автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Феноменологическая теория начальной стадии достехиометрического ионного синтеза новой фазы в кремнии

российская академия наук институт ПРОБЛЕМ техножпи жфсэшотош! и

осшгалък йатиишв

На правах рукогсюн

барабане нкоа «зхаял врьевяч

УЛН 539.1 ; 621.382

еЕНОШЮ/ЮГКЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ МЧАЛЬНОЯ СТАЛ1^1 ЛОСТЕХИ(МГГР1^ЕСКОГО Ш-Н)ГО СИНТЕЗА НОБОЯ «АЗЫ В КРЕШЯМ

Специальность 05.27.01 - твердотельная элэктрогшка я

мгкрсэлектрошпса

Автореферат днссертзшш на соискание ученей стелет! кандидата фюико-матеттичэемк наук

Черноголовка 1992

л / / ,

• ) у*/у

СБШЛЯ ХАРАКГЕИСТКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Изменение физико- хаикческих свойств твердых тел при воздействия на них пучкон ускоренных ионов пироко используется о настоящее время в научннх и практических целях. К пркгсеру, одкви йэ распространенных приемов в технологии някроэлектроннки является конное легирование полупроводниковых материалов, то есть введение э кристалл принесе!» путем облучения ионами принесен. Радиационные дефекты крнсталллческо' структуры, нензбекно возникавшие при торногвиии ускоренных ионов в твердом теле, обычно удаляштся отвягон. Однако, о последнее время и радиационной физике твердого тела появилось новое направление, суть которого состоит не просто в удаленна дефектов, а в их использовании для придания твердому телу специфических свойств. Наиболее кардинальное изменение физико-химических свойств кристаллов, вплоть до Фазовых превраиениЯ, наблюдается в условиях агрегатнаацвн радиационных дефектов при достаточно высокой плотности этих де^ктов.

Особенностьй метода ионной имплантации является пространственная неоднородность пересыщения кристалла радяяцксиньши дефектами вследствие немонотонного распределения потерь энергия ускоренных ноноа при их торможении о материале кипени. Неоднородность пересыщения дефектами приводит к возникновении локальной разоооЯ неустойчивости вблизи наиболее вероятного пробега яонов. Равновесное состояние в остальных частях системы при этом сохраняется. В результате пояяляется возможность ионного синтеза многослойных структур, а которых приповерхностная пленка кристалла отделена от его основного объема

своем другого веягства. Типичным примером подобной многослойной композиции является структура "Кремний-На-Изоляторе" ( КИИ ). Скрыть® от поверхности изолирующий слой синтезируется в кремнии путей его облучения ионани азота или кислорода.

Предметом исследования в области ионного синтеза в последнее вреия является проблема снииеная дозы имплантируемых ионов и температуры отзвзга облученной структуры. Наиболее перспективным методом, позволяющий перейти к ионному синтезу скрытых слоёв другой фазы в твердых телах на относительно низких, так называемых достехионетрических дозах имплантируемых конов, признан циклический синтез. В огон случае полная доза нонов имплантируется порциями, между которыми проводятся отваги. Суть достехионетрического синтеза к, в частности, его циклического варианта состоит в следующей. Преципитаты новой фазы, возникающие в результате облучения кристалла ионами, разрастаются при отжиге и образует сплосной слой новой фазы за счет эффективной сегрегации внедренных в кристалл примесных атомов на поверхности преципитатов фазы. Таким образом, в достехиометрическом ионном синтезе на первый план выходит проблема диффузии примесных атомов в неоднородно пересыценноя среде со стоками.

Сложность задачи и наличие многих параметров не позволило к настоящему времени составить полнуо физическую картину происходящих при достехиометрическом ионном ситезе процессов. Поэтому не определены пути оптимального проведения синтеза. Более того, нет однозначного ответа на вопрос о возможности формирования многослойной структуры высокого качества, когда скрытый слой другой фазы появляется при отжиге из ансамбля преципитатов фазы. Качество многослойной структуры во многом зависит от спловности и химической однородности скрытого слоя, характера его границ раздела с кристаллом и от структурного

совершенства приповерхностной пленка исходного кристалла, декадеВ над формируемым слоем яругой фазы.

Цапь работы состояла а развития теоретического описания начальной стадии формирования скрытого слоя новой Фазы в твердой теле, облученной достехиометричесноЯ дозоЭ химически активных ионов. Нз анализа теоретических результатов я сопоставления с экспериментальными данным» по достехиометрическону ионному синтезу КНИ структур предпологалось определить оптимальные условия формирования при отвмге скрытого, диэлектрического слоя в кремнии из системы преципитатов диэлектрической фазы.

Научная ношсзна работы состоит в том, что в нея вперед предлагается математическое описание достехиокетрического ионного синтеза скрытого слоя новая фазы в твердом теле.

Развита теория роста ансамбля эародшей новой фазы при отниге твердого тела, облученного достехиометричесноЯ дозой химически активных по отноиению к веиеству мишени ионов.

Получено приблияекное аналитическое ревенке нелинейного уравнения теории, олисываюаего диффузии примесных атомов в среде с неоднородным пространственным распределением сюков.

Теория достехиометрического ионного синтеза обобщена на случаи облучения твердого тела двумя типами реактивных ионов и роста скрытого слоя фазы со сложным химическим составом.

Получено приближенное аналитическое реаен.че системы уравнений обобщенной теории в случае линейной зависимости относительных концентраций атомов примесей в молекуле сложной фазы.

Теоретически показано, что изменение характера потерь энергия ускоренных ионов в неоднородной среде с включениями более плотной, чем исходная матрица, фазы приводит н изменению скованности

пространственного распределения пробегов ионов в сторону положительных значения.

Научная и практическая значимость

Многие современные проблема радиационного материаловедения сводятся к изучении эволюции во враиенй при различная внешних условиях твердых растворов, характеризуемых сильным и сукественно неоднородным пересьщениек. Развитие в работе теоретические представления позволили получить количественные характеристики распада твердого раствора атоков примесей в креинни, в результате которого образуется ансамбль преципитатов новой химической фаза Определена соотношения иетау плотностью преципитатов фазы к началу термообработки облученного ионами креяния, температурой отшга, диффузионной появисяость» атомэп прннесей в креиник для оптимального формирования сплошного, скрытого диэлектрического слоя. Полученные результаты по кинетике роста снстены преципитатов фазы могут быть использована при развитии нового катода ионного синтеза, в котором имплантация будет совнекена в одной процессе с кратковременной, напрякер, кипульснын отаигок. Кроме того, в работе на основе катекатического моделирования явлений, значительно ухудааюцих качество КШ структур, определены оптимальные условия синтеза.

Полученные в диссертации аналитические решения уравнений теории позволяют создать аффективные програниы для компьютерного моделирования раднационно-стимулированных фазовых превращения в твердых телах. Появилась возмоиность прогнозирования поведения многокомпонентных растворов, полученных имплантацией в твердые тела нескольких типов ионов.

Положаим выносимые на задту:

1. Предложенная феноменологическая "диффузионно-стоковая" теория,

в основе которой леват представления о диффузии л стоке имплантированных в матрицу кипеня атомов, позволяет количественно описать рост скрытого слоя новой фазы.

2. "Диффузионно-стоковая" модель обобоена на случая описания роста скрытого слоя фазы со слоеным химическим составом при отжиге кремния, облученного ионами аэота и кислорода.

3. Рост скрытого диэлектрического слоя в кремнии, облученное достехиометрической дозой ионов азота или кислорода, происходит в основной за первые минуты длящегося обычно несколько часов отаага при температуре иоо - 1200 "с.

4. Пространственное положение слоя преципитатов диэлектрячесно!.' фазы в приповерхностной области структуры " Кремний - На Изоляторе" н сам факт его наличия зависит от среднего размера зародышей диэлектрической фазы в кремния, из которых при отжиге формируется скрытый язолируспиИ слой.

б. Увеличение объбнной доли новой фазы за счет повторявзихся отжигов при циклическом ионном синтезе структур "Кремний - На- Изоляторе" способствует формировании резкой границы раздела скрытого изолирующего слоя с кремнием вследствие изменения характера потерь энергии ускоренных ионов в неоднородной твердом теле.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следуваих конференциях : 14-м Всесоюзном семинаре по радиационной физике полупроводников (Новосибирск, 1989) ¡ 2-й Всесоюзной конференции по ионно-лучевой модификации материалов (Каунас, 1989) ¡ з- м Межиународном совещании по генерированию и инкенерии дефектов а технологии полупроводников (Гарзау, 1989); з-й Международной

конференция по кодификации материалов энергетическими импульсами п пучками частиц (Дрезден, 1989); 8-й международной конференции по технологии ионной имплантации (Гилфорд, 1990); з-й Всесоюзной конференции по но!шо-лучевой модификации полупроводников и других материалов микроэлектроники (Новосибирск, 1991); 1-м Одесском Международном семинаре по компьютерному моделированию электронных и атомных процессов в твердых телах (Одесса, 1982); 9-й Международной конференции по технологии ионной имплантации (Флорида,1992); на фЕягческих семинарах ИПТМ РАН. ФИ им П. Н. Лебедева РАН, ТТУ.

