Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий

Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий

На основании результатов исследований процессов дефектообразования в кремнии и арсениде галлия при внедрении протонов и перестройки дефектной системы кристаллов в результате последующих термообработок получены оптимальные режимы этих обработок для формирования приборных структур микро- и оптоэлектро...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
Hauptverfasser: Комаров, Ф.Ф., Мильчанин, О.В., Миронов, А.М., Купчишин, А.И.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2008
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7891
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий / Ф.Ф. Комаров, О.В. Мильчанин, А.М. Миронов, А.И. Купчишин // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 142-150. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7891
record_format dspace
spelling Комаров, Ф.Ф.
Мильчанин, О.В.
Миронов, А.М.
Купчишин, А.И.
2010-04-20T12:57:23Z
2010-04-20T12:57:23Z
2008
Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий / Ф.Ф. Комаров, О.В. Мильчанин, А.М. Миронов, А.И. Купчишин // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 142-150. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
1999-8074
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7891
621.384:621.382
На основании результатов исследований процессов дефектообразования в кремнии и арсениде галлия при внедрении протонов и перестройки дефектной системы кристаллов в результате последующих термообработок получены оптимальные режимы этих обработок для формирования приборных структур микро- и оптоэлектроники. Представлен ряд разработок, доведенных до технологического исполнения, позволяющих получать уникальные структуры с использованием протонных пучков: создание структур кремний-на-изоляторе, создание внутренних геттерирующих слоев в кремнии и формирование межприборной изоляции на полупроводниках А^3В^5.
На підставі результатів досліджень процесів дефектоутворення в кремнії та арсеніді галію при впровадженні протонів і перебудови дефектної системи кристалів у результаті наступних термообробок отримані оптимальні режими цих обробок для формування приладових структур мікро- і оптоелектроніки. Представлено ряд розробок, доведених до технологічного виконання, які дозволяють одержувати унікальні структури мікро- і оптоелектроніки з використанням протонних пучків.
On the basis of results of researches of processes of defect formation in silicon and arsenide of gallium at introduction of protons and alteration of the imperfect system of crystals as a result of subsequent heat treatments the optimum modes of these treatments are got for forming of device structures micro- and optoelectronics. A few important implementations of proton beams to produce unique structures of microelectronics and optoelectronics are presented.
ru
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
Формування ізолюючих і гетеруючих шарів у напівпровідниках з використанням імплантації протонів середніх енергій
The formation of isolating and gettering layers in semiconductors with use of medium energy proton implantation
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
spellingShingle Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
Комаров, Ф.Ф.
Мильчанин, О.В.
Миронов, А.М.
Купчишин, А.И.
title_short Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
title_full Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
title_fullStr Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
title_full_unstemmed Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
title_sort формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий
author Комаров, Ф.Ф.
Мильчанин, О.В.
Миронов, А.М.
Купчишин, А.И.
author_facet Комаров, Ф.Ф.
Мильчанин, О.В.
Миронов, А.М.
Купчишин, А.И.
publishDate 2008
language Russian
publisher Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format Article
title_alt Формування ізолюючих і гетеруючих шарів у напівпровідниках з використанням імплантації протонів середніх енергій
The formation of isolating and gettering layers in semiconductors with use of medium energy proton implantation
description На основании результатов исследований процессов дефектообразования в кремнии и арсениде галлия при внедрении протонов и перестройки дефектной системы кристаллов в результате последующих термообработок получены оптимальные режимы этих обработок для формирования приборных структур микро- и оптоэлектроники. Представлен ряд разработок, доведенных до технологического исполнения, позволяющих получать уникальные структуры с использованием протонных пучков: создание структур кремний-на-изоляторе, создание внутренних геттерирующих слоев в кремнии и формирование межприборной изоляции на полупроводниках А^3В^5. На підставі результатів досліджень процесів дефектоутворення в кремнії та арсеніді галію при впровадженні протонів і перебудови дефектної системи кристалів у результаті наступних термообробок отримані оптимальні режими цих обробок для формування приладових структур мікро- і оптоелектроніки. Представлено ряд розробок, доведених до технологічного виконання, які дозволяють одержувати унікальні структури мікро- і оптоелектроніки з використанням протонних пучків. On the basis of results of researches of processes of defect formation in silicon and arsenide of gallium at introduction of protons and alteration of the imperfect system of crystals as a result of subsequent heat treatments the optimum modes of these treatments are got for forming of device structures micro- and optoelectronics. A few important implementations of proton beams to produce unique structures of microelectronics and optoelectronics are presented.
