銻化銦離子注入退火技術(shù)研究

李海燕，杜紅艷，趙建忠

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

InSb是一種Ⅲ－Ⅴ族窄禁帶化合物半導(dǎo)體，是目前研制3～5 μm波段紅外焦平面陣列的重要半導(dǎo)體材料。在InSb紅外焦平面陣列的研制中，常用擴(kuò)散和離子注入兩種方法摻雜成結(jié)，近年來(lái)，離子注入方法因其對(duì)摻入雜質(zhì)精確的控制能力逐漸取代擴(kuò)散法［1］。由于離子注入工藝過(guò)程中會(huì)對(duì)襯底材料晶格結(jié)構(gòu)造成損傷，同時(shí)摻入雜質(zhì)并未處于激活狀態(tài)，因此需要采用退火工藝消除晶格損傷，激活注入雜質(zhì)。常用退火方法有兩種，一種是常規(guī)退火，一種是快速熱退火，相較于常規(guī)退火，快速熱退火升溫快，退火時(shí)間短，具有雜質(zhì)激活率高、再分布小、損傷缺陷消除好等優(yōu)點(diǎn)［2］。本文針對(duì)Be離子注入摻雜的InSb材料進(jìn)行快速熱退火技術(shù)研究，分析不同退火條件下的注入InSb損傷恢復(fù)情況以及注入Be的激活狀況，以確定最佳退火條件。

2 機(jī)理分析

一定能量的入射離子進(jìn)入晶體后，與晶體中的原子相互作用，使晶體中的原子經(jīng)碰撞后獲得足夠的能量擺脫晶格束縛，離開(kāi)它的平衡位置進(jìn)入間隙，形成缺陷對(duì)，此外，被移位的原子也可能把它的能量依次轉(zhuǎn)移到其他原子上，發(fā)生級(jí)聯(lián)移位，形成更多的缺陷，當(dāng)注入離子數(shù)量增加時(shí)，這種缺陷可能重迭、擴(kuò)大成復(fù)雜的損傷，考慮到實(shí)際晶體中雜質(zhì)與缺陷的相互影響以及缺陷的復(fù)合擴(kuò)散等因素，可以想象，離子注入給晶體造成的輻射損傷，可以是簡(jiǎn)單的點(diǎn)狀缺陷，也可以形成更為復(fù)雜的損傷復(fù)合體，甚至是完全無(wú)序的非晶層，這些輻射損傷將直接影響半導(dǎo)體器件的電性能，使遷移率和壽命等半導(dǎo)體參數(shù)受到影響［3］，因此通常采用熱處理的方式——退火，以消除輻射損傷造成的缺陷，使損傷的晶格得到一定程度的恢復(fù)，同時(shí)使雜質(zhì)原子處于替位式的激活狀態(tài)［4］。在退火環(huán)境下，材料中注入雜質(zhì)Be替代與其原子大小及電子殼層相近的In成為替位式雜質(zhì)，同時(shí)在高溫下通過(guò)原子振動(dòng)和移位消除輻射損傷造成的缺陷，使損傷的晶格得到一定程度上的恢復(fù)。

常用的兩種退火方式為常規(guī)熱退火和快速熱退火，常規(guī)熱退火即在真空或者充有保護(hù)氣體的石英管內(nèi)進(jìn)行，退火設(shè)備簡(jiǎn)單，退火過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，容易造成雜質(zhì)的再擴(kuò)散、圖形畸變并可能引入新的雜質(zhì)，較于快速熱退火雜質(zhì)激活率不夠高，缺陷消除不完全，因此本研究中采用快速熱退火的退火處理方式，快速熱退火過(guò)程升溫快，雜質(zhì)來(lái)不及擴(kuò)散，特別適用于高密度窄間距的平面結(jié)工藝［5］。在退火過(guò)程中，退火時(shí)間不足或是退火溫度過(guò)低，都會(huì)使缺陷不能完全消除，殘留較小位錯(cuò)及空洞，且雜質(zhì)激活率不高;一定退火溫度的情況下退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則容易引發(fā)熱缺陷;一定退火時(shí)間條件下退火溫度過(guò)高會(huì)引起InSb 分解［6］。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用＜111＞晶向的N型InSb單晶，材料熔點(diǎn)為525℃，直徑2 in，在77 K條件下，載流子濃度為1014～1015cm－3，電子遷移率 μn＞105cm2V－ls－1，經(jīng)切、磨、拋，超聲清洗，表面腐蝕后，生長(zhǎng)一定厚度的SiO2作為注入保護(hù)層，一方面用于防止注入過(guò)程中的表面污染，另一方面減弱注入溝道效應(yīng)。在室溫下注入Be+，注入能量為100 keV，注入劑量為1014cm－2，注入時(shí)樣片偏轉(zhuǎn)7°，以減弱溝道效應(yīng)。

快速熱退火在半導(dǎo)體快速熱處理設(shè)備中進(jìn)行，退火前在InSb表面生長(zhǎng)一定厚度的SiO2做為退火保護(hù)層，同時(shí)退火環(huán)境為氮?dú)夥諊?。將?shí)驗(yàn)范圍設(shè)置如下:退火溫度范圍為300～450℃，退火時(shí)間為5 ～120 s。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

注入形成的損傷如位錯(cuò)環(huán)、空洞等大部分分布在襯底表面及注入雜質(zhì)峰值濃度深度附近這兩部分區(qū)域，注入雜質(zhì)大部分處于間隙位置而沒(méi)有發(fā)揮提供載流子的作用［5－7］。對(duì)上述材料進(jìn)行快速熱退火，退火實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如表1所示。

