WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1998, том 40, № 11 Модель пары: атом фосфора–междоузельный атом кремния © А.Р. Челядинский, В.А. Буренков Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия (Поступила в Редакцию 7 апреля 1998 г.) Рентгенодифракционным методом исследованы дефекты междоузельного типа в кремнии, имплантированном ионами P и Si. Установлено, что образующиеся при имплантации и в процессе последующей термообработки междоузельные комплексы не содержат в себе атома P. Предложена модель пары PI:

атом P–междоузельный атом Si. Пара PI — это атомы P и Si в одном междоузлии, не связанные между собой химической ковалентной связью. Модель пары отвечает особенностям диффузии имплантированного фосфора в кремнии.

В настоящее время сложилось представление, что в В работах [11,12] показано, что междоузельные комкремнии аномальная диффузия имплантированного фос- плексы могут исследоваться путем изучения эффекта фора идет по паре атом P–междоузельный атом Si [1–3]. Воткинса — вытеснения элементов III группы из узлов Однако до сих пор в литературе нет сведений о структуре решетки междоузельными атомами Si. Междоузельные этой пары. атомы Si возникают при термообработке облученных В диффузии имплантированного фосфора наблюда- образцов в результате распада компексов. Процесс выются следующие особенности: 1) аномально большие теснения элементов III группы контролировался по иззначения эффективного коэффициента диффузии: при бы- менению периода решетки кристалла. В данной работе стром термическом отжиге (БТО) длительностью поряд- мы исследовали этим методом дефекты междоузельного ка 10 s при 900C он в 1000 раз превышает собственное типа в кремнии, облученном ионами Si+ и P+.

значение (т. е. значение для обычной термодиффузии из внешнего источника); 2) с увеличением длительности 1. Методика эксперимента отжига коэффициент диффузии стремится к собственному значению; 3) при БТО эффективный коэффициент Рентгенодифракционные исследования проводились в диффузии фосфора не зависит от температуры в интеррежиме двухкристального спектрометра с параллельвале 800-1050C; 4) в результате отжига максимум ным расположением кристаллов на излучении CuKраспределения фосфора смещается к поверхности.

в четвертом порядке отражения от плоскостей (111).

Установленная экспериментально независимость эфПериод решетки определялся из углового расстояния фективного коэффициента диффузии от температуры между максимумами отражения от имплантированного указывает на то, что диффузия идет по комплексу. С слоя и подложки с точностью±1 · 10-6 nm.

увеличением температуры экспоненциальный рост скоИсследовались образцы кремния p-типа, слаболегирорости миграции комплекса компенсируется аналогичным ванные (0 = 10 · cm) и сильнолегированные бором падением его времени жизни. При этом необходимо, (0 = 0.005 · cm), облученные различными ионами.

чтобы энергия активации диффузии комплекса равнялась Энергия ионов P+ и Si+ была 200 keV, ионов B+ — энергии активации его отжига [3].

100 keV. Эффективная плотность сканирующего пучка В пользу того, что данный комплекс должен быть ионов составляла 0.2 µA · cm-2.

междоузельным, а не E-центром (комплекс атома P Изохронный отжиг в течение 15 min проводился в с вакансией), как это ранее полагалось [4–6], свидевакуумированных кварцевых ампулах. Точность поддертельствуют следующие данные. Коэффициент диффузии живания температуры ±2C.

фосфора повышается, если в процессе диффузии поверхность кремния окисляется [7]. Известно, что в процессе окисления в кремнии генерируются избыточные междо- 2. Результаты и обсуждение узельные атомы. Напротив, коэффициент диффузии имплантированного фосфора можно существенно снизить В результате имплантации ионов период решетки (ПР) (в 100 раз [3,8]), если слой предварительно легировать кремния увеличивается. Восстановление ПР в слаболегиэлементами IV группы (Ge, C). По данным [9,10] эти рованном кремнии (0 = 10 · cm), облученном ионами примеси являются ловушками междоузельных атомов Si Si+, P+, B+, в процессе изохронного отжига предстапо механизму замещения Воткинса. влено на рис. 1. Аналогичные кривые для кремния, Методом электронного парамагнитного резонанса сильнолегированного бором (Si : B), показаны на рис. 2.

