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Submitted on 1 Jan 1983
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DEEP LEVEL DEFECTS IN SILICON AFTER BEAM PROCESSING IN THE SOLID PHASE REGIME
A. Chantre
To cite this version:
A. Chantre. DEEP LEVEL DEFECTS IN SILICON AFTER BEAM PROCESSING IN THE SOLID PHASE REGIME. Journal de Physique Colloques, 1983, 44 (C5), pp.C5-269-C5-280.
�10.1051/jphyscol:1983542�. �jpa-00223128�
JOURNAL
DEPHYSIQUt
Colloque C5, suppl6menl au nO1O, Tome 44, octobre 1983 page C5-269
DEEP LEVEL DEFECTS IN SILICON AFTER BEAM PROCESSING IN THE SOLID PHASE REGIME
A. Chantre
C.N. E . T .
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G~enobZe, B . P . 98, Chemin du V < e m &&e, 3 8 2 4 3 MeyZan Cedex, FranceRdsum6
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On p a s s e e n r e v u e l e s r e c e n t e s Q t u d e s d e d e f a u t s d a n s l e s i l i c i u m t r a i t 6 p a r f a i s c e a u d l Q n e r g i e en p h a s e s o l i d e , e n m e t t a n t l ' a c c e n t s u r l a c a r a c t g r i s a t i o n Q l e c t r i q u e . On a o b s e r v e d e s d Q f a u t s p o n c t u e l s e n c o n c e n t r a - t i o n d e 1014 - 1015 cm-3 d a n s l e s c o u c h e s s u p e r f i c i e l l e s d e p l a q u e t t e s d e s i l i c i u m , i m p l a n t Q e s ou non, a p r g s r e c u i t t r a n s i t o i r e e n p h a s e s o l i d e . L ' u t i - l i s a t i o n d e l a DLTS a p e r m i s d e d e t e r m i n e r l a n a t u r e m i c r o s c o p i q u e d e c e s d Q f a u t s , e t d e p r Q c i s e r l e s mQcanismes m i s e n j e u d a n s l e u r i n t r o d u c t i o n . Beaucoup d ' i n f o r m a t i o n s p r a t i q u e s c o n c e r n a n t l a p r o d u c t i o n e t l a g u Q r i s o n d e c e s d Q f a u t s o n t a i n s i Q t b o b t e n u e s . On d i s c u t e r a l e s c o n s 6 q u e n c e s d e c e s t r a v a u x p o u r l a r e a l i s a t i o n d e s d i s p o s i t i f s e t l e s a p p l i c a t i o n s a u x Q t u d e s d e d 6 f a u t s d a n s l e s s e m i c o n d u c t e u r s .Abstract
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R e c e n t i n v e s t i g a t i o n s o f d e f e c t s i n cw beam p r o c e s s e d s i l i c o n a r e r e v i e w e d , w i t h e m p h a s i s on e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n . D e f e c t l e v e l s h a v e b e e n o b s e r v e d i n c o n c e n t r a t i o n s o f 1014 - 1015 i n s u r f a c e l a y e r s o f s i l i c o n w a f e r s , e i t h e r i o n - i m p l a n t e d o r v i r g i n , f o l l o w i n g beam p r o c e s s i n g i n t h e s o l i d p h a s e r e g i m e . Deep L e v e l T r a n s i e n t S p e c t r o s c o p y (DLTSI h a s p r o v i d e d a u n i q u e i n s i g h t i n t o t h e m i c r o s c o p i c n a t u r e o f t h e s e d e f e c t s , a n d t h e mechanisms o f d e f e c t p r o d u c t i o n . P r a c t i c a l i n f o r m a t i o n s c o n c e r n i n g t h e c o n d i t i o n s f o r d e f e c t i n t r o d u c t i o n a n d r e m o v a l h a v e b e e n o b t a i n e d . I m p l i c a - t i o n s r e g a r d i n g d e v i c e f a b r i c a t i o n a n d t h e r m a l l y i n d u c e d d e f e c t s i n s i l i c o n w i l l b e d i s c u s s e d .I
-
INTRODUCTIONA w i d e v a r i e t y of t r a n s i e n t t h e r m a l p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d i n t h e p a s t f e w y e a r s a s a l t e r n a t i v e s t o s t a n d a r d f u r n a c e h e a t - t r e a t m e n t s . T h e s e p r o c e s s e s a r e commonly c l a s s i f i e d i n t o l i q u i d p h a s e a n d s o l i d p h a s e p r o c e s s e s , a c c o r d i n g t o w h e t h e r o r n o t a p h a s e t r a n s f o r m a t i o n o c c u r s i n t h e s u r f a c e l a y e r s o f t h e m a t e r i a l . R e c e n t r e s e a r c h on l i q u i d p h a s e p r o c e s s e s h a s b e e n d i r e c t e d t o w a r d s t h e o b t e n t i o n o f s i n g l e - c r y s t a l s i l i c o n f i l m s on i n s u l a t i n g s u b s t r a t e s f o r n o v e l SO1 t e c h n o l o g i e s . A n n e a l i n g o f i o n - i m p l a n t s a n d f o r m a t i o n o f r e f r a c t o r y m e t a l s i l i c i d e f i l m s f o r f u t u r e VLSI d e v i c e s a r e b e t t e r i m p l e m e n t e d t h r o u g h s o l i d p h a s e p r o c e s s e s , which o f f e r t h e d i s t i n c t r e s p e c t i v e a d v a n t a g e s t o m a i n t a i n i n i t i a l d o p a n t i m p u r i t y p r o f i l e s a n d s i n g l e p h a s e homogeneous s i l i c i d e g r o w t h .
The p o t e n t i a l i m p a c t o f t h e s e e m e r g i n g t e c h n o l o g i e s h a s s t i m u l a t e d t h e n e e d f o r c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f t h e e l e c t r o n i c p r o p e r t i e s o f beam p r o c e s s e d s i l i c o n . D e f e c t s h a v e b e e n g i v e n a p a r t i c u l a r a t t e n t i o n i n a number o f l a b o r a t o r i e s . D e f e c t a n n i h i l a t i o n u n d e r e n e r g y beam e x p o s u r e h a s b e e n d e m o n s t r a t e d , w h i l e d e f e c t i n t r o - d u c t i o n was d i s c o v e r e d . The r e s u l t s o f t h e s e i n v e s t i g a t i o n s w i l l b e r e v i e w e d i n t h i s p a p e r , w i t h e m p h a s i s on e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n . I m p l i c a t i o n s r e g a r d i n g d e v i c e f a b r i c a t i o n a n d d e f e c t s t u d i e s i n s i l i c o n w i l l b e d i s c u s s e d . It s h o u l d b e p o i n t e d o u t t h a t o n l y t h o s e s t u d i e s r e l a t e d t o s o l i d p h a s e p r o c e s s e s w i l l b e a d d r e s s e d h e r e , d e f e c t s a s s o c i a t e d w i t h t h e m e l t r e g i m e b e i n g t h e s u b j e c t o f a s e p a r a t e p a p e r a t t h i s c o n f e r e n c e .
