Дефекто-примесная инженерия в ионно-имплантированном кремнии

Емкость DRAM и размер элементов МОП-ПТ. Прогноз Ассоциации Полупроводниковой Промышленности (Semiconductor Industry Association – SIA)
Пути решения:
1) Создание новых методов формирования p-n переходов
PIII - плазменная иммерсионная ионная имплантация;
P-GILD – проецированное газово-иммерсионное лазерное легирование;
RVD – быстрое газо-фазное легирование;
B10H12 – кластерная имплантация.
2) Развитие стандартной кремниевой технологии – низкоэнергетичная ионная имплантация.
Основная тенденция развития микроэлектроники – уменьшение вертикальных и линейных размеров легированных областей в кремниевой подложке.
УМЕНЬШЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЛЕГИРОВАННЫХ ОБЛАСТЕЙ

ТРАДИЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ
1. Низкоэнергетическая ионная имплантация
Влияние эффекта каналирования на профили бора
Проблемы:
эффект каналирования
дефекты структуры
Влияние массы ионов на формирование аморфного слоя в кремнии

ТРАДИЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ
2. Термообработка
Проблемы:
неравновесная ускоренная диффузия примеси;
компромисс между максимальной степенью активации примеси, минимальной диффузией примеси, полным отжигом структурных дефектов
Диффузия в кремнии: (a) – условия равновесной диффузии;
(b) – неравновесная ускоренная диффузия (TED) атомов бора

НЕРАВНОВЕСНАЯ УСКОРЕННАЯ ДИФФУЗИЯ
Основные характеристики НУД:
1) Диффузионная способность легирующей примеси может быть в 102 –106 раз выше, чем равновесная величина;
2) Диффузионная способность уменьшается со временем – вплоть до равновесной величины.
Причина явления НУД:
Формирование подвижных комплексов «атом примеси» –«междоузельный атом кремния», за счет вытеснения избыточными собственными междоузельными атомами (СМА) кремния примеси из замещающих положений в решетке.
Диффузионная способность легирующей примеси пропорциональна концентрации СМА кремния.

ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ
Отжиг неаморфизованного слоя
I-V-пары –> кластеры дефектов (междоузельного типа) –> {311}-дефекты –> СМА.
Время отжига {311}-дефектов: 950 °С – десятки секунд; 800 °С – десятки минут.
Отжиг аморфного кремния
Полная рекристаллизация а-Si от границы раздела a-Si/c-Si к поверхности происходит при 550 °С.
Область под границей раздела а-Si/с-Si – вторичные дефекты структуры (дислокационные петли (ДП) и {311}-дефекты).
700 °С: ДП + {311}-дефекты.
800 °С: доминирующие дефекты – ДП.
Стабильность ДП при 900 °С – несколько часов, при 1050 °С – несколько секунд
Активация примеси
Время активации при быстром термическом отжиге (БТО): 1000 °С – несколько секунд, 800 °С – десятки минут

1. Скорость набора дозы
Увеличение генерации дефектов, что позволяет получать аморфные слои при меньших дозах имплантации.
Уменьшение слоевого сопротивления.
Увеличение степени активации примеси.
2. Двухступенчатый отжиг
1) 500-600 °С, 30-60 минут – удаление точечных дефектов от границы a-Si/с-Si, рекристаллизация a-Si.
2) 900-1050 °С БТО – активация легирующей примеси.
3. Предварительная аморфизация ионами Si+ или Ge+
Аморфные слои подавляют каналирование имплантированных ионов легирующих примесей, особенно легких ионов, и как следствие уменьшают глубину залегания имплантационного профиля.
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ПРИ СОЗДАНИИ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ P-N-ПЕРЕХОДОВ В КРЕМНИИ

4. Сверхбыстрый нагрев при БТО
Получают переходы с меньшей глубиной залегания и меньшим количеством дефектов. Причина эффекта – энергия активации процесса диффузии легирующей примеси меньше, чем энергия активации для процесса отжига дефектов.
5. Совместная имплантация
А) BF2: Использование ионов BF2+ позволяет в 49/11 раз использовать большую энергию имплантации по сравнению с ионами B+, без увеличения глубины легирования. Аморфизация слоев кремния в процессе имплантации тяжелых ионов BF2+.
Б) Азот: Уменьшение деградации подзатворного окисла, вызванной присутствием F – уменьшение диффузии атомов бора в затвор.
В) Углерод: Высокая геттерирующая способность углерода к СМА кремния.
Г) Германий: Эффективная пред-аморфизация кремния, при относительно малых дозах – граница раздела а-с Si является резкой. Компенсация напряжений в кремнии, создаваемых имплантацией ионов бора.
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ПРИ СОЗДАНИИ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ P-N-ПЕРЕХОДОВ В КРЕМНИИ

