WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2 Эффект больших доз в рентгеновских эмиссионных спектрах кремния, имплантированного ионами железа © Д.А. Зацепин, Е.С. Яненкова, Э.З. Курмаев, В.М. Черкашенко, С.Н. Шамин, С.О. Чолах Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия Уральский государственный технический университет, 620002 Екатеринбург, Россия E-mail: d_zatsepin@ifmlrs.uran.ru (Поступила в Редакцию 26 апреля 2005 г.) Методом рентгеновской эмиссионной Si L2,3 (электронный переход 3d3s 2p) спектроскопии исследованы образцы кремния p- и n-типа, имплантированные ионами Fe+ в импульсном режиме (энергия имплантации 30 keV, ток в импульсе до 0.5 A, длительность импульса 400 µs, дозы облучения от 1014 до 1017 cm-2). Установлена зависимость рентгеновских эмиссионных спектров как от доз ионного облучения, так и от ускоряющего напряжения электронного пучка, используемого при рентгеновских измерениях.

Анализ Si L-спектров посредством сравнения со спектрами эталонов и их моделирование показали, что с увеличением дозы облучения имеет место разупорядочение структуры, частичная аморфизация образца от поверхности в объем вплоть до глубины 7200 и его последующая рекристаллизация (эффект больших доз). Показано, что обнаруженный эффект наиболее сильно выражен в слоях на глубине 1000, не связан с формированием в объеме образцов силицида железа FeSi, и, вероятнее всего, обусловлен нарушениями связей Si–Si в процессе ионной имплантации при использванных дозах облучения.

Работа выполнена при поддержке проектов Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 05-02-16438 и 05-02-16448), гранта Минобразования — CRDF: Annex BF4M05, EK-005-X2 [REC-005], BRHE 2004 post-doctoral fellowship award Y2-EP-05-11, а также Совета по грантам Президента РФ для ведущих научных школ (грант НШ-1026.2003.2).

PACS: 61.10.Ht, 61.72.Tt 1. Введение пии образцов кристаллического кремния p- и n-типа, подвергнутого имплантации ионами Fe+ с энергией Ионная имплантация является мощным методом воз30 keV, который в настоящее время является основным действия на химический состав, электронную структуру, материалом современной электроники. Рентгеновская и, следовательно, физико-химические свойства материспектроскопия позволяет эффективно исследовать не алов (например, химическую стабильность под воздейтолько зарядовые (валентные) состояния ионов, распрествием агрессивных внешних факторов, электро- и тепделение парциальных плотностей атомов-компонентов в лопроводность, коэффициент термического расширения валентной полосе и характер химической связи [3], но и т. д.), а также позволяет активно модифицировать и получать информацию о фазовом составе материала, их поверхность посредством создания на ней атомных подвергнутого различным видам радиационного воздейсмесей требуемого состава. Поэтому неудивительно, ствия (в частности, облучению высокоэнергетичными что данный метод широко используется в технологиионами и электронами) [4–6].

ческих процессах современной радиоэлектронной промышленности при изготовлении активных и пассив2. Методика приготовления образцов ных полупроводниковых элементов интегральных мии описание эксперимента кросхем [1]. Перечисленные выше физико-химические свойства материала являются существенной составляюОбразцы кремния представляли собой полированные щей конструктивно-технологического фактора, который диски с поверхностью оптического качества, облученные обязательно принимается во внимание при разработионами Fe+. Интегральный поток ускоренных ионов ке и производстве любой микросхемы. В этой связи при облучении составлял от 1014 до 1017 cm-2. Для изучение полупроводниковых материалов, подвергнутых облучения применялся импульсный ионный источник имплантации при сравнительно небольших энергиях ионов ( 20-35 keV, т. е. энергиях, используемых ра- Института электрофизики УрО РАН, обеспечивающий следующие характеристики: энергия ионов 30 keV, длидиоэлектронной промышленностью в процессах ионного тельность импульса 400 µs, плотность тока 2–7 mA/cm2, легирования и ионного травления масок интегральных схем [2]), является одной из наиболее востребованных ток в импульсе до 0.5 A. Условия облучения для обприкладных задач физики твердого тела. разцов кремния n- и p-типа представлены в таблице.

В настоящей работе представлены результаты изуче- Температура образцов в процессе имплантации не прения методом рентгеновской эмиссионной спектроско- вышала 400 K.

Эффект больших доз в рентгеновских эмиссионных спектрах кремния... Режимы имплантации образцов Si n- и p-типа ионами Fe+ является двухпиковая структура при 89 и 92 eV в спектре кристаллического эталона, обусловленная его более Время Образец Доза, cm2 Частота, Hz упорядоченной структурой по сравнению с аморфным облучения, s эталоном.

n-Si 1014 1.56 В целом форма эталонов и энергетическое положение n-Si 1015 1.56 максимумов полос близки к спектральным данным для n-Si 1016 1.56 аналогичных фаз, исследовавшихся в [8]. Поскольку n-Si 1017 12.5 полученные нами результаты не противоречат резульp-Si 1014 1.56 татам авторов работы [8], интерпретацию РЭС спекp-Si 1015 1.56 тров имплантированных образцов будем строить на их p-Si 1016 1.56 основе.