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1983542
C5-270 JOURNAL DE PHYSIQUE
I1
-
DEFECT REMOVAL DURING BEAM PROCESSINGB o t h f u n d a m e n t a l a n d p r a c t i c a l c o n s i d e r a t i o n s h a v e s t i m u l a t e d r e s e a r c h on beam i n d u c e d d e f e c t a n n i h i l a t i o n . On t h e o n e h a n d , t h e h i g h l e v e l s o f c h a r g e e x c i t a t i o n u n d e r cw l a s e r o r e l e c t r o n beam a n n e a l i n g o f f e r e d t h e o p p o r t u n i t y t o s e e k m o d i f i - c a t i o n o f d r i v i n g f o r c e s a n d e n h a n c e m e n t o f a n n e a l i n g k i n e t i c s . On t h e o t h e r h a n d , t h e p r e s e n c e o f r e s i d u a l r e c o m b i n a t i o n c e n t e r s i n beam p r o c e s s e d i o n - i m p l a n t e d s i l i c o n had t o b e e l u c i d a t e d . The e x a m p l e s t o f o l l o w summarize t h e c u r r e n t s t a t e o f knowledge c o n c e r n i n g t h e s e p r o b l e m s .
1
-
Ionization effects on defect annealingS e a r c h f o r i o n i z a t i o n e f f e c t s on d e f e c t a n n i h i l a t i o n d u r i n g cw beam p r o c e s s i n g h a s b e e n r e p o r t e d by STEIN e t a 1 / I / . D i v a c a n c i e s w e r e p r o d u c e d i n s i l i c o n by b o r o n i o n - i m p l a n t a t i o n ( 1 0 0 keV - 2 x 1014 6/cm2) a n d m o n i t o r e d t h r o u g h a c h a r a c t e r i s t i c I R a b s o r p t i o n band a t 1 . 8
urn.
T h e i r a n n e a l i n g b e h a v i o r u n d e r l i n e - s o u r c e e l e c t r o n - beam e x p o s u r e [ d w e l l t i m e s 5 u s - 2 ms) was i n v e s t i g a t e d and compared t o t h e h i g h t e m p e r a t u r e e x t r a p o l a t i o n o f w e l l c h a r a c t e r i z e d f u r n a c e a n n e a l i n g k i n e t i c s . The r e s u l t s o f t h i s s t u d y a r e i l l u s t r a t e d on F i g . 1 , w h e r e t h e m e a s u r e d u n a n n e a l e d d i v a c a n c y f r a c t i o n s h a v e b e e n p l o t t e d a s a f u n c t i o n o f beam d w e l l t i m e f o r two d i f f e r e n t beam power d e n s i t i e s . The s o l i d l i n e s a r e t h e r e s u l t s o f c a l c u l a t i o n s a s s u m i n g t h a t t h e a n n e a l i n g mechanism i s p u r e l y t h e r m a l . The a g r e e m e n t b e t w e e n m e a s u r e d and c a l c u l a t e d d a t a i s i n d e e d v e r y good and was t a k e n t o b e e v i d e n c e t h a t t h e t h e r m a l mechanism was a d e q u a t e t o d e s c r i b e d i v a c a n c y a n n e a l i n g u n d e r e l e c t r o n - beam e x p o s u r e . T h e r e i s t o d a t e no i n d i c a t i o n t h a t t h e h i g h l e v e l s o f e l e c t r o n i c e x c i t a t i o n r e a c h e d d u r i n g s u c h beam p r o c e s s e s may e n h a n c e p o i n t d e f e c t a n n i h i l a t i o n .F i g . 1
-
C a l c u l a t e d a n d m e a s u r e d u n a n n e a l e d d i v a c a n c y f r a c t i o n s a s a f u n c t i o n o f e l e c t r o n - b e a m d w e l l t i m e f o r t w o d i f f e r e n t beam power d e n s i t i e s .From STEIN e t a 1 / I / .
. .
BEAM DWELL TIME ( ,fi sec)
2
-
Implantation damage removalWhereas i t h a s b e e n s o o n d e m o n s t r a t e d t h a t i o n - i m p l a n t e d l a y e r s c o u l d b e a n n e a l e d t o a s t a t e of h i g h s t r u c t u r a l p e r f e c t i o n a n d e l e c t r i c a l a c t i v i t y o f t h e d o p a n t u s i n g s c a n n e d cw l a s e r s / 2 / o r e l e c t r o n - b e a m s / 3 / , i t h a s l o n g b e e n d e b a t e d w h e t h e r s u c h p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s would remove d e f e c t s b u r i e d beyond t h e i m p l a n t e d d o p a n t d i s t r i b u t i o n , i . e . i n t h e s e m i c o n d u c t o r j u n c t i o n r e g i o n . R e s i d u a l e l e c t r i c a l l y a c t i v e p o i n t d e f e c t s e x t e n d i n g f a r [more t h a n a m i c r o n ) b e n e a t h t h e i n i t i a l l y amogphous l a y e r were f i r s t r e p o r t e d by JOHNSON e t a 1 i n beam p r o c e s s e d A s + - i m p l a n t e d n + / p j u n c t i o n s /4/. These d e f e c t s were t e n t a t i v e l y a s s o c i a t e d w i t h r e s i d u a l , b u r i e d i m p l a n t a t i o n damage. R e c e n t e x p e r i m e n t a l f i n d i n g s t o b e d e s c r i b e d now f a v o u r a n a l t e r n a t i v e e x p l a n a t i o n f o r t h e o b s e r v e d e f f e c t s . F i g . 2a d e p i c t s a t y p i c a l d e f e c t s t a t e s p e c t r u m o f As* i m p l a n t e d p - t y p e s i l i c o n s a m p l e s f o l l o w i n g cw l a s e r a n n e a l i n g , a s r e p o r t e d by SHENG e t a 1 / 5 / . Two m a j o r h o l e t r a p s a r e v i s i b l e w i t h e n e r g y l e v e l s a t EV + 0 . 1 0 eV a n d EV + 0 . 4 5 eV [ d e n o t e d a H[0.101 a n d H(0.451 r e s p e c t i v e l y l .
T h e s e a u t h o r s c l a i m t o o b s e r v e t h e s a m e d e f e c t s t a t e s i n c o n t r o l s a m p l e s w h i c h a r e t h e r m a l l y a n n e a l e d a t h i g h t e m p e r a t u r e a n d t h e n r a p i d l y q u e n c h e d i n t o w a t e r / 6 / . T h e r e s u l t i n g p i c t u r e t h a t t h e l a s e r - i n d u c e d t h e r m a l t r e a t m e n t i t s e l f r a t h e r t h a n i n c o m p l e t e i m p l a n t a t i o n d a m a g e r e m o v a l may b e r e s p o n s i b l e f o r t h e s e d e f e c t s i s f u r t h e r s u p p o r t e d b y i n d e p e n d e n t m e a s u r e m e n t s by CHANTRE e t a 1 / 7 / . F i g . 2 b s h o w s t h e c a p a c i t a n c e t r a n s i e n t s p e c t r u m r e p o r t e d f o r a b a r e p - t y p e s i l i c o n s a m p l e , f o l l o w i n g cw l a s e r i r r a d i a t i o n i n t h e s o l i d p h a s e r e g i m e . The s a m e s h a l l o w H ( 0 . 1 0 ) l e v e l i s o b s e r v e d t o d o m i n a t e i n s u c h i n i t i a l l y u n d a m a g e d s a m p l e . E v e n m o r e , a s e c o n d t r a p i s o b s e r v e d i n a
-
t e n t i m e s s m a l l e r c o n c e n t r a t i o n a t EV + 0 . 2 8 eV, v e r y c o n s i s t e n t l y w i t h F i g . 2 a . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t t h e d e e p H ( 0 . 4 5 1 s t a t e w a s a l s o d e t e c t e d i n t h i s s t u d y / 7 / ; t h e DLTS f e a t u r e d o e s n o t a p p e a r o n F i g . 2 b b e c a u s e o f t h e v e r y p e c u l i a r p r o p e r t i e s o f t h e c o r r e s p o n d i n g d e f e c t , a s w i l l b e d i s c u s s e d i n S e c t i o n 1 1 1 . 1 .4 z 0 'n
S I : ~ 1100) 1 0 - 2 0 4 - c m o AS+ 1 0 0 K ~ V 4 ~10" cm?
