WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Молекулярный эффект при имплантации легких ионов в полупроводники © И.А. Аброян, Л.М. Никулина Государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 февраля 1997 г. Принята к печати 5 марта 1997 г.) Исследовано накопление структурных дефектов в Si при имплантации одноатомных и двуатомных ионов азота в эквивалентных условиях, т. е. при одинаковых энергиях в расчете на атом, и плотностях потоков атомов. Молекулярный эффект в накоплении дефектов наблюдался лишь при таких дозах, когда степень повреждения решетки кристалла превышала 0.15. В этих условиях ион N+ создавал такое же число 2 устойчивых дефектов, как 6 ионов N+. В наших экспериментах (30 кэВ для потока N+ и 60 кэВ для 1 1 N+ при комнатной температуре) дозы аморфизации равны 3.75 · 1015 и 1.25 · 1015 ион/см2 для N+ и N+ 2 1 2 соответственно.

Введение. Анализ литературы не позаботились о равенстве плотностей потоков атомов в этих экспериментах. Такой же упрек можно сделать и Молекулярный эффект при накоплении радиационных в адрес авторов работы [6], в которой сообщается о наповреждений в полупроводниках под действием тяжелых блюдении молекулярного эффекта с = 1.4 в GaAs при ионов (As, Cd, Sb, Te) известен уже давно (см., напри40 K. Возможно, что благодаря низким температурам мер, [1]) и удовлетворительно объяснен с привлечением облучения зависимость накопления дефектов от плотноконцепции пика смещений (displacement spike) или те- сти потока атомов в экспериментах [5,6] отсутствовала, плового пика (thermal spike). В случае тяжелых ионов однако это стоило специально проверить, особенно это какого-либо элемента молекулярный эффект состоит в касается результатов работы [5], где зависимость числа том, что ион X+ (k — число атомов типа X в ионе) введенных дефектов от дозы ионов была сверхлинейной.

k создает kNa дефектов, где Na — число дефектов, со- Наконец, авторы [7] наблюдали молекулярный эффект здаваемых одноатомным ионом X с той же скоростью, а при бомбардировке при комнатной температуре крикоэффициент >1.

сталлов Si, содержащих структурные дефекты, котоДля легких ионов (массовые числа элемента рые были предварительно созданы имплантацией ионов M 10 20) ситуация сложнее и в постановке аргона.

эксперимента, и в интерпретации его результатов, а Молекулярный эффект изучался также с использовалитературные данные противоречивы. Эксперимен- нием ионов фторидов бора и фосфора [8–10]. В работах тальная сложность связана с тем, что для легких такого рода обеспечить эквивалентность молекулярного ионов скорость введения дефектов может зависеть от и атомарного облучений еще сложнее. Так, для ионов плотности ионного тока (см., например, [2]). Из-за этого BF+, например, с энергией E (в расчете на а.е.м. по k для эквивалентности условий при облучении ионами E/(11 + 19k) на ион) при плотности тока j эквиваX+ (k = 1, 2, 3... ) необходимо обеспечить не только лентным было бы одновременное облучение ионами B+ k равенство энергий и доз в расчете на атом, но и плотно- и F+ с энергиями 11E/(11 + 19k) и 19E/(11 + 19k), стей потока, выраженных в атом/(см2 · с). Теоретическая соответственно, с плотностью тока j для B+ и kj для интерпретация молекулярного эффекта, если он суще- F+. Такие условия в работах [8–10] не обеспечивались.

ствует, осложняется тем, что при M 1020 плотность В исследовании [8] Si облучался при T = 77 Kионами выделения энергии в упругих столкновениях может BF+ (1 k 3) и PF+ (1 k 5); к сожалению, k k быть недостаточной для проявления эффекта пиков. ни ориентация пучка относительно осей кристалла, ни В работе [3], облучая Si при T = 300 K ионами C+, плотность тока не указаны. Избыток повреждений CO+, CO+ и (C6H6)+, для всех ионов наблюдали ярко определялся как отношение числа дефектов, созданных выраженный молекулярный эффект (рост от 3 одним молекулярным ионом, к суммарному числу дефекдля CO+ до 15 для (C6H6)+). Для Ge и ионов тов, созданных соответствующими атомарными ионами.