表1 退火條件設(shè)置

暫不考慮表面鈍化及測(cè)試過(guò)程中其他不可控因素的影響，根據(jù)中測(cè)得到的PN結(jié)性能曲線(xiàn)，將測(cè)試結(jié)果大致分為以下幾類(lèi):

(1)低溫度區(qū)間，中時(shí)間區(qū)間的退火條件下，得到的PN結(jié)測(cè)試曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 低溫中時(shí)間退火條件下的PN結(jié)I－V特性曲線(xiàn)

在退火溫度低的情況下，中等退火時(shí)間范圍的退火環(huán)境提供的能量不足以使襯底材料獲得足夠的能量通過(guò)襯底材料中的原子移動(dòng)消除注入損傷，同時(shí)離子注入雜質(zhì)也沒(méi)能獲得足夠的能量從間隙位置轉(zhuǎn)換到替位位置發(fā)揮受主作用，此時(shí)的PN結(jié)性能很差。

(2)低溫度區(qū)間，長(zhǎng)時(shí)間區(qū)間的退火條件下，部分測(cè)試結(jié)果得到的PN結(jié)測(cè)試曲線(xiàn)如圖2所示，大部分I－V曲線(xiàn)中反向電流隨反向電壓增大而明顯增加，退火效果重復(fù)性差。

圖2 低溫長(zhǎng)時(shí)間退火條件下的PN結(jié)I－V特性曲線(xiàn)

可見(jiàn)，雖然退火溫度較低，但是退火時(shí)間達(dá)到一定程度時(shí)，仍就可以激活數(shù)量可觀的注入雜質(zhì)，并且能修復(fù)大部分損傷，在一定的外加電壓的作用范圍內(nèi)下表現(xiàn)出不錯(cuò)的PN結(jié)性能。部分晶格損傷，在此退火環(huán)境無(wú)法消除，導(dǎo)致外加反向電壓增大時(shí)，器件中的漏電流成分增加，PN結(jié)性能降低。

(3)在中溫度區(qū)間，短時(shí)間區(qū)間的退火條件下，得到的PN結(jié)的I－V測(cè)試曲線(xiàn)呈現(xiàn)出短路的性狀?？梢哉J(rèn)為這種條件下由于退火時(shí)間過(guò)短，沒(méi)有形成PN結(jié)，材料整體特性以N區(qū)為主，并且注入損傷也沒(méi)有得到很好地修復(fù)，襯底中的損傷仍然以點(diǎn)缺陷以及位錯(cuò)等形式存在，在外加電壓的作用下很容易擊穿，呈現(xiàn)出短路的性能特點(diǎn)。

(4)在中溫度區(qū)間，中時(shí)間區(qū)間的退火條件下，得到的PN結(jié)的I－V測(cè)試曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 中溫中時(shí)間退火條件下的PN結(jié)I－V特性曲線(xiàn)

在此退火條件下，大部分的PN結(jié)測(cè)試結(jié)果如圖所示，表現(xiàn)出了相對(duì)較好的PN結(jié)性能曲線(xiàn)，表明在此退火條件下，注入雜質(zhì)得到最大限度的激活，退火損傷也得到最大限度的修復(fù)，但結(jié)中仍然存在部分缺陷使得反向電壓增大時(shí)，結(jié)的性能會(huì)緩慢變差。

(5)在中溫度區(qū)間，長(zhǎng)時(shí)間區(qū)間的退火條件下，得到的PN結(jié)的I－V測(cè)試曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 中溫長(zhǎng)時(shí)間退火條件下的PN結(jié)I－V特性曲線(xiàn)

表明在此退火條件下，由于退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在襯底材料中誘發(fā)二次缺陷，此外，在此退火溫度下仍然會(huì)殘留一些注入損傷，材料內(nèi)部存在晶格結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的因素，因此當(dāng)反向電壓增大到一定程度時(shí)，容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

(6)在高溫度區(qū)間，低時(shí)間區(qū)間的退火條件下，得到的PN結(jié)的I－V測(cè)試曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 高溫短時(shí)間退火條件下的PN結(jié)I－V特性曲線(xiàn)

在此退火條件下，襯底材料中已經(jīng)形成了PN結(jié)，但是由于退火時(shí)間過(guò)短，雜質(zhì)激活率較低，襯底中仍然存在大量的缺陷，所以在光照情況下光生載流子無(wú)法到達(dá)PN結(jié)區(qū)域形成光生電流。

(7)在高溫度區(qū)間，中時(shí)間區(qū)間的退火條件下，得到的PN結(jié)的I－V測(cè)試曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 高溫中時(shí)間退火條件下的PN結(jié)I－V特性曲線(xiàn)

退火溫度過(guò)高，導(dǎo)致退火過(guò)程中在襯底材料中形成新的熱缺陷，同時(shí)，溫度過(guò)高造成InSb近表面熱分解，成分失配，在反向電壓增大時(shí)電流明顯增大，器件性能變差。

5 結(jié)論

在一定的退火過(guò)程中，退火時(shí)間不足或是退火溫度過(guò)低，都會(huì)使缺陷消除不完全，且雜質(zhì)激活率不高;一定退火溫度的情況下退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則容易引發(fā)熱缺陷;一定退火時(shí)間條件下退火溫度過(guò)高會(huì)引起InSb分解并帶來(lái)新的熱缺陷［6］。對(duì)注入能量為100 keV，注入劑量為1014cm－2的 Be+注入 InSb晶片進(jìn)行了快速退火實(shí)驗(yàn)，退火溫度范圍為300～400℃，退火時(shí)間為5～120 s。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一定實(shí)驗(yàn)條件下快速熱退火能得到高質(zhì)量的PN結(jié)。

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