Электрическая активация примеси

Непосредственно после имплантации внедрённые атомы примеси находятся преимущественно в междоузельных позициях, в которых не проявляют электрической активности. Для электрической активации их необходимо перевести в узельные позиции. Кроме того, в имплантированном слое присутствует большое количество РД, имеющих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния и оказывающих компенсирующее действие на мелкие донорные или акцепторные уровни. Перевод атомов примеси в узлы и устранение РД осуществляется с
помощью отжига – обычного термического или какого-либо другого (быстрого термического, лазерного, электронного, ионного или СВЧ).

При невысоких дозах имплантации (Q < 10¹⁴ см^–2) температура отжига, необходимая для полной электрической активации легирующих примесей в кремнии, повышается с увеличением дозы. Однако при более высоких дозах (Q > 10¹⁴ см^–2) в активации примесей могут появляться особенности. Так, при отжиге примеси бора в кремнии (рис. 3.14) в диапазоне температур 500…600 °С наблюдается явление уменьшения коэффициента электрической активации f_а = Q_a/Q с увеличением температуры отжига (кривые 2, 3), получившее название отрицательного отжига. Явление объясняется распадом твёрдого раствора бора в кремнии (путем кластеризации атомов бора) при уменьшении его растворимости вследствие уменьшения концентрации избыточных (“радиационных”) вакансий. При повышении температуры свыше 600 °С растворимость бора снова увеличивается вследствие роста концентрации термодинамически равновесных вакансий.

При активации примеси фосфора наблюдается нарушение закономерности увеличения температуры отжига с увеличением дозы имплантации при дозах свыше 3×10¹⁴ см^–2 (рис. 3.15). Это происходит в связи с аморфизацией имплантированного слоя кремния при Q > Q_a и, соответственно, с изменением механизма отжига РД. При температурах 500…550 °С происходит твёрдофазная эпитаксиальная кристаллизация аморфного слоя с соответствующим восстановлением нарушенной кристаллической решётки.

3.10. Диффузия примеси из имплантированного слоя

При постоянном коэффициенте диффузии (D = const) задача диффузии примеси из имплантированного слоя с начальным распределением, заданным гауссианом (рис. 3.16, кривая 1), имеет аналитическое решение в виде

.

Знак «+» между экспонентами соответствует граничному условию отражающей границы или отсутствию испарения на поверхности при x = 0: (рис. 3.16, кривая 2). Знак «–» между экспонентами соответст-вует граничному условию поглоща-ющей границы или испарению с очень высокой скоростью: C(0, t) = 0 (рис. 3.16, кривая 3).

Реальная диффузия из имплантированного слоя ускорена по сравнению с диффузией в ненару-шенном имплантацией материале (переходная ускоренная диффузия). Ускорение диффузии может быть описано временной зависимостью коэффициента диффузии D(t), с коэффициентом ускорения h(t), который уменьшается со временем отжига:

D(t) = h(t)D,

h(t) = 1+ (h₀ – 1) exp(–t/t),

где h₀ – начальный коэффициент ускорения; t – характеристическая постоянная времени, являющаяся функцией температуры,

t = t₀exp (E/kT).

Причиной ускоренной диффузии являются избыточные (радиа-ционные) вакансии и СМА, образующиеся при отжиге радиационных дефектов, введенных имплантацией. Этот вывод подтверждается одина-ковыми значениями t₀и E для разных легирующих примесей (B, P, As, Sb) в кремнии (t₀= 3.5×10^–6 с, E =1.8 эВ).