1.5. Радиационные дефекты

Природа дефектов. Аморфизация

Радиационные дефекты (РД) появляются в кристалле при смещении его атомов из узлов решетки. Неупругие взаимодействия ионов с решеткой не вызывают таких смещений и, следовательно, не приводят к появлению РД. Упругие взаимодействия ионов с атомами кристалла приводят к смещению последних из узлов решетки, если энергия иона, переданная атому, превышает энергию смещения атома в решетке Ed. В случае внедрения легких ионов смещения атомов наблюдаются при сравнительно низких энергиях ионов в конце их пути, тяжелые ионы вызывают образование РД на всем пути движения в кристалле. В результате образуется «дерево радиационных дефектов». При замедлении тяжелых ионов степень ядерного торможения внедряемых частиц близка к постоянной величине в большом диапазоне энергий, но смещенные атомы решетки переносят переданную им энергию на большую глубину. Все это «дерево» занимает в решетке ограниченную область, обычно называемую «областью разупорядочения». Размеры этой области зависят от энергии, дозы, массы внедряемых ионов и массы атомов мишени. Большое значение имеет также температура мишени. Если энергия, переданная атому мишени, незначительно превышает энергию связи (АЕ > Ed), то образуются простые дефекты. К ним относятся точечные дефекты: вакансия V, междоузельный атом кремния I или междоузельный атом примеси Тд , а также ассоциации точечных дефектов — дивакансии V, три- и тетравакансии F3, V4, Е-центры — вакансия и примесный атом V группы, чаще всего фосфора (F-P), А-центры — вакансия и атом кислорода (F-0), ft-центры — междоузельный атом кремния и атом кислорода (1-0), дивакансия с атомом кислорода (V-V-0). Искажение решетки, вносимое РД, приводит к появлению локальных энергетических уровней в запрещенной зоне кристалла. В зависимости от положения уровня Ферми эти уровни могут находиться в разных зарядовых состояниях: нейтральном, отрицательно заряженном (однократно или двукратно, преимущественно в кремнии п-типа), положительно заряженном (преимущественно в кремнии р-типа).

При передаче атому мишени энергии АЕ ~ 2Ed формируются стабильные дефекты и наблюдаются вторичные перемещения атома решетки. При АЕ 3> 2Ed происходят многочисленные вторичные перемещения атомов решетки с образованием сложных дефектов — кластеров дефектов, являющихся скоплением простых дефектов. В кластере решетка сохраняет кристаллическую структуру. В центре кластера образуется насыщенное дивакансиями ядро, размер которого определяется положением уровня Ферми в кристалле, а вокруг ядра располагаются ассоциации вакансий с примесями. Уровень Ферми в области ядра кластера близок к положению, определяемому уровнями дивакансий, а в окружающей оболочке он располагается либо вблизи середины, либо близко к потолку запрещенной зоны в зависимости от типа составляющих оболочку ассоциаций (комплексов).

Накопление кластеров приводит к разупорядочению кристалла и его аморфизации. Существуют три модели образования аморфной области: согласно первой модели аморфизация возникает в результате накопления и слияния отдельных мелких аморфных областей; вторая модель предполагает накопление простых дефектов с их последующей коагуляцией;

по третьей модели первоначальной фазой являются зародыши, состоящие из многовакансионных образований (V2, V3, V4 или F-F-центров), сливающихся в аморфную область. Размеры разупорядоченных областей возрастают линейно с ростом дозы внедряемых ионов вплоть до насыщения (аморфизации) и достигают размеров, зависящих от природы мишени.

Размеры отдельных кластеров в кремнии при внедрении

фосфора с дозами меньше 5-10

нм. При дозе более 10 см 2 отдельных кластеров не наблюдается, возникает аморфная зона. Для образования аморфной зоны концентрация дивакансий в кластере должна пре- высить 7-10 см . При бомбардировке тяжелыми ионами (As, Sb) аморфизация наступает, когда доза достигает значе-

см 2 составляют примерно 3

ния 1011 см й (рис. 1.9). Плотность смещенных атомов кремния Nd в аморфной области приблизительно равна

2

где Ф — доза (ион/см ); EL — энергия иона, отнесенная к длине его пробега (эВ/нм); Ed — энергия смещения атома кремния, примерно равная 15 эВ.

Зависимость дозы, необходимой для полной аморфизации кремния, от температуры мишени для различных ионов

Рис. 1.9. Зависимость дозы, необходимой для полной аморфизации кремния, от температуры мишени для различных ионов

13 —2

При энергии ионов 300 кэВ и дозе имплантации 10 см

количество дефектов, возникающих в кремнии при внедре-

20 —3

нии бора, составляет примерно 7-10 см , а при внедрении

22 —3

мышьяка 10 см . Следовательно, дозы мышьяка порядка 1011 см 2 достаточно, чтобы сместить из углов решетки все атомы кремния и перейти в аморфное состояние. Можно определить также некоторую критическую энергию ионов, при которой кристалл станет аморфным: Ес = f'NSi-Nd « ® /НО21 (эВ/см2). При этом f » 0,1-0,5. Аналогично можно определить критическую дозу имплантации Фс = = Ec/(dE/dx)n. Доза аморфизации увеличивается по мере убывания атомного номера иона Z.

Аморфные области образуются сначала в виде небольших участков и расширяются за счет стока точечных дефектов из нарушенной области кристалла. Большое значение при возникновении аморфных областей имеет температура подложки. Подвижность точечных дефектов с ростом температуры резко увеличивается и они рекомбинируют. При легировании легкими ионами, такими как бор, уже при температуре 50 °С при любой дозе невозможно создать аморфных участков в Si-подложке. Критическая доза аморфизации является экспоненциальной функцией температуры и при повышении температуры на порядок величины (от 20 до 200 °С) доза Фс аморфизации возрастает на два порядка. Зависимость критической дозы от температуры мишени показана на рис. 1.9 для ионов бора, фосфора и сурьмы. Кривая зависимости для мышьяка лежит между кривыми для фосфора и сурьмы. Видно, что температура мишени, при которой кремний не переходит в аморфное состояние, выше для ионов с большей массой.

При очень малых дозах легирования тепловые колебания решетки при комнатной температуре уже в течение 10 с после остановки иона возвращаются в равновесное состояние, а в течение 10 9 с релаксируют нарушения кристаллической решетки и в процессе локальной диффузии происходит упорядочение.

В результате нагрева мишени при внедрении ионов с большой дозой в кристалле образуются дислокации. Они возникают либо при агломерации простых дефектов, либо под действием полей напряжений вокруг неотожженных дефектов. Концы дислокаций связаны либо с примесными атомами, либо со скоплениями дефектов. Поля напряжений, воздействуя на дислокацию, изгибают ее, вызывая появление дислокационных петель. В некоторых случаях возникают также двумерные плоскостные дефекты за счет группировки вакансий или междоузельных атомов. Эти включения имеют тенденцию к росту, поскольку присоединение дефектов того же типа к первоначальному образованию приводит к уменьшению полей напряжений, создаваемых в кристалле этими дефектами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >