mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2019-1-18-26mateltech-263Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSО связи протонного облучения и термической обработки монокристаллического кремния с его структуройOn the relationship of proton irradiation and heat treatment of monocrystalline silicon with its structureАсадчиковВ. Е.AsadchikovV. E.

Асадчиков Виктор Евгеньевич — доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, заведующий лаборатории, профессор

Ленинский просп., д. 59, Москва, 119333, Россия

Victor E. Asadchikov: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief researcher, Head of Laboratory, Professor

59 Leninsky Prospekt, Moscow 119333, Russia

asad@crys.ras.ruДьячковаИ. Г.DyachkovaI. G.

Дьячкова Ирина Геннадьевна — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник

Ленинский просп., д. 59, Москва, 119333, Россия

Irina G. Dyachkova: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Researcher

59 Leninsky Prospekt, Moscow 119333, Russia

sig74@mail.ruЗолотовД. А.ZolotovD. A.

Золотов Денис Александрович — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

Ленинский просп., д. 59, Москва, 119333, Россия

Denis A. Zolotov: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

59 Leninsky Prospekt, Moscow 119333, Russia

zolotovden@crys.ras.ruКривоносовЮ. С.KrivonosovYu. S.

Кривоносов Юрий Станиславович — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник

Ленинский просп., д. 59, Москва, 119333, Россия

Yuri S. Krivonosov: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Researcher

59 Leninsky Prospekt, Moscow 119333, Russia

Yuri.S.Krivonosov@yandex.ruБубликВ. Т.BublikV. T.

Бублик Владимир Тимофеевич — доктор физ.-мат. наук, профессор

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Vladimir T. Bublik: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049, Russia

bublik_vt@rambler.ruШиховА. И.ShikhovA. I.

Шихов Александр Иванович — канд. тех. наук, доцент

Таллинская ул., д. 34, Москва, 123458, Россия

Alexander I. Shikhov: Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor

34 Tallinskaya Str., Moscow 123458, Russia

ashikhov@hse.ruИнститут кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАНInstitute of Crystallography of RAS, FSRC «Crystallography and Photonics» RASНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»National University of Science and Technology MISiSМосковский институт электроники и математики НИУ ВШЭHSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics2019041220192211826Copyright © Асадчиков В.Е., Дьячкова И.Г., Золотов Д.А., Кривоносов Ю.С., Бублик В.Т., Шихов А.И., 20192019Асадчиков В.Е., Дьячкова И.Г., Золотов Д.А., Кривоносов Ю.С., Бублик В.Т., Шихов А.И.Asadchikov V.E., Dyachkova I.G., Zolotov D.A., Krivonosov Y.S., Bublik V.T., Shikhov A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/263

Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии применен для контроля качества и совершенства монокристаллического кремния, получаемого с помощью имплантации ионов водорода и последующего термического отжига, который используется в ряде полупроводниковых технологий. Принципиальная особенность данного подхода состоит в возможности быстрого получения надежных экспериментальных результатов, что было подтверждено путем использования рентгеновской топографии. Представлены данные о состоянии нарушенного слоя кристаллов кремния n-типа проводимости (ρ = 100 Ом ⋅ см) ориентацией (111) толщиной 2 мм, имплантированных протонами с энергией Е = 200, 300 и 100 + 200 + 300 кэВ и дозой имплантации D = 2 ⋅ 1016 см-2 и подвергнутых последующей термической обработке в интервале температур Т от 100 до 900 °С. С использованием метода интегральных характеристик установлена немонотонная зависимость интегральных характеристик нарушенного слоя, а именно: средней эффективной толщины Lэфф и средней относительной деформации ∆а/а от температуры отжига, с максимальным уровнем искажений в области температуры ∼300 °С. Показано, что полученные данные позволили оценить общее состояние нарушенного слоя при термообработке.

The method of two-crystal X-ray diffractometry is used to control the quality and perfection of monocrystalline silicon obtained by implantation of hydrogen ions and subsequent thermal annealing, which is used in a number of semiconductor technologies. The principal feature of this approach is the ability to quickly obtain reliable experimental results, which was confirmed in this paper by the use of X-ray topography. The presented data provide information on the state of the disturbed layer of silicon crystals of n-type conductivity (ρ = 100 Om ⋅ cm) by orientation (111), 2 mm thick, implanted by protons with energy E = 200, 300, 100 + 200 + 300 keV, dose D = 2 ⋅ 1016cm-2 and subjected to subsequent thermal treatment in the temperature range T from 100 to 900 °С. We have established a non-monotonic dependence of the integral characteristics of the disturbed layer, namely the average effective thickness Leff and the average relative deformation ∆а/а, on annealing temperature, with the maximum level of distortion in the field of temperature ∼300 °С, using the method of integral characteristics. Obtained data allowed to assess the general condition of disturbed layer during thermal treatment.

кремнийимплантация протоновтермический отжигрентгеновская дифрактометриярентгеновская топографияметод интегральных характеристикsiliconimplantation of protonsthermal annealingX-ray diffractionX-raytopographythe method of integral characteristicsАвторы статьи выражают благодарность Кузнецову Николаю Викторовичу, с.н.с. НИИ ядерной физики МГУ, за облучение образцов на ускорителе КГ-500. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН.The authors of the article are grateful to Senior Researcher Nikolai V. Kuznetsov, Research Institute of Nuclear Physics, Moscow State University, for irradiating samples at the KG–500 accelerator. This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education as part of the work on the State assignment of the FSRC «Crystallography and Photonics» RAS.ReferencesКозловский В. В. Модифицирование полупроводников пучками протонов. СПб: Наука, 2003. 268 с. Kozlovski V. V. Modifitsirovanie poluprovodnikov puchkami protonov [Modification of semiconductors by proton beams]. St. Petersburg: Nauka, 2003. 268 p. (In Russ.)Смирнов И. С., Кузнецов Н. В., Соловьев Г. Г. Формирование слоев с особыми свойствами в кремнии путем имплантации протонов и термообработки // XVI Всесоюзная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллом. М.: МГУ, 1988. С. 78—81. Smirnov I. S., Kuznetsov N. V., Soloviev G. G. Formation of layers with special properties in silicon by implantation of protons and heat treatment. XVI Vsesoyuznaya konferentsiya po fizike vzaimodeistviya zaryazhennykh chastits s kristallom = XVI All-Union conference on physics of interaction of charged particles with crystal. Moscow: MGU, 1988, pp. 78—81. (In Russ.)Bruel M. Silicon on insulator material technology // Electronics Lett. 1995. V. 31, N 14. P. 1201—1202. DOI: 10.1049/el:19950805 Bruel M. Silicon on insulator material technology. Electronics Lett. 1995, vol. 31, no. 14, pp. 1201—1202. DOI: 10.1049/el:19950805Губарев В., Семенов А., Сурма А., Столбунов В. Технология протонного облучения и возможности ее применения для улучшения характеристик силовых диодов и тиристоров // Силовая электроника. 2011. № 5. С. 108—111. Gubarev V., Semenov A., Surma A., Stolbunov V. Technology of proton irradiation and the possibility of its application to improve the characteristics of power diodes and thyristors. Silovaya Elektronika. 2011, no. 5, pp. 108—111. (In Russ.)Смирнов И. С., Соловьев Г. Г., Новоселова Е. Г., Гуринов Д. Э. Формирование слоев с особыми свойствами в кремнии путем имплантации протонов и термообработки // VII Межнациональное совещание «Радиационная физика твердого тела». М.: МГИЭМ, 1997. С. 230—231. Smirnov I. S., Soloviev G. G., Novoselova E. G., Gurinov D. E. Formation of layers with special properties in silicon by implantation of protons and heat treatment. VII Mezhnatsional’noe soveshchanie «Radiatsionnaya fizika tverdogo tela» = VII International Meeting «Radiation physics of solids». Moscow: MGIEM, 1997, pp. 230—231. (In Russ.)Irmscher K., Klose H., Maass K. Hydrogen-related deep levels in proton-bombarded silicon // J. Phys. C: Solid State Phys. 1984. V. 17, N 35. P. 6317—6329. DOI: 10.1088/0022-3719/17/35/007 Irmscher K., Klose H., Maass K. Hydrogen-related deep levels in proton-bombarded silicon. J. Phys. C: Solid State Phys., 1984, vol. 17, no. 35, pp. 6317—6329. DOI: 10.1088/0022-3719/17/35/007Kirnstötter S., Faccinelli M., Jelinek M., Schustereder W., Laven J. G., Schulze H. J., Hadley P. Multiple proton implantations into silicon: A combined EBIC and SRP study // Solid State Phenomena. 2014. V. 205-206. P. 311—316. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.205-206.311 Kirnstötter S.,Faccinelli M., Jelinek M., Schustereder W., Laven J. G., Schulze H. J., Hadley P. Multiple proton implantations into Silicon: A combined EBIC and SRP study. Solid State Phenomena, 2014, vol. 205–206, pp. 311—316. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.205-206.311Безродных И. П., Тютнев А. П., Семёнов В. Т. Радиационные эффекты в космосе. Ч. 3. Влияние ионизирующего излучения на изделия электронной техники. М.: АО «Корпорация «ВНИИЭМ», 2017. 