Рентгеновские исследования термической и лазерной диффузии бора в кремнии

КРИСТАЛЛОФИЗИКА

С. В. Шилов, Л. Н. Котов, А. П. Петраков, Ф. Ф. Асадуллин

РЕНТГЕНОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ЛАЗЕРНОЙ ДИФФУЗИИ БОРА В КРЕМНИИ

Методами дифракционного отражения и трехкристальной рентгеновской дифрактометрии исследовано изменение структуры монокристаллов кремния при термической и лазерной диффузии бора. Установлены толщины легированных слоев, средние деформации, факторы аморфизации, типы дефектов, а также их плотности и размеры.

Ключевые слова: кремний, легирование, диффузия, деформация, дефекты, статфактор.

Легирование приповерхностных слоев монокристаллов с целью модификации электрических характеристик традиционно осуществлялось методом термической диффузии. Одним из перспективных является способ легирования методом импульсного нагрева под действием лазерного излучения. При этом внедренная примесь занимает преимущественно узлы кристаллической решетки, т. е. имеет высокую активацию [1]. Уменьшается также количество термически активированных дефектов, поскольку время проведения диффузии мало.

Сравнение толщин и дефектности диффузионных слоев проводилось для высокосовершенных монокристаллов кремния после внесения легирующей примеси (бора) методом термической диффузии и лазерного легирования.

Рентгеновские исследования проводились по двух- и трехкристальной схемам дифракции, в бездисперсионной геометрии на СиКа]-излучении. Использовался монохроматор с трехкратным и анализатор с однократным отражениями.

Для изучения термической диффузии на монокристаллы кремния в вакууме при давлении р « 10-5 мм рт. ст. методом импульсного лазерного напыления наносилась пленка бора толщиной « 3000 А. Диффузия проводилась в атмосфере гелия высокой чистоты при Т = 1000 0С в течение ^ = 20, 40 и 60 минут. На кривой дифракционного отражения (КДО) образца, подвергнутого нагреву в течение 1 часа при 1000 °С (кривая 3), в области углов, больших угла Брэгга дбр, наблюдается дополнительный пик. Его появление объясняется возникновением слоя с уменьшенным параметром решетки, т. к. атомы бора, проникая вглубь кристалла, занимают узельные позиции (их ковалентный тетраэдрический радиус гв = 0,88 А, что меньше, чем у кремния — 1,17 А) [2]. Уменьшение длительности отжига до 40 минут приводит к смещению дополнительного пика в область больших углов (линия 2), что указывает на увеличение средней деформации в приповерхностном слое. При этом заметно падает интенсивность пика, пропорциональная квадрату толщины нарушенного слоя. Дальнейшее сокращение длительности диффузии до 20 минут приводит к слабому уменьшению отрицательной деформации. Это заметно по небольшому смещению дополнительного пика влево практически без снижения его интенсивности (линия 1), что свидетельствует о малом изменении толщины нарушенного слоя. По угловому расстоянию Ад между дополнительным пиком и пиком от подложки определялось среднее рассогласование параметров решетки слоя и подложки [3]:

Аё/ё = - е1§дбр • Ад.

Значения кё/ё для трех рассмотренных образцов приведены в таблице. Наибольшая средняя деформация наблюдается для образца со временем диффузии 40 минут.

20 0 20 40 60 80 100

а, угп. с

Рис. 1. КДО кристаллов после термической диффузии бора при температуре 1000 С в течение: 1 — 20, 2 — 40, 3 — 60 мин; 4 — КДО совершенного кристалла

Для данных образцов были получены спектры трехкристальной рентгеновской ди-фрактометрии (ТРД). Величины статфакторов Дебая-Валлера f = exp (-W) рассчитывались из отношения интенсивностей главных пиков нарушенного и совершенного кристаллов на трехкристальных спектрах [3]. Их значения составили f = 0,60, 0,40 и 0,35 при длительностях отжига 60, 40 и 20 минут соответственно. По спектрам ТРД были построены функции приведенной интенсивности Р(а) для рассматриваемых образцов по формуле

Р

где /гп — интенсивность главного пика на трехкристальных кривых; к — нормировочный коэффициент, определяемый из условия, что Р(а) = 1 для совершенного кристалла. По величине Р(а 0) и положению а 0 максимума и исходя из полуширины Да э пика на графике функции Р(а), зная среднее значение статфактора f в нарушенном слое, можно определить эффективную толщину слоя с измененным параметром решетки по формулам [3]

£ m = ДЗ бр Л / 4fa0  [Р

где ДЗ бр = 7,14// — собственная ширина брэгговского пика отражения от совершенного кристалла; Л — глубина экстинкции;

£ h = 1,4X / 2л:Да0 соб

где

Да0 = Даэ[2

X — длина волны падающего излучения. Величины £ m и £ h, определенные по максимуму и полуширине пика Р(а0) для всех образцов, приведены в таблице. Толщина слоя £ k, определяемая по максимуму дополнительного пика R(o0) на КДО, рассчитывалась из формулы [3]

Д

где R0(o0) — коэффициент отражения совершенным кристаллом.