issn 1999-8074
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7891
citation_txt Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий / Ф.Ф. Комаров, О.В. Мильчанин, А.М. Миронов, А.И. Купчишин // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 142-150. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT komarovff formirovanieizoliruûŝihigetteriruûŝihsloevvpoluprovodnikahsispolʹzovaniemimplantaciiprotonovsrednihénergii
AT milʹčaninov formirovanieizoliruûŝihigetteriruûŝihsloevvpoluprovodnikahsispolʹzovaniemimplantaciiprotonovsrednihénergii
AT mironovam formirovanieizoliruûŝihigetteriruûŝihsloevvpoluprovodnikahsispolʹzovaniemimplantaciiprotonovsrednihénergii
AT kupčišinai formirovanieizoliruûŝihigetteriruûŝihsloevvpoluprovodnikahsispolʹzovaniemimplantaciiprotonovsrednihénergii
AT komarovff formuvannâízolûûčihígeteruûčihšarívunapívprovídnikahzvikoristannâmímplantacííprotonívseredníhenergíi
AT milʹčaninov formuvannâízolûûčihígeteruûčihšarívunapívprovídnikahzvikoristannâmímplantacííprotonívseredníhenergíi
AT mironovam formuvannâízolûûčihígeteruûčihšarívunapívprovídnikahzvikoristannâmímplantacííprotonívseredníhenergíi
AT kupčišinai formuvannâízolûûčihígeteruûčihšarívunapívprovídnikahzvikoristannâmímplantacííprotonívseredníhenergíi
AT komarovff theformationofisolatingandgetteringlayersinsemiconductorswithuseofmediumenergyprotonimplantation
AT milʹčaninov theformationofisolatingandgetteringlayersinsemiconductorswithuseofmediumenergyprotonimplantation
AT mironovam theformationofisolatingandgetteringlayersinsemiconductorswithuseofmediumenergyprotonimplantation
AT kupčišinai theformationofisolatingandgetteringlayersinsemiconductorswithuseofmediumenergyprotonimplantation
first_indexed 2025-11-26T02:45:06Z
last_indexed 2025-11-26T02:45:06Z
_version_ 1850609160668839936
fulltext ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4142 ВВЕДЕНИЕ В последнее время, в современных техно- логиях создания СБИС и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, можно уве- рено выделить тенденцию использования ионной имплантации примесей, не относя- щихся к легирующим. В данном случае ис- пользуются эффекты накопления и транс- формации дефектов для создания локальных областей полупроводника, обладающих специфическими (требуемыми) свойствами. Можно говорить и о появлении целого класса технологий, где используются протонные пучки. Использование протонной импланта- ции обусловлено уникальными свойствами атомов водорода. Благодаря большой хими- ческой активности, водород может образо- вывать специфичный тип дефектов, как с ато- мами матрицы, так и с атомами легирующей примеси, а также собственные водородо-ин- дуцированные дефекты, которые при опре- деленных условиях остаются стабильными даже при высоких температурах отжига. С другой стороны, благодаря малой массе ионов водорода, имплантационные слои за исклю- чением области остановки ионов (вблизи проективного пробега Rp) остаются практи- чески бездефектными. Все эти уникальные свойства протонных пучков позволили раз- работать ряд новых технологий, использую- щих эффекты примесно-дефектной инжене- рии. В данной работе авторами представлен ряд разработок, доведенных до технологичес- кого исполнения, позволяющих получать уникальные структуры с использованием протонных пучков. СОЗДАНИЕ СТРУКТУР КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ Реализация возможностей создания КНИ- приборов, в которых интегрированы цифро- вые и аналоговые, низковольтные и высоко- вольтные схемы различной мощности, КМОП- и биполярные схемы, открывает но- вые пути развития и дает шанс на “продление жизни” традиционной кремниевой техноло- гии. Среди десятка различных методов про- изводства КНИ-пластин можно выделить два доминирующих и достигших промышлен- ного освоения: SIMOX [1] и Smart-Cut [2]. При оценке стоимости конечных КНИ-плас- тин, возможности варьирования их свойств, использования стандартного технологичес- кого оборудования и техпроцессов, наиболее простым и перспективным выглядит метод Smart-Cut, сочетающий процессы прямого соединения окисленных пластин и прецизи- онного ионного отслоения. Авторами выпол- нены работы по отработке, развитию и адап- тации к существующему технологическому УДК 621.384:621.382 ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОЛИРУЮЩИХ И ГЕТТЕРИРУЮЩИХ СЛОЕВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПЛАНТАЦИИ ПРОТОНОВ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ Ф.Ф. Комаров, О.В. Мильчанин, А.М. Миронов, А.