, ,
РНЦ «Курчатовский институт», Москва
Применение имплантации ионов кислорода и процесса твердофазной рекристаллизации приводит к значительному улучшению кремния на сапфире при одновременном уменьшении толщины эпитаксиального слоя.
Структуры кремния на сапфире (КНС) обладают рядом преимуществ при использовании их в качестве подложек в современной микроэлектроники: повышенной стойкостью к радиационным воздействиям, термостойкостью, быстродействием. Однако качество приборов, созданных на КНС-структурах резко ухудшается при уменьшении толщины кремниевого слоя. Использование процесса направленной твердофазной рекристаллизации значительно уменьшает количество дефектов в кремниевом слое. В этом случае, при имплантации ионов аморфизируется большая часть кремниевого слоя, прилегающая к границе раздела кремний-сапфир, а оставшийся на поверхности кристаллический кремний является затравкой для твердофазной рекристаллизации при последующем отжиге. Облучение производилось на установке ИЛУ-100, созданной на базе ИЛУ-3. Рекристаллизованные образцы исследовались методом рентгеновской дифракции на установке ДРОН-3М. В качестве методики измерений была выбрана схема двухкристальной брэгговской дифракции. Ширина рентгеновской кривой качания (ШКК) характеризовала кристаллографическое совершенство кремниевого слоя КНС-структуры. В нашем случае толщина слоя кремния много меньше длины экстинкции для выбранной характеристической линии CuKα, и значит, величина ШКК пропорциональна среднему по толщине слоя количеству дефектов. Измерение толщины слоя SiO2, образующегося во время отжига в окислительной атмосфере, проводилось на эллипсометре ЛЭФ-3М.
Кремниевые пленки с ориентацией (100), эпитаксиально осажденные на плоскостьсапфировой подложки, аморфизировались ионами кислорода при температуре 130К дозами 8÷12,5•1014 О+/см2. Толщина кремниевого слоя ~3000 А0. Ширина кривой качания эпитаксиального слоя исходных КНС-структур ~1500”. Энергия имплантации (120 кэВ) выбиралась из условия совпадения концентрационного максимума с границей раздела кремний–сапфир. После имплантации образцы размером 20мм×20мм, вырезанные из пластины КНС диаметром 100 мм, подвергались двухстадийному отжигу (550 0С – 30’ + 1000 0С – 1 ч) во влажном кислороде. При температуре 550 0С происходила рекристаллизация облученных образцов со стороны оставшегося приповерхностного монокристаллического кремния. На второй стадии термического отжига (1000 0С) удалялись оставшиеся дефекты. Для образцов, отжигавшихся в окислительной атмосфере, величина образовавшегося поверхностного слоя SiO2 составила 4050±100 А0, что соответствует величине удаленного кремниевого слоя около 1800 А0.
На рис. 1 представлены экспериментальные результаты по твердофазной рекристаллизации аморфизированных ионами кислорода образцов после отжига во влажном кислороде в течение 1 ч. Зависимость ШКК от дозы аморфизации имеет ярко выраженный минимум в районе~1•1015 О+/см2. При этой дозе образцы имеют наилучшее кристаллографическое совершенство (ШКК~820”). Ход левой ветви представленной зависимости довольно очевиден: увеличение степени аморфизации и ширины аморфного слоя должны приводить к созданию кристаллически |
Рис. 1: Зависимость ШКК от дозы аморфизации при имплантации ионов кислорода с энергией 120 кэВ. Отжиг в окислительной атмосфере: 5500 С – 30 мин; + 10000 С – 1 ч |
более совершенной структуры после твердофазной рекристаллизации. Механизм ухудшения кристаллического качества рекристаллизованных образцов при дозах аморфизации больших 1•1015 не вполне ясен. Причинами этого явления может быть как ухудшение затравочного слоя при приближении к поверхности, так и процессы на границе раздела (освобождение кислорода и алюминия, препятствующих протеканию процесса рекристаллизации).
