WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 2 УДК 621.315.592 Модифицирование полупроводников пучками протонов Обзор ¶ © В.В. Козловский, В.А. Козлов, В.Н. Ломасов Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. A.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 29 марта 1999 г. Принят к печати 14 июля 1999 г.) Выполнен анализ современных направлений модифицирования полупроводников пучками протонов:

протонно-стимулированной диффузии, ионно-лучевого перемешивания и формирования пористых слоев.

Показано, что анализируемый метод модифицирования (легирования) открывает новые возможности управления свойствами полупроводниковых материалов и создания приборов микро- и наноэлектроники на их основе по сравнению с традиционными методами легирования — диффузионным, эпитаксиальным, ионноимплантационным.

1. Введение Известно, что нейтральные частицы — нейтроны и гамма-кванты — находят широкое применение для однородного легирования полупроводниковых пластин и Непрерывное усложнение задач полупроводниковой слитков [2]. Наибольшее распространение получил меэлектроники, развитие ее новых направлений, таких тод однородного легирования кремния фосфором путем как СВЧ- и оптоэлектроника, продемонстрировали ограоблучения тепловыми нейтронами (нейтронное легирониченность используемых в настоящее время технование) и метод легирования кремния радиационными логических процессов легирования и предопределили дефектами путем облучения пластин или готовых прибопоиск и разработку новых методов. Одним из наиборов гамма-квантами или электронами с целью регулиролее перспективных является метод радиационного левания параметров материала, в первую очередь времени гирования (РЛ), под которым, как правило, понимажизни неравновесных носителей заряда [2]. Однако ется направленное изменение свойств полупроводника современная полупроводниковая технология базируется под действием различных видов облучения. Изменение в основном на создании структур, легированных по свойств полупроводника при РЛ происходит за счет глубине сугубо неоднородно. РЛ может осуществить изменения содержания примесей и дефектов. В отлинеоднородное по глубине легирование только при исчие от примесного атома, являющегося, как правило, пользовании такого вида излучения, который обеспечит дефектом состава полупроводника, радиационный дефект эффективное изменение свойств полупроводника на кон(РД) (вакансия, межузельный атом, дивакансия и т. д.) тролируемых глубинах. С этих позиций оптимальным является дефектом структуры полупроводникового маявляется использование заряженных частиц с коротким териала. Однако характер влияния и дефектов состапробегом, в частности ускоренных ионов, благодаря ва и дефектов структуры на свойства полупроводника характерному профилю тормозных потерь энергии.

аналогичен. Обычно дефектообразование сопровождаВ последние годы особый интерес проявляется к ется появлением в запрещенной зоне полупроводника использованию для этих целей самых легких ионов — локальных энергетических уровней. Дефекты являются протонов. Интерес к протонам обусловлен широким диадонорами или акцепторами, или центрами рекомбинации пазоном обрабатываемых глубин материала (от 0.1 мкм неравновесных носителей заряда. Контролируемое введедо 1 мм) и отсутствием после протонного облучения ние РД в сочетании с температурной обработкой позвосложных радиационных комплексов дефектов с высокой ляет в широких пределах изменять электрофизические температурой отжига. Основыми факторами, влияющихарактеристики полупроводника. К настоящему времени ми на изменение свойств полупроводников после протонсложилось четыре основных направления радиационного ного облучения, являются образование новых примесей легирования [1]:

в результате ядерных реакций, радиационное дефекто– легирование полупроводниковых материалов радиациобразование и накопление атомов водорода. Поэтому к онными дефектами;

общим направлениям РЛ, указанным выше, необходимо – ионное легирование (ионная имплантация);

добавить новое направление, эффективно реализующее– трансмутационное (ядерное) легирование;

ся только при использовании в качестве радиационного – ионно-стимулированные процессы, в том числе радиавоздействия пучка протонов. Мы считаем необходимым ционно-стимулированная диффузия.

выделить в отдельное 5-е направление РЛ формирование пористых слоев, поскольку именно оно наиболее бурно ¶ E-mail: kozlovski@tuexph.sty.neva.ru развивается в последние пять лет.

1 130 В.В. Козловский, В.А. Козлов, В.Н. Ломасов К настоящему времени в литературе наиболее де- из полной энергии ионов лишь несколько процентов тально исследовалось накопление дефектов и трансму- идет на образование РД. Остальная же часть идет тационное образование примесей в полупроводниках под на возбуждение и ионизацию атомов полупроводника.

действием протонного облучения [1,3,4]. Аналитических Поскольку основная генерация РД происходит после замедления протона до энергии 1 кэВ, имеет место обзоров по использованию протонно-стимулированного легирования и непосредственного введения атомов во- резко неравномерная генерация РД вдоль трека протона.