И. Купчишин* НИИ прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко БГУ (Минск) Беларусь *Казахский национальный университет имени аль-Фараби (Алматы) Казахстан Поступила в редакцию 09.12.2008 На основании результатов исследований процессов дефектообразования в кремнии и арсениде галлия при внедрении протонов и перестройки дефектной системы кристаллов в результате последующих термообработок получены оптимальные режимы этих обработок для формирования приборных структур микро- и оптоэлектроники. Представлен ряд разработок, доведенных до технологического исполнения, позволяющих получать уникальные структуры с использованием протонных пучков: создание структур кремний-на-изоляторе, создание внутренних геттерирующих слоев в кремнии и формирование межприборной изоляции на полупроводниках А3В5. ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 143 оборудованию на НПО “Интеграл” техноло- гии производства КНИ-пластин (“по моти- вам” метода Smart-Cut). В качестве исходных использовали стан- дартные 100 мм пластины кремния (100)- ориентации, легированные бором (КДБ-12). Исходные пластины отбирались с учетом ми- нимальных прогиба (менее 5 мкм) и не- плоскостности (менее 10 мкм) пластин. Им- плантация ионов водорода проводилась на ускорителе Skanibal 128S, имеющем газовый источник. Режимы имплантации: энергия 80 – 100 кэВ, доза 4 – 5⋅1016 Н2 +/см2, температура мишени 50 °С. Имплантация проводилась в структуры SiO2 (20 – 300 нм) /Si. Набор дозы осуществлялся поэтапно, в несколько шагов с выдержкой пластин между режимами им- плантации в вакууме при комнатной темпера- туре в течение 6 – 8 часов. Для очистки плас- тин и формирования гидрофильных поверх- ностей использовались в различных вариа- циях процедуры плазменной обработки, хи- мической и гидромеханической очистки. Были отработаны оригинальные методики подготовки химически чистых оксидирован- ных поверхностей пластин с высокой степе- нью гидрофильности. Процедура связывания имплантированных пластин со структурами SiO2 (20 – 200 нм)/Si проводилась вручную с использованием специально разработанной оснастки. Контроль качества связывания осу- ществлялся на просвет в ближнем ИК-диа- пазоне электромагнитного излучения. Для усиления связи между пластинами, а также для исследований влияния дополнительных низкотемпературных обработок (НТО) на ка- чество получаемых КНИ-пластин, отжиги проводили при температурах 80 – 200 °С с различными длительностями (вплоть до 24 часов). Для термическивызываемого полного скола по водородо-индуцированному дефект- ному слою проводили отжиг при температу- рах 450 – 550 °С в течение 20 – 60 минут. Для части образцов использовался неполный от- жиг (длительность 1 – 15 минут) с последую- щим механическим сколом по дефектному слою. Финишная термообработка получае- мых КНИ-структур (для полного отжига де- фектов структуры в верхнем кристалличес- ком слое кремния) проводилась при темпе- ратурах 1050 – 1100 °С в среде кислорода или азота. На рис. 1 представлены ПЭМ микрофото- графии поперечных сечений образцов после имплантации ионов водорода и последующей термообработки. Дефектный слой, формируе- мый имплантацией ионов водорода с дозами 4 – 5⋅1016 Н2 +/см2, достаточно протяженный и состоит из кластеров точечных дефектов. Отжиг при 450 °С уже в течение 5 минут при- водит к существенному уменьшению толщи- ны дефектного слоя. При этом по всей тол- щине этого слоя формируются микро трещи- ны (рис. 1Б). Увеличение длительности тер- мообработки приводит к формированию мак- ротрещины параллельно поверхности плас- тин (рис. 1В). Отжиг имплантированных пластин кремния ионами водорода (с дозами 4 – 5⋅1016 Н2 +/ см2) при температурах 400 °С не всегда приводил к формированию макро- трещин даже при больших длительностях (60 минут). При использовании термообра- боток при более высоких температурах (500 – 600 °С) макротрещины формируются быс- Рис. 1. Светлопольные ПЭМ микрофотографии де- фектного слоя в кремниевых пластинах после имплан- тации ионов водорода – А) и отжига при 450 °С: 5 минут – Б) и 10 минут – В). Ф.Ф. КОМАРОВ, О.В. МИЛЬЧАНИН, А.М. МИРОНОВ, А.И. КУПЧИШИН ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4144 трее, однако в этом случае наблюдается бо- льший разброс их местоположения в дефект- ном слое. Отжиг пакета связанных пластин (имплантированной водородом и окислен- ной) при температуре 450 °С и длительности до 15 минут не приводил к разъединению по водородо-индуцированному слою. Но плас- тины удавалось разделить механически. Ис- следования методом РЭМ сразу после отжига не выявили отличий в шероховатости поверх- ностей образцов КНИ-структур, полученных как полным термическим так и механическим сколом. Но при этом в образцах сколотых ме- ханически были обнаружены протяженные дефекты (трещины) в переносимом слое, по- видимому, за счет напряжений при меха- ническом воздействии. Финишная термообработка КНИ-струк- тур, сколотых от пластин доноров, при тем- пературах 1050 – 1100 °С приводит к полному отжигу структурных дефектов в поверхност- ном слое (рис. 2А). На рис. 2Б представлен