Моделирование перераспределения ионно-имплантированного бора в различных условиях подавления скоротечной диффузии

Введение

С целью дальнейшего подавления скоротечной диффузии может применяться еще одна имплантация ионов азота [5] или углерода [6, 7]. Было установлено, что присутствие углерода в кремнии подавляет образование остаточных нарушений [6]. Необходимым условием такого положительного эффекта является расположение атомов углерода в положении замещения [7, 8]. Если имплантированный углерод располагается в пределах аморфизованного слоя, то он оказывается в положении замещения в результате твердофазной рекристаллизации. Имплантацию углерода также можно проводить при больших значениях токов. Согласно [8] это имеет следствием рост мгновенной концентрации вакансий, что способствует переходу углерода в положение замещения. Обычно предполагается, что подавление скоротечной диффузии связано с поглощением межузельных атомов кремния в результате вытеснения атомов углерода из узлов кристаллической решетки [9,10], причем вытеснение углерода из положения замещения подтверждается рентгенодифракционным анализом [10]. Тем не менее, детальный микроскопический механизм взаимодействия атомов углерода с межузельными атомами кремния и бора до сих пор неясен. Отметим, что согласно [11] межузельные атомы кремния вытесняют из узлов кристаллической решетки любые примесные атомы. Это означает, что механизм подавления скоротечной диффузии на начальной стадии отжига посредством имплантации ионов азота может быть аналогичен механизму подавления при использовании атомов углерода и заключаться в уменьшении концентрации неравновесных межузельных атомов кремния и возрастании концентрации вакансий.

Проведенный анализ позволяет сформулировать цель данной работы, которая заключается в моделировании перераспределения ионно-имплантированного бора в различных условиях подавления скоротечной диффузии, когда помимо создания аморфизованного слоя в приповерхностную область кремниевых подложек вводятся ионы дополнительных примесей.

Результаты моделирования

Рассмотрим результаты моделирования экспериментальных данных [5], поскольку в этой работе использовались различные способы подавления скоротечной диффузии. Так, в работе [5] имплантация ионов бора с энергией 1 кэВ и дозой 1.5´10¹⁵ см^-2 осуществлялась в кремниевые подложки n-типа проводимости, ориентации (100). Для подавления скоротечной диффузии приповерхностный слой кремния предварительно аморфизовывался имплантацией ионов Ge с энергией 15 кэВ. После имплантации бора осуществлялся термический отжиг в атмосфере азота длительностью 60 секунд при температуре 800 ^оС. Расчет процесса перераспределения бора, проведенный для этих условий в работе [14], показал хорошее согласие с экспериментальными данными при условии, что средняя длина пробега межузельных атомов бора = 11 нм. Также предполагалось, что примерно 8,6 % имплантированных атомов бора временно находились в межузельном положении и затем снова стали неподвижными, заняв положение замещения. Благодаря миграции этих неравновесных межузельных атомов, произошло формирование протяженного “хвоста” на профиле распределения концентрации бора, который занимает область, расположенную в интервале от 0.02 мкм до примерно 0.1 мкм от поверхности полупроводника. Для сравнения на рис. 1 представлены результаты моделирования такого же процесса перераспределения ионно-имплантированного бора в случае, когда после имплантации ионов германия дополнительно имплантировались ионы азота с дозой 1.5´10¹⁵ см^-2 и энергией 6 кэВ [5].

Как видно из рисунка, имеет место хорошее согласие результатов расчетов с экспериментальными данными. При расчете были использованы следующие значения параметров модели перераспределения имплантированного бора: Параметры, характеризующие процесс диффузии межузельных атомов: максимальное значение скорости генерации неравновесных межузельных бора = 6.7´10⁶ мкм^-3с^-1; средняя длина пробега межузельных атомов бора = 5.9 нм. Концентрационный профиль распределения бора, представленный на рис.1, был рассчитан из предположения, что примерно 24 % имплантированных атомов бора находились в межузельном положении и затем снова стали неподвижными, заняв положения замещения.

Как видно из представленных расчетов, дополнительная имплантация ионов азота приводит к существенному (почти в 2 раза) уменьшению средней длины пробега межузельных атомов бора, и уменьшению протяженности “хвоста” примерно на 0.03 мкм, что с технологической точки зрения влечет уменьшение глубины залегания p-n перехода. При этом значительно (в 2.8 раза) возрастает скорость генерации межузельных атомов бора. Однако, ввиду существенного уменьшения длины пробега этих атомов, большая их часть поглощается в пределах имплантированного слоя, что не приводит к увеличению глубины залегания p-n перехода. Мы предполагаем, что это поглощение осуществляется в результате взаимодействия с атомами азота, либо с комплексами атомов азота и германия.

Аналогичный расчет, выполненный для случая подавления скоротечной диффузии путем использования более низкой температуры обработки 750 ^оС, представлен на рис. 2.