CO+, CO+ при T = 300 K [4] также наблюдали моле- Авторы [8] практически не наблюдали молекулярный кулярный эффект ( = 1.5 и =2.6 соответственно). эффект для диатомных ионов ( = 1 для BF+ и =1.Заметим, что некоторую неопределенность в трактовку для PF+), однако с ростом k коэффициент достигал знарезультатов [3,4] вносят различия в величинах заряда чений 1.27 и 1.8 для ионов BF+ и PF+. Наблюдавшийся 3 ядра Z и массового числа M для атомов C и O. В молекулярный эффект интерпретируется в работе [8] как отличие от [3,4] авторы [5] облучали Si ионами азота проявление эффекта пика смещений в результате двух- и при T = 50 K и не заметили каких-либо различий в трехкратного перекрытия субкаскадов, благодаря чему в накоплении дефектов для N+ и N+ при равенстве (в области перекрытия достигается концентрация дефектов, 1 расчете на атом) энергий и доз. К сожалению, авторы [5] достаточная для перехода Si в аморфное состояние.

Молекулярный эффект при имплантации легких ионов в полупроводники В исследованиях [9,10] Si облучался при комнатной температуре ионами B+, F+, BF+ и BF+. В этих работах, насколько можно судить по тексту, не обеспечивались эквивалентные условия облучения (имеется в виду равенство плотности потока частиц). Крометого, не учитывалась сложная нелинейная зависимость числа дефектов от величины дозы ионов (см., например, [11]), неаддитивность и некоммутативность накопления дефектов [12,13], не оговорена и не учтена возможность ионностимулированного отжига дефектов при облучении сначала более тяжелыми (F+), а затем более легкими (B+) ионами [14]). В авторской интерпретации [9] молекулярный эффект ( = 1.52.5) наблюдался для так называемого поверхностного максимума нарушений (на глубине до 25 нм от поверхности) и отсутствовал в районе объемного (x = Rp) максимума. Авторы [10] наблюдали молекулярный эффект ( > 1) вблизи поверхности и отрицательный ( <1) молекулярный эффект в объеме.

Наконец, в работе [15] кремний при T = 900 K облучался ионами углерода C- (k = 1, 2, 3, 4, 6, 8) с k энергиями порядка 70 кэВ/а.е.м., т. е. в 10–100 раз большими, чем в цитированных выше работах. Эквивалентность облучения (по плотности потоков), по-видимому, не обеспечивалась. Кроме того, существенную роль в накоплении дефектов могло играть электронное возбуждение. Авторы [15] на глубинах до нескольких сотен нм наблюдали отрицательный молекулярный эффект ( <1) при k = 2, 3, 4, 6 и положительный ( >1) для Рис. 1. Распределение по глубине x относительной концентрации повреждений nd, создаваемых ионами N+ и N+ k = 8; в конце пробега ионов количество повреждений в 1 с E = 30 кэВ/атом в Si при T = 300 K. На вставке расчетена атомпоихданнымнезависит от числа атомов поясняется ориентация образца при облучении. Величина дозы в кластерном ионе.

, атом/см2: a —8.5 · 1014, b —3.75 · 1015. Ионы: 1 —N+, Выполненный анализ показывает, что для однозначно2 —N+.