типичный профиль элементного состава в КНИ-структуре, полученный методом ОЖЕ- спектроскопии в сочетании с послойным тра- влением образца. Можно отметить, что на- блюдаются резкие ступеньки атомной кон- центрации на границах раздела в КНИ струк- туре. Симметричность профиля примеси от- носительно захороненного оксидного слоя свидетельствует о сравнимых границах раз- дела Si/SiO2 и SiO2/Si. Результаты ПЭМ иссле- дований хорошо согласуются с ОЖЕ-профи- лями. Можно отметить высокое качество и гомогенность слоев и границ раздела в КНИ- структуре. По структурным свойствам верх- ний кристаллический слой КНИ пластин сравним с исходными пластинами кремния – не выявлено образования дополнительных дефектов структуры в слое при формирова- нии КНИ-структур. Исследования КНИ-об- разцов методом АСМ показывают, что шеро- ховатость верхнего кристаллического слоя кремния в образцах, изготавливаемых без до- полнительного низкотемпературного отжига, не превышает 7 – 7,5 нм. Это значение ниже, чем указывается в ряде работ ~10 – 20 нм [2 – 4]. Данный факт, вероятно, связан с боль- шим отжигом радиационных дефектов во время имплантации за счет ступенчатого на- бора дозы и длительной выдержки между этапами имплантации. И, как результат, фина- льный дефектный слой становится более уз- ким (по сравнению с одностадийным набо- ром дозы) [5]. Минимальная шероховатость поверхности (на уровне 2 нм) зарегистриро- вана для образцов, где использовались также и режимы низкотемпературных обработок. Таким образом, продемонстрирована воз- можность создания качественных КНИ-плас- тин с использованием стандартного техноло- гического оборудования. С использованием многоступенчатого набора дозы импланта- ции водорода, а также дополнительных низ- котемпературных отжигов, в работе показана возможность существенного снижения шеро- ховатости поверхности КНИ-пластин (изго- тавливаемых в сочетании методов прямого связывания окисленных пластин и прецизи- онного ионного скола) вплоть до 2 нм. СОЗДАНИЕ ВНУТРЕННИХ ГЕТТЕРИ- РУЮЩИХ СЛОЕВ В КРЕМНИИ Спецификации современных изделий микро- электроники допускают максимальное со- держание металлических примесей порядка 109 ат./см3 [6]. Поэтому, при создании Si-при- боров, производители все чаще дополняют строгий регламент чистых комнат процес- Рис. 2. ПЭМ фотография сечения КНИ-пластины – А) и ОЖЕ-профиль элементного состава – Б). ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОЛИРУЮЩИХ И ГЕТТЕРИРУЮЩИХ СЛОЕВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПЛАНТАЦИИ ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 145 сами геттерирования. Традиционно, для очистки активных областей от примесей ме- таллов и дефектов применяются геттерирую- щие слои, создаваемые на непланарной сто- роне пластины. Но, для уменьшения глубины залегания р-n-переходов требуются более низкие температуры термообработки и корот- кие времена отжига, что приводит к сниже- нию эффективности геттерирующих слоев, сформированных на непланарной стороне пластины. Поэтому, создание геттерирующих слоев, локализованных в непосредственной близости к активным элементам, стало в по- следнее время объектом интенсивных иссле- дований. Интересными для промышленного применения являются методы создания внут- реннего геттерирующего слоя основанные на внедрении средних доз ионов H+ и Hе+. Ис- следования по формированию микропустот (пор) при имплантации ионов водорода или гелия в кремний продемонстрировали вы- сокую эффективность геттерирования таких примесных металлов как Cu, Ni, Co, Fe, Ag, Au, Pd [7 – 8]. Но, следует отметить, что эффективность геттерирования, как правило, определяют на модельных экспериментах. Авторами работы было исследовано влияние создаваемого геттерирующего слоя, с исполь- зованием протонной имплантации, на работу тестовых структур, максимально приближен- ных к реальным полупроводниковым при- борам. В качестве исходных использовались плас- тины Cz-Si (001)-ориентации n-типа прово- димости (КЭФ-4,5) и структуры, содержа- щие эпитаксиальные слои Si (2 мкм, 1 Ом·см) на (111)-Si (КЭФ-0,01). Режимы формирова- ния внутренних геттерирующих слоев пред- ставлены в табл. 1. Для конкретной энергии имплантации во- дорода выбирали дозы, при которых концент- рация водорода в области максимума распре- деления достаточно высока для создания структурных дефектов, но ниже критической (~1,5 – 2⋅1021 cм–3), когда происходит выде- ление большого количества газовых пузырь- ков уже после имплантации, что приводит к появлению микротрещин и других нежела- тельных дефектов структуры. Для опреде- ления оптимальных условий формирования геттерирующих слоев, последующий терми- ческий отжиг образцов проводился при раз- личных температурах. Для исследований об- разцов с геттерирующими слоями были изго- товлены специальные