Рис. 1. Рассчитанное распределение атомов ионно-имплантированного бора в Si, предварительно аморфизованном имплантацией ионов Ge, после отжига длительностью 60 с при T = 800 ^оС в условиях, когда была проведена дополнительная имплантация ионов N с энергией 6 кэВ для более сильного подавления скоротечной диффузии. Пунктирная кривая — рассчитанное распределение B после имплантации с энергией 1 кэВ; сплошная кривая — рассчитанное распределение B после отжига;  — экспериментальные данные, взятые из работы Yeong et al. [5]

Рис. 2. Рассчитанное распределение атомов ионно-имплантированного бора в Si, предварительно аморфизованном имплантацией ионов Ge, после отжига длительностью 60 с при T = 750 ^оС в условиях, когда была проведена дополнительная имплантация ионов азота с энергией 6 кэВ для более сильного подавления скоротечной диффузии

Рис. 3. Рассчитанное распределение атомов бора после отжига длительностью 30 мин при T = 800 ^оС кремниевых подложек, имплантированных ионами BF₂. Пунктирная кривая — рассчитанное распределение бора после имплантации;  — измеренный профиль распределения бора после имплантации; сплошная кривая — рассчитанное распределение бора после отжига;  — экспериментальные данные, взятые из [15]

Проведено моделирование перераспределения ионно-имплантированного бора для случая подавления скоротечной диффузии посредством создания предварительно аморфизованного слоя внедрением ионов Ge и дополнительной имплантации ионов азота. Расчеты были проведены для температур обработки 750 и 800 ^оС при длительности отжига 60 секунд. Также исследовался случай имплантации ионов BF₂ и 30 минутного отжига при 800 ^оС. Показано, что при температурах отжига 800 ^оС и ниже перераспределение имплантированного бора осуществляется посредством длиннопробежной миграции неравновесных межузельных атомов примеси независимо от используемого способа подавления скоротечной диффузии. Определены значения долей атомов примеси, которые находились в межузельном положении и затем перешли в положение замещения, а также средние длины пробега неравновесных межузельных атомов бора. Наименьшее значение длины пробега межузельных атомов бора равное 4.7 нм имеет место при дополнительной имплантации ионов азота и отжиге при 750 ^оС.

1. Hamilton J.J., Kirkby K.J., Cowern N.E.B. [et al] // Appl. Phys. Lett. - 2007. – 91. - Art. no. 092122.

2. Pawlak B.J., Lindsay R., Surdeanu R. [et al] // J. Vac. Sci. Technol. B. -2004. – V. 22. - 1. - P. 297.

3. Величко О.И., Княжева Н.В. // Взаимод. излучений с твердым телом: Материалы. VIII Международной конференции. - Мн., 2009. - С. 73.

4. Velichko O.I., Kniazhava N.V. // Comput. Mat. Sci. – 2010. - 48. - P. 409.

5. Yeong S.H., Colombeau B., Mok K.R.C. [et al.] // Mat. Sci. Eng. B. - 2008. - 154–155. - P. 43.

6. Chen P.-S., Hsieh T.E., Chu C.-H. // J. Appl. Phys. - 1999. – V. 85. - 6. - P. 3114.

7. Pawlak B.J., Janssens T., Brijs B. [et al] // Appl. Phys. Lett. - 2006. - 89. - Art. no. 062110.

8. Челядинский А.П. Джадан М., Оджаев В.Б., Мильчанин О.В. // Взаимод. излучений с твердым телом: Материалы 6 Международной. конференции - Мн: Изд. центр БГУ, 2005. - С. 156.

9. R. Scholz, Gösele U., Huh J.-Y., Tan T.Y. // Appl. Phys. Lett. - 1998. - 72. - P. 200.

10. S. Mirabella, Coati A., De Salvador D. [et al.] // Phys. Rev. B. - 2002. - 65. Art. no. 045209.

11. Berezhnov N.I., Chelyadinskii A.R., Jadan M., Suprun-Belevich Yu.R. // Nuclear Instrum. and Methods in Phys. Res. Sect. B. - 1993. – V. 73. - 3. - P. 357.

12. Velichko O.I., Sobolevskaya N.A. // Nonlinear Phenom. Complex Syst. - 2007. – V. 10. - 4. - P. 376.

13. Velichko O.I., Sobolevskaya N.A. // Nonlinear Phenom. Complex Syst. - 2011. – V. 14. - 1. - P. 70.

14. Velichko O.I. Hundorina A.A. Change in the microscopic diffusion mechanisms of boron implanted into silicon with increase in the annealing temperature // arXiv:1105.4270v1 [cond-mat.mtrl-sci].

15. Suzuki K. // Solid-State Electron. – 2001. – V. 45. - 10. - P. 1747.