ЭПР дефектов в алмазе и кремнии, облученных ионами высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

_ ~ у;

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 537.635: 546.273

МАРТИНОВИЧ Валерия Александровна

ЭПР ДЕФЕКТОВ В АЛМАЗЕ И КРЕМНИИ, ОБЛУЧЕННЫХ ИОНАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК 1996

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук

доцент

СТЕЛЬМАХ В.Ф.

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник ВАРИЧЕНКО B.C.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

профессор

ЛОМАКО В.М.

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник СКУРАТОВ В.А.

Оппонирующая организация - Институт физики твердого тела и полупроводников АН РБ

Защита диссертации состоится '40 " JLaJ>Cif>^ 1997 г. в 14 часов на заседании специализированного Совета Д 020116 по присуждению ученой степени доктора наук в Белорусском государственном университете (220080 г.Минск, проспект Ф.Скорины, 4, главный корпус, к.206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан " /tP » dim&fa 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доцент Sy Стельмах В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перспектива использования высокоэнергетичпой ионной имплантации (ВИИ) в будущих промышленных технологиях определяется ее способностью введения легирующей примеси на большую глубину. В принципе это позволяет решить задачу создания трехмерных полупроводниковых структур, а также получить предельную плотность элементов электронной схемы в объеме лолупроводникового кристалла.

В уже проведенных работах в данном направлении исследовались, главным образом, традиционный кремний и арсенид галлия и, в основном, методами, которые не дают достаточной информации о характеристиках имплантированных слоев и не всегда позволяют контролировать отдельные типы дефектов и примесей. Это существенно сдерживает использование основного преимущества ВИИ — формирование заглубленных легированных слоев, и, соответственно, разработку новых технологических приемов, принципиально недостижимых при имплантации ионами с энергиями килоэлектронвольтового диапазона.

Алмаз, являясь модельным полупроводниковым кристаллом, позволяет распространять полученные сведения и на другие полупроводники, например, типа А4 и А3В5. Исследование эффектов ВИИ на примере алмаза весьма перспективно и в практическом плане, так как он обладает уникальными физическими параметрами — высокой теплопроводностью, прочностью, химической стойкостью и др. Это обусловливает возможность его использования для создания эффективных приборов нового типа с уникальными свойствами.

Кремний в настоящее время все еще остается наиболее используемым в микроэлектронике и самым изученным полупроводником и, кроме того, имеет аналогичную алмазу структуру кристаллической решетки. Это позволяет при сопоставлении свойств ионно-облученных областей кремния и алмаза получить дополнительную информацию для определения механизмов образования структурных нарушений.

Целью работы являлось установление закономерностей формирования и особенностей дефектной структуры алмаза и кремния при высокоэнергетичном ионном облучении. В данной работе в качестве основного метода исследований радиационных структурных нарушений использован метод электронного

парамагнитного резонанса.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Белорусского государственного университета по теме "Исследование физических свойств квазиодномерных дефектных структур, созданных в полупроводниках высокоэнергетичной ионной имплантацией" по программе Минобразования Беларуси "Низкоразмерные системы", а также в рамках темы "Разработка физических принципов создания низкоразмерных элементов оптоэлектроники на основе алмаза", финансирумой Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— впервые методом ЭПР исследованы процессы дефектообразования в алмазе и кремнии, облученных высокоэнергетичными ионами N1 и Хе, и получен ряд новых результатов в области радиационной физики полупроводников, развития методов радиоспектроскопических исследований и концепции низкоразмерных элементов и структур;

— впервые на основании изучения парамагнитных свойств алмаза, облученного высокоэнергетичными ионами №, показано, что в процессе облучения формируются одномерные модифицированные трекоподобные структуры, резонансное поглощение в которых обусловлено солитонами;

— развит метод ЭПР для исследования спектральных характеристик и пространственного распределения парамагнитных центров (ПЦ) по глубине ионно-облученного слоя алмаза и кремния с целью установления закономерностей формирования и особенностей дефектной структуры, формируемой при облучении ионами высоких энергий;