W CW Ar+ LASER ANMALED
4
r = 3 9 m sW ar BIAS PULSE 0- I 0 V
HIOI) H10.45)
L * 1 4 3
,
9 I1
3 0 5 0 75 100 125 150 175 XY) 225 2 5 0 275
TEMPERATURE (K)
Fig. 2
-
T y p i c a l c a p a c i t a n c e t r a n s i e n t s p e c t r u m o f cw l a s e r p r o c e s s e d :f
a
-
A S + - i m p l a n t e d p - t y p e s i l i c o n From SHENG e t a 1 / 5 / .H (0.10) Cz Si (100) p = 6x103s c r n - r ( ~ )
Cw A r laser irradiated (10 cmls - 0.97 P,)
e. = 1255 S-1
lox
H (0.28)1
50 100 150 200 250
b
-
B a r e p - t y p e s i l i c o n . From CHANTRE e t a 1 / 7 / .TEMPERATURE (K) P8CI
C l e a r l y , n o b u r i e d i m p l a n t a t i o n d a m a g e h a s t o b e i n v o k e d t o a c c o u n t f o r t h e d o m i n a n t r e s i d u a l d e f e c t s i n cw beam p r o c e s s e d j u n c t i o n s . T h i s c o n c l u s i o n may b e s i m p l y u n d e r s t o o d i n t e r m s o f r e a c t i o n s k i n e t i c s , a s d i s c u s s e d b y KIMERLING e t a 1 / 8 / a n d i l l u s t r a t e d o n F i g . 3. H e r e , t h e t h e r m a l a n n e a l i n g d a t a f o r t w o m a j o r r a d i a t i o n - i n d u c e d d e f e c t s i n s i l i c o n , t h e o x y g e n - v a c a n c y IV-0) a n d p h o s p h o r o u s - v a c a n c y [P-V) a s s o c i a t e s , a r e shown a l o n g w i t h t h e s o l i d p h a s e r e g r o w t h t i m e s f o r a 1 0 0 0
fi
a m o r p h o u s s i l i c o n l a y e r . I f t h e e x t r a p o l a t i o n o f t h e l o w t e m p e r a t u r e d a t a t o t h e h i g h b e a m - i n d u c e d t e m p e r a t u r e s i s v a l i d , o n e r e a d i l y s e e s why t h e s e d e f e c t s w i l l b e r e m o v e d f r o m t h e m a t e r i a l . T h e d e f e c t r e c o v e r y r e q u i r e s much l e s s t i m e t h a n t h e e p i t a x i a l r e c r y s t a l l i z a t i o n o f t h e a m o r p h i z e d l a y e r , a n d w i l l b e c o m p l e t e u n d e r t y p i c a l p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s . S i m i l a r a r g u m e n t s s t a n d f o r t h e d i v a c a n c y , o n e of t h e d o m i n a n t d e f e c t s i n l o w - d o s e i o n - i m p l a n t e d s i l i c o n /I, 9 / . T h e r e s u l t s shown o n F i g . 2 s u g g e s t t h a t t h e y i n d e e d a p p l y f o r e v e n h i g h e r o r d e r d e f e c t s .
JOURNAL DE PHYSIQUE
Fig. 3
-
R e c o v e r y k i n e t i c s f o r some d e f e c t s i n s i l i c o n . From KINERLING e t a 1/ a / .
I11
-
DEFECT INTRODUCTION DURING BEAM PROCESSINGW h e r e a s l a s e r i n d u c e d m e l t i n g a n d r e s o l i d i f i c a t i o n o f s i n g l e c r y s t a l s i l i c o n h a s s o o n b e e n r e c o g n i z e d t o i n t r o d u c e e l e c t r i c a l l y a c t i v e p o i n t d e f e c t s
/ a / ,
cw l a s e r p r o c e s s i n g i n t h e s o l i d p h a s e r e g i m e h a s l o n g b e e n b e l i e v e d t o b e f r e e o f s i m i l a r e f f e c t s / l o / . O n l y r e c e n t l y h a v e r e s u l t s s u c h a s F i g . 2 b b e e n r e p o r t e d , w h i c h u n a m b i g u o u s l y d e m o n s t r a t e t h a t d e f e c t p r o d u c t i o n m e c h a n i s m s become a c t i v a t e d f a r b e l o w t h e m e l t i n g t h r e s h o l d /11/. T h e s i g n i f i c a n c e o f b e a m - i n d u c e d d e f e c t s t o d e v i c e o p e r a t i o n h a s s t i m u l a t e d i n t e n s i v e r e s e a r c h i n s e v e r a l l a b o r a t o r i e s , w h i c h h a s o p e n e d t o a f a i r u n d e r s t a n d i n g o f t h e p h e n o m e n a . D e f e c t s h a v e b e e n i d e n t i f i e d o n t h e m i c r o s c o p i c s c a l e ; d e f e c t p r o d u c t i o n m e c h a n i s m s h a v e b e e n o u t l i n e d . No e q u i v a l e n t k n o w l e d g e f o r t h e m e l t r e g i m e h a s b e e n g a i n e d s o f a r . T h e m o s t s i g n i - f i c a n t r e s u l t s o f t h e s e i n v e s t i g a t i o n s are p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g .1
-
Defect propertiesD e f e c t i n t r o d u c t i o n b y cw beam p r o c e s s i n g i s b e s t s t u d i e d b y o b s e r v i n g c h a n g e s i n d u c e d i n a b a r e , u n i m p l a n t e d m a t e r i a l . F i g . 4 s h o w s a t y p i c a l OLTS s p e c t r u m of t h e d e f e c t s t a t e s c r e a t e d b y cw l a s e r i r r a d i a t i o n o f v i r g i n n - t y p e s i l i c o n / 7 / . The t w o m a j o r p e a k s r e p r e s e n t e l e c t r o n t r a p s , E [ 0 . 2 2 1 a n d E ( 0 . 4 5 1 , w h i c h a r e p r e s e n t i n c o n c e n t r a t i o n s o f
-
1 0 1 4 cm-3 w i t h i n t h e e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n d e p t h o f-
1 m i c r o n . T h e s p e c t r u m i s r e p r o d u c i b l y o b s e r v e d i n a l l p h o s p h o r u s - d o p e d s u b s t r a t e s p r o c e s s e d i n t h e s o l i d p h a s e r e g i m e / ? I / . T h e s a m e e l e c t r o n i c d e f e c t s h a v e b e e n r e p o r t e d b y JOHNSON e t a 1 f o l l o w i n g s c a n n e d e l e c t r o n - b e a m i r r a d i a t i o n / 1 2 / . S e v e r a l p r o p e r t i e s o f t h e s e d e f e c t s a r e n o t e w o r t h y . T h e d o n o r b e h a v i o u r o f E ( 0 . 2 2 ) h a s b e e n e s t a b l i s h e d b y s t u d y i n g t h e e l e c t r o n e m i s s i o n p r o c e s s w i t h DLTS / 7 / . F i g . 5 s h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e a p p a r e n t t h e r m a l a c t i v a t i o n e n e r g y f o r e l e c t r o n e m i s s i o n [ E a l a n d t h e j u n c t i o n f i e l d i n t h e t e s t d e v i c e [ F ) . T h e p r o p o r t i o n a l i t y b e t w e e n Ea a n d F I / ~ f o l l o w s f r o m a P o o l e - F r e n k e l f i e l d e m i s s i o n p r o c e s s / 1 3 / . By t h i s m e c h a n i s m , t h e j u n c t i o n f i e l d r e d u c e s t h e b i n d i n g e n e r g y b e t w e e n t h e i o n i z e d e l e c t r o n a n d t h e r e m a i n i n g p o s i t i v e i o n (Coulomb w e l l ) .T h e c h a r g e s t a t e c o n t r o l l e d s t a b i l i t y o f t h e s e l a s e r - i n d u c e d d e f e c t s i s d e m o n s t r a t e d o n F i g . 6 / 7 / . T h e c h a n g e i n c h a r g e s t a t e w a s p e r f o r m e d b y p l a c i n g t h e d e f e c t e n e r g y l e v e l s e i t h e r b e l o w [ u n b i a s e d d e v i c e ) o r a b o v e [ r e v e r s e b i a s e d d e v i c e ) t h e F e r m i l e v e l d u r i n g h e a t t r e a t m e n t . T h e m o s t r e m a r k a b l e e f f e c t i s f o u n d t o o c c u r a t E ( 0 . 4 5 1 : w h e r e a s o n l y a m i n u t e f r a c t i o n o f t h e d e f e c t s a n n e a l d u r i n g a 2 4 h o u r s t r e a t m e n t a t 8 0 ° C i n t h e u n b i a s e d d e v i c e , m o s t when i o n i z e d h a v e r e c o v e r e d a f t e r
2 h o u r s a t t h i s t e m p e r a t u r e . T h e e f f e c t i s w e a k e r f o r E ( 0 . 2 2 1 , b u t c e r t a i n l y u n d e r e s t i m a t e d i n s u c h a l i g h t l y d o p e d m a t e r i a l (ND = 3 x l o q 5 cm-31, w h e r e t h e l e v e l i s f a r f r o m f i l l e d u n d e r z e r o b i a s c o n d i t i o n s a t 8 0 ° C.