тестовые структуры, содержащие диоды Шоттки. Режимы полу- чения тестовых структур представлены в табл. 2. Были проведены структурные исследова- ния слоев кремния, содержащих водородо- индуцированные слои и дефекты как после имплантации, так и после термообработок. На рис. 3А представлено светлопольное ПЭМ изображение структуры внутреннего дефектного слоя, сформированного имплан- тацией ионов водорода с выбранными режи- мами (табл. 1). Детальный анализ структуры показывает, что данный барьерный слой сос- тоит из мелких водородо-вакансионных ком- плексов и кластеров точечных дефектов. По- Тип подложки Энергия и доза имплантации H+ Режимы термического отжига Si (2 мкм, 1 Ом·см)/(111) Cz-Si (КЭФ-0,01) 215 (Н2 +) кэВ, 2,5⋅1016 см–2 1) 800 °С, 5 мин. 2) 800 °С, 30 мин. 3) 900 °С, 5 мин. 4) 1000 °С, 5 мин. 5) 900 °С, 15 мин. Si (2 мкм, 1 Ом·см)/(111) Cz-Si (КЭФ-0,01) 215 (Н2 +) кэВ, 3⋅1016 см–2 1) 800 °С, 5 мин. 2) 800 °С, 30 мин. 3) 900 °С, 5 мин. 4) 1000 °С, 5 мин. 5) 900 °С, 15 мин. (001)Cz-Si (КЭФ-4,5) 75 (Н+) кэВ, 2,5⋅1016 см–2 900 °С, 30 мин. (001)Cz-Si (КЭФ-4,5) 75 (Н+) кэВ, 3,5⋅1016 см–2 900 °С, 30 мин. Таблица 1 Режимы формирования геттерирующих слоев Таблица 2 Режимы формирования тестовых структур Проводимая операция Описание режимов операции Температура обработки Формирование диодов Шоттки 1. Напыление пленки металла (Ni) испарения 2. Формирование сили- цида никеля (NiSi) < 50 °C 450 °С Формирование контактных областей 1. Напыление пленки металла (Аl) 2. Вжигание алюминия для формирования кон- такта < 50 °C 450 °С Ф.Ф. КОМАРОВ, О.В. МИЛЬЧАНИН, А.М. МИРОНОВ, А.И. КУПЧИШИН ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4146 следующая термическая обработка при тем- пературах ниже 600 °С (в течение 15 – 120 минут) не приводит к существенным измене- ниям структуры и перераспределению при- меси в имплантированных водородом слоях кремния. Лишь при температурах отжига вы- ше 650 °С наблюдается отжиг радиационно- индуцированных дефектов вблизи Rp. Плот- ность дефектов в области Rp значительно уменьшается и наблюдается формирование только двух типов водородо-индуцирован- ных дефектов: “пластинчатых” и “петлепо- добных” дефектов структуры, размер кото- рых составляет 10 – 60 нм и 150 – 250 нм, со- ответственно. Дальнейшее увеличение темп- ературы отжига до 800 °С (в течение 5 минут) приводит к сильному снижению концентра- ции “пластинчатых” дефектов (рис. 3Б). С другой стороны, зарегистрировано увеличе- ние слоевой плотности и размеров “петлепо- добных” дефектов. При этом, в центральной части отдельных больших “петлеподобных” дефектов наблюдается формирование микро- пустот. При более высоких температурах об- работки или увеличении длительности от- жига происходит практически полный отжиг водородо-индуцированных дефектов вблизи Rp. На рис. 3В представлено изображение структуры кремния имплантированного ионами водорода после отжига при темпера- туре 900 °С в течение 15 минут. Наблюдается узкий дефектный слой вблизи Rp, содержа- щий большое количество микропустот, кото- рые, как правило, соединены дефектами дис- локационного типа. При этом, структурное качество кремниевой матрицы от поверхнос- ти до дефектного слоя сравнимо с чистыми исходными подложками, что подтверждается РОР исследованиями в сочетании с кана- лированием. Исследования тестовых диодов Шоттки, сформированных в эпитаксиальном кремнии, содержащем внутренние геттерирующие слои, проводили с использованием СV-изме- рений. Результаты исследований можно обоб- щить следующим образом: – наблюдается сильное уменьшение высо- кочастотной проводимости при измерениях в обратносмещенных диодах Шоттки в образ- цах с геттерирующими слоями по сравнению с исходными, что связано с уменьшением центров захвата для неосновных носителей заряда; – геттерирующая эффективность увеличи- вается как с повышением температуры, так и длительности отжига (рис. 4). Время жизни неосновных носителей заряда существенно увеличивается (в 160 раз, что более чем на 2 порядка величины больше чем для исход- ных структур) в случае формирования геттера в режимах: имплантация ионов водорода – 215 кэВ, 2,5⋅1016 см–2, последующий отжиг в среде N2 при температуре 900 °С в течение 15 минут. Рис. 3. Светлопольные ПЭМ изображения в попереч- ном сечении структуры внутреннего дефектного слоя в кремнии после имплантации (140 кэВ, 1016 см–2) ионов водорода (А) и последующего термического отжига: 800 °С, 5 минут (Б); 900 °С, 15 минут (В). ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОЛИРУЮЩИХ И ГЕТТЕРИРУЮЩИХ СЛОЕВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПЛАНТАЦИИ ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 147 Данные DLTS исследований находятся в хорошем согласии с результатами СV-изме- рений. В тестовых структурах диодов Шот- тки, созданных на эпитаксиальных слоях кремния, обнаруживаются глубокие уровни, связанные с ловушечными состояниями для носителей заряда, что приводит к появлению пиков DLTS спектров. При наличии геттера наблюдается практически полная аннигиля- ция глубоких уровней в тестовых диодах Шоттки. Таким образом, были разработаны основ- ные режимы формирования в кремниевых пластинах внутреннего геттера, состоящего из узкого барьерного слоя, содержащего боль- шое количество микропустот. Результаты ис- следований методами DLTS и СV- измерений свидетельствует о повышении структурного совершенства эпитаксиальных слоев кремния (за счет геттерирования) в тестовых диодах Шоттки. Установлено, что использование гет- терирующих слоев позволяет на 2 порядка снизить концентрацию глубоких уровней в эпитаксиальных слоях кремния, связанных с наличием дефектов и нежелательных метал- лических примесей. ПРИМЕНЕНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ПРОТОНОВ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ПРИБО- РОВ НА ПОЛУПРОВОДНИКАХ А3В5 Ионная модификация полупроводниковых кристаллов бинарных и тройных полупро- водниковых соединений, таких как GaN, GaAs, InP, AlGaAs делает возможным форми- рование в них изолирующих областей. Вне- дряемые ионы, передавая энергию атомам материала, создают дефекты структуры крис- талла, которым соответствуют глубокие уров- ни-ловушки в запрещенной зоне полупровод- ника, захватывающие свободные носители заряда, в результате чего материал становится изолирующим [9 – 13]. Преимущество ион- ной имплантации перед традиционным мето- дом изоляции – мезатравлением, состоит в сохранении планарности, даже при интегра- ции приборов вертикальной структуры (PIN- диоды) с планарными приборами (FET). В на- стоящее время технология изоляции с помо- щью имплантации протонов используется для создания гетероэпитаксиальных транзис- торов, фотодетекторов, лазеров, волноводов, а также для электрической изоляции прибо- ров в монолитных интегральных схемах [13]. Для создания изоляции необходимого ка- чества требуются равномерные по толщине эпитаксиального слоя распределения дефек- тов с концентрацией, специфической для ти- па полупроводника и уровня его легирования. Дозы внедряемых ионов при этом должны соответствовать оптимальной концентрации создаваемых дефектов. При более низких до- зах ионного облучения скорость удаления но- сителей оказывается недостаточной для по- давления проводимости; при повышенных дозах плотность дефектов становится на- столько высокой, что сопротивление умень- шается из-за включения механизма прыж- ковой проводимости. Чем выше уровень ле- гирования, тем большая концентрация де- фектов требуется для создания изолирующей области. Таким образом, широкое практическое ис- пользование ионной имплантации для фор- мирования изоляции в бинарных и тройных полупроводниковых соединениях возможно Рис. 4. Зависимость времени жизни неосновных но- сителей заряда от плотности тока обратносмещенно- го диода Шоттки в образцах без (1) и с внутренним геттером (2 – 4), полученным имплантацией ионов водорода (215 кэВ, 2,5⋅1016 см–2) и последующим тер- мическим отжигом: 2 – 1000 °С, 5 минут; 3 – 800 °С, 30 минут; 4 – 900 °С, 15 минут. Ф.Ф. КОМАРОВ, О.В. МИЛЬЧАНИН, А.М. МИРОНОВ, А.И. КУПЧИШИН ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4148 только при условии, что для заданных типов полупроводников определены оптимальные параметры ионного легирования и термо- обработок. В связи с этим, нами разработана физико-математическая модель, позволяю- щая рассчитать оптимальные энергии и дозы для имплантации заданного типа ионов в заданный материал исходя из формы профиля радиационных дефектов (обратная задача полиэнергетической ионной имплантации). Применительно к задаче формирования изо- лирующих областей в полупроводниках би- нарных и тройных полупроводниковых сое- динений, искомый профиль является равно- мерным распределением дефектов кристал- лической структуры до заданной глубины эпитаксиального слоя [12]. Пример расчета распределения вакансий при имплантации протонов с оптимальными энергиями и доза- ми приведен на рис. 5. Видно, что для получения равномерного распределения вакансий по глубине от 0 до 3,5 мкм достаточно провести полиэнергети- ческую имплантацию ионов H+ с энергиями от 50 до 400 кэВ. Изготовлены экспериментальные образцы на эпитакисальных структурах GaAs n-типа (рис. 6) и измерены электрофизические пара- метры сформированных изолирующих облас- тей. Проведены испытания стабильности со- зданной изоляции. В допустимых пределах не обнаружено изменения электрофизичес- ких свойств созданной изоляции. Результаты испытаний: термостабильность изоляции – не менее 300 °С; пробивное напряжение при ширине изолирующего слоя не менее 4 мкм – не менее 200 В; ток утечки при напряжении 5 В – не более 10 нА. Нами также исследовалась зависимость слоевого сопротивления изолирующих слоев, полученных имплантацией протонов в GaAs n-типа, от температуры постимплантацион- ного отжига, а также частотная зависимость проводимости до и после отжига. Полиэнер- гетическая имплантация протонов в образцы кристаллического Ga As n-типа (толщина 400 ± 20 мкм, сопротивление 0,55 ± 0,05 Ом⋅см, концентрация носителей 2,7 ± 0,4⋅1015 см–3, подвижность 4180 см2В–1с–1) проводилась на ускорителе Van de Graaf, с поддержанием плотности ионного тока 0,15 µА/см2. Пред- варительно на поверхность пластин GaAs бы- ли нанесены слои омических контактов (слой эвтектического сплава 88 ат.