— впервые с помощью компьютерной обработки спектров ЭПР получены данные по изменению функции формы сигнала при послойном удалении облученной ионами № области алмаза, а также спектры, характеризующие каждый удаленный слой ионно-облученной области;

— развита модель трека в алмазе, облученном ионами высоких энергий, как одномерного низкоразмерного элемента в матрице твердого тела;

— установлено, что средний проективный пробег высокоэнергетичных ионов № в алмазе, так же как и ионов N1 и Хе в кремнии, совпадает с теоретически рассчитанным по программе ТШМ-90. Среднеквадратичное отклонение величин пробегов,

определенное на основании полученного экспериментально распределения по глубине радиационных дефектов, в несколько раз превышает рассчитанное значение;

— предложен метод определения профиля концентрации "подвижных" ПЦ, обусловленных квазичастицами — солитонами, основанный на изучении профиля ширины линии. Разработка такого методического подхода обусловлена необходимостью обязательного учета формы линии в случае определения концентрации ПЦ путем сравнения с концентрацией эталона;

— показано, что в кремнии при высокоэнергетичном ионном облучении образование точечных дефектов происходит за счет упругих соударений тормозящихся ионов и атомов мишени. Электронное торможение, обусловливая сильную ионизацию кристаллической решетки, стимулирует дефектообразование за счет упругих соударений, таким образом, способствуя образованию протяженных дефектных областей, и оказывает влияние на механизмы релаксации первичной дефектной структуры, образующейся в процессе облучения;

— исследована кинетика накопления ПЦ в процессе имплантации в кремний ионов № с энергией 6 МэВ. Показано, что при температуре облучения 400 К существует протяженный дозовый интервал (ниже дозы аморфизации слоя), в пределах которого общее количество парамагнитных радиационных дефектов не меняется. Данные результаты интерпретируются в рамках модели аннигиляции междоузельных комплексов и дивакансий в пределах этого интервала;

— на примере исследований алмаза, синтезированного из изотопа углерода 13С, показана высокая информативность метода ЭПР. Установлено, что в алмазе параметры линии ЭПР сильно локализованных точечных дефектов (Р1-центр) могут изменяться на три порядка величины в зависимости от изотопного состава решетки, что в кремнии, например, не наблюдается. Предложен механизм уширения линий ПЦ Р1 как результат сверхтонкого взаимодействия с ядрами С13.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные в работе результаты о закономерностях формирования дефектной структуры алмаза и кремния при ВИИ могут найти применение в твердотельной полупроводниковой электронике при разработке новых технологий создания заглубленных легированных структур, элементов трехмерной электроники и изменении физических свойств твердых

тел контролируемым образом, а также в развитии неразрушающего метода контроля параметров оптоэлектронных приборов на алмазе, созданных методами ионной имплантации.

Положения, выносимые на защиту:

— установленные закономерности формирования радиационных дефектов в ионно-облученном слое алмаза и кремния с превалирующим электронным торможением ионов и легированном слое с доминирующим ядерным торможением, а также установленные парамагнитные свойства дефектной структуры, включая формирование солитонов в алмазе и трансформацию характеристик спектральных линий в кремнии по глубине облученного слоя, при высокоэнергетичном ионном облучении;

— модель трека в облученном высокоэнергетичными ионами алмазе как одномерного низкоразмерного элемента в матрице твердого тела.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции по проблемам применения алмаза в электронике (Москва, 1992г.), VII Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов IBMM (Хайдельберг, 1992г.), XVII Международной конференции "Nuclear Tracks in Solids" (Дубна, 1994г.), научно-практической конференции "Метрология-94" (Минск, 1994г.), X Международной конференции по технологии ионной имплантации (Катания, 1994г.), Международной конференции "Nanomeeting-95" (Минск, 1995г.), Ежегодной конференции немецкого физического общества (Берлин, 1995г., Регензбург, 1996г.), IX Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов IBMM (Канберра, 1995г.), III Международном симпозиуме "Высокоэнергетичные ионы в твердых телах" SHIM (Каен, 1995г.), Международной конференции по ионно-лучевым технологиям ВТ-95 (Дубна, 1995г.), межгосударственной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1995г.), III Международном симпозиуме по алмазным пленкам ISDF-3 (Санкт-Петербург, 1996г.).