(ЭПР) в облученном кремнии установлена структура На рис. 2 кривой 3 показано восстановление ПР в Si : B, ряда междоузельных комплексов. Однако в литературе облученном ионами Si+, в процессе изохронного отжига нет данных о междоузельном комплексе, содержащем с одновременным облучением электронами с энергией атом P. 10 keV при плотности тока 2 µA · cm-2.

3 1996 А.Р. Челядинский, В.А. Буренков в нейтральном зарядовом состоянии. Авторы [16] полагали, что дефект Si–A5 — это два взаимодействующих между собой расщепленных димеждоузельных комплекса, разнесенных на расстояние 0.9 nm. Парамагнитный центр Si–O2 — это, по данным ЭПР, междоузельный комплекс, но структура его еще не установлена. Концентрации всех идентифицированных методом ЭПР междоузельных центров на два-три порядка ниже концентраций дивакансий. Однако оценки, полученные из данных по вытеснению бора из узлов решетки, показывают, что концентрации междоузельных комплексов соизмеримы с концентрациями дивакансий [11]. Несоответствие обусловлено, видимо, тем, что междоузельные комплексы сосредоточены преимущественно в областях скоплений дефектов и в силу высоких локальных концентраций, взаимодействуя друг с другом, не проявляют своих индивидуальных свойств в спектрах ЭПР.

Рис. 1. Восстановление периода решетки a в процессе Различия в температурах отжига междоузельных комизохронного отжига в кремнии, облученном ионами. 1 —Si+ (1 · 1014 cm-2), 2 —P+ (1 · 1014 cm-2), 3 —B+ (1 · 1015 cm-2). плексов в кремнии, облученном ионами Si+ и P+ (кривые 1 и 2 на рис. 2), на первый взгляд допускают предположение о том, что в состав комплексов Si–Aи Si–O2 входят атомы P. Тем более что и по данным В слоях кремния, облученных ионами Si+ (кривая ЭПР эти центры наблюдались в кремнии, легированном на рис. 1), первая стадия (100-280C) обусловлена фосфором [16,17]. Однако, возможно, эти различия в отжигом преимущественно дивакансий [11]. На второй температурах отжига обусловлены зарядовыми состостадии (380-600C) отжигаются многовакансионные яниями дефектов. В сильнолегированном бором кремкомплексы, например пятивакансионные (Si–P1-центры) нии, облученном ионами Si+, междоузельные дефеки другие, еще неидентифицированные [13]. В кремнии, ты находятся в положительном зарядовом состоянии.

облученном ионами P+ (кривая 2 на рис. 1), на первой Концентрации радиационных дефектов, оцененные из стадии помимо дивакансий отжигаются также E-центры;

величины изменения ПР и величины смещений атомов в фосфор входит и в состав многовакансионных комплекобласти превалирующих дефектов (0.02 nm [18]), одного сов, повышая температуру их отжига на 100C. Для порядка с исходной концентрацией носителей заряда кристаллов кремния, облученных ионами B+, характерна (4 · 1019 cm-3) в кристаллах Si : B. Соответственно темстадия отжига 700-900C (кривая 3 на рис. 1).

пературы отжига междоузельных дефектов совпадают В кремнии, сильнолегированном бором, на кривые восстановления ПР накладываются стадии ”обратного” отжига. Эти стадии обусловлены вытеснением атомов бора из узлов решетки кремния междоузельными атомами Si, освобождающимися при распаде междоузельных комплексов. Атомы бора, расположенные в узлах, сжимают решетку кремния. Тетраэдрический ковалентный радиус бора (0.08 nm) меньше, чем у атома Si (0.1175 nm). При выходе атомов бора из узлов ПР кремния увеличивается.

