо согласуется с расстоянием между слоями преципитатов, измеренным экспериментально (рис.3,b).

Расслоение стабилизируется и развивается за счет усиления процесса преципитации благодаря положительной обратной связи: ускоренной диффузии в слоях с растущими преципитатами (дополнение III). Она поддерживает от выравнивания скорости роста преципитатов в слоях с растущими и растворяющимися преципитатами, благодаря чему и происходит расслоение. Наличие такой положительной обратной связи является одним из ключевых отличий применения модели Оствальдовского созревания для описания расслоения ансамбля преципитатов, которого нет в предыдущей модели Хайнига и Рейса [5] и без которого не удается описать расслоение. В работах [a1,a2] показано, что при имплантации фосфора в сильнолегированный бором кремний за счет подавления диффузии бора расслоение не развивается, что также подтверждает необходимость ускоренной диффузии для реализации расслоения.

Рис.3 Моделирование расслоения ансамбля преципитатов бора с помощью адаптированной для условий ионной имплантации модели Оствальдовского созревания: a) – начальное состояние системы (ini): Bo — исходное распределение узлового бора до имплантации, Bs ini – распределение узлового бора после имплантации, сформированное за счет реакции Уоткинса, Btot – распределение полной концентрации бора. CG(R(x)) — концентрация Гиббса-Томсона (1);

b) – Результат моделирования (simul) в сопоставлении с экспериментальными данными: Btot SIMS — данные МСВИ из [7], Bs Hall – данные из гл.3, полученные методом Холла.

Таким образом, в главе 6 показано, что адаптированная модель количественно описывает расслоение неоднородного ансамбля преципитатов. С помощью моделирования путем исключения раскрыта роль каждого из дополнений и показана необходимость всех трех дополнений для описания расслоения. Проведены сопоставления результатов моделирования с экспериментально установленными параметрами ансамбля преципитатов такими, как концентрация и размер преципитатов (гл.4), профиль полной концентрации бора [7] и концентрация бора в растворе (гл.3), и отмечено их хорошее соответствие друг другу. Продемонстрировано, что модель описывает изменение количества максимумов на профилях бора (слоев преципитатов) в D=1x10 16см-2 (рис.3), зависимости от дозы имплантации: 5 максимумов для максимума для D=5x1015см-2 и 3 максимума для D=3x1015см-2. По результатам экспериментов и моделирования сделан вывод о том, что преципитаты имеют состав SiB3. Получена величина поверхностной энергии границы раздела преципитата SiB 3 с окружающей его кремниевой матрицей, которая равна 8.5e14 эВ/см 2 = 1360 эрг/см2, что примерно составляет 0.5 эВ/атом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ:

В кремнии, исходно легированном бором до концентрации СВо=2.5х1020см-3, при 1.

последующей имплантации бора с дозой (12)х10 16см-2 и отжиге при Т=900 1075оС, обеспечивающем меньшую растворимость бора в узлах, формируется слоистый по глубине ансамбль преципитатов бора, ответственный за известные квазипериодические флуктуации полной концентрации бора по глубине.

Методом Холла при послойном стравливании измерено распределение 2.

концентрации электрически активного бора по глубине в образце со слоистым ансамблем преципитатов, сформированном при Т=900оС. Показано, что концентрация бора в узлах СBs=1.3·1020 см-3 значительно меньше концентрационных флуктуаций бора в максимумах (410)х10 20см-3. Это подтверждает деактивацию бора за счет преципитации.

Концентрация бора в узлах СВо=2.5х1020см-3 является пороговой, начиная с которой 3.

формирование преципитатов в условиях высокодозной имплантации бора и отжига не зависит от локальной концентрации междоузельных атомов кремния CI в имплантированном слое и обеспечивает деактивацию основной доли внедренного бора.

В условиях высокодозной имплантации бора в слаболегированный бором кремний 4.

(CBо0.8х1020см-3) и последующего отжига при T=900 оС в области среднего проецированного пробега ионов (Rp), где CICBо, преципитаты не образуются, а формируется слой дислокационных петель Франка междоузельного (I-)-типа, в котором деактивация основной доли имплантированного бора, обусловлена захватом бора в плоскость петель Франка I-типа при их росте. Если при этом CBоCsol, то по бокам дислокационного слоя, где CICBо, формируются преципитаты бора.

Установлен количественный критерий, разграничивающий два конкурирующих 5.

процесса кластеризации междоузельных атомов кремния (I) и узлового бора, который определяется соотношением концентраций бора в узлах при исходном легировании (CBо) и междоузельных атомов кремния (CI), введенных имплантацией. При CICBо реализуется последовательность реакций Bo+I=BoI, BoI+I=BoI2 и BoI2+nI, обеспечивающая зарождение дислокационных петель Франка I-типа и деактивацию бора при последующем захвате комплексов BsI при росте петель. При CICBо реакции Bo+I=BoI, BoI+Bo=B2I и B2I+mBsI приводят к зарождению преципитатов бора и его деактивации.

