低温水素イオン注入により導入されたシリコン結晶欠陥の特性分析

愛総研a研 究 報 告

第5号 平 成15年 45

低温水素イオン注入により導入されたシリコン結晶欠陥の特性分析

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Abstract: In low dose hydrogen implanted sample， meta-古tabledefects induced by hydrogen implanted have not

been observed in silicon implanted at room temperature司Wefirst observed it in n--typ巴siliconwhich implanted at 109K町 Oneof the meta-stable defects (EMl) was investigated in detail. Consequently， the energy level Ec and electron capture cross section were decid巴dto-O.2geV and 4.7xI0-15cm2， r巴sp巴ctively.EMl was appeared in the

condition of minus bias and 240-280K， then it was vanished in th巴conditionof OV bias and 190之50K.In high dose implanted sample， the exfoliated surface induced by furnace annealing was observed. The quantity of defect is proportional to the concentration of dopant， and it is interesting to note that p++ and p type had a sharp peak in the depth profile， but n type had a broad peak and a second p巴akin a shallow region. The number of exfoliation was

proportional to the dopant concentration. The total exfo!iated area (ratio of area). The other hand， the average area of exfoliation was biggest in n type silicon and was in smallest in p++ type. lt seems that the average area was not af -fected by dopant， while it was affected by the depth of exfoliation. 1.緒言 シリコンへの水素イオン注入が、そのデ、パイス作成への広 範囲な応用の可能性により、注目を集めてきている。その応 用は、イオン注入量により低ドーズ側から、局所的ライフタイ ム制御1)、イオン注入燐の活性化2)、イオン注入欠陥の低減 化3)、また最近で、はSOIウエーハの作製4)と多岐にわたって いる。 特にSOIウェーハ作成で、は、 1017_cm-2_{としづ高ドー} ズのイオン注入量が用いられるので、応用のみならず、物性 的な観点からも興味深い。 本研究では、上記のような広範囲にわたるドーズ量による 欠陥の進展機構を調べることを目的としている。この種の従 来研究の多くは、室温で水素イオンを注入することにより行 われている。室温では空孔、格子問シリコンまた水素原子と も拡散係数が十分高く、室温注入後に観測される現象は、 それらの相互作用が起きた後の結果である。木研究で、は水 素イオン注入を低温 ~100Kで行うことにより特に空孔の拡 散係数を抑え、その後の室温までの欠陥の集合過程、また その時の、水素の関与を調べることを目的としている。さらに イオン注入温度が形成される欠陥種に与える影響について も検討を加える。欠陥の評価は、 Deep Level Transient Sp巴ctroscopy (DL TS)法および透過型電子顕微鏡を用い た高分解能断面観察(XTEM)を用いた。 2.DLTS法による評価 1愛知工業大学総合技術研究所(豊田市) T愛知工業大学工学部電子工学科(豊田市) tt愛知工業大学工学部機械工学科(豊田市) 2.1実験方法 抵抗率1-2Q・cm、n型 (100)CZウエーハを用いた。水 素イオン注入は、低温109Kで行った。注入エネルギーは8 OkeV、注入量は2x1010_cm-2_{である。注入後、試料温度を} 室温まで上昇させた。 水素イオン注入試料に金を真空蒸着して、ショットキダイオ ードを作成し、 DLTS 法によりトラップの評価を行った。演~定 温度範囲は80Kより室温である。本報告では、時定数19.1 msで狽

1

定した

DLTS

信号を示す。バイアス電圧は、キャリア 埋め込み時OV、放出時4Vである。このバイアス条件は、水 素イオン注入欠陥全体を

DLTS

測定観測領域に含めるよう に決定させている。 2.2実験結果および検討 図1に、 109K水素イオン注入後の

DLTS

測定信号を示すO 図1

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は、室温で10分間、 OV印力日後そのままの状態で80

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まで冷却し、測定した

DLTS

信号である。図

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DLTS

信号は、すでに報告されている室温水素イオン注入後に観 測されるものと同じである5)。図に示したように、3つの空孔型 欠陥

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中心(酸素一空孔複合体)、複空孔、

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中心(リンー 空孔複合体) と2つの水素関連欠陥H1、H2が生成されて いることがわかる。図1

