WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 11 01;10,11 Моделирование процесса двухпучковой высокодозной ионной имплантации в твердотельные мишени © А.Ф. Комаров Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко, 220064 Минск, Белоруссия e-mail: kff@rfe.bsu.unibel.by (Поступило в Редакцию 27 июля 2000 г. В окончательной редакции 18 января 2001 г.) Разработана физико-математическая модель и программа динамического моделирования BEAM2HD, которая позволяет моделировать процесс одно- или двухпучковой высокодозной ионной имплантации в многослойные и многокомпонентные мишени. При этом число слоев не превышает трех, а число разных типов атомов в каждом слое не превышет семи. Моделирование реализовано методом Монте-Карло. Приводятся численные результаты работы по формированию сверхтвердных слоев Cx3Ny4 путем двухпучковой высокодозной ионной имплантации азота в многослойную систему Si3N4/C/Si3N4/Si.

Введение в аморфных твердых телах. Данная программа представляет возможность моделировать процесс одноВ настоящее время существуют два основных метода или двухпучковой высокодозной ионной имплантации моделирования пробегов ионов в твердых телах. Первый в многослойные и многокомпонентные мишени. При использует подход Монте-Карло [1–4] и рассматривает этом число слоев не превышает трех, а число разных историю движения каждого иона в отдельности, второй типов атомов в каждом слое не превышает семи.

основан на решении интегродифференциальных уравне- Обсуждаются возможности данной программы для ний переноса частиц [5–8]. Метод Монте-Карло отли- предсказания выхода распыления и имплантационных чается гибкостью, он позволяет производить точные рас- профилей, а также исследуется влияние отдельных четы для многокомпонентных и многослойных мишеней, высокодозных эффектов на профили распределения в том числе в случае облучения поверхностей сложной имплантированной примеси. Коэффициенты распыления формы, что позволяет моделировать, например, совре- определяются программой BEAM2HD для диапазона энергий от 1 до 300 keV при облучении кремния ионами менные технологические процессы производства СБИС аргона при нормальном угле падения. Рассчитаны или взаимодействие плазмы с поверхностью вакуумной камеры. Однако большинство стандартных методов мо- глубинные концентрационные профили ионов азота с делирования ионной имплантации (в том числе и указан- энергией 150 keV для доз от 4.5 · 1017 до 1 · 1018 N/cm2.

Предполагается модель по формированию сверхтверные выше [1–8]) сформулировано в приближении низких дых слоев Cx3Ny4 путем высокодозной двухпучковой доз легирования. Такой подход не учитывает целого ионной имплантации азота в многослойную систему ряда эффектов, проявляющихся при высокодозной ионSi3N4/CSi3N4/Si. На основании программы BEAM2HD ной имплантации и связанных с процессом накопления проведен расчет профилей распределения атомов азота в имплантированной примеси, каскадного перемешивания, данной многослойной системе, определена толщина пораспыления и распухания мишени. Между тем высокослойной эрозии за счет распыления в процессе импландозная ионная имплантация широко используется для тации, а также предложены оптимальные энергии и дозы синтеза соединений, применяемых в промышленности имплантации азота для формирования слоя, близкого по и микроэлектронике. Недавно были разработаны простехиометрии к C3N4.

граммы динамического моделирования [9–12], частично основанные на хорошо известных статистических программах TRIM [4] и MARLOWE[1] для учета некоторых Формулировка модели из упомянутых выше дозовых эффектов. К существенным недостаткам вышеуказанных методов следует отнести а) Рассмотрение процессов рассеяния и невозможность моделирования процесса одновременной т о р м о ж е н и я. В программе BEAM2HD при моделиромногопучковой имплантации. Однако следует ожидать, вании торможения и рассеяния влетающих ионов и аточто структурная перестройка и соответственно формиро- мов отдачи ядерное и электронное торможение рассмавание новых фаз в процессе одновременной многопучко- триваются как отдельные процессы. При этом для ядервой ионной имплантации будут принципиально отличать- ного рассеяния применяется аппроксимация бинарных ся по сравнению с раздельным процессом имплантации столкновений, в то время как электронное торможение пучком одного сорта ионов, а затем другого. рассматривается как непрерывный процесс. Для расчета В данной работе дается описание программы углов рассеяния на ядрах использована приближенная BEAM2HD, основанной на методе Монте-Карло, формула из [4], а электронные потери энергии рассчитыкоторая позволяет моделировать торможение ионов ваются в соответствии с теорией Линдхарда и др. [13].

120 А.Ф. Комаров Учтено влияние следующих основных факторов, сопут- пригодна для всех имеющихся экспериментальных данствующих высокодозной ионной имплантации [14,15]: ных в широком диапазоне энергий в случае нормального послойное распыление поверхности мишени, рассеяние падения пучка. Однако для определенного интервала энергий и комбинаций ион-атом целесообразно, как буимплантируемых ионов на ранее внедренных атомах дет показано далее, использовать формулу Зигмунда [18] примеси, распухание мишени в результате имплантации для Y(E0) в случае перпендикулярного облучения мишебольших доз ионов.