го ответа на вопросы, — существует ли молекулярный эффект и каков ион (положительный или отрицательный), каков механизм эффекта, — необходимо обеспечить эквивалентность всех условий облучения атомармасс-сепаратором. Для обеспечения равномерности обными и молекулярными ионами, т. е. равенство кинетилучения по поверхности осуществлялось механическое ческих энергий свободных атомов и атомов в составе сканирование мишени под пучком. Выбранной линеймолекулярного иона, равенство плотностей потоков и ной скорости сканирования соответствовала продолжидоз для атомов всех сортов в молекулярном и атомарном тельность импульса ионного тока 130 мс. Плоскость режимах, равенство температур и времени облучения (111) пластин была несколько отклонена от плоскости атомарными и молекулярными ионами, одинаковость поверхности, так что нормаль к поверхности пластины ориентации пучков относительно осей кристалла. Естесоставляла с осью 111 угол порядка 3 (поворот вокруг ственно, одновременное обеспечение всех этих условий оси OO на угол 1.4 и поворот вокруг оси O1O1 на значительно легче реализовать при использовании молеугол 2.6) (см. вставку к рис. 1).

кулярных ионов, состоящих из атомов одного элемента.

Измерение распределений по глубине x доли смещенных атомов nd осуществлялось методом анизотропии неупругого отражения электронов при послойном Эксперимент удалении калиброванных по толщине слоев Si (анодное окисление и последующее растворение окисла в HF).

В настоящей работе пластины Si(111) облучались в направлении нормали к поверхности при комнатной тем- Вычисление nd производилось по процедуре [16], обеспературе ионами N+ иN+ с энергиями 30 и 60 кэВ, плот- печивающей удовлетворительное соответствие результа1 ностями тока j = 0.3 и 0.15 мкА · cм-2 соответственно. тов, получаемых этим методом и методом обратного Таким образом были обеспечены эквивалентные условия резерфордовского рассеяния ионов.

при бомбардировке одноатомными и двухатомными ио- На рис. 1 приведены примеры зависимостей nd(x) нами азота. Имплантация осуществлялась на стандарт- после облучения образцов Si ионами N+ и N+ дозами 2 ном имплантаторе ”Иолла-2” с секторным магнитным =8.5·1014 атом/см2 (a) и =3.75·1015 атом/см2 (b).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1166 И.А. Аброян, Л.М. Никулина (плавления Si в микрообъеме) требуется энергия больше теплоты плавления, т. е. больше 0.7–0.8 эВ на атом. В дополнение к низким удельным потерям энергии из-за сравнительно большой вероятности рассеяния легких атомов будет мала вероятность перекрытия индивидуальных каскадов, создаваемых атомами диссоциировавшего иона N+ (объем индивидуального каскада по оценке [18] в 100 раз меньше объема среднестатистического каскада). Это делает неприменимой для объяснения молекулярного эффекта концепцию пика смещений в ее традиционном виде.

2. Можно ожидать, что при бомбардировке в кристаллографическом направлении с низкими индексами на некоторой глубине значительная часть ионов N+ будет еще двигаться в режиме каналирования, а поток атоРис. 2. Зависимости относительной концентрации в максимумов из молекулярного пучка уже будет рандомизирован ме распределения дефектов по глубине nd max от дозы для (происходит диссоциация ионов N+ при столкновениях и ионов N+ (1) и N+ (2, 3). Плотности тока ионов N+ и N+, 1 2 1 рассеяние на углы, превышающие углы каналирования).

j мкА/см2: 1 —0.3, 2 — 0.15. 3 —1. Прямые 10 КР и Тогда в этой области глубин молекулярным пучком будет 20 КР — наклоны начальных участков зависимостей nd max(), создаваться больше дефектов, чем пучком ионов N+ рассчитанных по модели Кинчина–Пиза для порога смещения (на такую возможность нам указал А.И.Титов). Заметим 10 и 20 эВ соответственно.

также, что в большинстве цитированных работ измерялось полное число дефектов, а не их концентрация в максимуме распределения nd(x), как в наших экспериВидно, что при меньшей дозе (рис. 1, a) атомарные и моментах. Однако такой механизм молекулярного эффекта лекулярные ионы создают одинаковое количество поврев наших экспериментах маловероятен. Действительно, ждений. С другой стороны, при =3.75 · 1015 атом/см2 угол отклонения пучка от оси 111 составлял 3, молекулярные ионы N+ создали сплошной аморфный т. е. был почти равен углу каналирования k = 420, слой толщиной 8090 нм, в то время как для атомарных и ионам N+ было еще необходимо пройти путь 60 нм в ионов N+ величина nd лишь в максимуме распределения сильно нарушенном кристалле практически без рассеядефектов по глубине достигла аморфного уровня.