Публикации

Основной материал диссертащгл опубликован в четырех статьях к советских (одна статья) и эарубевных (три статьи) научных журналах ( см. список в конце автореферата). Кроме того, на момент написания диссертации, две статьи находятся в издательств куриалов и одна в редакции журнала.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа начинается с аннотации и введения за которыми следуют пять глав с основным содержанием работы, раздел с полученными результатами, выводы. В конце диссертации приводится список цитируемой литературы и сень приложений с математическими выкладками. Каждая глава начинается с аннотации и заканчивается краткими выводами. Математические формулы номеруются по главам. Рисунки и графики помещены в тексте по ходу изложения материала. Всего в работе 162 страницы машинописного текста, гз рисунка ( из них 22 рисунка в тексте и 1 рисунок в приложении) и список литературы из 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы ионного спите:)!) многослойных структур и, в частности, достехиометрическсго ионного синтеза структур 'Кремния- На -Изоляторе"(КИИ). Формулируется основное направление исследований и приводятся положения, выносимые на защиту В первой главе диссертации дается обзор обширного экспериментального материала по ионно-лучевой модификации физико ■ химических свойств приповерхностной области твердых тел различной физической природы. Рассматривается случай имплантации э твердое тело больших доз ионогз, порядка ю1бсм"2 и вшле.. Облучение столь высокими дозами приводят к кардинальному изменении свойств натериала нпшени в результате происходящих в ее объеме фазовых превраиений, протекающих с участием внедренных примесных атомов. Облученный иона ни материал, будь то металл, полупроводник или диэлектрик, рассматривается как тнйрдыЯ раствор атоиов примеси и других радиационных дефектов. Подчеркивается особенность "радиационных" твердых растворов, состоящая в сильном и существенно неоднородном лересычеиии. Показано, что в некоторых условиях релаксация неоднородно пересыщенного твердого раствора монет приводить к локализации фазовых превращений в области максимального пересыщения, обычно пространственно совпадающей с наиболее вероятным пробегом ускоренных ионов в твердом теле. В этом случае образуется многослойная структура, в которой приповерхностная область облученного ионами кристалла отделена от основного его объёма слоем другой фазы Приводятся примеры подобных структур. Оснопное внимание уделяется проблеме ионного синтеза НИИ структур, создаваемых путём облучения кристалла кремния ионами азота или кислорода. Далее формулируется

постановка задачи ионного ситеза скрытого изолирующего слоя в кремнии. Вводятся понятия стехиометрического и достехиометрического синтеза. Обсуждается основное отличие этих двух видов синтеза, которое состоит в следуюцем. При стехиометрическом синтезе сплошной скрытый слой новой фазы возникает на стадии имплантации ионов, в то время как при сшпенни дозы ионов на стадии облучения появляются только отдельные преципитаты фазы. Система этих преципитатов может трансформироваться в сплооноИ слов при последующем отжиге. То есть при синтезе на более низких дозах отжиг становится важным процессом, позволяющим не только восстановить кристаллическуо структуру облученного кристалла, но и практически определить свойства формируемого слоя другой фазы. Показано, что наиболее эффективно достехиометрический синтез реализуется в циклическом варианте, когда полная доза ионов имплантируется в несколько приёмов, перенежаюцихся отжигами. В последнем параграфе главы приводятся два известных подхода к математическому описания стехиометрического ионного синтеза КИИ структур. Первый подход является развитием известной теории пробегов ускоренных ионов в аморфном твердой теле на случай неоднородной мивени. Второй основывается на уравнениях непрерывности, записанных для плотностей потоков имплантируемых ионов и атомов отдачи кристалла. Оба подхода описывают случай имплантации сверхбольиих доз ионов азота и кислорода в кремний и поэтому рассматривают рост у*е сплошного слоя фаэй, опуская начальную стадию формирования этого сплошного слоя. Основной вывод главы состоит в том, что при достехиометрическом ионном синтезе скрытого слоя новой фазы в твердом теле на первый план выходит проблема распада "радиационного" раствора примесных атомов в этом твердом теле. В соответствии с выводом ставится проблема исследования

разработать теоретическое описание начальной стадии Форниропяния скрытого слоя другой фазы в твердом теле при его отетге пос.ге зблученпя яостехйокетрмческоЯ дозоя химически активных ионов. Ни основе теоретического анализа экспериментальных данных предложить яетод оптимизации процесса конного синтеза КИИ структур.