64 с. Bezrodnykh I. P., Tyutnev A. P., Semenov V. T. Radiatsionnye effekty v kosmose. Chast’ 3. Vliyanie ioniziruyushchego izlucheniya na izdeliya elektronnoi tekhniki [Radiation effects in space. Pt 3. Influence of ionizing radiation on electronic products]. Moscow: AO «Korporatsiya «VNIIEM», 2017. 64 p. (In Russ.)Дьячкова И. Г., Новоселова Е. Г., Смирнов И. С. Имплантация пластин кремния протонами в условиях механически напряженного поверхностного слоя// XXIV Международная конференция «Радиационная физика твердого тела». М.: ФГБНУ «НИИ ПМТ», 2014. С. 512—518. Dyachkova I. G., Novoselova E. G, Smirnov I. S. Implantation of a silicon wafer with protons under conditions of intense mechanical surface layer. XXIV Mezhdunarodnaya konferentsiya «Radiatsionnaya fizika tverdogo tela» = XXIV International Conference «Radiation physics of solids». Moscow: FGBNU «NII PMT», 2014, pp. 512—518. (In Russ.)Дьячкова И. Г., Новоселова Е. Г., Смирнов И. С. Влияние температуры на формирование нарушенных слоев в кремнии при протонном облучении // XXV Международной конференции «Радиационная физика твердого тела». М.: ФГБНУ «НИИ ПМТ», 2015. С. 539—549. Dyachkova I. G., Novoselova E. G., Smirnov I. S. Influence of temperature on the formation of disturbed layers in silicon under proton irradiation. XXV Mezhdunarodnaya konferentsiya «Radiatsionnaya fizika tverdogo tela» = XXV International Conference «Radiation physics of solids». Moscow: FGBNU «NII PMT», 2015, pp. 539—549. (In Russ.)Смирнов И. С., Новоселова Е. Г., Дьячкова И. Г. Влияние температуры на формирование дефектов в кристаллах кремния при имплантации протонов // Седьмой международный научный семинар и Пятая международная молодежная научная школа-семинар «Современные методы анализа дифракционных данных и актуальные проблемы рентгеновской оптики». В. Новгород, 2015. С. 222—225. Smirnov I. S., Novoselova E. G., Dyachkova I. G. Influence of temperature on the formation of defects in silicon crystals during proton implantation. Sed’moi mezhdunarodnyi nauchnyi seminar i Pyataya mezhdunarodnaya molodezhnaya nauchnaya shkola-seminar «Sovremennye metody analiza difraktsionnykh dannykh i aktual’nye problemy rentgenovskoi optiki» = The Seventh International Scientific Seminar and the Fifth International Youth Scientific School-seminar «Modern methods of the analysis of diffraction data and actual problems of X-ray optics». Velikiy Novgorod, 2015, pp. 222—225. (In Russ.)Дьячкова И. Г., Новоселова Е. Г., Смирнов И. С. Трансформация радиационных дефектов в кремнии, имплантированном протонами, при низкотемпературной термообработке //XXIV Международная конференция «Радиационная физика твердого тела». М.: ФГБНУ «НИИ ПМТ», 2016. С. 362—370. Dyachkova I. G., Novoselova E. G., Smirnov I. S. Transformation of radiation defects in proton-implanted silicon during low-temperature heat treatment. XXVI XXVI Mezhdunarodnaya konferentsiya «Radiatsionnaya fizika tverdogo tela» = XXVI International Conference «Radiation physics of solids». Moscow: FGBNU «NII PMT», 2016, pp. 362—370. (In Russ.)Дьячкова И. Г., Новоселова Е. Г., Смирнов И. С., Монахов И. С. Влияние механических напряжений на дефектообразование в кремнии при облучении протонами // 12 Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом». Минск, 2017. С. 140—141. Dyachkova I. G., Novoselova E. G., Smirnov I. S., Monakhov I. S. Influence of mechanical stresses on defect formation in silicon under irradiation by protons. 12-ya Mezhdunarodnaya konferentsiya «Vzaimodeistvie izluchenii s tverdym telom» = 12th International Conference «Interaction of radiation with a solid body». Minsk, 2017, pp. 140—141. (In Russ.)Dyachkova I. G., Novoselova E. G., Smirnov I. S. On the implantation of protons into silicon plates in the case of a mechanically stressed surface layer // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2018. V. 12, N 3. P. 613—618. DOI: 10.1134/S1027451018030278 Dyachkova I. G., Novoselova E. G., Smirnov I. S. On the implantation of protons into silicon plates in the case of a mechanically stressed surface layer. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2018, vol. 12, no. 3, pp. 613—618. DOI: 10.1134/S1027451018030278Дьячкова И. Г. Формирование нарушенных слоев в кристаллах кремния, имплантированных протонами. Дисс. … канд. физ.-мат. наук. М., 2004. 