6. Модель Оствальдовского созревания применена для описания ансамбля преципитатов бора в кремнии, возникающего в условиях ионной имплантации. В реализованной модели впервые использовано приближение нестационарной диффузии примеси в растворе между преципитатами. Показано, что в рамках классической модели Оствальдовского созревания расслоения по глубине неоднородного ансамбля преципитатов бора не происходит.

Для описания расслоения ансамбля преципитатов бора по глубине, возникающего 7.

в условиях имплантации и отжига, на основе модели Оствальдовского созревания необходимо учесть реакции взаимодействия I и узлового бора и кинетику формирования преципитатов:

а)- начальное распределение узлового бора в растворе устанавливается неоднородным, имеющим провал в центре имплантированного слоя (Rp) за счет реакции вытеснения атомов бора из узлов междоузельными атомами кремния;

б)- преципитаты формируются последовательно, от краев имплантированного слоя к центру, с задержкой по времени, связанной с высвобождением междоузельных атомов кремния из прекурсоров преципитатов;

в)- диффузия бора ускоряется за счет эмиссии междоузельных атомов кремния растущими преципитатами и их взаимодействия с узловым бором в растворе.

8. По результатам моделирования получена величина поверхностной энергии границы раздела для преципитата бора состава SiB3 с окружающей его кремниевой матрицей. Она составляет величину E=8.5e14 эВ/см2 = 1360 эрг/см2, что соответствует 0.5 эВ/атом.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[a1] Тишковский Е. Г. Перераспределение атомов фосфора, имплантированных в сильно легированный бором кремний./ Е. Г. Тишковский, В. И. Ободников, А. А.

Таскин, К. В. Феклистов, В. Г. Серяпин. // ФТП, 2000, том 34, вып. 6, стр. 655-659.

[a2] Тишковский Е. Г. Перераспределение атомов примесей при термообработках в сильно легированном бором кремнии, облученном ионами фосфора. / Е. Г.

Тишковский, В. И. Ободников, К. В. Феклистов, Б. А. Зайцев, А. А. Таскин, В. Г.

Серяпин. // Известия Высших Учебных Заведений ФИЗИКА (2000), т.43, N11, стр.241-245.

[a3] Feklistov K. V. Boron nonuniform precipitation in Si at the Ostwald ripening stage. / K.

V. Feklistov, L. I. Fedina. // Physica B 404 (2009) 4641–4644.

[a4] Феклистов К. В. Преципитация бора в Si при высокодозной имплантации. / К. В.

Феклистов, Л. И. Федина, А. Г. Черков. // ФТП 2010 г. том 44, вып. 3, стр 302-305.

Цитированная литература:

1. Semiconductor Nanostructures for Optoelectronic Applications / edited by T. Steiner. // Artech House, Boston-London, 2004.

2. Grutzmacher D. Three-Dimensional Si/Ge Quantum Dot Crystals. / D. Grutzmacher, T.

Fromherz, C. Dais, J. Stangl, E. Muller, Y. Ekinci, H. H. Solak, H. Sigg, R. T. Lechner, E. Wintersberger, S. Birner, V.Holy and G.Bauer // Nano Lett., Vol.7, No.10, 2007, pp.3150- 3. Леденцов, H. Н. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры (Обзор) / Н Н. Леденцов, В. М. Устинов, В. А. Щукин, П. С. Копьев, Ж. И.

Алферов, Д. Бимберг // ФТП. - 1998. - Т. 32, Вып. 4. - С. 385-410.

4. Lagzi I. Liesegang Rings Engineered from Charged Nanoparticles. / I. Lagzi, B.

Kowalczyk and B. A. Grzybowski. // J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (1), pp 58– 5. Borodin V. A. Self-organization kinetics in finite precipitate ensembles during coarsening. / V. A. Borodin, K. -H. Heinig, S. Reiss. // Phys.Rev. B 56 No.9 (1997) pp 5332 – 5344;

Reiss S. Experimental study and modeling of structure formation in buried layers at ion beam synthesis. / S. Reiss, R. Weber, K. -H. Heinig and W. Skorupa. // Nucl. Instrum. and Meth. B 89 (1994) 337;

Reiss S. Ostwald ripening during ion beam synthesis - a computer simulation for inhomogeneous systems./S.Reiss, K.H.Heinig//Nucl. Instrum. and Meth. B 84 (1994) p. 6. Лифшиц И. М. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов. / И. М. Лифшиц, В. В. Слезов. // ЖЭТФ Т.35 (1958) стр. 479.

7. Мясников А. М. Формирование слоистой структуры в распределении атомов бора в кремнии, инициированное ионной имплантацией. / Мясников А. М., Ободников В. И., Серяпин В. Г., Тишковский Е. Г., Фомин Б. И., Черепов Е. И. // Письма в ЖЭТФ Т. 60 (1994) 96-98;

Мясников А. М. Формирование квазипериодического распределения бора в кремнии, инициированное ионной имплантацией. / Мясников А. М., Ободников В. И., Серяпин В. Г., Тишковский Е.

Г., Фомин Б. И., Черепов Е. И. // ФТП 31 (1997) 338-341;

Мясников А. М.