Две стадии ”обратного” отжига с центрами 120 и 480C совпадают с температурами отжига парамагнитных центров Si–P6 [14] и Si–B3 [15] соответственно. Центры Si–P6 и Si–B3 — это расщепленные димеждоузельные комплексы. Комплекс Si–B3 является более симметричным и стабильным и, по данным ЭПР [15], образуется при термообработке в результате перестройки дефектов Si–P6. Оба эти центра наблюдаются в положительном зарядовом состоянии.

В кристаллах Si : B, облученных ионами P+, стадии Рис. 2. Восстановление периода решетки a в процессе вытеснения бора лежат при более высоких температурах:

изохронного отжига в сильнолегированном бором кремнии, 160 и 560C (кривая 2 на рис. 2). Эти стадии совпаоблученном ионами. 1 — Si+ (1 · 1014 cm-2), 2 — P+ дают с температурами отжига парамагнитных центров (1 · 1014 cm-2), 3 —Si+ (1 · 1014 cm-2, отжиг с одновременным Si–A5 [16] и Si–O2 [17] соответственно, наблюдаемых облучением электронами).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Модель пары: атом фосфора–междоузельный атом кремния Это определяет более высокую подвижность пары PI по сравнению с изолированным атомом P. Для этой пары выполняется вытекающее из эксперимента равенство энергий активации отжига комплекса и его диффузии.

PI Когда пара PI получает энергию выше барьера Em, она может прыгать в соседнее междоузлие как целое либо атомы P и Si прыгают в разные междоузлия (разрушение пары); вероятности этих процессов не зависят от температуры.

Пары PI могут образовываться не только в результате Рис. 3. Энергетический барьер для миграции в решетке случайного попадания двух атомов в одно междоузлие.

P PI кремния атома фосфора Em и пары Em.

Этот процесс может протекать и с необходимостью, если в кристалле имеются атомы P в узлах и возникают избыточные междоузельные атомы Si. Атом P в узле решетки кремния, как и любой другой атом замещения с отличс температурами отжига парамагнитных центров Si–Pным от матрицы ковалентным радиусом, создает вокруг и Si–B3. В кристаллах Si : B, облученных ионами P+, себя упругодеформированную область. В соответствии с дефекты находятся в нейтральном зарядовом состоянии.

развитыми в [10] представлениями междоузельный атом Известно, что уже в процессе внедрения значительная Si, попадая в искаженную сферу радиуса R, направленно доля фосфора (до 70% [19]) располагается в узлах движется в поле упругих деформаций к их источнику.

решетки; в результате имеет место компенсация заряДля атома P в кремнии радиус R составляет 4 nm. Если дов. Это предположение подтверждается экспериментав эту сферу попадает два атома Si, они оба движутся к ми по отжигу дефектов с одновременным облучением атому P. Один из них вытесняет атом P в междоузлие, низкоэнергетическими электронами в кристаллах Si : B, другой атом Si оказывается в этом же междоузлии. В облученных ионами Si+ (кривая 3 на рис. 2). В этом результате возникает пара PI. Концентрации дефектов случае температуры отжига дефектов такие же, как в в имплантированном слое достаточно велики для того, кремнии, облученном ионами P+. Это объясняется тем, чтобы мог реализоваться данный механизм. При дозе что междоузельные дефекты Si–P6 и Si–B3 захватывают ионов P+, равной 1 · 1014 cm-2, с энергией поряднеравновесные электроны и переводятся в нейтральные ка 100 keV, объемная концентрация атомов фосфора в зарядовые состояния Si–A5 и Si–O2 с присущими им слое составляет около 1019 cm-3, концентрация дефектов температурами отжига. Обращает на себя внимание тот порядка 1020 cm-3 [3]. Пары PI образуются в заметных факт, что низкотемпературная (120C) стадия ”обратноконцентрациях до тех пор, пока существует избыточная го” отжига (кривая 1 на рис. 2) мала. Когда же дефекты концентрация междоузельных атомов Si. С их отжигом переводятся в нейтральное зарядовое состояние, стаконцентрация пар падает, и эффективный коэффициент дия вытеснения бора (160C) значительно интенсивнее диффузии стремится к собственному значению.