Так как сечение радиационного дефектообразования при дорода для модификации свойств полупроводников не уменьшении энергии протона от 10 до 1 кэВ увелисуществует. Этот пробел и призван устранить настоящий чивается почти на порядок [8], темп генерации РД в обзор.

районе конца пробега протонов (Rp) может на порядок превосходить темп генерации РД при x Rp. Изменение 2. Взаимодействие протонов энергии бомбардирующих ионов приводит в основном с полупроводниковыми кристаллами к изменению местоположения области максимальной генерации РД.

Известно, что замедление бомбардирующей частицы в твердом теле происходит за счет рассеяния на 3. Ионно-стимулированные процессы электронной подсистеме атомов матрицы (электронное торможение) и на ядрах атомов матрицы (ядерное тор3.1. Протонно-стимулированная диффузия можение) [5]. Здесь мы не будем рассматривать область больших значений энергии протонов, порядка МэВ, в 3.1.1. Перераспределение легирующих примекоторой необходимо учитывать потери на совершение сей в полупроводниках при высокотемпературядерных реакций, поскольку рассмотрение этого вопроном протонном облучении. В начале 60-х годов са было выполнено ранее [4] при анализе ядерного было обнаружено, что протонная бомбардировка при легирования полупроводников. Электронное торможетемпературе 700–1000C кремниевых p-n-переходов, ние приводит к возбуждению и ионизации электронных созданных тепловой диффузией примесей III и V групп, оболочек атомов матрицы, а взаимодействие с ядрами приводит к смещению p-n-перехода [9]. Для объясатомов матрицы (ядерное торможение), характеризуюнения полученных данных использовалась вакансионная щееся передачей им значительной энергии, приводит к модель протонно-стимулированной диффузии(ПСД)[10], образованию дефектов решетки (в простейшем случае которая предполагала, что генерация радиационных вапар Френкеля). Кривые энергетических потерь, соглас- кансий протонным пучком способна усилить диффуно теории Линхарда–Шарфа–Шиотта, представлены в зию примесей замещения, поскольку в кремнии при безразмерных единицах на рис. 1 из работы [6]. Как температурах 600–1000C фактором, ограничивающим видно из рисунка, потери энергии частицы на ядерное скорость диффузии, является именно скорость генерации торможение, а следовательно, и процессы радиационного дефектов, а не относительно быстрое перемещение радидефектообразования превалируют при малых значени- ационных вакансий. Для описания диффузии использоваях приведенной энергии. Расчеты показывают, что лось уравнение Фика, в котором коэффициент диффузии граничное значение абсолютной энергии протонов, при (DPSD) зависел от координаты.

которой превалируют ядерные потери, составляет для В 70-х годах в связи с развитием методов анализа большинства атомов, входящих в состав полупроводни- профилей распределения примесей в полупроводниках, в ков, единицы кэВ (для Si — 1030 эВ) [7]. Таким образом, частности метода вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), было показано, что после ПСД профили распределения примесей имеют вблизи Rp один или несколько экстремумов (рис. 2 из работы [11]). Поскольку простая вакансионная модель могла объяснить только перегибы на профилях, но никак не экстремумы, требовалось привлечение и разработка новых моделей. В середине 70-х годов почти одновременно появились модель, учитывающая восходящую диффузию примеси, и двухпотоковая модель ПСД. В работе [12] было показано, что уравнение Фика не является справедливым для случая неравномерной генерации дефектов и, в частности, для ПСД. Уравнение непрерывности для концентрации примесных атомов должно содержать член, учитывающий диффузию примесей замещения под действием градиента вакансий или восходящую диффузию примесей. Расчеты, выполненные в работе [12], показывают, что при неравРис. 1. Расчетные кривые потерь энергии бомбардируюномерной по глубине кристалла генерации радиационщей частицы на ядерное (1) и электронное (2) торможения.

3 — приближенная аппроксимация суммарных потерь энергии ных вакансий результирующий профиль распределения (d/d = 0.327) для экранированного потенциала вида r-2 [6]. примеси после ПСД должен иметь максимум в области Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Модифицирование полупроводников пучками протонов атомов матрицы соответственно. Приписывая межузельной компоненте примеси большой коэффициент диффузии, получим обеднение области Rp примесью. Действительно, в таком приближении узельную компоненту примеси можно считать неподвижной; уход быстрых межузельных атомов примеси из района Rp приводит к образованию минимума на КПРП на этой глубине.

Оценка величины эффекта была сделана на основе такой характеристики, как отношение концентраций примеси в максимуме и минимуме распределения, по данным работы [11], полученным при исследовании методом ВИМС ПСД бора в кремнии. Эта оценка позволяет сделать вывод о том, что наблюдавшееся в экспериментах образование минимума на КПРП, при котором величина экстремума, как правило, не превышает 50%, можно объяснить в рамках двухпотоковой модели ПСД.