172 c. Dyachkova I. G. The formation of damage layers in silicon crystals implanted with protons. Thesis of Cand. Sci. (Phys.-Math.). Moscow, 2004. 172 p. (In Russ.)Сорокин К.В. Исследование и разработка методов защиты поверхности кремниевых фотодиодов с применением ионной имплантации. Дисс. … канд. техн. наук. М., 2000. 145 с. Sorokin K. V. Research and development of methods of surface protection of silicon photodiodes using ion implantation. Thesis of Cand. Sci. (Eng.). Moscow, 2000. 145 p. (In Russ.)Александров П. А., Баранова Е. К., Баранова И. В., Бударагин В. В., Литвинов В. Л. Влияние температуры отжига на выход имплантированного водорода из блистеров в кремнии // XII Международное совещание «Радиационная физика твердого тела». М.: НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ), 2002. С. 149—160. Aleksandrov P. A., Baranova E. K., Baranova I. V., Budaragin V. V., Litvinov V. L. The effect of annealing temperature on the output of implanted hydrogen blisters in silicon. XII Mezhdunarodnoe soveshchanie «Radiatsionnaya fizika tverdogo tela» = XII International Conference «Radiation physics of solids». Moscow: NII PMT MGIEM (TU), 2002, pp. 149—160. (In Russ.)Буренков А. Ф., Комаров Ф. Ф., Кумахов М. А., Темкин М. М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск: БГУ, 1980. 352 с. Burenkov A. F., Komarov F. F., Kumakhov M. A., Temkin M. M. Tablitsy parametrov prostranstvennogo raspredeleniya ionno-implantirovannykh primesei [Tables of parameters of the spatial distribution of ion-implanted impurities]. Minsk: BGU, 1980. 352 p. (In Russ.)Posselt M. Crystal-TRIM and its application to investigations on channeling effects during ion implantation // Radiation Effects and Defects in Solids. 1994. N 1. P. 87—119. DOI: 10.1080/10420159408219774 Posselt M. Crystal-TRIM and its application to investigations on channeling effects during ion implantation. Rad. Eff. Defects in Solids, 1994, no. 1, pp. 87—119. DOI: 10.1080/10420159408219774Афанасьев А. М., Александров П. А., Имамов Р. М. Рентгенодифракционная диагностика субмикронных слоев. М.: Наука, 1989. 152 с. Afanas’ev A. M., Aleksandrov P. A., Imamov R. M. Rentgenodifraktsionnaya diagnostika submikronnykh sloev [X-ray diffraction diagnostics of submicron layers]. Moscow: Nauka, 1989. 152 p. (In Russ.)Пинскер З. Г. Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в идеальных кристаллах. М.: Наука, 1974. 368 с. Pinsker Z. G. Dinamicheskoe rasseyanie rentgenovskikh luchei v ideal’nykh kristallakh [Dynamical scattering of x-rays in perfect crystals]. Moscow: Nauka, 1974. 368 p. (In Russ.)Боуэн Д. К., Таннер Б. К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография. СПб: Наука, 2002. 274 с. Bowen D. K., Tanner B. K. Vysokorazreshayushchaya rentgenovskaya difraktometriya i topografiya [High resolution x-ray diffractometry and topography]. St. Petersburg: Nauka, 2002. 274 p. (In Russ.)Вавилов В. С., Киселев В. Ф., Мукашев Б. Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М.: Наука, 1990. 216 с. Vavilov V. S., Kiselev V. F., Mukashev B. N. Defekty v kremnii i na ego poverkhnosti [Defects in silicon and on its surface]. Moscow: Nauka, 1990. 216 p. (In Russ.)Грехов И. В., Костина Л. С., Ломасов В. Н., Юсупова Ш. А., Белякова Е. И. Формирование профилей распределения мелких доноров при протонном облучении кремния // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, Вып. 23. С. 67—73. Grekhov I. V., Kostina L. S., Lomazow V. N., Yusupova S. A., Belyakova E. I. Formation of distribution profiles of small donors during proton irradiation of silicon. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Tech. Phys. Lett., 2014, vol. 40, no. 23, pp. 67—73. (In Russ.)Емцев В. В., Иванов А. М., Козловский В. В., Лебедев А. А., Оганесян Г. А., Строкан Н. Б. Сравнительной изучение изменения электрических свойств кремния и карбида кремния при облучении протонами // ФТП. 2010. Т. 44. № 5. С. 706—712. Emtsev V. V., Ivanov A. M., Lebedev A. A., Oganesyan G. A., Strokan N. B., Kozlovskii V. V. Comparative study of changes in electrical properties of silicon and silicon carbide upon proton irradiation. Semiconductors, 2010, vol. 44, no. 5, pp. 678—684. DOI: 10.1134/S1063782610050234

The authors declare that there are no conflicts of interest present.