МОДИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТНО-ПРИМЕСНОЙ ПОДСИСТЕМЫ

МОДИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТНО-ПРИМЕСНОЙ
ПОДСИСТЕМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ
ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ
Л.С. Смирнов, И.В. Антонова, В.Ф. Стась
Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск
В работе приведены новые экспериментальные данные, которые дополняют и
укрепляют представление о важности процесса миграции точечных дефектов и
примесных атомов из области торможения ионов в появлении эффектов дальнодействия в относительно чистых и бездефектных кристаллах кремния и германия.
Ионная имплантация полупроводников, как правило, рассматривается, как
способ локальной модификации свойств материала. Однако, часто заметное воздействие имплантации обнаруживается на глубинах, существенно превышающих
проективный пробег ионов [1-4]. Эффекты «дальнодейстия» многообразны – это
разбегание точечных дефектов из области торможения ионов, увлечения их “фононным ветром” [5], изменение состояния ранее присутствующих сложных комплексов упругими колебаниями [6] или под действием возникших по мере набора
дозы механических напряжений [7]. Анализ экспериментальных данных осложняется из-за большого разброса параметров дефектно-примесной системы исходных
образцов и того, что экспериментаторы используют, как правило, какую-либо одну методику наблюдений (электропроводность, микротвердость, SIMS, DLTS,
нейтронно-активационный анализ и др). Отсюда вытекают сложности при поисках ответа, что же доминирует в том или ином конкретном случае.
У нас сложилась точка зрения, что в особо чистых и совершенных кристаллах
(какими являются кремний и германий) доминируют эффекты разбегания точечных дефектов и примесных атомов, вытесненных из узлов решетки собственными
междоузельными атомами (снятие пересыщения), а в материалах, далеких от совершенства, насыщенных разного рода несовершенствами, на первый план выходят такие эффекты, как индуцированные облучением упругие волны, возникающие градиенты механических напряжений и др. Но, строго говоря, по-видимому,
всегда работают несколько факторов, относительный вклад которых определяется
спецификой использованного объекта и параметрами имплантации.
Точка зрения авторов на проблему в целом может быть сформулирована следующим образом: дефектно-примесная подсистема твердых тел модифицируется
при ионной бомбардировке на больших глубинах как в результате «разбегания»
точечных дефектов и примесей, так и за счёт упругих колебаний. Первый фактор
доминирует в относительно чистых, бездефектных кристаллах, второй – в неравновесных, напряженных, дефектных объектах. Отсюда большой разброс в литературных данных, как по результатам, так и по подходам к наблюдаемым эффектам.
Большой интерес представляет проблема введения в кремний термодоноров.
Обычно в заметной концентрации они генерируются при Т=450°С за десяткисотни часов. Однако после облучения ионами Н2+ (130 кэВ в интервале доз 1016 –
1017 см–2) [8,9] скорость введения термодоноров возросла примерно на порядок, в
183
результате чего уже при 2-х часовом прогреве наблюдалась конверсия типа проводимости образца с р- на n-тип по всему объему кристалла. При переходе к
кремнию, выращенному методом зонной плавки, данного эффекта не наблюдается. При увеличении дозы имплантации происходит рост концентрации термодоноров во всем кристалле. Но, начиная с дозы ~1017 см-2, дозовая зависимость концентрации термодоноров проходит через максимум. Такая зависимость от дозы
является типичной для случая, когда наблюдаемый эффект обусловлен диффузией
компонентов пары Френкеля из нарушенного слоя.
Похожая картина по ускоренному формированию термодоноров наблюдалась
при имплантации О+ с энергией 200 кэВ (Rp = 0.40 мкм) в интервале доз 1014÷1017
[10]. Здесь после 450°С отжигов в течение 30 мин и более наблюдалось равномерное увеличение по всей глубине концентрации свободных носителей, (исходный
материал был Si-Cz п-типа проводимости). Зависимость концентрации термодоноров от дозы выходит на насыщение уже при Ф=1015 см-2. Замена дозы имплантации на расчетное количество смещенных атомов приводит к совмещению кривых зависимости концентрации термодоноров для случая имплантации водорода
и кислорода [9]. Имплантация ионов Не+ с энергией 130 кэВ (Rp = 0.66 мкм) и дозами (1-3)⋅1016 см–2 [9] не привела к ускоренному введению термодоноров за областью Rp после отжигов, аналогичных использованным выше.
Облучение германия п-типа ионами Не+ приводило к образованию р-слоя ~2
мкм (при Rp~0,3 мкм). Последующее облучение ионами Н+ или N+ увеличивало
глубину р-слоя (см. табл. 1.). Изменение последовательности имплантаций приводило практически к исчезновению эффекта. Можно предположить, что образование вакансионно-гелиевых пузырей сопровождается генерацией потока междоузельных атомов (Gei), вызывающих конверсию типа проводимости материала.
Второе облучение создает дополнительный источник междоузельных атомов. При
обратном порядке облучения вакансии не связываются и ранее введенные дефекты тормозят диффузию Gei.
