Отжиг дефектов ионно-имплантированных слоев
14.11.2012 |Высокотемпературный отжиг пластин
Отжиг ионно-имплантированных слоев приводит к устранению дефектов в полупроводниковой пластине, его продолжительность и температура проведения сильно зависят от дозы легирующих ионов. Отжиг необходим также для перевода примесных ионов в электрически активное состояние, в котором непосредственно после проведения процесса ионной имплантации находится около 10% внедренных ионов.
Отрицательным воздействием высокотемпературной обработки при этом является диффундирование атомов примеси, которое искажает первоначально сформированный профиль распре-деления внедренных атомов. Выбор температуры отжига, Обеспечивающей полную активацию доноров и акцепторов и устранение остаточных дефектов, с одной стороны, и минимальное протекание диффузии введенных атомов, с другой стороны, является одной из основных проблем технологии ионной имплантации.
Рис. 1. Зависимость отношения концентрации атомов бора в узлах кристаллической решетки к дозе имплантации бора от температуры изохорного (30 мин) отжига при энергии ионов бора 150 кэВ и различных дозах Д: 1 — Д=2*1015; 2 — Д=2,5*1014; 3 — Д=8-1012 ион*см-2
По-разному во время отжига ведут себя легкие и тяжелые примесные ионы. Так легким ионам бора легче передвигаться по кристаллу, и соответственно для них вероятность занять. места в узлах кристаллической решетки больше, чем для тяжелых атомов галлия, индия или таллия. По этой причине перечисленные выше три элемента редко применяются для создания легированных областей методом ионной имплантации.
Во время отжига протекают одновременно несколько процессов: отжиг радиационных дефектов, диффузия примесей и самодиффузия, ассоциация и диссоциация образованных ранее дефектных комплексов, перевод аморфных участков полупроводника, образовавшихся после ионной имплантации, в монокристаллические. В случае малой дозы имплантированных ионов их электрическая активность возрастает при увеличении температуры отжига (рис. 1).
В области I происходит ликвидация таких точечных дефектов, как дивакансии. При увеличении дозы облучения происходит падение степени замещения узлов кристаллической решетки внедренными ионами, этот эффект обычно называют отрицательным отжигом. Для области II характерны переход атомов кремния из междоузлии и вытеснение ими примесных ионов из кристаллической решетки. При повышении температуры от 700 до 1000°С концентрация активных атомов бора вновь увеличивается (область III).
Лазерный и электронно-лучевой отжиг
Обычный отжиг пластин после ионной имплантации проводится при температуре порядка 1000° С. Как отмечалось, этот процесс приводит не только к восстановлению кристаллической решетки, но и к ряду нежелательных последствий, например снижению времени жизни носителей заряда.
Лазерный отжиг в результате локального высокотемпературного нагрева приповерхностных дефектных областей полностью восстанавливает кристаллическую структуру путем повторного эпитаксиального наращивания. За короткое время действия лазерного нагрева (скорость сканирования лазерного луча, работающего в непрерывном режиме обычно находится в пределах 5—100 мм/с, продолжительность экспонирования при этом составляет 10—100нс) дефектные области, имеющие аморфную структуру, расплавляются, что дает возможность имплантированным ионам при последующей кристаллизации этих областей разместиться в узлах решетки.
Следует отметить, что метод позволяет строго контролировать область рекристаллизации пластины и управлять глубиной залегания легирующей примеси с помощью изменения длительности и интенсивности лазерного импульса. Большая скорость лазерного отжига исключает необходимость проведения этого процесса в вакууме или в среде инертного газа. Отжиг при импульсном электронном облучении дефектных областей кремниевой пластины имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерным. Электронный пучок позволяет облучать большие площади, его взаимодействие с материалом подложки не зависит от ее оптических свойств, в то же время импульсный электронный пучок позволяет проводить термообработку областей пластины через узкие (до 5 мкм) окна в оксидных пленках.
Таблица 1. Сравнение технологических процессов обработки пластин лазерным и электронным лучом
| Характеристики | Электронный луч | Лазерный луч |
| Длительность импульса | 10—200 нс | 10—130 нс |
| Параметры, влияющие на взаимодействие луча с материалом подложки | Плотность и ориентация подложки, энергия электронов | Длительность и энергия импульса, длина волны температура, кристаллическая структура, степень легирования, способ обработки поверхности |
| Управление лучом | Электромагнитное поле | Оптическое |
| Диаметр обрабатываемой поверхности | 75 мм | 30 мкм—20 мм |
| Макроскопическая однородность | ±5% | Распределение Гаусса в сечении |
| Макроскопическая однородность | Улучшается при наложении одного пучка на другой | Дифракционные картины, области с повышенной температурой |
| Плотность энергии | 1 Дж/см2 | 1—10 Дж/см2 |
| Глубина высокотемпературной обработки | Вследствие проникновения электронов вглубь подложки, варьируется энергией электронов | Проплавление до глубины около 1 мкм (ограничение связано с образованием дефектов) |
| Среда | Вакуум | Воздух или вакуум |
| Ограничения метода | При наличии остаточных зарядов, радиационно наведенной проводимости радиационных дефектов | При наличии колебаний энергии лазерного им пульса, неравномерности-, в нагреве, неровностей поверхности, при невозможности отжига покрытых оксидом поверхностей |
Однако при больших дозах облучения происходит накопление зарядов на ловушках оксидного маскирующего слоя, для их ликвидации необходим низкотемпературный отжиг при T~500°С. Сравнение импульсного лазерного и электронно-лучевого отжигов приведены в табл. 1.