p-Si 1017 12.5 На рис. 1, a показаны РЭС Si L2,3 кремния p-типа, полученные при значениях ускоряющего напряжения U = 2, 4 и 6 keV (доза облучения 1014 cm-2). Из рисунка Рентгеноэмиссионные Si L2,3-спектры (валентный пе- видно, что при изменении U от 2 до 6 keV существенреход Si 3d3s Si2p3/2,1/2) имплантированных образ- ного варьирования формы спектров не происходит. Так же как и в случае c-Si, наблюдаются два основных цов и эталонов измерены с помощью ультрамягкого максимума и широкая подполоса, которые расположены рентгеноэмиссионного спектрометра „СПЕКТРОЗОНД“ при аналогичных энергиях фотонов. Поскольку указанс высоким пространственным (4 µm) и энергетическим ные спектры крайне близки по форме к спектру c-Si, ( E = 0.3eV) разрешением [7]. Данный спектрометр можно предположить, что доза облучения 1014 cm-имеет дифракционную решетку с радиусом изгиба 2 m, существенных изменений в структуру образца не вно600 slits/mm и использует электронное возбуждение сит. Иная картина наблюдается при увеличении дозы рентгеновской эмиссии. При измерении рентгеновских имплантации от 1015 до 1017 cm-2. B этой ситуации спектров использовались значения ускоряющего напряспектр образца, полученного при 2 keV, уже схож со жения U от 2 до 6 keV с шагом 2 keV. Согласно рабоспектром a-Si: отсутствует двухпиковая структура при те [8], глубина анализируемого слоя в образце по Фельдэнергиях фотонов 89 и 92 eV (рис. 1, b). При ускоряюману соответственно составляла 1000 (U = 2keV), щем напряжении 4 keV на спектре образца возникает 3400 (U = 4keV) и 7200 (U = 6keV).

тонкая структура главной полосы, а при U = 6keV спектр вновь обладает двухпиковой структурой подобно 3. Результаты и обсуждение спектру c-Si. Похожая картина наблюдается при дозах облучения 1016 и 1017 cm-2 (рис. 1, c и d). Отмеченные Известно, что рентгеновский эмиссионный (РЭС) Si изменения формы спектров образцов следует интерпреL2,3-спектр возникает благодаря переходу электронов с тировать следующим образом. Вполне вероятно, что 3s- и 3d-уровней на вакансии 2p-уровня и отображает доза облучения 1014 cm-2 слишком мала для внесения вследствие дипольных правил отбора парциальные плотсущественных изменений в структуру образца, о чем ности 3s- и 3d-состояний, локализованных на атомах свидетельствует подобие экспериментальных спектров кремния.

спектру кристаллического кремния (эталона). Начиная На рис. 1 и 2 показано сравнение РЭС Si L2,3 кремния с дозы облучения 1015 cm-2, перечисленные выше спекp- и n-типа, имплантированного ионами Fe+ в импульстральные изменения при U = 2-6 keV можно интерпреном режиме, со спектрами эталонов: кристаллического тировать как частичное разупорядочение и аморфизацию (c-Si) и аморфного (a-Si) кремния.

образца вследствие нарушения связей Si–Si. B пользу таРЭС Si L2,3 кристаллического кремния (эталона) ха- кого предположения свидетельствует схожесть спектров, рактеризуется наличием двух главных максимумов, обо- полученных при U = 2keV, со спектром a-Si.

значенных на рисунках буквами A и B, и низкоинтенсив- Поскольку при увеличении ускоряющего напряженого „плеча“ C. Максимумы A и B, расположенные соот- ния U от 2 до 6 keV мы получаем информацию из ветственно при 89 и 92 eV, обусловлены переходами более глубоких слоев объема образца (см. раздел 2), 3s-электронов на вакансию 2p-уровня и, следователь- из рис. 1 видно, что максимальная степень аморфизации но, обладают 3s-природой. При энергии рентгеновских имеет место лишь в приповерхностном слое глубиной фотонов 95 eV наблюдается широкая подполоса C, 1000, так как спектр при 2 keV наиболее близок к отображающая 3d-состояния (см., например, работу [8] спектру a-Si. При максимальном U = 6keV ( 7200 ) и ссылки в ней). РЭС Si L2,3 аморфного кремния спектры исследованных образцов достаточно близки уже (эталона) имеет один широкий главный максимум D, к форме спектра кристаллического кремния, т. е. вновь расположенный при энергии фотонов 91 eV и харак- наблюдается характерная двухпиковая структура.

теризующий 3s-состояния, а также низкоинтенсивное Аналогичная зависимость от дозы облучения и уско„плечо“ E при 96 eV, отображающее 3d-состояния. ряющего напряжения имеет место и для образцов кремТаким образом, основным отличием спектров c-Si и a-Si ния с проводимостью n-типа (рис. 2, a–d).