% Au + 12 ат.% Ge толщиной 0,15 мкм, слой Ni толщиной 0,5 мкм и слой Au толщиной 0,1 мкм) и допол- нительно слой Au толщиной 1 мкм на обрат- ную сторону пластин. Энергии (400, 300, 220, 130 и 60 кэВ) и дозы (2⋅1014, 1,5⋅1014, 1,2⋅1014, 1,1⋅1014 и 1,0⋅1014 см–2 соответственно) имп- лантируемых протонов были рассчитаны с помощью разработанной нами программы PROFCON [12] исходя из условия получения равномерного распределения радиационных повреждений на глубине до 3,7 мкм от по- верхности GaAs. Отжиг производился в тече- ние 15 минут при температурах в диапазоне 50 – 500 °С. Проводимость при постоянном и переменном токе измерялась с помощью системы HIOKI 3532, с ошибкой не более 0,1%. Частота переменного тока изменялась в пределах от 50 Гц до 1 МГц. На рис. 7 приведены зависимости слоевого сопротивления от температуры отжига, изме- ренные при частотах 1, 10, 100 кГц и 1 МГц Рис. 6. Тестовая структура для оценки качества изо- ляции. Рис. 5. Распределения вакансий, сформированных в GaAs полиэнергетической имплантацией ионов H+ в арсенид галлия с энергиями 50 (1), 130 (2), 220 (3), 300 (4) и 400 (5) кэВ и дозами соответственно 4,2⋅1013, 5,3⋅1013, 6,2⋅1013, 8,0⋅1013 и 1,0⋅1014 см–2. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОЛИРУЮЩИХ И ГЕТТЕРИРУЮЩИХ СЛОЕВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПЛАНТАЦИИ ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 149 переменного тока (АС) и при постоянном то- ке (DC). Видно, что сразу после имплантации протонами слоевое сопротивление образцов составляет примерно 108 Ом⋅см. При отжиге сопротивление увеличивается и достигает максимума 5⋅108 Ом⋅см при 320 °С для по- стоянного тока. Из частотной зависимости со- противления можно сделать вывод о том, что проводимость обусловлена прыжковым меха- низмом. При увеличении температуры отжи- га прыжковая проводимость подавляется, при температуре более 380 °С зонный механизм проводимости становится основным, а роль прыжкового механизма снижается, что соот- ветствует отжигу радиационных дефектов. Для групп образцов, отожженных при раз- личных температурах, на частоте 1 МГц была измерена зависимость проводимости от тем- пературы, что позволило определить энергию активации ∆Е прыжковой проводимости. Для образцов, отожженных при низких тем- пературах (160 °С), получена величина ∆Е = 0,4 эВ. Температуре 240 °С соответству- ет две величины энергии активации, 0,2 эВ и 0,5 эВ. Для 340 ° С энергия активации сос- тавляет 0,65 эВ. Такие значения энергии активации прыжковой проводимости харак- терны для переходов электронов через по- тенциальный барьер между уровнями де- фектов [14]. Энергия активации 0,65 эВ со- ответствует уровню Е4 (0,67 эВ) [15], свя- занному с дефектным комплексом AsGa + VAs. Уровень с энергией активации 0,39 – 0,40 эВ, наблюдавшийся в облученном протонами GaAs n-типа [16], также связан с комплекс- ным дефектом. Таким образом, проведенные исследова- ния имплантированного протонами GaAs n- типа позволили получить изоляцию достато- чного качества и сделать выводы о механиз- мах переноса заряда в облученных слоях. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Разработаны технологические режимы, обе- спечивающие создание качественных КНИ- пластин с использованием стандартного тех- нологического оборудования электронной промышленности. С использованием много- ступенчатого набора доз имплантации прото- нов, а также дополнительных низкотемпера- турных отжигов, показана возможность су- щественного снижения шероховатости по- верхности КНИ-пластин вплоть до 2 нм. Определены оптимальные режимы фор- мирования в кремниевых пластинах внутрен- него геттера, состоящего из тонкого барьер- ного слоя, содержащего большое количество микропустот. Результаты исследований мето- дами DLTS и CV- измерений свидетельствуют о повышении структурного совершенства эпитаксиальных слоев кремния в тестовых диодах Шоттки. Установлено, что примене- ние геттерирующих слоев позволяет на 2 по- рядка снизить концентрацию глубоких уров- ней в эпитаксиальных слоях кремния, связан- ных с наличием дефектов и нежелательных металлических примесей. Проведенные исследования влияния про- цессов имплантации протонов в кристаллы GaAs n-типа позволили установить энергети- ческие характеристики формируемых дефек- тов структуры, выяснить термостабильность таких дефектов и на основании этих данных получить межприборную изоляцию промыш- ленного качества и сделать заключение о ме- ханизме переноса заряда в облученных про- тонами слоях GaAs. ЛИТЕРАТУРА 1. Izumi K., Doken M., Ariyoshi H. C.M.O.S. de- vices fabricated on buried SiO2 layers formed by oxygen implantation into silicon//Electro-nics Letters. – 1978. – Vol. 14. – P. 593-594. 