cz SI (100) n = 3x1035 cm-1 (P)
c w Ar laser mrradmated (10 cmls . 0 9 4 P.) E (022) e. = 251 sl
Fig. 4
-
DLTS s p e c t r u m t y p i c a l of cw l a s e r i r r a d i a t e d P - d o p e d s i l i c o n . From CHANTRE e t a1 / 7 / .lox 1 X
0 50 100 150 200 250 300
TEMPERATURE (K) l'lW4
Fig. 5
-
E l e c t r i c f i e l d e f f e c t o n e l e c t r o n e m i s s i o n f r o m E ( 0 . 2 2 1 . From CHANTRE e t a 1 / 7 / .T h r e e m a j o r l a s e r - i n d u c e d h o l e t r a p s h a v e b e e n o b s e r v e d i n p - t y p e s i l i c o n ( F i g . 2 1 . D e f e c t r e a c t i o n s h a v e b e e n m o n i t o r e d d u r i n g i n s i t u l o w t e m p e r a t u r e t h e r m a l
t r e a t m e n t s / 5 , 7 / . F i g . 7 i l l u s t r a t e s t h e c o m p l e m e n t a r y b e h a v i o u r o f H ( 0 . 1 0 1 a n d H ( 0 . 4 5 1 . I m m e d i a t e l y a f t e r beam p r o c e s s i n g . H ( 0 . 4 5 1 i s d o m i n a n t ; h o w e v e r , i t g r a d u a l l y d e c a y s a t room t e m p e r a t u r e , w h i l e H ( 0 . 1 0 1 s i m u l t a n e o u s l y i n c r e a s e s ;
e v e n t u a l l y , t h e d e e p l e v e l c a n n o l o n g e r b e d e t e c t e d ( F i g . 2 b 1 . H o w e v e r , a s u b s e q u e n t l o w t e m p e r a t u r e ( 1 0 0 - ZOO0 Cl t h e r m a l a n n e a l i n g r e s t o r e s t h e HC0.451 l e v e l . S i m i l a r r e c o v e r y h a s b e e n o b s e r v e d u n d e r m i n o r i t y c a r r i e r i n j e c t i o n / 5 / . A c c o m p a n y i n g r e a c t i o n s h a v e b e e n d e t e c t e d f o r H ( 0 . 2 8 1 ; p a r t i a l d e s t r u c t i o n o f t h e d e f e c t l e v e l u p o n a n n e a l i n g a t 1 1 0 ' C, f o l l o w e d b y a g r a d u a l r e c o v e r y a t room t e m p e r a t u r e , h a v e b e e n r e p o r t e d / 7 / .
2
-
Defect identificationT h e d e e p E ( 0 . 4 5 1 e l e c t r o n t r a p h a s b e e n i d e n t i f i e d t o t h e p h o s p h o r o u s - v a c a n c y (P-Vl a s s o c i a t e ( o f t e n r e f e r r e d t o a s E - c e n t e r ] . The t h e r m a l s i g n a t u r e o f t h e l e v e l a g r e e s w i t h p u b l i s h e d d a t a f o r t h i s d o m i n a n t r a d i a t i o n - i n d u c e d d e f e c t / I < / . I n a g r e e m e n t w i t h t h i s s t a t e m e n t , t h e d e f e c t s t a t e h a s b e e n shown t o i n c r e a s e u p o n MeV e l e c t r o n i r r a d i a t i o n / 1 4 / . C h a r g e s t a t e e f f e c t s h a v e l o n g b e e n d e m o n s t r a t e d t o b e
C5-274 JOURNAL DE PHYSIQUE
o p e r a t i v e f o r t h e a n n e a l i n g o f t h e p h o s p h o r o u s - v a c a n c y p a i r / I S / , c o n s i s t e n t l y w i t h t h e r e s u l t s shown o n F i g . 6. F i n a l l y , r e c e n t m e a s u r e m e n t s (CHANTRE A . a n d
KECHOUANE pl.,1983, u n p u b l i s h e d 1 h a v e y i e l d e d a 0 . 9 5 eV t h e r m a l a c t i v a t i o n e n e r g y f o r t h e d i s a p p e a r a n c e o f t h e i o n i z e d E ( 0 . 4 5 1 d e f e c t , i n c l o s e a g r e e m e n t w i t h v a l u e s r e p o r t e d f o r t h e n e u t r a l P-V c o m p l e x / 1 5 / .
.05
8 12 16 20 24
TIME (hours) vat!!