Экспериментальные результаты [17–19] показывают, что образование таких экстремумов имеет место при концентрации легирующей примеси 1019 см-3.

В 80-х годах впервые было обнаружено образование ярко выраженного максимума на профиле распределения примеси на глубине, равной Rp (рис. 3 из работы [20]); до этого регистрировались минимумы, причем достаточно Рис. 2. Распределение бора в кремнии, измеренное методом слабые. Условием появления максимума на глубине, ВИМС (1–3) и методом ядерных реакций (2 ): 1 — до равной Rp, является использование больших плотностей облучения, 2, 3 — после облучения протонами с энергией, кэВ:

тока пучка при сравнительно невысоких уровнях легиро2 — 250, 3 — 400. Температура облучения Trad = 850C, доза вания, C 1017 см-3. Особо важна обнаруженная в этих 2 · 1017 cм-2. Данные из работы [11].

экспериментах смена знака экстремума на профилях распределения примеси при идентичных условиях облучения, но при более высоком уровне легирования полумаксимальной генерации радиационных вакансий, т. е.

проводника (C 1019 см-3). Полученные результаты в районе Rp. Для формирования ярко выраженных максимумов на концентрационных профилях распреде- не находили удовлетворительного объяснения в рамках ления примеси (КПРП) в рамках этой модели необхо- существовавших моделей ПСД. Действительно, возникдимо, чтобы равновесная концентрация радиационных вакансий была больше 1017 см-3 [13]. Эта величина является нереально большой, поскольку даже при температурах тепловой диффузии 1000–1200C концентрация вакансий в кремнии не превышает 1015 cм-3 [14]. Это же подтверждают данные по радиационному дефектообразованию в кремнии [15]. Расчеты, выполненные в работе [11], показывают, что максимально возможное значение величины пика на профилях примеси после ПСД составляет 20%. Следует отметить, что в экспериментах по ПСД наблюдалось преимущественно образование минимума концентрации примеси в районе Rp, поэтому можно предположить, что вклад восходящей диффузии в процессы ПСД весьма незначителен.

Одно из объяснений сложного характера перераспределения примеси в районе Rp использует двухпотоковую модель диффузии [11]. В этой модели предполагается, что интенсивная генерация пар Френкеля в районе Rp при ПСД приводит к созданию значительного количества межузельных атомов примеси посредством реакции УотРис. 3. Распределение бора в кремнии после облучения кинса [16]:

ионами H+ с энергией 100 кэВ при исходных концентрациях примеси C0, см-3: a —1.5 · 1017 и b —2.5 · 1019. Температура Cs + I - CI CI + V - Cs. (1) облучения Trad = 700C. Измерения выполнены методом Здесь Cs, CI — концентрации примеси в узлах и междо- ВИМС. Штриховыми линиями показаны расчетные профили, узлиях; V, I — концентрации вакансий и межузельных являющиеся решениями системы уравнений (2) [21].

1 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 132 В.В. Козловский, В.А. Козлов, В.Н. Ломасов новение минимума концентрации примеси в районе Rp не при изучении влияния уровня легирования полупроводмогло быть объяснено на основе простой вакансионной ника на перераспределение примеси под действием инмодели диффузии, рассматривающей наличие лишь од- тенсивных протонных пучков. При малых концентрациях ного потока диффундирующей примеси. Двухпотоковая примеси (бора) и при 0(x = Rp) > 2.5kT /e основной модель ПСД также не позволяла объяснить полученные вклад в ПСД дает электростатическое взаимодействие результаты, поскольку изменение концентрации примеси (в данном случае притяжение) дефектов и примеси.

всего на 2 порядка при фиксированных условиях облуче- При больших концентрациях примеси (C 1019 см-3) происходит сильное экранирование заряда радиационных ния не может значительно изменить соотношение между дефектов свободными носителями заряда, и влиянием быстрым и медленным диффузионными потоками.

электростатического взаимодействия на перераспредеОсновным недостатком описанных выше моделей ПСД ление примеси в этом случае можно пренебречь. Как является то обстоятельство, что они рассматривали ПСД показали расчеты, профили распределения примеси при как диффузию нейтральных частиц, хотя известно, что таком уровне легирования могут быть объяснены с при обычной тепловой диффузии легирующая примесь, помощью двухпотоковой модели диффузии.

особенно создающая мелкие уровни в запрещенной зоне Долгое время дискуссионным оставался вопрос о полупроводника, диффундирует в ионизованном виде.

природе тех малоподвижных радиационных дефектов, Это обстоятельство обусловило необходимость построекоторые обусловливают электростатическое воздействие ния новой модели ПСД.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |



© 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.