Во второй главе развивается феноменологическая теория достехиометрн-ческого ионного синтеза скрытого слоя другой фазы в твердом теле. Теория основывается на следующих эмпирических фактах. Ионная имплантация производит в материале нииени пространственное распределение концентрации примесных атомов и радиационных дефектов ванансионного и кеядуузельного типов. В обцем случае максимумы этих распределений находятся на разной глубине от облучаемой поверхности. Это приводит к Формировании областей с существенно измененными условиями фазового равновесия. Появляется конечная вероятность зарождения и роста центров новой фаза Локализация зарождения фазы зависит от концентрации внедренной принеси, радиационных дефектов и сечения соответствующих реакций. Таким образом, совокупность зародыиеИ новой фазы, возникавших при ионной имплантации, ийеет неоднородное пространственное распределение с несколькими характерными пиками. В состав этих зародышей фазы входит малая часть, порядка нескольких процентов, имплантированной принес«. Остальные атомы оказывзвтся растворёнными в матрице. Эволюция системы при отялге описывается в терминах задачи диффузии в среде с неоднородно распределенными стоками. Вводится эффективный коэффициент диффузии прикесных атомов и облученной и, следовательно, дефектной матрице. Считается, что матрица свободна от механических напряжений вследствие высокой температуры отжига, зародыши новой фазы неподвижны, концентрация принеси на их поверхности равна равновесному еб содержанию в матрице, рост зарояыией

ограничен диффузионным подводом реагента, то есть подводом примесных атомов из раствора. Для простоты предполагается, что зародыши фазы имеют сферическую форму одинакового начального размера. Однако, плотность числа преципитатов немонотонно изменяется по глубине кипени. Кроме того, пренебрегается влиянием кривизны поверхности зародыша фазы на кинетику его роста, которое существенно на стадии зарождения. Заметки, что в Приложениях к диссертации определяются условия приемлемости принятых предположений.

Математическая формулировка теории основана на кетоде и аппарате, предложенной ранее для описания особенностей фазовых преврацений пересыщенного прииесьо металла. Перераспределение примесных атомов при отваге описывается диффузионным уравнением. Наличие в среде пространственно распределенного стока для примесных атомов отражается в уравнении членом, опмсываедим мощность стока. Предполагается, что мооность распределенного стока есть величина аддитивная для системы преципитатов фазы Отмечается, что в задаче есть естественные масштабы длины и времени, р0 и • Р^/го, то есть начальный размер зародыпа п время диффузии примесного атома на длниу Ра о означает эффективный коэффициент диффузии примеси в матрице. На основе этих масштабов длины к времени вводятся безразмерные переменные г . • , е. а. «<е,т) . ЛЬП-, ж.*) - Г'Г> "- ср •

0 >20 Р0 Ро Р

Здесь х - глубина по нормали от облучаемой поверхности кристалла, ь -время отжига, с({,т) - распределение концентрации имплантированной в кристалл примеси, и находядейся в растворенном состоянии, ср -равновесная концентрация принеси в матрице, с(( - стехиометрическая концентрация атомов . примеси в новой фазе. Необходимо отметить, что малая часть примесных атомов на стадии облучения входит в состав

ч

центров новой (разы. Распределение концентрации связанной примеси обозначается через ссвяз (£,т). Во введенных безразмерных пе репейных снстеиа уравнений теории имеет вид

i эЦш . к(5) а(е т) y(5it)_

т 95

(€,т) - 1 * J dt' у<е,т' )

О

при начальном условии у!? .о)<»у0(е) и использованном обозначении кю=зс „{?)/(zcu Л ). В безразмерных переменных d » 1/2.

Сило НI

Речение системы уравнений ( 2 ) ищется методом последовательннх физических приближений.

Рост заролыией. не ограниченный лифЦузиеИ. При достаточно высокой плотности числа зародыпеИ новой фазя,

15 -Т

N(x) >> 2-ю см > диффузионное перераспределение примесных атомов оказывается несуцественным, и им можно пренебречь. Из понятных Физических соображении величина Их) находится с покоцьп соотношения

N(x) » -СВЯЭ--

сн.ф.|4/3)яр0

Первое уравнение системы (2) после отбрасывания диффузионного члена и интегрирования сводится к виду

У » У0(?) вхр^ - К(?) ; а(?,г') <!*']. (3)

Это нелинейное интегральное уравнение имеет решение айда

у » у0<Ç)^ 1 - -f - 1 )j, (4)

где зависииость радиуса зародьиа <* от времени дается выражением

Рсу0т: = f(«//>) - f(l/P) (5)

Здесь е=2к{е)/(зу0) и Р3» (1+Е)/е. вид универсальной функции

f(z) = -4" Ln 2)2 * 2 * 1Г - - arctg ( /з -r-vb 0<z< 1

3 ( 1 - z )2 /1 l '

приводится на рисунке 1. Следствием из решения является ограничение на

размер зародыша i * <* < А

В случае спвсания роста достаточно болыгях эародыаей полученное

(б)

[хвение значительно упрекается и пряникает вид

г - т0 «

Условием применимости этого приближения является неравенство

у0 / к « 1.