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Электронные микрофотографии кремния, имплантированного ионами В+

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Изменение периода решетки Δа в имплантированном кремнии в зависимости от плотности тока ионов Jэф.:
1 – В+, Ф = 1,8·1015 см–2; 2 – С+, Ф = 4·1014 см–2
1
2

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Доля атомов углерода в узлах решетки кремния в зависимости от плотности ионного тока

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Восстановление периода решетки в кремнии, имплантированном ионами В+
1 – Si:P, ρ0= 0,5 Ом·см; Jэф.=0,04 мкА/см2
2 – Si:P, ρ0= 0,5 Ом·см; Jэф.=2 мкА/см2
3 – Si:В, ρ0= 0,005 Ом·см; Jэф.=0,2 мкА/см2

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Электрическая активация имплантированных атомов бора (1, 2) и фосфора (3, 4); 2, 4 – отжиг с подсветкой электронами

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Движение атома Si в кремнии в поле упругих деформаций, создаваемых примесью замещения

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Зависимость коэффициента усиления горизонтальных транзисторов от напряжения на базе для опытной (3 шага) и текущей (1 шаг) партии

ДЕФЕКТО-ПРИМЕСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики входных планарных диодов на опытной (3 шага) и текущей (1 шаг) пластинах

Имплантация:
ионы Sb+: 60 кэВ, 1.25×1014 см-2;
ионы P+: 20 кэВ, 8.13×1014 см-2.
Отжиг:
550 °С, 30 мин.; 850 °С, 30 мин.
В исследованиях для предварительной аморфизации использовали имплантацию сурьмы:
А) ионы сурьмы имеют большую массу;
Б) сурьма легирующая донорная примесь;
В) имплантация сурьмы технологически хорошо отработана;
Г) одновременное введение сурьмы и фосфора должно приводить к компенсации напряжений.
РЕЗУЛЬТАТЫ:
1) Очень резкий n+-p-переход с глубиной залегания 210 нм.
2) Не обнаружено вторичных дефектов структуры.
ДВОЙНАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ СУРЬМЫ И ФОСФОРА КАК МЕТОД СОЗДАНИЯ ТОНКИХ n+ СЛОЕВ В КРЕМНИИ
Профили распределения электрически активной примеси после имплантации и термообработки в (100) кремнии (КДБ-10)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ
РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ
ФОРМИРОВАНИЕ МЕЛКОЗАЛЕГАЮЩИХ p+-n – ПЕРЕХОДОВ В КРЕМНИИ
Профили электрически активного бора в p+-n переходах, сформированных имплантацией ионов BF2+ (20 кэВ, 5х1014 см-2) и последующего термического отжига.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ С ИОНАМИ BF2+ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ УГЛЕРОДА
Профили электрически активного бора в p+-n переходах.
Имплантация: BF2+ (20 кэВ, 5х1014 см-2) (кривая 3); С+ (А - 30 кэВ, 5х1014 см-2, Б - 20 кэВ, 4х1014 см-2) (кривые 1-2) и последующего термического отжига: 1) 850 °С, 60 минут, N2 (кривая 1). 2) 600 °С, 60 минут; 1000 °С, 2 минуты; 850 °С, 60 минут; N2 (кривые 2-3).
А
Б

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ С ИОНАМИ BF2+ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ УГЛЕРОДА
Значения слоевого сопротивления и слоевой концентрации в p+-n переходах в зависимости от режимов их формирования

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ С ИОНАМИ BF2+ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ УГЛЕРОДА
Светлопольные микрофотографии структуры кремния. Имплантация ионов BF2+ (20 кэВ, 5х1014 см-2) и С+ (20 кэВ, 4х1014 см-2) – В, Г. Термообработка: 1) 850 °С – 60 минут, в среде N2 – А, В. 2) 600 °С – 60 минут, 1000 °С – 2 минуты, 850 °С – 60 минут, в среде N2 – Б,Г.
В