(кривая 3). Малую амплитуду ”обратного” отжига Таким образом, полученные экспериментальные репри 120C можно объяснить тем, что дефекты Si–Pзультаты и сопоставление их с имеющимися в литерапри термообработке преимущественно перестраиваются туре данными ЭПР позволяют заключить, что в резульвкомплексыSi–B3. Это согласуется с данными ЭПР [15].

тате имплантации и при последующей термообработке В случае нейтрального состояния Si–A5 эти дефекты при в кремнии не образуются устойчивые междоузельные термообработке, как следует из наших данных, разрушакомплексы, содержащие в себе атом фосфора. Пара ются с освобождением подвижных атомов Si, которые атом P–междоузельный атом Si образуется при попадаучаствуют в процессе замещения.

нии атомов P и Si в одно и то же междоузлие. Атомы Из наших экспериментов следует, что пары Si–PP и Si не связаны между собой химической ковалентной и Si–A5, а также Si–B3 и Si–O2 — это одни и те связью. Связь определяется только потенциальным реже дефекты, но в различных зарядовых состояниях. Из льефом кристалла. Предлагаемая модель пары отвечает этих экспериментов также следует, что междоузельные всем особенностям диффузии имплантированного фоскомплексы не содержат в себе атома P. Если устойчивые фора в кремнии.

междоузельные комплексы с атомом P не образуются, то что же тогда представляет собой пара PI, обеспечивающая аномальную диффузию фосфора Мы полагаем, что Список литературы пара возникает, когда атомы P и Si попадают в одно и то же междоузлие. Атомы P и Si не связаны между собой [1] F.F. Morehead, R.F. Lever. Appl. Phys. Lett. 48, 151 (1986).

химической ковалентной связью. Связь определяется [2] H.U. Jager, T. Fendel, S. Ulbricht. Phys. Stat. Sol. (a) 116, потенциальным рельефом кристалла (рис. 3). В этой (1989).

схеме барьер для миграции отдельного атома фосфора [3] A.R. Chelyadinskii, H.I. Haki Taher. Phys. Stat. Sol. (a) 142, P PI есть Em. Для пары PI этот барьер Em, очевидно, меньше. 331 (1994).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 1998 А.Р. Челядинский, В.А. Буренков [4] F.N. Schwettmann, D.L. Kendall. Appl. Phys. Lett. 19, (1971).

[5] M. Yoshida. J. Appl. Phys. 48, 2169 (1977).

[6] R.B. Fair, C.C. Tsai. J. Electrochem. Soc. 124, 1107 (1977).

[7] D.A. Antoniadis, Moskowitz. J. Appl. Phys. 53, 6788 (1982).

[8] V.A. Burenkov, M. Jadan, A.R. Chelyadinskii. Proc. Conf. Ion Implantation of Science and Technology. Naleczow, Polska (1997). P. 108.

[9] G.D. Watkins, K.L. Brower. Phys. Rev. Lett. 36, 1329 (1976).

[10] N.I. Berezhnov, A.R. Chelyadinskii, M. Jadan, Yu.R. SuprunBelevich. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Rev. B73, 357 (1993).

[11] N.I. Berezhnov, V.F. Stelmakh, A.R. Chelyadinskii. Phys. Stat.

Sol. (a) 78, K121 (1983).

[12] Н.И. Бережнов, Ю.Р. Супрун-Белевич, А.Р. Челядинский, Х.И. Хаки Тахер. Изв. вузов. Физика 4, 55 (1991).

[13] В.А. Ботвин, Ю.В. Горелкинский, В.О. Сигле, М.А. Чубисов. ФТП 6, 1683 (1972).

[14] Y.H. Lee, N.N. Gerasimenko, J.W. Corbett. Phys. Rev. B14, 4506 (1976).

[15] K.L. Brower. Phys. Rev. B14, 872 (1976).

[16] Y.H. Lee, Y.M. Kim. J.W. Corbett. Rad. Eff. 15, 77 (1972).

[17] J.W. Corbett, J.P. Karins. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res.

182–183, 457 (1981).

[18] А.Н. Жевно, В.В. Сидорик, В.Д. Ткачев. ДАН БССР 20, 409 (1976).

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.