При достаточно болыаоВ концентрации примеси моено пренебречь ее отклонением от начального значенвя в блиааИвем окружении зародьваа фазы. Тогда, избавляясь от нелинейности в уравнении (2) заменой

на >-(5,с»о> о у0 ({) в вырааении для радиуса зародшш, получим

(г к(<> ( /

(7)

эффект иифйузнн прамеси-Основываясь на указанной ревениа задачи без учета "иакродиффузии" лрг.месн, получено пряблггаениое реванке свстены уравнений (2) для начального этапа от вига. Реиеняе имеет мультипликативный вид

г

€ - Е')

11

2т

г <V)

о

ехр

- х<5)

| <1г' а(е,г')

(3)

Первый фактор в правой части полученного рзвенства описывает диффузию атомов примесй в матрице, второй фактор характеризует сток лрикгеи. На основе расчетов по ©оркулам (4). (7), (8) обсуадается роль нелинейности уравнения (2). Показанно, что нелинейность стока в диффузионные процессы оказывает сильное п противоположно направленное воздействие на распад твердого раствора. Для сравнения с экспериментальными . дайны«!! необходимо знание распределения концентрация связанной принеси. Поэтому во второй параграфа глаии

1

вводится внражние, связывающее распределения концентрации примесных атомов, растворенных в матрице у(5,*>, и воиедиих в состав новой озэы

усвяз. (Е,Т)

1

у <€.*) я У (0) ♦ у (?) - у (е.Г) *--- л У(5,с !

связ СВЯЗ 0 2 J

0 (9*

В третьем параграфе главы на основе развитой теории предлагается объяснение причин, приводящих к появлению пополнительного слоя преципитатов новой фазы в приповерхностной области облученного твердого тела в результате его отжига. На основе компьютерных экспериментов (см. пример на рисунках 2 и з) предлагается следующее описание. Рассматривается простейаий случай, когда максимальная мощность стока достигается на глубине ~ о.9 пр, где - средний проективный пробег ионов. По мере отжига начальный профиль концентрации внедренных ионов распадается на два крыла, разделенных провалом. Провал появляется вследствие перехода растворенных о мишени атомов примеси в состав новой фаза Приповерхностный пик ов быстро перемешается к поверхности образца на начальном этапе отжига (см. рис. з от момента т = 2 до I = 9) и затем практически не изменяет своего простроанственного положения (сравните т = э и т -250). -Высказывается предположение, что вокруг стока существует область, в которой он суаесгвено воздействует на перераспределение растворенных в матрице примесных атомов. Радиус этой области определяется как корреляционное расстояние, начиная с которого атомы примеси не "ощупают" наличия стока. Предполагается, что на границе корреляционной области формируются наиболее благоприятны? условия для появления дополнительного слоя преципитатов фазы. Исследуя на экстремум выражение (8), находится формула для вычисления

корреляционного расстояния.

г

UO i

о

Здесь i«| « cay - коенось стока, 5р • Rp/P<r Согласно (íoi, корреляционное расстоянке, . зависит от мощности стока.

В третьей главе теория достехаоиетрического ионного синтеза обобщатся на случая формирования скрытого слоя другой саза, нкеищеЕ сдокаыЯ химический состав. ОЗобщйшгая теория ориентируется в основной на описание сонного синтеза оксвнитрада кремняк прй отжиге крекния, облученного eohshs кзслорода и езэтв. Очевидно, что нзнсииуш распределений пробегов втвх конов ксгут как совпадать, так и находиться на разной глубине от поверхности кремния Поэтому рассмотрении обе указанные возиосиости. Причен, во второй случае аналитическое реаенне системы уравнен»!) найдено пря дополнительном предположении об одинаковой диффузионной лодввгаюсти атомов азота и кислорода в облученном кремнии. В обобщенной юцелп сохраняются все предполосэния изначальной теоркп с единственны» нзнекенвем, что зародыш фазы окевнитрида кремния растет при отяаге за счет сегрегации растворенных о крешия атоиоа езота в кислорода. Пр»ч«н баланс кажду концентрациями этих атоков на поверхности заролшгй выракаег условие однозначной сависйиости плотности оксиннтрнда кргиния от его состава. В виду сложности математического опасения нестехнометричсских соединений вызодикая сястеиэ уравнения оказывается незамкнутой относительно своих неизвестных. Однако, предгюлоьгнае о линейной зависимости относительных кскце'нтрациИ атомов азота и кислорода в окемнитрнде крекния позволяет ¡замкнуть систему уравнении п найти ее пркблнггенное аналитическое ресение в даух случаях.