Публикации. Основные результаты работы изложены в 10 опубликованных научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристика работы, четырех глав, основных выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 157 страниц, в том числе 58 иллюстраций и 2 таблицы. Список использованных источников включает в себя 168 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с основными закономерностями взаимодействия ионных пучков с твердыми телами, а также те особенности, которые доминируют в физике этого явления при переходе в область высоких энергий ионов, что ведет к появлению новых эффектов. В данной главе представлен обзор литературных данных по ПЦ в алмазе и кремнии, а также рассматриваются физические свойства солитонов.

Основными особенностями ВИИ являются:

— глубокое проникновение ионов. Ионно-легированный слой является заглубленным и не выходит на облучаемую поверхность, если масса иона превышает массу атомов мишени;

— многослойность дефектной структуры облученного слоя. Поскольку по мере торможения ионов на разных глубинах доминируют различные механизмы взаимодействия ионов с решеткой и передачи ей энергии, то дефектная структура облученной области должна быть неоднородна по глубине и представлять собой последовательность слоев, дефекты в которых количественно и качественно различны;

— протекание ядерных реакций. При превышении движущимся ядром энергии кулоновского барьера взаимодействия с ядром атома мишени могут происходить ядерные реакции. Следствием этого в мишени возможно вторичное облучение продуктами ядерных реакций и образование соответствующей дефектно-примесной структуры.

Таким образом, высокоэнергетичные ионы формируют в полупроводнике дефектную структуру, отличающуюся от той, которая создается ионной имплантацией энергиями в десятки и сотни килоэлектронвольт. Определяющим фактором здесь является доминирующая роль электронного торможения по сравнению с ядерным ((с!Е/с1х) /(с1Е/с1х) >103). Процессы электронного торможения, активирующие аннигиляцию возникающих в процессе ионизации дефектов, могут приводить к самоотжигу дефектной структуры, который не имеет места при низкоэнергетичной ионной имплантации.

Существенной особенностью дефектообразования при ВИИ является возникновение вдоль траекторий быстрых ионов протяженных дефектных областей — треков. В настоящее время факт трекообразования в СсЭ, подвергнутого ВИИ, установлен прямым методом просвечивающей электронной микроскопии [1].

Также методом сканирующей туннельной микроскопии обнаружены в имплантированном ионами Кг с энергией 210 МэВ и дозой 1012 см 2 алмазе кратеры диаметром от 3 до 20 нм, связываемые с треком отдельного иона [2]. Использованные в других работах методы фото-, катодолюминесценции, ЭПР-спектроскопии и др. косвенным образом свидетельствуют о существовании треков в таких облученных полупроводниках как алмаз, кубический нитрид бора и даже кремний [3-5]. На основе анализа проведенных исследований был сделан вывод, что трек представляет собой многовакансионный дефект, расположенный вдоль траектории быстрого иона и окруженный оболочкой выброшенных на периферию междоузельных атомов.

К проявлениям ВИИ относятся формирование областей высокого давления в ионно-легированном слое и в системе треков, а также стимулированная миграция примеси и дефектов по трекам.

Особенности ВИИ обусловливают новые парамагнитные свойства облученной области алмаза, в принципе отличающиеся от случая ионной имплантации энергиями в десятки и сотни килоэлектронвольт. Так, методом ЭЦР было показано, что структуры, образующиеся в результате облучения алмаза ионами Си и Ие с энергией 1 МэВ/а.е.м., являются одномерными и упорядоченными пространственно, и резонансное поглощение в них обусловлено солитонами [5]. При этом предполагается, что структуры имеют как ближний, так и дальний атомный порядок, который отличается от исходного расположения атомов в кристаллическом строении алмаза. Преобладание таких конструктивных процессов дефектообразования над деструктивными при ВИИ наблюдалось и при изучении полимеров [6]. По результатам исследований был сделан вывод, что существует пороговая величина плотности выделяемой при торможении иона энергии, выше которой молекулярные конструктивные процессы подавляют деструктивные.

Несмотря на то, что процессам дефектообразования при ВИИ посвящено уже немало работ, в литературе содержится еще недостаточно сведений о формировании различных типов дефектов в облученном высокоэнергетичными ионами слое, их пространственном распределении, а также об особенностях взаимодействия их между собой и с введенными примесными атомами. До конца неясной остается роль треков в формировании дефектно-примесной структуры имплантированного слоя.

Во второй главе рассмотрены новые и модифицированные

методические приемы, используемые при регистрации и интерпретации спектров ЭПР изучаемых образцов.

Так, на примере исследования методом ЭПР алмаза, синтезированного из изотопа углерода 13С, показана высокая информативность данного метода и сделаны следующие выводы:

— при комнатной температуре в исследованном алмазе наблюдаются известный ПД Р1 и широкая линия ЭПР с g-фактором 2.003±0.001 и шириной ДН=65Гс, связанная со взаимодействующими азотными донорными парами и комплексами из 3-х и более атомов азота;

— при температуре жидкого азота, помимо вышеуказанных, регистрируется ПЦ \\Г8 и наблюдается кросс-релаксация между ПЦ Р1 и №8. Сравнение характеристик ПЦ \¥8 в данном образце с параметрами ПЦ в образцах алмаза с обычным изотопным составом позволяет подтвердить микроструктуру ПЦ как связанного с примесными атомами № [7];

— предложен механизм уширения линий ПЦ Р1 как результат сверхтонкого взаимодействия парамагнитного электрона . с ядрами С13;

— найдено различие в интенсивности, ширине и характере насыщения центральной и боковых линий наблюдаемого триплета. Это различие обусловлено возникновением, помимо ПЦ Р1, дополнительной линии ЭПР, связанной с двухквантовыми переходами в обменных парах центров Р1, у которых величина обменного интеграла близка к величине сверхтонкого расщепления.

Анализ ширины и формы линии резонансного поглощения позволяет получить информацию как о статических, так и динамических свойствах окружения ПЦ. В данной работе для определения функции формы линий ЭПР был разработан методический подход с использованием компьютерной программы, что позволило сравнивать форму экспериментального спектра с теоретически рассчитанными линиями лоренцевой и гауссовой форм. Предложен критерий, позволяющий оценивать отклонение формы экспериментальной линии от лоренциана. В качестве критерия использовалась разница в амплитудах между экспериментально полученной линией и теоретически рассчитанной при определенной величине внешнего магнитного поля. Для получения информации об изменении параметров линии ЭПР по глубине облученного слоя с помощью компьютерной обработки были получены спектры, характеризующие каждый удаленный слой ионно-облученной области.

Известно, что концентрация ПЦ пропорциональна площади под спектральной линией и, следовательно, может быть определена из сравнения экспериментального спектра со спектром эталона. Задача определения концентрации облегчается, если формы линии эталона и образца различаются мало, обе линии сравнимы по интенсивности и условия записи спектров одинаковы. Однако в случае обнаруженных нами подвижных парамагнитных квазичастиц — солитонов, существует различие динамических характеристик спинов эталонного и исследуемого образцов. Это определяется особенностями поглощения спинами движущихся квазичастиц либо системой спинов квазичастиц за время Т спин-решеточной релаксации, что приводит, в том числе, и к изме'нению формы линии, обусловленной солитонами. Вследствие этого в настоящей работе предложен метод определения профиля концентрации "подвижных" ПЦ, основанный на изучении профиля ширины линии. Разработка такого методического подхода обусловлена необходимостью обязательного учета формы линии при определении концентрации таких ПЦ путем сравнения с концентрацией эталона.

В третьей главе рассматриваются особенности дефектообразования в природном алмазе при ВИИ, поведение дефектов при высокотемпературном отжиге, а также основные закономерности пространственного распределения ПЦ по глубине облученного слоя алмаза.

Исследовались образцы алмаза, имплантированные ионами № с энергией 335 МэВ в интервале доз 5х1012 - 5x10й см-2. Облучение привело к формированию сложной дефектной области, состоящей из точечных дефектов и одномерных упорядоченных трекоподобных нететраэдрических структур, резонансное поглощение в которых обусловлено солитонами. Нижеизложенные экспериментальные факты говорят в пользу данной концепции.