F i g . 6
-
C h a r g e s t a t e e f f e c t s o n t h e a n n e a l i n g k i n e t i c s o f E ( 0 . 2 2 ) a n d E ( 0 . 4 5 1 . From CHANTRE e t a 1 / 7 / .T h e d a t a r e p o r t e d o n F i g . 7 c l e a r l y s h o w t h a t t h e H ( 0 . 4 5 1 a n d H [ 0 . 1 0 1 h o l e t r a p s a r e r e l a t e d : c r e a t i o n o f o n e o f t h e d e f e c t s i s a c c o m p a n i e d b y t h e a n n i h i l a t i o n o f t h e o t h e r . T h e s e d e f e c t s t a t e s a r i s e f r o m i n t e r s t i t i a l i r o n ( F e i 1 a n d i r o n - b o r o n p a i r s (FeiBs) r e s p e c t i v e l y / 5 / . S e v e r a l w o r k e r s h a v e r e p o r t e d t h e o c c u r r e n c e o f t h e s e t w o l e v e l s i n q u e n c h e d i r o n - c o n t a m i n a t e d s i l i c o n / 1 6 / , a n d a d e t a i l e d s t u d y o f e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d r e a c t i o n s o f i r o n a n d b o r o n h a s b e e n p u b l i s h e d r e c e n t l y / 1 7 / . I n t e r s t i t i a l i r o n p r e s e n t i n t h e m a t e r i a l i m m e d i a t e l y f o l l o w i n g beam
p r o c e s s i n g i n t r o d u c e s t h e d e e p d o n o r s t a t e H ( 0 . 4 5 1 . T h e d e f e c t , w h i c h i s p o s i t i v e l y c h a r g e d i n t h e u n b i a s e d d e v i c e I p - t y p e s i l i c o n ) , r e a c t s w i t h t h e n e g a t i v e l y c h a r g e d b o r o n a c c e p t o r a t room t e m p e r a t u r e t o f o r m t h e i r o n - b o r o n p a i r H ( 0 . 1 0 1 . At e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s , t h e e l e c t r o s t a t i c , p a i r b i n d i n g e n e r g y i s c o u n t e r e d b y t h e a v a i l a b l e t h e r m a l e n e r g y , a n d t h e r e a c t i o n i s d r i v e n i n t h e o p p o s i t e way, d i s s o c i a t i o n .
A? IW K ~ V
L A TS=2500C I I
I DAY AFTER L A 'i
'
x'zIOO DAYS AFTER L A I
, '
'ANNEAL 1109:. 1 hr \\
'
'---
ANNEAL 2CQPC. l hr,
5'.
/ 1 IHIO. 11 H ( 0 . 4 5 1
I I I
50 75 200 250
TEMPERATURE (K)
F i g . 7
-
T r a n s m u t a t i o n b e t w e e n H c 0 . 4 5 1 a n d H ( 0 . 1 0 1 d u r i n g l o w t e m p e r a t u r e t h e r m a l t r e a t m e n t s . From SHENG e t a 1 /5/.A n o t h e r t r a n s i t i o n m e t a l i m p u r i t y , c h r o m i u m , e i t h e r i n t e r s t i t l a l o r p a i r e d w i t h b o r o n , a c c o u n t s f o r t h e r e m a i n i n g t w o l e v e l s /7/. E ( 0 . 2 2 1 a n d H ( 0 . 2 8 1 h a v e b e e n o b s e r v e d i n c h r o m i u m - d o p e d s i l i c o n f o l l o w i n g r a p i d q u e n c h i n g / l a / , a n d a d e t a i l e d s t u d y o f t h e s y s t e m h a s b e e n p u b l i s h e d r e c e n t l y / 1 9 / . I n t e r s t i t i a l c h r o m i u m ( C r i )
i s p r o d u c e d i n t h e m a t e r i a l d u r i n g cw l a s e r i r r a d i a t i o n , i n t r o d u c i n g t h e E ( 0 . 2 2 1 d o n o r s t a t e . T h i s d e f e c t i s p o s i t i v e l y c h a r g e d i n p - t y p e s i l i c o n a n d p a i r s w i t h b o r o n a c c e p t o r s t o f o r m C r i B , a t EV + 0 . 2 8 eV. T h e b i n d i n g o f t h e C r i B s p a i r s i s r a t h e r weak a n d d i s s o c i a t i o n o c c u r s a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s , a s e x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e d . I n n - t y p e m a t e r i a l , t h e p a i r i n g r e a c t i o n i n v o l v e s a b a c k g r o u n d a c c e p t o r
( b o r o n ) c o n c e n t r a t i o n . T h i s i s d e m o n s t r a t e d b y r e c e n t [ u n p u b l i s h e d ) m e a s u r e m e n t s , w h i c h r e v e a l e n h a n c e d a n n e a l i n g r a t e s f o r E I 0 . 2 2 ) i n a c o u n t e r d o p e d ( b o r o n ) m a t e r i a l I t s h o u l d b e p o i n t e d o u t t h a t t h e r e i s a l s o some e v i d e n c e t h a t e l e c t r i c f i e l d e n h a n - c e d m o t i o n o f C r i + i s i n v o l v e d i n t h e r e m o v a l o f E ( 0 . 2 2 ) i n r e v e r s e - b i a s e d d e v i c e s
(CHANTRE A. a n d KECHOUANE M., 1 9 8 3 , u n p u b l i s h e d ) . 3
-
Defect production mechanismsS e v e r a l p o s s i b l e s o u r c e s of d e f e c t i n t r o d u c t i o n d u r i n g l a s e r p r o c e s s i n g h a v e b e e n d i s c u s s e d by KIMERLING e t a 1 / 8 / : q u e n c h , s u b s t r a t e , a m b i e n t , c r y s t a l g r o w t h , s t r e s s g r a d i e n t s . T h e l a t t e r t h r e e d o n o t s e e m t o r e q u i r e c o n s i d e r a t i o n f o r t h e u n d e r - s t a n d i n g o f t h e s o l i d p h a s e r e g i m e . As shown b e l o w , t h e f a s t c o o l i n g r a t e s a l o n e r e a c h e d i n s u r f a c e l a y e r s o f cw beam p r o c e s s e d s i l i c o n s u b s t r a t e s i n d e e d s u f f i c e t o a c c o u n t f o r a l l t h e e x p e r i m e n t a l l y d e t e c t e d d e f e c t s .
t < O t = O t>O Virgin silicon
TIME (ms)
Fig. 8
-
T y p i c a l t r a n s i e n t s u r f a c e t e m p e r a t u r e r i s e i n d u c e d b y c w a n n e a l i n g i n t h e " p o i n t d e f e c t s " r e g i m e [ c a l c u l a - t e d l . From CHANTRE e t a 1 / 1 4 / .F i g . 8 s h o w s t h e ( c a l c u l a t e d ) t y p i c a l t r a n s i e n t s u r f a c e t e m p e r a t u r e r i s e i n d u c e d b y cw l a s e r a n n e a l i n g i n t h i s " p o i n t d e f e c t s " r e g i m e / 1 4 / . T e m p e r a t u r e s a s h i g h a s 1 5 0 0 K a r e p r o d u c e d i n t h e s u r f a c e r e g i o n o f t h e m a t e r i a l , w h i c h i s s u b s e q u e n t l y c o o l e d down t o room t e m p e r a t u r e w i t h i n a f e w m i l l i s e c o n d s . L a s e r a n n e a l i n g i s t h e r e f o r e a l s o a t h e r m a l q u e n c h i n g s i t u a t i o n , w h i c h n o r m a l l y p r o d u c e s t h e w e l l known t h e r m a l l y i n d u c e d d e f e c t s i n s i l i c o n , i . e . i r o n - a n d ( t o a l e s s e r e x t e n t ) c h r o m i u m - r e l a t e d d e f e c t s / 2 0 / . H o w e v e r , w h e r e a s t h e s e t r a n s i t i o n m e t a l i m p u r i t i e s a r e
c o m m o n l y a s c r i b e d t o s u r f a c e c o n t a m i n a t i o n d u r i n g c l a s s i c a l t h e r m a l q u e n c h i n g e x p e r i m e n t s , cw l a s e r p r o c e s s i n g m o s t c e r t a i n l y r e v e a l s t h e i m p u r i t y c o n t e n t o f t h e s t a r t i n g m a t e r i a l / 7 / . T h i s c o n c l u s i o n i s b a s e d o n t h e f o l l o w i n g a r g u m e n t s :
(i)
-
T h e l o c a l i z e d n a t u r e o f b e a m - i n d u c e d h e a t t r e a t m e n t s e l i m i n a t e s s o u r c e s o f c o n t a m i n a t i o n a s s o c i a t e d w i t h w a f e r h a n d l i n g ,(ii)
-
W a f e r s f r o m d i f f e r e n t s u p p l i e r s , c h e m i c a l l y p r e p a r e d a t t h e s a m e t i m e a n d beam p r o c e s s e d u n d e r s i m i l a r c o n d i t i o n s , r e v e a l m a r k e d l y d i f f e r e n t d e f e c t c o n c e n t r a - t i o n s [CHANTRE A. a n d KECHOUANE M . , 1 9 8 3 , u n p u b l i s h e d ) ,(iii)
-
A b s o l u t e c o n c e n t r a t i o n s o f c h r o m i u m p r o v i d e d b y n e u t r o n a c t i v a t i o n a n a l y s i s (NAA) a n d DLTS [ t h r o u g h E ( 0 . 2 2 ) a f t e r beam p r o c e s s i n g ) a r e c o n s i s t e n t w i t h e a c h o t h e r (CHANTRE A. a n d JOURDAIN D., 1 9 8 3 , u n p u b l i s h e d ) .I r o n a n d c h r o m i u m a r e i n d e e d t w o d o m i n a n t m e t a l i m p u r i t i e s i n s i l i c o n , e s p e c i a l l y i n a s - g r o w n C z o c h r a l s k i m a t e r i a l w h e r e t h e y a r e p r e s e n t i n t h e f o r m o f p r e c i p i t a t e s . T h e s e i m p u r i t i e s d i s s o l v e o n i n t e r s t i t i a l s i t e s u p o n l a s e r - i n d u c e d h e a t t r e a t m e n t s , w h e r e t h e y r e m a i n f r o z e n d u e t o t h e f a s t a s s o c i a t e d c o o l i n g t i m e s .
C5-276 JOURNAL DE PHYSIQUE
T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s u c h t h e r m a l p r o c e s s e s s o c l o s e l y a p p r o a c h t h e i d e a l c o n d i t i o n s o f t h e " p e r f e c t q u e n c h " e x p e r i m e n t t h a t t h e y u n i q u e l y a l l o w t o d e t e c t w h a t h a s b e e n s e a r c h e d i n v a i n s o f a r i n c o n v e n t i o n a l q u e n c h i n g s t u d i e s , i . e . t r a p p i n g o f i n t r i n s i c d e f e c t s . The p h o s p h o r o u s - v a c a n c y c o m p l e x e s d i s c u s s e d a b o v e i n d e e d r e s u l t f r o m t h e i n t e r a c t i o n o f t h e r m a l v a c a n c i e s w i t h d o p a n t a t o m s /11/. T h e m e c h a n i s m h a s b e e n a n a l y z e d i n some d e t a i l s a n d i s i l l u s t r a t e d o n F i g . 9 , w h i c h s h o w s t h e d e p t h p r o f i l e o f b e a m - i n d u c e d P-V c e n t e r s f o r d i f f e r e n t l a s e r s c a n v e l o c i t i e s / 1 4 / . C a r e i n p r o c e s s i n g w a s t a k e n t o a v o i d a c h a n g e i n l a s e r - i n d u c e d s u r f a c e t e m p e r a t u r e b e t w e e n t h e d i f f e r e n t s c a n s . I n o t h e r w o r d s , F i g . 9 p r o v i d e s i s o t h e r m a l i n t r o d u c t i o n d a t a f o r P-V c e n t e r s . T h e r e s u l t s p o i n t o u t a d i f f u s i o n m e c h a n i s m f r o m t h e s u r f a c e o f t h e s a m p l e s d u r i n g t h e t r e a t m e n t . B r i e f l y , t h e l o c a l i z e d t e m p e r a t u r e r i s e p r o d u c e d i n t h e m a t e r i a l a c t i v a t e s v a c a n c y g e n e r a t i o n p r o c e s s e s , w h i c h a r e i n d e e d m o s t e f f i c i e n t i n t h e v e r y t o p l a y e r s . T h e s u r f a c e t h e n s e r v e s a s a s o u r c e f o r v a c a n c y d i f f u s i o n i n t o t h e s u b s t r a t e , w h e r e i n t e r a c t i o n w i t h p h o s p h o r o u s a t o m s t a k e s p l a c e . T h e r m a l e q u i l i b r i u m c a n b e m a i n t a i n e d d u r i n g t h e w h o l e t r a n s i e n t t h e r m a l t r e a t m e n t i n t h e s e u p p e r l a y e r s , h e n c e t h e e x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e d s u r f a c e d e p l e t i o n o f d e f e c t s . V a c a n c y t r a p p e d d e e p e r i n t h e m a t e r i a l c a n n o t e s c a p e d u r i n g t h e u l t r a - s h o r t c o o l i n g p e r i o d s , t o b e d e t e c t e d l a t e r t h r o u g h t h e E ( 0 . 4 5 1 e l e c t r o n t r a p .
F i g . 9
-
D e p t h p r o f i l e s o f P-V c e n t e r s g e n e r a t e d b y cw l a s e r i r r a d i a - t i o n , w i t h l a s e r s c a n s p e e d a s a p a r a m e t e r . From CHANTRE e t a 1 /14/.T h e l a s e r - i n d u c e d d e f e c t i n t r o d u c t i o n p r o b l e m d i s c u s s e d a b o v e h a s i n t r o d u c e d t w o f r u i t f u l a r e a s f o r e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h : o n e , i n v e s t i g a t i o n o f t h e r o l e t h e s e d e f e c t s p l a y i n beam p r o c e s s e d d e v i c e s a n d t h e c o n d i t i o n s o f t h e i r r e m o v a l ; t w o , a p p l i c a t i o n o f e n e r g y b e a m s t o d e f e c t s t u d i e s i n s e m i c o n d u c t o r s . R e c e n t p r o g r e s s o n t h e s e t o p i c s a r e b r i e f l y s u r v e y e d i n t h e r e m a i n i n g of t h i s p a p e r .
1
-
Device processingAs d i s c u s s e d i n S e c t i o n 1 1 . 2 , t h e beam i n d u c e d d e f e c t s a r e d e t e c t e d i n t h e s p a c e c h a r g e l a y e r s o f cw l a s e r a n n e a l e d i o n - i m p l a n t e d j u n c t i o n s . T h e s e d e f e c t s w o u l d b e p r o d u c e d a s w e l l i n a c t i v e r e g i o n s o f d e v i c e s , when u s i n g f o r e x a m p l e l a s e r - a s s i s t e d s i l i c i d e g r o w t h f o r S c h o t t k y c o n t a c t s o r g a t e s i n MOS t r a n s i s t o r s . T h e c r i t i c a l e f f e c t s o f t h e s e d e f e c t s o n d e v i c e p e r f o r m a n c e h a v e b e e n d e m o n s t r a t e d b y SHENG e t a 1 / 6 / . T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y a r e i l l u s t r a t e d o n F i g . 1 0 , w h i c h d i s p l a y s t h e d e f e c t ( F e i l c o n c e n t r a t i o n m e a s u r e d by DLTS i n n + / p j u n c t i o n s a s a f u n c t i o n o f a n n e a l i n g beam p o w e r , t o g e t h e r w i t h t h e c h a r g e - c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y m e a s u r e d b y EBIC ( E l e c t r o n - B e a m - I n d u c e d C u r r e n t 1 o n t h e s a m e d i o d e s . C l e a r l y , t h e m i n o r i t y - c a r r i e r c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y d e c r e a s e s a s t h e d e f e c t c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e s .