Пркблякенке равних замгентивнчх коп^овциентоз пиФФузии атомов примесей. Распределение относительных концентраций рэстоорентм в крекнпп атсшов азота в кислорода Р2 8 этои пркблнгании находится ни следусцей спстеян уравнений, записанной для величин 2Р*"» ± р.,

-И

-И

а2 р* ас2 а2 Г э С

I М(С> 1

т (*) = 1 *

- V0 N ( с >Г

Г

О

Здесь

.)"1(азот), *2( кислород),

4__

■----* — 0--

(¡Г

(11

1.] I

-оке

• уо " ТГ*ро • *о

V

"и.о.

J

= . г .

Р<х,Ы

"н -О.

-О " j о

я1 - отношение концентраций атомов азота о онсинитриде кремния и *

нитриде крекння и рассматривается кйн подгоночныЯ коэффициент

Конбинвроване!1 первого уравнения с третьим находится р+. После этого

из второго уравнения определяется р". Решение уравнений подобного типа

детально разбирается во второй главе.

Случая близких значений среднего проективного пробега ускоренных

иоиоа азота п кислорода в крзниии. В этои случае Р~ = о и систеич

уравнений сводится к виду

д X 2

а2 р*

ас2

| тс? ?

<-12)

практически совпадающему с (2). Выракение для ? записано в (11).

Р четвертой главе обсувдаются вопрося, связанные с синтезом скрытого слоя новой фазы при низкой начальной энергии падаюаих на поверхность нивени реактивных ионоп. На основа модифицированной теория Зигмунда, позволяющей рассчитать среднее по траектории ускоренной

I

а

а

- le -

частицы число смененных атомов мивеип, оценивается энергия имплантаци! ионов, при которой существенно снижается плотность внесенных i кристалл дефектов по сравнению со стандартными условиями синтеза. Приводится рисунок 4, из которого видно что существенное сниаеннс плотности радиационных дефектов при синтезе скрытого слоя нитридг кремния в кремнии, достигается при снйжений энергии ионов азота с( стандартной величины 200 кэВ до значений 50- 60 кэВ при сохранена максимальной сбъбнной концентрации примесных атомов в кремнии. Есл! синтез "мелкого" скрытого слоя проводится циклическим образом, то долг ионов, необходимая для формирования сплоиного скрытого слоя, дополнительно сминается. Однако подчеркивается, что циклический синте: имеет особенность. Состоит она в значительном увеличении объемно! доли новой фазы в результате повторяющихся отжигов. Поэтому н< последующих циклах ускоренные ионы тормозятся в неоднородной среде. Это приводит к. изменению характера потерь энергии ионов и, ка1 следствие, к изменению формы профиля распределения пробегов ионов. 1 связи с отпеченным обстоятельством во втором параграфе главы на ochobi известного транспортного уравнения устанавливается связь мевд: характером потерь энергии ионов и асимметрией распределения и: пробегов в аморфном твердом теле. На основе проведенного исследовани: показано, что с точки зрения кинетики тормоажния ионов, увеличена объемной доли новой, более плотной, чем матрица, фазы способствуе-формированию резкой границы раздела синтезируемого слоя этой фазы i приповерхностной пленкойисходного материала минени.

Пятая глава завериает диссертационнув работу примерами численны: расчетов по выведенным формулам. В первой параграфе глав! рассматривается достехиометрический синтез скрытого слоя нитрид; кремния при отхмге кремния, облученного ионами азота. Показано, чт<

скрытый слой нитрида кремния формируется на первых минутах отжиги (сн. рисунки 2,з и рис. 5(а)). Во втором параграфе приводятся результаты расчетов ионного синтеза оксинитрида кремния. Рассматриваются два случая, когда средние проективные пробеги имплантированных ионов совпадают (рис. в(а!) и не совпадают (рис. 6(6)). Во втором случае расчет производится в приближении равенства эффективных коэффициентов диффузии атомов кислорода и азота в облученном креммии. В последнем, третьей, параграфе главы определяются условия отсутствия промежуточного слоя преципитатов диэлек трической фазы в кремнии при ионном синтеза КНИ структур. На основе расчетов по формуле (Ю) показано (см. рис. т>.

17 2

что при дозе ионов азота или кислорода не превышающей 1-ю ион/см удается избегать формирования слоя преципитатов диэлектрической фазы в пленке кремния, лекацей над изолятором.

Диссертация завершается обсуждением значений параметра оъ • эффективный коэффициент диффузии примесных атомов в облученной матрице, I - длительность откига) при которых применима развитая теория и её приближения. На основе расчетов, приведенных в Приложениях, построены кривые 1 и 2 на рисунке 8. Обе кривые зсраничиваат сверху область допустимых значений параметра пь. Кривая 1 эграничивает применение теории в целом. В облзсти между кривыми 1 и 2 эволюция системы преципитатов новой фазы при отшге мокзт быть описана ¡а основе формулы (8). Если значение лежит нлке кривой 2, то юзможио использование формул (4), (5) яли дая» более простих шрагазниЯ (б), (7).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ И ВЫВОДЫ ;

Развита феноменологическая теория рзспадг твердого раствора, юлученного имплантацией в кристалл досгехиометрическоЯ дозы химически ктивных конов..