Таблица 1
Режимы облучения n-Ge при образовании слоя p-типа
Ионы
Предварительное
облучение
Е/Ф,
Rp,
кэВ/см-2
мкм
Повторное
облучение
Ионы
Е/Ф,
кэВ/см–2
Не+
70/1016
0,28
Глубина
р-слоя,
мкм
2,4
+
70/10
16
0,28
–
Не
70/10
16
0,33
N+
70/1016
0,12
Н2
+
27/10
16
0,15
–
N
N+
70/1016
0,12
0,2-0,27
Не+
Н2
+
+
Н2
400/2 10
15
1,61
Не+
500/2.1015
1,68
+
Не
184
.
22/10
16
Глубина
р-слоя, мкм
Двойное облучение
Не+
70/1016
1,04
1,7-2,4
Н2
+
70/1016
3,6-4,8
0,2-0,27
Н2+
27/1016
–
+
70/1016
0,1
22/1016
0,2
–
+
Не
500/2.1015
2,43
5,7
Н2+
400/2.1015
7,64
1,35
Германий n-типа, легированный сурьмой до концентрации 2,6.1017 см–3, облучался при комнатной температуре ионами Не+ с энергией 750 кэВ (Rp~2,37 мкм)
дозой 1.1016 см–2. Методом вторичной ионной масс-спектроскопии получено распределение сурьмы по глубине (рис. 1). В исходном образце примесь (кривая 1)
распределена однородно, а в облученном сурьма из исследованного слоя ушла (2),
продекорировав область упругих потерь ионов. Полученные данные не дают ответа на вопрос: куда ушла примесь? Возможно, она вышла на поверхность и испарилась, либо была оттеснена потоком междоузельных атомов в глубь кристалла, но здесь нам важно было показать, насколько эффективны реакции между дефектами и атомами примеси при комнатной температуре.
18
10
- initial Si
+
-3
-3
concentration,
concentration, cm
cm
16
- He , 10 cm
-2
1
17
10
2
16
10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
depth,
depth,µµm
m
Рис. 1. Распределение по глубине
атомов
сурьмы
в исходном кристалле и после
имплантации ионов He+
14
sheet concenration, cm
-2
8x10
14
7x10
14
6x10
Рис. 2. Изменение слоевой концентрации носителей по глубине
в кристалле, облученном ионами гелия
14
5x10
14
4x10
14
3x10
14
2x10
14
1x10
0
2
4
6
8
10
depth,
depth,µµmm
В р-Ge был внедрён фосфор (100 кэВ, (Rp=0,08 мкм) 3,7.1015 см-2). Затем проведено облучение ионами Не+ (600 кэВ, Rp~2 мкм, Тобл=6000 С, доза ~1.1016 см-2).
На рис. 2. приведено количество фосфора (использовался нейтронноактивационный анализ), оставшееся в объёме кристалла после облучения и снятия
185
травлением 5 и 10 мкм. Из рис. 2. следует, что фосфор подвижен, а основной канал его ухода при воздействии потока ионов Не+–поверхность (осталось лишь
24% внедрённой примеси).
Приведённые экспериментальные результаты для кремния и германия, полученные с применением разнообразных методик, включая методы наблюдения непосредственно за легирующими примесями, усиливают аргументацию в пользу
разбегания точечных дефектов и примесей из слоя торможения ионов как доминирующий механизм, приводящий к возникновению различных эффектов далеко
за областью непосредственного проникновения ионов. Подвижность элементарных дефектов является достаточно высокой уже при комнатной температуре [11],
что заставляет учитывать возможность их диффузии на значительные расстояния
и взаимодействия с другими дефектами и примесями, особенно при повышенных
температурах. В то же время нужно отметить, что количественные оценки затруднены, да и качественные объяснения часто неоднозначны. Таким образом,
нужно, по-видимому, сделать вывод об одновременном участии нескольких механизмов модификации примесно-дефектной подсистемы кристаллов кремния и
германия, вклад которых зависит от исходного состояния кристалла и конкретных
условий имплантации и отжига.
Литература
1. Комаров Ф.Ф.// Физика. 1994. Т. 37. С.23
2. Шулов В.А.// Физика. 1994. Т. 37. С.72
3. Шаркеев Ю.П., Диденко А.Н., Козлов Э.В.// Физика.1994. Т.37. С.92.
4. Козлов Э.В., Терешко И.В., Попова А.Н.// Физика.1994. Т.37. С. 27.
5. Серяпин В.Г., Романов С.И., Смирнов Л.С.// ФТП. 1973. Т.7. С.183.
6. Антонова И.В., Шаймеев С.С.// ФТП. 1995. Т.29. С.1.
7. Титов В.В., Роль механических напряжений при легировании материалов с
помощью ионных пучков, Препринт ИАЭ – 3774/11 48с, М., 1983
8. Antonova I.V., Neustroev E.P., Popov V.P., Stas V.F et.al.// Phys.B. 1999.
V.1&2. N1. P.270,
9. Антонова И.В., Неустроев Е. П., Попов В. П., В. Ф. Стась.// Перспективные
материалы. 2001. №1. С.43.
10. Popov V.P., Antonova I.V., Neustroev E.P., Kilanov D.V. et.al.// Phys.B.2000.
V.293. P.44-48,.
11. Eaglesham D.// Phys.Wold. 1995. N4. P. 41.
186