Основные операции. Лазерный отжиг полупроводников после ионной имплантации

Достижимая величина концентрации примеси при лазерном отжиге определяется ещё одним фактором, связанным с явлением концентрационного переохлаждения. Это явление, в свою очередь, связано с тем, что при высокой концентрации примеси, когда равновесный коэффициент распределения (сегрегации) меньше единицы, на границе раздела фаз при кристаллизации возникает избыточная концентрация примеси в расплаве в результате оттеснения примеси в жидкую фазу. Это приводит к локальному понижению температуры расплава относительно температуры ликвидуса, в результате чего на фронте кристаллизации возникает неустойчивость, приводящая к выпадению избыточной относительно предела растворимости примеси при лазерном отжиге в виде вторичной фазы с образованием так называемой ячеистой структуры.

Значительное превышение пределов равновесной растворимости при лазерном отжиге, естественно, порождает вопрос о том, насколько стабильны возникающие структуры. В большинстве случаев показано, что при нагреве эти структуры переходят к более устойчивому состоянию, когда избыточная примесь покидает замещающее положение в решётке образца, образуя преципитаты или включения вторичной фазы. Установлено, что предельная температура нагрева, при которой начинается распад пересыщенного раствора, зависит от степени пересыщения и сорта примеси. Имеются данные о том, что для метастабильных лазерно-отожжённых слоёв на кремнии эта температура находится в пределах 300–950°. Столь высокие температуры практически не ограничивают применение таких слоёв в полупроводниковой электронике. Одним из важнейших вопросов легирования полупроводниковых материалов и отжига ионно-легированных слоёв является вопрос о перераспределении имплантированной примеси. Неравновесные условия лазерного отжига приводят к возникновению ряда специфических особенностей профиля распределения примеси по глубине. При переходе от твердофазной к жидкофазной кристаллизации коэффициенты диффузии меняются с величины ∼10⁻¹¹ до ∼10⁻⁴ см²/с. Существенно возрастают пределы растворимости, что оказывает сильное влияние на процессы сегрегации (распределения) различных примесей. Равновесные коэффициенты сегрегации (K₀) и при наносекундном лазерном отжиге (K ^′) приведены в таблице (таблица 2).

Таблица 2

Равновесные коэффициенты сегрегации (K₀) и при наносекундном лазерном отжиге (K ^′)

Примесь	K0	K ′	K ′/K0
Мышьяк	0,3	1,0	3,3
Сурьма	0,023	0,7	33
Висмут	0,0007	0,4	571
Галлий	0,008	0,2	25
Индий	0,0004	0,15	375
Теллур	0,00001	0,55	55 000