г. Получена прабязЕенюа аналитические ревгння недгшеЯного уравнения рвзаззтой ?сор^и посрекетвон его язнеароззцаа в пракананвя катода восдедоватехышх С;:звчес»шх пг-йблвагнай.

8. Ксиаэано, что на начальной ставая отвага креиння, облученного Нос?охя(лз9¥рачес!шВ дозой ионов асота, выход в ооб ра по ва няя в области

1С .«а

цргкиия, соаеретога бодае чек 2-10 си зародызаа нкз/тег.трйческоЕ фааа , огсреяелютса сегрсгацаей пракаснш стоков на повархноств вародыяеа из блигаЕкего к каалоку зародыэу объема иатрэцы. 4. При достехвокг?рвческои свнтезг КНЙ структуры рост диэлектрической Фазы ваегрззетса о основной за первые кинуты ответа кргшшя при харентерноЗ тенпвратур>е порядка 1200*с. Следовательно, показана пранцвпизяьная вогшкюсть ¡зонного сзнтезз скрытого, спяовгюго, йзвлвктрического сеоя в кр®кляш пра соокзченн* впгшштацви бонов квслорода вхы азота- с кратковременная пзраодвчзскгм отвагой.

6. Процесс дв®фуааа пранесних стоков в иремняв ка расстояная, превыжаивде характер;;^ разкер вклачаняЗ новое фазы, да 6т уввлгчзвавцався шивд в вггхон реакция фаэсобраоованяя по карг отвсга. 8. . Наксннал>1!ы2 разпер аарояаееИ ново 13 фазы пря распаде "раЕиацвониого* рпстэора огреивчен свгрху отновенкеи концентрации атоков имплантированное пракасн к произведение плотности чпсю зародывей фазы в стехвокетрачасксЗ концентрация атомов пракгса в составе этой фазы. В частности, пре снплантации достехнокетрнческой

17+2

доза вонов азоте т.о-ю ■ N /ск в кредниВ в плотности преципитатов

1 в 2

нитрида кремния на уровне 5«ю си к началу отняга, рззкер зародыка нитрида кремния максимально удваивается в результате 2-х часового отгага при 1200*с.

7. Выведена формула для корреляционной длины, характеризующей дистанцию иещу скрытым слоен новоВ фазы в твердом тела и полоизнвеи

дополнительного слоя преципитатов той же фазы в приповерхностной области этого твердого тела. Корреляционная длина пропорциональни ноцнсста стона для растворенных в матрице примесных атомов. 8. Показано, что при циклическом синтезе КНИ структур, независимо <>'.. среднего размера зародьыей диэлектрической фазы и началу отляг», удается избежать появления слоя преципитатов той иэ фазы в слон кремния над синтезируемым изолятором, если доза имплантируемых в

17 2

наадои иаге ионов не превышает ю ионов/см .

я. Предложив расширенная теория роста центров новой фазы со слонный химическим составом. Получено аналитическое репение системы уравнений теории в приближении линейной зявйсикосте между относительным» концентрациями атомов принеся каждого типа в молекуле сложной фаза Проведены расчёты и сравнение с эксперякентзльннии данными по ионному синтезу скрытого слоя оксяннтрида кремния путем облучения кремния пенями азота и кислорода.

10. Показано, что вследствие увеличения вклада упругой составляющей н полные потери энергии ускоренных ионов, тормозяцихся в неоднородной кипени с включениями более плотной фазы, величина сковенности распределения пробегов ионов изменяется в сторону положительных значений.

и. Показано, что с точки зрения кинетики торможения ускоренных ионов в твердом теле промежуточные отаиги при циклическом ионном синтезе КНИ структур способствуют формированию резкой границы раздела синтезируемого скрытого изолирующего слоя с приповерхностной пленкой кремния.

12. Показано, что для существенного уменьвения плотиоста радиационных дефектов в дозы ионов, необходимой для синтеза сплоиного, . скрытого слоя диэлектрической фазы а кремнии, энергия имплантации ионов долина

быть снимка со стандартной идвчжкы 1бо-гсо кзБ до значений 50-00 к» В.

Оенотпаэ результаты диссертация оцуЗлжованы п следужеда работах:

1 .¡I.Yu.Barab&ntnkov , A.F.Uorun, A.E.Dtnilln, А.Л.Kalinin and V.N.Hordkovich, Heterogeoaous ion cyntheeis of isolating layers In Si, Solid State Phenoaemi v.6-7 (1233) pp. 51?-Ь24.