Дозовая зависимость интенсивности линии ЭПР доминирующих ПЦ является сублинейной в интервале доз 5х1012 - 5х1013 см 2 и суперлинейной в интервале 5х1013- 5х1014 см 2. В то же время степень асимметрии существенно возрастает на первом участке исследованного интервала, а затем уменьшается на втором, приводя к практически симметричной линии, что объясняется перекрытием треков при дозе 5x1014 см 2 и образованием объемной структуры из одномерных элементов.

Переход от сублинейной к суперлинейной кинетике поглощения ПЦ в интервале доз 5х1013 см 2 - 5x10й см2

свидетельствует о формировании протяженных одномерных элементов, поскольку рост коэффициента поглощения солитонами с ростом мощности СВЧ может быть обеспечен условиями взаимодействия коллективного возбужденного состояния спинов с протяженным элементом (длина такого элемента должна быть не менее 0.1-1 мкм при частоте поля СВЧ 10 ГГц).

Изохронный отжиг вызывает существенное немонотонное изменение ширины линии, что является нехарактерным для известных точечных ПЦ с глубокими энергетическими уровнями в запрещенной зоне, в том числе и для ПЦ, парамагнитный электрон которых локализован на оборванной связи.

Функция формы линии доминирующих ПЦ является супер-лоренцевой, т.е. спадающей на крыльях более медленно, чем функция Лоренца (при значении магнитного поля I Но-Н 1/ДН = 1.5 разница в амплитудах между данной линией и лоренциан'Зм составляет 20%). Это обусловлено корреляциями, связанными с движением солитонов.

В одномерных трекоподобных нететраэдрических структурах, сформированных высокоэнергетичным облучением, при комнатной температуре наблюдаются спиновые волны, источником возбуждения которых являются солитоны. Обнаруженная анизотропия спектров ЭПР относительно магнитной компоненты поля СВЧ определяется анизотропией возбуждения спиновых волн в данных структурах облученных алмазов.

Из результатов проведенных исследований следует, что средний проективный пробег высокоэнергетичных ионов Ni в алмазе совпадает с теоретически рассчитанным по программе TRIM-90. В то же время среднеквадратичное отклонение величин пробегов, определенное на основании полученного экспериментально распределения по глубине облученного слоя доминирующих ПЦ, в несколько раз превышает рассчитанное значение. Это несоответствие объясняется необходимостью учета присутствующих при высокоэнергетичном облучении эффектов трекового каналирования, механизмов обмена электронами между тормозящимися ионами и неподвижными атомами мишени, а также особенностей разрушающего метода послойного травления ионно-облученной области.

Изучение пространственного распределения доминирующих ПЦ по глубине облученного слоя показало, что профиль концентрации ПЦ имеет асимметричную форму и его максимум совпадает с максимумом теоретически рассчитанной кривой потерь

энергии на ядерное торможение. Это определяется высокой плотностью ПЦ, обусловленных возникшими при облучении одномерными нететраэдрическими трекоподобными элементами, и усилением взаимодействия между ними в данной области. Показано, что на процесс образования новой одномерной фазы оказывают существенное влияние потери энергии на электронное торможение высокоэнергетичного иона.

Характер изменения интегральной интенсивности линии ЭПР доминирующих ПЦ и функции ее формы по глубине облученного слоя обусловлен изменением динамических характеристик системы спинов данных ПД. Наблюдаемое изменение функции формы от супер-лоренцевой к лоренцевой на глубине среднего проективного пробега, а, по мере удаления слоев, — к гауссовой, связывается с уменьшением участков движения солитонов.

На основе полученных результатов развита модель трека в алмазе, облученном ионами высоких энергий, как одномерного низкоразмерного элемента в матрице твердого тела с высокой степенью упорядоченности атомов. При этом атомы в оболочке такого элемента в отличие от матрицы перегруппированы с изменением гибридизации от ер3 к эр2, обеспечивая дальний и ближний порядок в треке. Пространственная ориентация этого элемента в облученном слое совпадает с направлением облучения.