ния, чтобы остаться в режиме каналирования.

На рис. 2 показаны зависимости относительной кон3. Различия в накоплении повреждений в процессе центрации дефектов в максимуме распределений nd(x) от облучения молекулярными и атомарными ионами при дозы бомбардирующих атомов. Кривая 1 соответствует T = 300 K могут быть связаны с термическим и ионноионам N+, а кривая 2 —N+. Из рис. 2 следует, что 1 стимулированным отжигом дефектов, созданных ионами при < 2 · 1015 атом/см2, т. е. до уровня повреждения N+ и N+. К сожалению, оценить количественно вклад 1 nd = 0.15, обе зависимости практически совпадают этих процессов в наблюдаемый эффект затруднительно.

и лишь затем на более крутом участке зависимостей 4. Как видно из рис. 2, молекулярный эффект начинает сильно расходятся. Заметим, кстати, что на крутом проявляться, когда средняя концентрация смещенных участке влияние плотности тока на накопление дефектов атомов в максимуме их распределения по глубине достилибо вообще отсутствует, либо сильно подавлено (см., гает 1520%. При дозе =2·1015 атом/см2 скорость например, [17]). Это видно и из сопоставления наклонов введения дефектов dnd/d резко возрастает, особенно кривой 2 с кривой 3 на рис. 2. Последняя была получена для ионов N+, и может превышать расчетную скорость при бомбардировке Si ионами N+ с энергией 60 кэВ при повреждения в линейной модели. На рис. 2 прямыми j = 1 мкА/смлиниями 10 КР и 20 КР показаны наклоны начальных участков зависимостей nd max(), рассчитанных по модели Кинчина–Пиза в предположении, что пороговые Обсуждение результатов энергии смещения атома равны 10 и 20 эВ. Отметим, что Рассмотрим возможные механизмы молекулярного эф- наклоны этих линий практически совпадают с наклонами фекта применительно к нашим экспериментам. крутых участков nd max() для ионов N+ и N+.

2 1. Представления о тепловом пике и пике смещений, Согласно современным представлениям (см., наприуспешно использованные в случае тяжелых ионов, для мер, [11,17]), накопление повреждений на крутых участлегких ионов неприменимы, по крайней мере в обычном ках происходит в результате спонтанного фазового пеих понимании. Действительно, из-за низких удельных рехода в аморфное состояние в тех областях кристалла, потерь энергии средняя плотность выделения энергии где концентрация дефектов достигает предельного (попри торможении ионов N+ в кремнии не превышает рогового) значения. Принимая во внимание последнее 0.1 эВ на атом, а для проявления эффекта теплового пика обстоятельство и учитывая, что единственным отличием Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Молекулярный эффект при имплантации легких ионов в полупроводники молекулярного облучения от атомарного является од- Авторы признательны А.Г. Кирееву и М.В. Карасевой новременность (t 10-15 с) вхождения в кристалл за помощь в проведении некоторых измерений, и близость (от 0 до 0.11 нм) точек попадания атомов А.Б. Фадееву за облучение образцов, В.С. Белякову молекулярного иона, мы считаем разумной следующую и А.И. Титову за проявленный интерес к исследованиям качественную модель явления. При nd > 0.15 решетка и полезные дискуссии.

уже подготовлена к фазовому переходу в аморфное состояние. Однако для такого перехода требуется еще Список литературы ввести в неоднородно поврежденную матрицу некоторую энергию, необходимую для повышения концентрации [1] J.A. Davies. In: Ion Implantation and Beam Processing, ed.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.