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 206 Д.А. Зацепин, Е.С. Яненкова, Э.З. Курмаев, В.М. Черкашенко, С.Н. Шамин, С.О. Чолах Рис. 1. Рентгеновские эмиссионные Si L2,3-спектры кремния p-типа, подвергнутого импульсной имплантации ионами железа при дозах 1014-1017 cm-2, и спектры эталонов (аморфного a-Si и кристаллического c-Si). Cпектры получены при значениях ускоряющего напряжения U от 2 до 6 keV.

На рис. 3 показано сравнение РЭС Si L2,3 для ряющем напряжении и одинаковых дозах имплантации, кремния с проводимостью n- и p-типов. Из рисунка имеют практически идентичную форму. Следовательно видно, что спектры, полученные при одинаковом уско- не наблюдается спектральных различий, обусловленных Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Эффект больших доз в рентгеновских эмиссионных спектрах кремния... Рис. 2. Рентгеновские эмиссионные Si L2,3-спектры кремния n-типа, подвергнутого импульсной имплантации ионами железа при дозах 1014-1017 cm-2, и спектры эталонов (аморфного a-Si и кристаллического c-Si). Cпектры получены при значениях ускоряющего напряжения U от 2 до 6 keV.

типом проводимости образцов. Поэтому дальнейший Как уже было замечено выше, при малых дозах анализ результатов будет проводиться для образцов облучения (1014 cm-2) форма спектра образца близка кремия p-типа. к спектру эталона c-Si: наблюдаются ярко выраженФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. 208 Д.А. Зацепин, Е.С. Яненкова, Э.З. Курмаев, В.М. Черкашенко, С.Н. Шамин, С.О. Чолах процесса ионной имплантации на структуру кристаллических материалов [9]. Однако при максимальных дозах облучения (1017 cm-2) наоборот наблюдается некоторое уменьшение концентрации аморфной фазы: до 69% соглaсно результатам выполненного нами моделирования.

Кроме того, в экспериментально полученном спектре (доза имплантации 1017 cm-2) вновь возникает тонкая структура главного максимума, которая указывает на зарождение в нем двухпиковой структуры (рис. 4), т. е.

точно такой же, как и в спектре кристаллического кремния. Обнаруженная тонкая структура может являться следствием эффекта больших доз (ЭБД), который ранее был найден в образцах кристаллического кремния, имплантированного ионами фосфора, мышьяка и бора [9–11]. Собственно ЭБД заключается в необычной дозовой зависимости степени разупорядочения кристаллического кремния при его ионной имплантации. При дозах от 1014 до 1016 cm-2 происходит разупорядочение кристаллической структуры и аморфизация образца. Увеличение доз облучения до значений 1017 cm-Рис. 3. Сравнение рентгеновских эмиссионных Si L2,3-спектров имплантированного Fe+-ионами кремния n- и p-типа, зарегистрированных при значении ускоряющего напряжения U = 2 keV. Сплошными линиями показаны спектры эталонов (аморфного a-Si и кристаллического c-Si).

ные пики при 89 и 92 eV, характерные только для спектра кристаллического кремния. С увеличением дозы облучения форма спектров образцов приобретает черты спектра аморфного кремния — максимумы при энергии 92 eV размываются и приобретают форму широкого плато (рис. 3). Упомянутые изменения могут свидетельствовать о процессе разупорядочения и аморфизации образца, начиная с приповерхностного слоя в его объем при увеличении дозы имплантации.

При этом наиболее сильно данный эффект выражен на глубине 1000 (U = 2keV).

Для проверки этого предположения было выполнено моделирование экспериментальных спектров суперпозицией спектров кристаллического и аморфного эталонов, взятых в определенных весовых соотношениях (рис. 4).

Из рисунка видно, что при дозе облучения 1014 cm-спектр p-Si удовлетворительно воспроизводится суммой (0.35 · a-Si + 0.65 · c-Si). При увеличении дозы облучения процентное соотношение аморфной фазы по Рис. 4. Результаты моделирования рентгеновских эмиссионотношению к кристаллической резко увеличивается:

ных Si L2,3-спектров кремния p-типа, полученных при ускоря0.85 · a-Si при 1015 cm-2 и 0.90 · a-Si при 1016 cm-2, ющем напряжении U = 2 keV, спектрами эталонов a-Si и c-Si, что не противоречит общим представлениям о влиянии взятых в соответствующих весовых соотношениях.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Эффект больших доз в рентгеновских эмиссионных спектрах кремния... и выше, т. е. при превышении доз аморфизации для 4. Заключение кремния, образец вновь восстанавливает кристалличеМетодом ультрамягкой рентгеновской эмиссионной скую структуру (рекристаллизуется), представляя соспектроскопии выполнено исследование образцов крембой мозаичный кристалл с малыми включениями пония p- и n-типа, подвергнутых импульсной имплантации ликристаллической фазы [9]. Авторы настоящей рабоионами железа с энергией 30 keV. Установлено, что ты считают, что ЭБД обусловлен ослаблением межвследствие имплантации в образцах кремния n- и p-типа атомных связей Si–Si в имплантированном фосфором происходит образование аморфной фазы при дозах от кремнии, и носит терморадиационно-стимулированный 1014 до 1016 cm-2, концентрация которой растет с увехарактер.

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.