Параметры слоя Время термообработки

20 мин 40 мин 60 мин

(-Дё/ё)-104 9,6 10 7,3

£ ь, мкм 0,50 0,55 0,63

£ т, мкм 0,90 0,90 0,64

£ к, мкм 0,82 0,88 0,90

Было исследовано диффузное рассеяние рассматриваемых образцов. В области отрицательных углов а в двойном логарифмическом масштабе были построены зависимости интенсивности диффузного рассеяния от угла поворота образца (путем вращения образца при нулевом повороте анализатора). Тангенс угла наклона прямой, аппроксимирующей экспериментальные точки, для кристаллов со временем диффузии 20 и 40 минут равен п = 3,7+0,2 и п = 3,5±0,2 — для времени 60 минут. Полученные значения близки к п = 4, что соответствует спаду диффузного рассеяния по закону 1др ~ 1/а4. Такая зависимость характерна для дефектов типа дислокационных петель и соответствует дальней области Стокса-Вильсона [3]. Оценки радиуса петель г были проведены по формуле [4]

г « 1/ кДа,

где к = 2 А -1 — модуль вектора обратной решетки; Да — ширина диффузного пика на трехкристальных спектрах. Полученное значение составило г « 0,43 мкм.

Импульсное легирование под действием СО2-лазера изучалось для образцов с пленкой бора толщиной порядка 1000 А при длительностях воздействиях ^ = 0,2, 0,4, 0,7, 1,

2, 4 с, а также в интервале 80-240 с. Плотность мощности составляла 300 Вт/см2. Средние значения статфактора в приповерхностном слое составили соответственно / = 0,92,

0,85, 0,82, 0,71, 0,65, 0,78 и 0,60 (последнее значение при облучении в диапазоне 80240 с). На двухкристальных спектрах не зафиксировано дополнительных пиков в области углов, больших $бр. Функции приведенной интенсивности имеют подъем в правой части только для образцов со временем воздействия в интервале 80-240 с, что соответствует слою с уменьшенным параметром решетки. Наибольший максимум наблюдается для образца, облученного в течение 240 с. Рассчитанная по величине этого максимума, согласно (3), толщина легированного слоя составила £ т = 1400 А. Принимая данную толщину за диффузионную глубину Ь проникновения атомов бора, можно оценить коэффициент диффузии из формулы [2]

Ь =

Полученное значение равно Б = 0,810-14 см2/с. По порядку величины оно согласуется со значениями коэффициента при обычной термической диффузии (10-13-10-14 см2/с) [1-2].

Также проведены исследования по изменению структуры кремния в результате диффузии из пленки бора под действием миллисекундного воздействия (^ = 0,5 мс, Ж = 8 Дж/см2) рубинового лазера, работающего в режиме свободной генерации. Толщина пленки составляла 1300 А и наносилась методом импульсного лазерного напыления в вакууме.

В результате воздействия однократного импульса КДО кристалла испытывает существенные изменения в виде подъема «хвостов», более сильно проявляющегося в правой части. Функция Р(а) имеет заметный максимум в правой части, что соответствует слою

с уменьшенным параметром решетки. Средняя деформация в приповерхностном слое по модулю составила Ad/d = 20,810—4 Зная среднее значение статфактора f = 0,50), рассчитанное из отношения интенсивностей главных пиков на трехкристальных кривых, по величине максимума на графике функции P(A) можно оценить толщину слоя с измененным параметром решетки. Толщина слоя составляет £ m« 700 А. Используя формулы (8), принимая диффузионную длину L « 700 А, можно оценить коэффициент диффузии бора за время лазерного воздействия и остывания кристалла (для оценки t ~ 1 мс). Расчетное значение составило D ~ 5-10—8 см2/с, что существенно превосходит коэффициент диффузии бора в обычных термических условиях. Данный факт объясняется появлением областей локального плавления (ОЛП). Размеры ОЛП, оцененные с помощью оптического микроскопа, составляли 0,2-0,3 мм. Параметр рельефа, рассчитанный по уширению главного пика, составил ( у2 )12 « 15 . Для сравнения, при плотности энергии W = 10 Дж/см2 (у2 )12 увеличивается до 37 . Пороговая плотность энергии, приводящая к плавлению приповерхностного слоя, составляет для кремния в случае миллисекундного лазерного воздействия W = 15-20 Дж/см2. Анализ зависимости спада интенсивности диффузного рассеяния показал, что основной тип дефектов — хаотически распределенные дислокации. Плотность дислокаций, рассчитанная по ширине

5 —2

главного пика, составила nd ~ 5,210 см .

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 06-02-17302).

Список литературы

1. Борисенко, В. Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве / В. Е. Борисенко. Минск : Наука и техника, 1992. 248 с.

2. Атомная диффузия в полупроводниках / под ред. Д. Шоу. М. : Мир, 1975. 246 с.

3. Бушуев, В. А. Исследование влияния лазерного отжига на структуру приповерхностных слоев ионно-имлантированного кремния методом рентгеновской дифракто-метрии / В. А. Бушуев, А. П. Петраков // Физика твердого тела. 1993. Т. 35, № 2. С. 355— 364.

4. Бушуев, В. А. Рентгеновские исследования зависимости профилей деформации и аморфизации приповерхностных слоев монокристаллов кремния от дозы имплантации ионов бора / В. А. Бушуев, А. П. Петраков // Кристаллография. 1995. Т. 40, № 6. С.1043-1049.