Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках - Вавилов В.С.
Скачать (прямая ссылка):
*) В случае кратковременных импульсов тепловое равновесие не успевает устанавливаться.
304 ПРОЦЕССЫ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ [ГЛ. 7
Дополнительное ускорение нагрева возбуждаемого слоя при JIO нмеет место за счет индуцированного «металлического» механизма поглощения света.
При интенсивностях возбуждения, превышающих 106 Вт/см2, время, необходимое для разогрева полупроводника, лежит в области 10-9—10-8 с, т. е. в случае наносекундного лазерного импульса разогрев практически совпадает с нарастанием интенсивности возбуждения. При типичных для эксперимента длительности импульса порядка 20 не и плотности возбуждения ~1 Дж/см2 существенно повышается температура в тонком приповерхностном слое кремния [83], в результате чего происходят плавление на определенной небольшой толщине, пребывание слоя в расплавленном состоянии в течение Ю-8— 10-7 с и последующая кристаллизация в процессе очень быстрого остывания (108 — 109 °С/с).
Толщина существенно прогреваемого слоя не превышает 2-3 мкм, и в основной части базового материала электрофизические параметры не должны изменяться. В случае использования для JIO миллисекундных импульсов достаточны интенсивности, на 2-3 порядка меньшие; при этом степень фотоионизации полупроводника невелика, по возбужденное состояние электронной подсистемы длится значительно дольше. Таким образом, как при кратковременном (10“8—10~9 с), так и при более длительном режиме JIO на процессы структурных изменений в полупроводнике воздействуют как импульсный нагрев, так п высокий уровень ионизации. Согласно современным представлениям об ионизационно-стимулированных процессах [88, 89] интенсивная ионизация может ускорять диффузию примесей и структурные изменения в твердой фазе. Интересные соображения относительно роли ионизации были высказаны Ван-Вехте-ном [91].
При анализе условий в полупроводнике, подвергнутом воздействию интенсивного светового импульса, следует учитывать и влияние таких факторов, как импульс давления, которое может достигать нескольких кбар и, согласно оценкам Иванова и др. [90], генерировать точечные дефекты. Напряженность электрического поля во время импульса доходит до 105 В/см, что может приводить к ионизации примесей и другим эффектам.
ЛАЗЕРНЫЙ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОТЖИГ
305
Влияние каждого из указанных выше факторов на окончательный результат JIO пока не подвергалось количественному анализу.
Из приведенных выше соображений следует, что процессы JIO и ИЗО (импульсный электронный отжиг) имплантированных слоев полупроводников делятся на «жидкофазные» и «твердофазные». Заметим, что это деление в некоторой мере аналогично разграничению, давно используемому r/ри анализе механизмов возникновения кластеров дефектов под действием быстрых нейтронов в кристаллах (модель «тепловых клиньев» и модели каскадного умножения числа смешанных атомов).
Итак, жидкофазный JIO соответствует эпитаксиальной рекристаллизации отжигаемого слоя от границы с кристаллической подложкох"1 из расплавленного состояния, в который слой был переведен мощным импульсом света пли электронов. В случае JIO этот механизм реализуется при использовании единичных наносекундных световых импульсов при достаточно большой плотности возбуждения (плато на кривой зависимости эффективности JIO от плотности энергии).
Твердофазный ЛО заключается в ориентированной и неориентированной кристаллизации разупорядоченного слоя без стадии плавления. Твердофазный ЛО, естественно, реализуется при меньших плотностях энергии импульсного возбуждения. По мнению ряда авторов [85], именно в этом случае важную роль играют стимулирующие отжиг факторы нетермического характера, так как только нагревом не удается объяснить аномально высокие скорости кристаллизации, совершенство структуры ре-кристаллизованных слоев и возможности образования структур с пересыщением электрически активными примесями.
Основные экспериментальные данные. Известно, что после термического «равновесного» отжига кремния даже при температурах в области 1100—1150 °С в имплантированных слоях сохраняется значительная часть таких нарушений, как дислокации, «преципитаты», двойники. Лазерный отжиг, как показали эксперименты последнего времени [92, 93], приводит к лучшим результатам. В имплантированных системах Si—В, Si—Р, Si—As, Si—Sb и других методами электронной микроскопии (про-
20 В. С. Вавилов и др.
ЗОС ПРОЦЕССЫ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ [ГЛ. 7
пускание) п электронной дифракции (отражение), а также методом обратного рассеяния [94] было показано, что J10 приводит к возникновению структур без указанных выше типов дефектов. Особенно эффективным оказался жидкофазный режим JIO. По мнению большинства авторов, это обстоятельство связано с очень большой скоростью про-
О
цесса кристаллизации, достигающей порядка 1010 Л/с, что примерно в тысячу раз больше скоростей, осуществимых при традиционных видах термообработки (закалка). Предполагается, что в этом случае центры дефектообра-зования «не успевают» возникать. Теория сверхбыстрых перемещений фронта кристаллизации пока не развита.