2. Bruel M. Silicon on insulator material tech- nology//Electronics Letters.– 1995. – Vol. 31, Рис. 7. Зависимость слоевого сопротивления от тем- пературы отжига, измеренная при различных частотах переменного тока и при постоянном токе. Ф.Ф. КОМАРОВ, О.В. МИЛЬЧАНИН, А.М. МИРОНОВ, А.И. КУПЧИШИН ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4150 No. 14. – P. 1201-1202. 3. Bruel M. Application of hydrogen ion beams to Silicon On Insulator material technology//Nucl. Instr. and Meth. – 1996. – B108. – P. 313-319. 4. Tong M., Gan Q., Hudson G., Fountain G., En- quist P. Low-temperature hydrophobic silicon wafer bonding//Appl. Phys. Lett.–2003.– Vol. 83, No. 23. – P. 4767-4769. 5. Челядинский А.Р., Комаров Ф.Ф.//Успехи физ. наук. – 2003. – Т. 173, № 8. – С. 813-846. 6. The National Technology Roadmap for Semi- conductors, Semiconductor Industry Assoc., San Jose, CA. – 1994. – P. 110-131. 7. Fichtner P.F.P., Kaschny J.R., Yankov R.A., Muc- klich A., Kreissig U., Skorupa W. Overpressu- rized bubbles versus voids formed in helium imp- lanted and annealed silicon//Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 70. – P. 732-734. 8. Petersen G.A., Myers S.M., Follstaedt D.M. Get- tering of transition metals by cavities in silicon formed by helium ion implantation//Nucl. Instr. Meth. B. – 1997. – Vol. 127-128. – P. 301-306. 9. Pearton S.J. Ion implantation for isolation of III-V semiconductors technology//Mater. Sci. Rep. – 1990. – No. 4. – P. 313-367. 10. Pearton S.J. Ion impantation in III-V semicon- ductor technology//Intern. J. of Mod. Phys. – 1993. – Vol. B7. – P. 4687-4761. 11. Ahmed S., Knights A.P., Gwilliam R., Sealy B.J. The effect of substrate temperature on the iso- lation of n-type GaAs layers using MeV boron implantation//Semicond. Sci. Technol.– 2001. – No. 16(3). – P. L17-L19. 12. Komarov F., Kamyshan A., Mironov A.M., La- gutin A.E., Martynov I.S. Formation of device isolation in GaAs with polyenergetic ion implan- tation//Vacuum. – 2001. – Vol. 63. – P. 577-579. 13. Huang T.C., Chung Y., Coldren L.A., Dagli N. Field-induced waveguides and their application to modulators//IEEE J. Quantum Electron. – 1993. – Vol. 29. – P. 1131-1143. 14. Mott N.F., Davies E.A. Electronic process in ion- crystalline materials. – Claredon Press: Oxford, 1971. – 42 p. 15. Tan H.H., Williams J.S., Jagadish C. Characteri- zation of deep levels and carrier compensation created by proton irradiation in undoped GaAs //J. of Appl. Phys.– 1995. – Vol. 78(3). – P. 1481- 1487. 16. Boudinov H., Coelho A.V.P., Tan H.H., Jaga- dish C. Characterization of deep level traps responsible for isolation of proton implanted GaAs//J. Appl. Phys. – 2003. – Vol. 93. – P. 3234- 3238. THE FORMATION OF ISOLATING AND GETTERING LAYERS IN SEMICONDUCTORS WITH USE OF MEDIUM ENERGY PROTON IMPLANTATION F.F. Komarov, O.V. Milchanin, A.M. Mironov, A.I. Kupchishin On the basis of results of researches of processes of defect formation in silicon and arsenide of gallium at introduction of protons and alteration of the imperfect system of crystals as a result of subsequent heat treatments the optimum modes of these treatments are got for forming of device structures micro- and optoelectronics. A few important implementations of proton beams to produce unique structures of microelectronics and optoelectronics are presented. ФОРМУВАННЯ ІЗОЛЮЮЧИХ І ГЕТЕРУЮЧИХ ШАРІВ У НАПІВПРОВІДНИКАХ З ВИКОРИСТАННЯМ ІМПЛАНТАЦІЇ ПРОТОНІВ СЕРЕДНІХ ЕНЕРГІЙ Ф.Ф. Комаров, О.В. Мільчанин, А.М. Міронов, А.И. Купчішин На підставі результатів досліджень процесів дефектоутворення в кремнії та арсеніді галію при впровадженні протонів і перебудови дефектної системи кристалів у результаті наступних термо- обробок отримані оптимальні режими цих об- робок для формування приладових структур мікро- і оптоелектроніки. Представлено ряд роз- робок, доведених до технологічного виконання, які дозволяють одержувати унікальні структури мікро- і оптоелектроніки з використанням протонних пучків. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОЛИРУЮЩИХ И ГЕТТЕРИРУЮЩИХ СЛОЕВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПЛАНТАЦИИ ...

Ähnliche Einträge