ни и в предположении линейного каскада.

Описываемая модель дает возможность описать имплантацию ионов примеси в мишень при помощи одного или двух пучков. При этом каждый пучок характериРезультаты и обсуждение зуется своей начальной энергией, массой и зарядом ионов пучка, дозой и количеством моделируемых траека) Распыление Si ионами Ar. На рис. 1 экспериторий для каждого пучка. Каждой траектории ставится ментальные коэффициенты распыления из работ [19–26], в соответствие ”псевдочастица”, представляющая собой приведенные в работе [12], сравниваются с расчетными некоторый интеграл внедряемой дозы, по аналогии с проданными, полученными по программе HIDOS [12] и граммами TRIDYN [11] и HIDOS [12], моделирование BEAM2HD. Поверхностная энергия связи для кремния траекторий каждого пучка осуществляется поочередно.

была взята равной Us = 7.8V в [12] и в данной Мишень может состоять не более чем из трех разных фи- работе для расчета по [18], а для расчета по [16,17] зических слоев. Изначально вся толщина мишени (моде- использовано значение Us = 4.63 eV из [17]. Наилучшее лируемая область) делится на 100 равных динамических согласие между расчетными данными и экспериментом слоев, а в процессе ионного облучения динамическое во всех случаях достигается для высоких энергий. Хороизменение состава мишени рассматривалось в соответ- шее согласие расчета Y программой BEAM2HD с эксствии с подходами, предложенными в работах [11,12]. периментом для всего интервала энергий достигается При этом изначально каждый слой мишени (физический, при использовании эмпирической формулы из [16,17].

а не динамический) может содержать до семи разных Однако для интервала энергий 5 < E < 50 keV в компонент.

б) Учет фактора распухания и распыления м и ш е н и. Описание процессов распухания и распыления мишени в процессе высокодозной ионной имплантации подробно приводится в наших работах [14,15].

Если в результате моделирования очередной траектории ”псевдочастица” останавливалась в некотором глубинном (динамическом) слое, то этот слой распухает и величина толщины данного слоя описывается формулой Dimp · 10-(l) = (), (1) Nimp где Nimp (-3) — атомарная плотность внедряемой примеси типа imp.

Если общая доза внедряемой примеси типа imp равна Dimp и моделирование ионной имплантации осуществляется с помощью NH траекторий, то каждой траектории ставится в соответствие доза Dimp = Dimp/NH.

Розыгрыш столкновений ионов и атомов отдачи, а также изменение стехиометрического состава в каждом динамическом слое подробно описаны в работе [15].

Толщина распыляемой поверхности мишени в результате налетания одной ”псевдочастицы” рассчитывается следующим образом:

Рис. 1. Рассчитанные и измеренные коэффициенты распылеY(E0) dimp = Dimp10-16 (), (2) ния для облучения кремния ионами аргона при нормальном Ntarget угле падения. a и b — расчетные данные из [12] (Us было взято равным 7.8 и 3.9 eV соответственно); c, d — результаты где Ntarget (-3) — атомарная плотность мишени, настоящей работы; c — расчет Y по [15,16] (Us = 4.63 eV); d — Y (E0) — коэффициент распыления.

расчет Y по [17] (Us = 7.8eV). Экспериментальные данные:

Для расчета коэффициента распыления применялась — [18], — [19], — [20], • — [21], — [22], — [23], эмпирическая формула, предложенная в [16,17], которая — [24], — [25].

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Моделирование процесса двухпучковой высокодозной ионной имплантации в твердотельные мишени случае распыления кремния из [16,17]. Однако для интервала энергий 5 < E < 50 keV в случае распыления кремния аргоном расчет Y по [18] лучше согласуется с экспериментальными данными. Как видно из рис. 1, программа HIDOS [12], в которой расчет распыления проводится с учетом полных каскадов столкновений, вызванных первичным ионом при условии (T Us, где T — энергия, переданная атомам мишени), занижает коэффициент распыления в низкоэнергетическом диапазоне, в то время как использование эмпирической формулы из [16,17] позволяет достаточно хорошо рассчитывать коэффициент распыления для широкого интервала энергий 0.1–300 keV. Можно предположить, что в HIDOS [12] для случая низких энергий пучка ионов E < 10 keV занижено сечение ядерного торможения, так как изменение значения поверхностной энергии связи для кремния с 7.до 3.9 eV не приводит к удовлетворительному согласию с экспериментом в этом интервале энергий (кривые a и b на рис. 1).

Рис. 2. Рассчитанные глубинные профили распределения азота б) Высокодозная имплантация N в Si. Для в кремнии для разных доз имплантации. Сплошные кривые — результаты настоящей работы: доза 4.5 · 1017 (1), 5 · 1017 (2), создания скрытых слоев Si3N4 по КНИ-технологии пу7.5·1017 (3), 1·1018 cm-2 (4); штриховая — работа [12]: 5·тем ионной имплантации необходимы высокие дозы (5), 7.5 · 1017 (6), 1 · 1018 cm-2 (7); 8 — эксперимент [33] для азота [27–34]. В данном случае толщина верхнего дозы 4.5·1017 cm-2; 9 —Пирсон-IV[34] для дозы 4.5·1017 cm-2.