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は、室温で10分間、逆ノ〈イアス 10 V印加後そのままの状態で 80Kまで冷却し、測定した

DLT

S信号である。図 1

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と大きく異なっている点があるととがわ かる。その相違は、以下の

4

点にまとめられる。

DLTS

信号の 低温側から、 (1)150Kに、新たなピークが現れる、 (2)240 Kに、新たなピークが現れる、 (3)H2ピークが消滅する、 (4) 280Kに、新たなピークが現れる。図 1(a)、

(

b

)

は繰り返し観 測される。すなわち、OV印加後冷却して測定すると図 1(a)、 逆バイアス印加後冷却して測定すれば図1(B)が、可逆的 に繰り返し出現する。このような両安定性欠陥の導入は、室 温水素イオン注入では、報告されていない。109K品、う、低

46 愛知工業大学総合技術研究所報告，第5号，平成 15年，No.5， Mar.， 2003 中J、'L (3)室温Vr=OV， 10分間日功日

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低温水素イオン注入により形成したシリコン結品欠陥の特性分析 ₄₇ ' ，4叩E-D告

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[NEZ] 伺 @ L m w 2100 ﹄ @ 官 恥 。 #C30E 悶 一 何 割 O H 1からの信号が除去できて、 EM1のピーク温度が正確に測 定できる。図 2(c)に、このようにして得られたEM1のみから の信号を示す。図 3に、 EM1に対する，

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2_{のアレニウスプロ}

ットを示す。これから、 EM1のトラッフc準位はEcー0.2geV、

電子捕獲断面積は4.7x10-15cm吃求まった。 図4に、 EM1濃度深さ分布を示す。濃度分布は、

DLTS

の 測定バイアス条件を変えて行ったが、 EM1のアレニウスフGロ ットを求めたのと同様、 H1の信号を除去してEM1のピーク 高さを求めた。 O目 65μm付近で、ピーク濃度1.8x1013cm2 を持つ分布を示していることがわかる。これは水素注入エネ ルギー 80keVのRpニ 0.73μmに対応しており、 EM1が注 入により導入されたことを明白に示している。 次に、両安定性欠陥EM1の変換過程を調べるために、等 時間 (20分)熱処理を行ったC 出現過程を評価する手順は 以下のとおりである。まず室温でOV、10分処理を行い、 E M 1を完全に消滅させる。その後OV印加のままで等時間熱処 理を行う温度Tまで冷却する。そして温度Tで、逆バイアス 10 Vを20分間印加する。次に温度を 130Kまで冷却し、

DLTS

測定を130Kと180Kの間で行い、 EM1の信号を測定する。 EM1の消去を調べるには、出現過程を調べるときの OVのと ころを逆ノミイアス 10V~ こ、また逆バイアス 10V のところを OV に置きかえれば良い。いずれも EM1の信号評価はH1信号 を差し引し、て行っている。図 5に得られたEM1の変換過程 の結果を示す。 EM1の出現は250K付近の逆ノくイアス印加 で起きていることがわかる。また、その消滅は、 220K付近O V印加で生じている。 先に述べた様に、水素イオン注入による両安定性欠陥の導 入は報告されていない。これは、ほとんどの実験は、室温水 素イオン注入で行われているためだと考えられる。室温で 素イオン注入を行つた試料に対して、再度両安定性欠陥が 導入されていなし、か測定を行ったOその結果、 109K注入同 様H2トラップoの消去が観測された。また、信号強度は極めて 小さしもののEM1等の逆ノ〈イアス印加・冷却で出現するトラ ップ。も観測された。このように両安定性欠陥の導入には注入 温度依存性があると考えられる。 109Kとし、う低温で、 EM1 等の両安定性欠陥が、効率良く生成されている。 このような低温注入後に室温まで温度上昇させた場合と室 温注入の差が生じる原因について、考察してみる。低温注 入後室温に温度上昇させた場合、欠陥の進展が注入中およ び温度上昇に進行する。それに対し室温での注入では、欠 陥の進展が注入中に生じる。注目点としては注入中の電子 -lE孔対の発生である。これが導入欠陥の荷電状態を変え、 欠陥の不安定性を増加させ、新たな欠陥形成に影響する可 能性がある。低温注入中では、熱エネルギー不足のため荷 電状態の効果はなし叱予想される。また、室温までの温度上 昇中では、電子一正孔は存在しない。従って、注入により導 入された両安定性欠陥は、室温になっても残留していたと考 えられる。一方、室温注入では両安定性欠陥の荷電状態が 発生した電子一正孔対の影響を受け、室温で不安定となり、 室温注入ではほとんど消滅したものと考えられる。しかしなが ら、両安定性欠陥の注入温度依存性を詳細に調べるなど、 さらに検討する必要があろう。 1は、 240-280Kの逆バイアス印加により出現し、 190-2 50KのOV印加により消滅する。このような水素イオン注入に よる両安定性欠陥導入の報告は、本報告がはじめてである。 2.3