Кинетика перераспределения примеси в квазипериодических структурах, возникающих в сильно легированном бором кремнии, облученном ионами бора. / Мясников А. М., Ободников В. И., Серяпин В. Г., Тишковский Е. Г., Фомин Б. И., Черепов Е. И. // ФТП 31 (1997) 703-707;

Ободников В. И. Влияние исходного уровня легирования бором на его распределение, возникающее при термообработке в облученном ионами бора кремнии./Ободников В.И.,Тишковский Е.Г.//ФТП 32 (1998) 8. P. Baruch. Radiation defects and impurity diffusion in silicon. // Inst. Phys.Conf.Ser. N (1977) p 9. Г.А. Качурин. Восходящая диффузия примеси при ионном облучении нагретого кремния : численное моделирование. / Г.А. Качурин, Г.В. Гадияк, В.И. Шатров, И.Е. Тысченко. // ФТП т.26 (1992) стр. 10. L. Pelaz. B cluster formation and dissolution in Si: A scenario based on atomistic modeling. / L. Pelaz, G.H.Gilmer, H.J.Gossmann, C.S.Rafferty, M.Jaraiz, and J.Barbolla.//Appl. Phys. Lett. 74, 3657 (1999).

11. W. Luo. Tight-binding studies of the tendency for boron to cluster in c-Si. II. Interaction of dopants and defects in boron-doped Si. / W. Luo, P. B. Rasband, P. Clancy and B. W.

Roberts. // J. Appl. Phys. 84, 2476 (1998).

P. Alippi. Atomic-scale characterization of boron diffusion in silicon. / P. Alippi, L.

12.

Colombo, and P. Ruggerone, A. Sieck, G. Seifert, and Th. Frauenheim. // Phys. Rev. B 64 (2001) P. A. Stolk. Physical mechanisms of transient enhanced dopant diffusion in ion 13.

implanted silicon. / P. A. Stolk, H.-J. Gossmann, D. J. Eaglesham, D. C. Jacobson, C. S.

Rafferty, G. H. Gilmer, M.Jaraz, J.M.Poate, H.S.Luftman, and T.E.Haynes. // J. Appl.

Phys. 81, 6031 (1997) T. E. Haynes. Interactions of ion-implantation-induced interstitials with boron at high 14.

concentrations in silicon. / T. E. Haynes, D. J. Eaglesham, P. A. Stolk, H.-J. Gossmann, D. C. Jacobson, and J. M. Poate. // Appl. Phys. Lett. 69, 1376 (1996).

A.D. Lilak. Evolution of {311} type defects in boron-doped structures: Experimental 15.

evidence of boron-interstitial cluster formation. / A.D. Lilak, S.K. Earles, M.E. Law, and K.S. Jones. // Appl. Phys. Lett. 74, 2038 (1999).

C. Bonafos. The effect of boron doping level on the thermal behavior of end-of –range 16.

defects in silicon. / C. Bonafos, A. Claverie, D. Alquier, C. Bergaud, A. Martinez, L.Laanab, and D. Mathiot. // Appl. Phys. Lett. 71, 365 (1997).

P. M. Fahey. Point defects and dopant diffision in Si. / P. M. Fahey, P. B. Griffin and J. D.

17.

Plummer. // Rev. Mod. Phys. 61, 289 (1989).

Асеев А.Л. Влияние процессов аннигиляции точечных дефектов на рост скоплений 18.

междоузельных атомов при облучении кристаллов Si и Ge электронами в высоковольтном электронном микроскопе. / Асеев А.Л., Денисенко С.Г., Федина Л.И. // ФТП т.25, вып.4, с.582-587 (1991).

Л.И.Федина. Взаимодействие точечных дефектов с атомами бора и фосфора в 19.

кристаллах Si при большой скорости генерации пар Френкеля. / Л.И.Федина, А.Л.Асеев. // ФТТ, т.32, в.1, с.60-68 (1990).

J. Zhu. Ab initio pseudopotential calculations of B diffusion and pairing in Si. / J. Zhu, 20.

T.D. dela Rubia, L.H. Yang, C. Mailhiot, G. H. Gilmer. // Phys. Rev. B 54, 4741 (1996) G.D. Watkins. Defects in irradiated silicon: EPR and electron-nuclear double resonance 21.

of interstitial boron. / G.D. Watkins. // Phys. Rev. B 12 (1975) G. Mannino. Issues on boron electrical activation in silicon: Experiments on boron 22.

clusters and shallow junctions formation. / G. Mannino, V. Privitera, S. Solmi, N.E.B.

Cowern. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 186 (2002) 246-255.

A. Agarwal. Boron-enhanced diffusion of boron from ultralow-energy ion implantation. / 23.

A. Agarwal, H.-J. Gossmann, D. J. Eaglesham, S. B. Herner, A. T. Fiory, and T. E.

Haynes. // Appl. Phys. Lett. 74, 2435 (1999).

N.E.B.Cowern. Boride-enhanced diffusion in silicon: Bulk and surface layers./ 24.

N.E.B.Cowern, M.J.J.Theunissen, F.Roozeboom, and J.G.M. van Berkum. // Appl. Phys.

Lett. 75, 181 (1999).



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.