8. H, Yu. Baralmnenkov, A.F.Borun, A.B.Danilin and V.N .tiordkovich, A Bod*} of ion ayalhoei* of burieri dielectric laj-ero in «ilicon, Nucl. Inatr. and Hath. In Phye. Res., B58 (16311 pp.179 - 186.

3. M. Yu. Barabanenkov, A.F.Borun and A.B.ranilin, Heterogeneous process of new phuao groMth in the вуЩав of vnrious Hints : ion synthesis of oxrnitride silicon, NucX. Instr. arid Meth. in Phjrs. Ree., B6Q (1992) pp.352 - 366.

4. К D. Барабаненков, Вяаянке характера потерь энергии ускоренных ионоз на асяннетрпн распределения пробегов вонов в аморфном твёрдом теле, Поверхность. 13S2, К8, стр. 21-25.

5. Н. Yu .Barcbiinejikov, On the «symsetry of tho accelerated lone projected ranges distribution in soorphous sol ids, Н8Х0ДИТСЯ 0 издательстве сурнаCJ Nuol. Inetr. and Hath. in thye. Res..

6. ll.Yu.Berabanenbov, Two analytical solutions of the probleo of ion ujrnthesie at buried coapound 1оуегв in silicon, иаХОЯйТСЯ В издательстве ЕУриала Nucl. Inotr. and Meth. in Phys. Res..

T." M.Yu.Bftrabenenkov, The spatial location of the lntcreediate nev phase precipitates layer during SOI structures fabrication, направлено В редакции куриала Modelling and Sioulation in Materials Science and Engineering.

Рисунок 1

График функции t^z).

РИСУНОН 2

Численный расчет по формуле (8) перераспределения атомов прлмеси среде со стоком. Начальное распределение соответствует распределению пробегов ионов азота в кремнии, имплантированных а нозе 7.5>ю17м+/сн2 при энергии гоо кэВ, и построено согласно распределении Пирсона. Нижние кривые в порядке уменьшения концентрации принеси соответствуют временам отжига * •■ 2, з, 4, 5, б, т, 8, 9, ю. В реальной времени МсеЮ'Ю-т.

Рисунок з

На рисунке более детально изображена область вблизи пика изображённого на рис. 2. Девять верхних кривых рассчитаны по формуле (8) для времен отжига г: г, з, 4, 5, б, 7, 8, 9, ю. Нижняя кривая соответствует времени отвига х=250.

Иисунон 4

1 • отноаение чисел смещенных атомов кремния при торможени! hoheí азота с энергией гоо кэВ и энергией е из диапазона о*зоо кэВ.

2 - отноаение удельных упругих потерь энергии иона азота npi (ниргиях 2оо кэВ и е(кэВ) из того же диапазона энергий.

Рисунок' 5 ¡a. 6 )

Экспериментальные данные : □ - распределение концентрации

17 + 2

имплантированных в кремний ионов азота ® = 7.s-io N /см , е = 2со кэВ, и находящихся в растворенной в мзтрлце состоянии; ссвяз (х'0) " распределение концентрации азота а составе зародыией нитрида кремния к началу отжига.

(я) (*) - после 20 минут отжига при 12Qo''c; (б| (XI - после 2 часов отжига при isoo'c. Данные получены методом БИМС. Расчет : (а)- ¡6 ) • кривая 1 - рассчитана по формулам (4),(5),(9). (б) кривая 2 - рассчитана по 5>о/;иулам (8), (9).

1EHJ21

'abo

глубина, А

Рисунок в(в.б)

Экспериментальные данные : распределения концентрации атоио! кислорода <□) и азота (♦), воведших в состав онсинитрида крепни: после часового отжига кренния, облученного ионами кислород! 4-ю16 о*/ен2, е = зоо кэВ и азота 2-ю16 ы*/сн2 с энергиям] (а) е = 250 кэВ, (б) е = 200 кэВ. Данные (о) я ( + ) получен! методом Оек-электронной спектроскопии.

Насчет: распределение концентрации атомов кислорода (кривая 1) азота (кривая 2) после отжига рассчитаны по цюрмулам (а) - (12) (9); (б) - (11),(9).

ригунок 7

Пространственное положение промежуточного слоя преципитатов новой фазы в отожженном кремнии изображено как Функция дозы имплантируемых ионов эзота. Расчйт проведен по формуле (ю>. Начэльный радиус |?а зародиией нитрида кремния, лежацих в облвсти синтезируемого изолирующего слоя измеряется • ангстремах.

Рисунок 8

Кривые 1 - 2 ограничивают сверху по параметру и*, применимость приблиюниЯ теории. В области значений В1, лешцих выше кривой 1 теория не применима. Кривая г ог^ничиоает применение приближения без учеы "макродиффуаин" атомоа принеси.