DLTS

法による評価のまeめ n型シリコンへの109K水素イオン注入により、室温注入で は見出されていなかった両安定性欠陥が複数導入すること がわかったOその中の1つの両安定性欠陥(EM1)について、 詳細に調べた。その結果、EM1のエネノレギー準位はEc-O. 2geV、電子捕獲断面積は4.7x10-15_{cm吃求まったoE M}

平成15年，No.5， Mar.， 2003 愛知工業大学総合技術研究所報告，第5号， 48

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(b) Low Temperature Implantation Fig.ll Total Amount ofD巴fects 今後の課題として、両安定性欠陥導入の温度依存性、また 間安定性欠陥が水素特有な現象で、あるかを調べるために他 のイオン種の注入が挙げられる。さらに、低温高注入時の間 安定性欠陥の進展についても興味あるところである。 20 国 ω

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3.2実験結果および考察 注入エネルギ-80keVの時、XTEMにより深さ約O目7μm厚さ 約0.1μmの結晶欠陥層が観察される。これはTRIMコードに よるシミュレーションにおける水素濃度と欠陥分布のピークが n++ Fig.l0 Surface Condition Changing by dopant type n+ p n dopant type p++

低温水素イオン注入により形成したシリコン結晶欠陥の特性分析 49 160 入 入 一 E 入注一 注 主 じ 一 代 E m 一 刊 E f 一

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OK程度で わずかに欠陥層を残していたO注入温度と欠陥層の消滅温 度には関連があることがわかったOこの違いは注入時に形成 される欠陥種の違いによるものと考えられる。 3.3XTEM.による詔f{j面のまとめ ドーズ、量およひ、注入エネルギーが同ーな条件で、シリコン のドーピング種および注入温度を変化させ結晶欠陥層の欠 陥分布の違いをXTEMにより詳細に調べた。その結果、欠陥 量はドーヒ。ンク、量に比例することがわかったOまたp型はn型 に比べ欠陥分布に濃度が高く急峻なピークを持つ、n型の欠 陥濃度ピークは広く浅い傾向にある。同様の傾向が注入温 度を変えた場合にも現れる。低温での水素イオン注入により 形成された欠陥層は欠陥濃度が広く浅い傾向が見られた。 この違いがあり位置にも小さし、ピークを持つ。欠陥濃度が広 く浅い試料では、アニール後に表面に発生するブリスタやブ レーキングの頻度が少なし、傾向が現れた。また、これらの試 料の剥離深さは浅いことが示された。注入温度の違いはア ニールによる結品欠陥の回復温度に影響を与えることがわ iJ'っ

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こも 4. 参考文献

1) A. Mongro-(ごampero，R. P. Love， M. F. Chang and R. F Dyer， lEEE Trans Electron Devices 33， 1667 (1986) 2)Y. Tokuda， Y. Haseb巴，A. Ito， H. Iwata， A. Terashima， H

Ohshima and T. Hattori， Semicond. Sci. Technol. 11，1821 (1996)

3) A.Ito and Y.Tokuda， J. Appl P.hys. V82， 1053 (1997) 4)M. Bruel， Electron. Lett. 31， 1201 (1995)

5) Y. Tokuda， H. Shimada and A.Ito， J. Appl. Phys. 86， 5630 (1999)