S i m i l a r o b s e r v a t i o n s h a v e b e e n i n d e p e n d e n t l y r e p o r t e d by CHANTRE e t a 1 / I ? / . GONCHONO e t a 1 /21/ a l s o p r o v i d e d e v i d e n c e t h a t beam i n d u c e d d e f e c t s a r e r e s p o n s i b l e f o r l a t e r a l d a r k l i n e s i n t h e E B I C p a t t e r n o f s i n g l e l a s e r s c a n s . A l l t h e a b o v e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e s e d e f e c t s s e r v e a s e f f i c i e n t c a r r i e r g e n e r a t i o n and r e c o m b i n a - t i o n c e n t e r s i n beam p r o c e s s e d j u n c t i o n d e v i c e s . R e d u c t i o n o f d e f e c t c o n c e n t r a t i o n s i s t h e r e f o r e n e c e s s a r y t o a p p l y t h e s e t e c h n i q u e s t o d e v i c e m a n u f a c t u r e . S u b s e q u e n t m o d e r a t e t e m p e r a t u r e a n n e a l i n g s t e p s , o r o p t i m i z e d p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s , may b e c o n s i d e r e d .
LA T,:25O'C H10.47)
LA Ts=2EQoC -3)
/
SE8A T,:254. H1040)
EBIC ACCELERATING VOLTAGE : 30 KeV
F i g . 1 0
-
L a s e r i n d u c e d d e f e c t con- c e n t r a t i o n ( o p e n c i r c l e s 1 and EBIC c h a r g e - c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y [ d a r k t r i a n g l e s 1 a s a f u n c t i o n o f a n n e a l i n g beam power. From SHENG e t a 1 / 6 / .1o"l 1 I I I
0.6 0.8 l .O
ANNEALING BEAM POWER, P/P,
As shown i n S e c t i o n 1 1 1 . 2 , a l l d o m i n a n t l a s e r i n d u c e d d e f e c t s a r e common d e f e c t s i n s i l i c o n ; t h e i r f u r n a c e a n n e a l i n g b e h a v i o u r i s p r o p e r l y documented a s w e l l . Phos- p h o r o u s - v a c a n c y c e n t e r s a n n e a l o u t a t
-
1 5 0 ° C i n t h e n e g a t i v e c h a r g e s t a t e t u n - b i a s e d d e v i c e ) / 1 5 / . The a n n e a l i n g mechanism i s b e l i e v e d t o b e o n e o f m i g r a t i o n t o s i n k s a n d a n n i h i l a t i o n ; no e l e c t r i c a l l y a c t i v e d e f e c t seem t o r e s u l t f r o m t h e i r d i s a p p e a r a n c e / 2 2 / . I r o n - a n d chromium - r e l a t e d d e f e c t s a l s o r e s p o n d t o low t e m p e r a t u r e t h e r m a l t r e a t m e n t s . As d i s c u s s e d a b o v e , t h e s e r e a c t i o n s f i r s t i n v o l v e d i s s o c i a t i o n o f i n t e r s t i t i a l m e t a l - d o p a n t a c c e p t o r p a i r s , which f o r m d u r i n g s a m p l e s t o r a g e a t room t e m p e r a t u r e . I m p u r i t y p r e c i p i t a t i o n t h e n o c c u r s a t somewhat h i g h e r t e m p e r a t u r e s ( 1 0 0 ° C-
ZOO0 C f o r i r o n , a b o v e 200' C f o r chromium) / 1 6 , I $ / . It s h o u l d b e p o i n t e d o u t however t h a t s u c h p r e c i p i t a t e d i m p u r i t i e s may s t i l l d e t e r i o - r a t e t h e r e v e r s e c u r r e n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s o f d e v i c e s /18/.S u b s t r a t e h e a t i n g , which i s o f t e n r e q u i r e d t o a v o i d d i s l o c a t i o n g e n e r a t i o n d u r i n g cw beam p r o c e s s i n g , s h o u l d r e d u c e p o i n t d e f e c t p r o d u c t i o n a s w e l l . M e t a l - r e l a t e d s t a t e s however a r e s t i l l p r e s e n t f o l l o w i n g cw l a s e r p r o c e s s i n g w i t h T, = 250° C ( F i g . 2 a ) ;
i n c r e a s i n g t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e t o 3 5 0 ° C s i g n i f i c a n t l y l o w e r s t h e c o n c e n t r a t i o n o f i r o n - r e l a t e d d e f e c t s /5/. P r o c e s s e d s a m p l e s s h o u l d b e k e p t h e a t e d l o n g enough f o r i m p u r i t y p r e c i p i t a t i o n t o b e c o m p l e t e .
Beam p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s c a n f i n a l l y b e o p t i m i z e d t o l i m i t d e f e c t p r o d u c t i o n i n a c t i v e r e g i o n s o f j u n c t i o n d e v i c e s . T h i s i s d e m o n s t r a t e d i n a r e c e n t a n a l y s i s o f t h e i n f l u e n c e o f s c a n s p e e d on d e f e c t g e n e r a t i o n d u r i n g cw l a s e r i r r a d i a t i o n o f v i r g i n s i l i c o n m a t e r i a l /23/. The r e s u l t s o f t h i s i n v e s t i g a t i o n a r e i l l u s t r a t e d on F i g . 1 1 , which shows t h e a v e r a g e d c o n c e n t r a t i o n s o f beam-induced EI0.221 a n d E ( 0 . 4 5 1 e l e c t r o n t r a p s , a s a f u n c t i o n o f l a s e r s c a n v e l o c i t y . It c a n b e s e e n t h a t t h e d e f e c t d e n s i t y i s r e d u c e d by a l m o s t two o r d e r s o f m a g n i t u d e a s t h e s c a n s p e e d i s i n c r e a s e d f r o m 1 t o 100 cm/s. Again, p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s i n t h e s e e x p e r i m e n t s w e r e c h o s e n i n s u c h a manner t h a t no c h a n g e i n t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n t h e s a m p l e a c c o m p a n i e d a c h a n g e i n s c a n s p e e d . The d a t a shown on F i g . 1 1 r e f l e c t t h e r e d u c e d f i l l i n g o f t h e o b s e r v a t i o n d e p t h [- 2 urn1 w i t h d e f e c t s , a s t h e d u r a t i o n . o f t h e l a s e r i n d u c e d h e a t t r e a t m e n t s h o r t e n s . A s s u g g e s t e d by F i g . 1 2 f o r E ( 0 . 2 2 1 and F i g . 9 f o r E ( 0 . 4 5 1 , w i t h c u r r e n t cw l a s e r a n n e a l i n g e q u i p m e n t s , no p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s w i l l b e f o u n d , t h a t a v o i d d e f e c t g e n e r a t i o n i n j u n c t i o n s p a c e c h a r g e l a y e r s . S h o r t e r d w e l l t i m e s ( - 1 0 u s ) , a s a t t a i n a b l e w i t h s c a n n e d e l e c t r o n - b e a m s owing t o t h e i r s m a l l e r s p o t s i z e s , would r e t a i n d e f e c t s i n t h e i m p l a n t e d l a y e r
C5-278 JOURNAL DE PHYSIQUE
t h i c k n e s s , w h e r e t h e y n o l o n g e r s e r v e a s e f f i c i e n t c h a r g e g e n e r a t i o n a n d r e c o m b i n a - t i o n c e n t e r s . Much m o r e p r o m i s e h o w e v e r i s o f f e r e d b y r e c e n t l y d e v e l o p e d r a p i d t h e r m a l a n n e a l i n g t e c h n i q u e s u s i n g i n c o h e r e n t l i g h t s o u r c e s o r g r a p h i t e s t r i p - h e a t e r s . As p r e d i c t e d b y F i g . 1 2 , t h e c h a r a c t e r i s t i c h e a t i n g c y c l e s o f
-
1 s e c i n v o l v e d i n t h e s e t e c h n i q u e s w i l l i n d e e d l e a v e d e f e c t s o n l y f a r b e l o w t h e a c t i v e l a y e r s o f t h e d e v i c e . P r e l i m i n a r y DLTS r e s u l t s c a r r i e d o u t o n i o n - i m p l a n t e d j u n c t i o n s f o l l o w i n g h a l o g e n l a m p a n n e a l i n g a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e s e p r e d i c t i o n s /24/.C, Si (100) n z 3 ~ 1 0 ' ~ c r n - ~ ( P I C w Ar laser annealed
W
a
W
a
- A E ( 0 . 2 2 )1 2 5 10 20 50 100
S C A N SPEED ( c m / S )
C, Si (100) n = 3x10'~cm-~( P) Cw Ar laser annealed
0.94 P,
0
1
I I I0 .5 1 1.5 2
DEPTH BELOW SURFACE ( pm 1 2
-
Defect studiesFig. - S c a n s p e e d d e p e n d e n c e o f a v e r a g e d l a s e r i n d u c e d d e f e c t c o n c e n - t r a t i o n s . From CHANTRE e t a 1 /23/.