слоя кремния имеет большое значение. Если дозовые эффекты приводят к значительному изменению концентрационного профиля или пробега, следует установить необходимую имплантационную энергию с тем, чтобы в проективном пробеге и ширине профиля, но и тот достигнуть желаемых глубин.

и другой эффект в большей степени компенсируетНа рис. 2 приведены рассчитанные на основании ся распуханием мишени (34 nm после облучения до BEAM2HD распределения ионов азота с энергией 1 · 1018 атом/cm2).

150 keV и дозами 4.5·101-1·1018 cm-2 в кремнии в срав- На рис. 2 проведено также сравнение расчетного (кринении с HIDOS [12], аналитическими расчетами, выпол- вая 1) и экспериментального [33] (кривая 8) профилей ненными на основании распределения Пирсона-IV [34], распределения ионов азота с энергией 150 keV и для дозы и экспериментальными данными [33]. Как видно, форма 4.5 · 1017 N/cm2. Как видим, наблюдается соответствие и ширина расчетных профилей практически не зависят глубин залегания максимумов расчетного и эксперименот дозы ионов. Проективный ионный пробег, однако, тального профилей распределения имплантированного уменьшается почти линейно с увеличением дозы ионов азота в кремнии. Однако расчетный концентрационный в исследованном диапазоне доз 5 · 1016-1 · 1018 cm-2.

профиль распределения азота в кремнии гораздо уже При дозе 1 · 1018 cm-2, приводящей к количеству азота, экспериментального и в области максимума превышает равному 65 at.%, в максимуме профиля этот сдвиг со- экспериментальный профиль примерно на 25%. Это ставляет 5% (24 nm). Основная причина для сдвига = отличие в некоторой степени можно объяснить несопрофиля — распыление. Определенный по формуле (4) ответствием (завышением) выбранной при расчете масиз нашей более ранней работы [14] коэффициент распы- совой плотностью формируемых преципитатов нитрида ления Y(E0) = 0.119 атомов на ион. Рассчитанные кремния SixNy, а она выбиралась равной 3.19 g/cm3 [35].

концентрационные профили распределения азота в обла- Но основной причиной различия расчетного и эксперисти максимума превышают примерно на 8% профили, ментального профилей распределения азота в кремнии полученные по HIDOS [12]. Проективный пробег Rp является отсутствие учета как в программе BEAM2HD, тоже несколько отличается в настоящей работе (для дозы так и в программах TRIDYN [11] и HIDOS [12] про1·1018 cm-2), он равен 321 nm, а в [12] Rp 318 nm. Это = цесса радиационно-стимулированной диффузии (РСД) различие можно объяснить выбором сечений ядерного имплантированного азота в кремнии, приводящей при торможения, а не расчетом толщины послойного распы- таких дозах имплантации к значительному уширению ления, так как коэффициенты распыления в [12] Y = 0.12 и соответственно уменьшению объемной концентрации и полученный в данной работе Y = 0.119 почти равны. в области максимального распределения. Различие меИмплантация высоких доз азота приводит к изменени- жду формами аналитического профиля (кривая 9), полуям в силе торможения и распуханию мишени. Ожидает- ченного на основании распределения Пирсона-IV [34], ся, что непрерывно увеличивающаяся атомная плотность и экспериментального (кривая 8) в основном также в глубинной области должна приводить к уменьшению объясняется моделированием без учета РСД.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 122 А.Ф. Комаров 1. На основании решения обратной задачи [36] (полиэнергетическая ионная имплантация) были получены приближенные значения энергий и доз для формирования однородного профиля азота с объемной концентрацией 2.35 · 1023 cm-3 в слое углерода. Задавался режим двух имплантаций.

2. По программе BEAM2HD (рис. 3) подобраны более точно энергия и доза каждого из двух пучков, а также рассчитан суммарный концентрационный профиль азота в углеродном слое. Значения энергий пучков выбирались из условия остановки имплантированных атомов азота в углеродном слое, а интегральные дозы каждого из пучков — из условия получения однородного суммарного концентрационного профиля азота в углероде со стехиометрическим составом, близким к 4/3.

Как видим из рис. 3, суммарный концентрационный профиль азота в области 2 максимумов (для заданных параметров имплантации каждого из пучков) несколько превышает значение 2.35 · 1023 cm-3. Однако следует предположить, что в силу радиационноРис. 3. Распределение по глубине азота, имплантированного стимулированной диффузии эти два пика сгладятся. Пов режиме двухпучковой ионной имплантации в многослойную слойное распыление приводит к поверхностной эрозии систему Si3N4/C/Si3N4/Si.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.