F i g . 1 2
-
I n f l u e n c e o f l a s e r s c a n s p e e d o n t h e s p a t i a l d e p t h p r o f i l e o f t h e E10.221 l e v e l . From CHANTRE e t a 1 /23/.E n e r g y - b e a m i r r a d i a t i o n i n t h e s ~ l i d p h a s e r e g i m e i s e m e r g i n g a s a new p o w e r f u l t e c h n i q u e f o r d e f e c t s t u d i e s i n s e m i c o n d u c t o r s . I n f o r m a t i o n s b r o u g h t a b o u t b y t h i s
t e c h n i q u e a r e c o m p l e m e n t a r y t o t h o s e p r o v i d e d by MeV e l e c t r o n ( o r r e l a t e d ) i r r a d i a - t i o n s . As d e m o n s t r a t e d i n S e c t i o n 111, beam p r o c e s s i n g o f f e r s t h e u n i q u e o p p o r t u - n i t y t o p r o b e t r a n s i t i o n m e t a l i m p u r i t i e s w h i c h a r e h i d d e n i n p r e c i p i t a t e s i n m o s t s i l i c o n s u b s t r a t e s ; s u c h i m p u r i t i e s a r e i n d e e d n o t a c t i v a t e d d u r i n g c l a s s i c a l e l e c t r o n i r r a d i a t i o n s . W i t h s u b s e q u e n t DLTS m e a s u r e m e n t s , c o n c e n t r a t i o n s a s l o w a s
-
l o q 0 cm-3 ( f o r a t y p i c a l d o p i n g l e v e l of-
1 0 1 5 ~ m - ~ ] may b e d e t e c t e d , w h i c h i s b e y o n d t h e s e n s i t i v i t y o f n e u t r o n a c t i v a t i o n a n a l y s i s . S e v e r a l a p p l i c a t i o n s may b e e n v i s i o n e d , s u c h a s c o n t r o l o f t h e e f f i c i e n c y o f g e t t e r i n g p r o c e s s e s , o r d e t e r m i n a - t i o n o f m e t a l i m p u r i t y c o n t e n t i n t h i n s i l i c o n f i l m s .As d i s c u s s e d i n S e c t i o n 1 1 1 . 3 , cw beam p r o c e s s i n g a l s o s h o w s p r o m i s e f o r t h e u n d e r - s t a n d i n g o f t h e r m a l l y i n d u c e d d e f e c t s i n s e m i c o n d u c t o r s . The a c c e s s i b l e h i g h t e m p e r a t u r e s a n d f a s t c o o l i n g r a t e s h a v e a l l o w e d t h e f i r s t i d e n t i f i c a t i o n of a n i m p u r i t y - i n t r i n s i c d e f e c t c o m p l e x i n q u e n c h e d s i l i c o n ( t h e p h o s p h o r o u s - v a c a n c y p a l r l . T h i s o b s e r v a t i o n a l s o c o n s t i t u t e s t h e f i r s t d i r e c t e x p e r i m e n t a l s u p p o r t t o t h e i n v o l v e m e n t o f E - c e n t e r s i n p h o s p h o r o u s d i f f u s i o n i n s i l i c o n / 2 5 / . A c a r e f u l t h e o r e t i c a l t r e a t m e n t o f P-V i s o t h e r m a l i n t r o d u c t i o n d a t a ( s u c h a s g i v e n o n F i g . 9 1 , s h o u l d p r o v i d e q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n s o n t h e p r o p e r t i e s o f v a c a n c i e s a n d E - c e n t e r s a t h i g h t e m p e r a t u r e s . S i m i l a r d a t a s h o u l d b e o b t a i n e d o n s e l f - i n t e r s t i t i a l s a s w e l l , i n s o f a r a s t h e y a r e b e l i e v e d t o b e p r e s e n t i n l a r g e c o n c e n t r a t i o n s a t h i g h
t e m p e r a t u r e s / 2 6 / . S e a r c h f o r w e e 1 known i n t e r s t i t i a l - r e l a t e d d e f e c t s ( c a r b o n - a n d b o r o n - r e l a t e d ) i n cw l a s e r i r r a d i a t e d s i l i c o n h a s b e e n s o f a r u n s u c c e s s f u l
(CHANTRE A., 1 9 8 3 , u n p u b l i s h e d ) . V
-
SUMMARYO e f e c t s t u d i e s o n l a s e r p r o c e s s e d s e m i c o n d u c t o r s a r e s t i l l a t a n e a r l y s t a g e . I n s i l i c o n h o w e v e r , much e x p e r i m e n t a l w o r k h a s b e e n c a r r i e d o u t i n t h e l a s t y e a r s , a n d a g o o d d e g r e e o f u n d e r s t a n d i n g h a s b e e n r e a c h e d , p a r t i c u l a r l y f o r t h e s o l i d p h a s e r e g i m e . Cw l a s e r p r o c e s s i n g h a s p r o v e n a v e r s a t i l e t o o l f o r b a s i c s t u d i e s . D e f e c t r e m o v a l d u r i n g beam a n n e a l i n g h a s b e e n d e m o n s t r a t e d . D e f e c t i n t r o d u c t i o n h a s b e e n e v i d e n c e d a n d e x t e n s i v e l y s t u d i e d . New p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s h a v e e m e r g e d , w h i c h a v o i d d e f e c t p r o d u c t i o n i n a c t i v e r e g i o n s o f d e v i c e s . Cw l a s e r i r r a d i a t i o n s h o w s m o r e p r o m i s e a s a new t e c h n i q u e f o r d e f e c t s t u d i e s i n s e m i c o n d u c t o r s .
T h e a u t h o r i s i n d e b t e d t o D r s STEIN H. J . . MERZ J. L. a n d KINERLING L. C. who r e s p o n d e d t o r e q u e s t s f o r g l o s s y p h o t o g r a p h s . T h e f i g u r e c a p t i o n s a r e r e f e r e n c e d t o t h e i n d i v i d u a l c o n t r i b u t o r s .
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