Четвертая глава посвящена изучению основных закономерностей формирования радиационных дефектов в кремнии при высокоэнергетичном ионном облучении, их поведения при термическом отжиге, а также их пространственного распределения по глубине облученного слоя.

Исследовались образцы кремния, имплантированные ионами № (6 МэВ, 5х1012 - 2х1017 см2, 335 МэВ, 5х1012 - 5x10й см2) и Хе (5.68 ГэВ, 5x10й см-2 - 5х1013 см 2). ПЦ с г=2.0055, традиционно связываемые с аморфной фазой, обнаружены только в случае облучения ионами № с энергией 6 МэВ. Во всех остальных случаях облучения, независимо от вида иона, энергии и дозы, в спектрах ЭПР наблюдаются только точечные дефекты (ЭьРЗ, Ба-Рб, Бь82 и др.). Высокая концентрация ПЦ точечных дефектов в кремнии, облученном ионами № (335 МэВ) и Хе (5.68 ГэВ), обусловливает регистрацию в спектрах линии с ^-фактором 2.0058±0.0002. В данном случае отсутствие сигнала, характерного для ПЦ областей аморфизации, можег быть связано с увеличением скорости рекомбинации первичной дефектной структуры, что вероятно при высоком уровне ионизации решетки вследствие электронного

торможения ионов.

Изучение кинетики накопления ПЦ в процессе имплантации кремния ионами № с энергией 6 МэВ показало, что при температуре облучения 400 К существует протяженный дозовый интервал (ниже дозы аморфизации слоя), в пределах которого общее количество парамагнитных радиационных дефектов не меняется. На основании данных отжига радиационных дефектов предполагается, что низкая скорость образования дефектов в пределах этого интервала определяется аннигиляцией междоузельных комплексов и дивакансий. Общее количество ПЦ остается постоянной даже при более высоких дозах, где происходит аморфизация, хотя относительный вклад, обусловленный ПЦ аморфных областей, возрастает. Это указывает на высокую чувствительность метода ЭПР к структурным перестройкам, происходящим в кристаллической решетке при таком облучении.

Исследование температурной стабильности ПЦ аморфной области проводилось на образцах кремния, облученных ионами Ш с энергией 6 МэВ и дозой 5x10й см2 при температуре мишени 125К. Дифференцирование кривой отжига ПЦ позволило установить наличие трех стадий, характеризующихся различными скоростями уменьшения концентрации ПЦ аморфной фазы. Предполагается, что вначале происходит отжиг изолированных областей аморфной фазы или дефектов на границе аморфный слой/ кристалл, а затем отжигается сплошной аморфный слой. Для образцов, облученных ионами № с энергией 6 МэВ и хранившихся при температуре 300К в течение 48 месяцев, обнаружен, как и в случае низкоэнергетичной ионной имплантации, процесс самоотжига дефектов. Установлено, что самоотжиг эффективнее всего проходит в образцах, имеющих максимальное разупорядочение кристаллической решетки.

Профили распределения радиационных дефектов по глубине облученного слоя изучались на образцах кремния, имплантированных ионами № (335 МэВ, 5х1014 см2) и Хе (5.68 ГэВ, 5х1013 см2). Показано, что в случае облучения ионами N1 ПЦ БьРЗ распределены равномерно по всей облученной области, тогда как ПЦ в1-Р6, распределенные также равномерно, локализованы, в основном, от 20 до 60 мкм. Сравнение экспериментальных кривых с расчетными по ТШМ показывает, что ПЦ точечных дефектов образуются не только в области максимума потерь энергии на ядерное торможение, но и в области электронных потерь. Это означает, что образование парамагнитных дефектов в кремнии при

ВИИ не определяется лишь упругими столкновениями. Высокий уровень ионизации, обусловленный электронным торможением и имеющий место при высокоэнергетичном ионном облучении, приводит к уменьшению энергии связи атомов в кристаллической решетке. Вследствие этого повышается эффективность дефектообразования за счет ядерного торможения. Образование ПЦ точечных дефектов глубже величины среднего проективного пробега объясняется ионным каналированием по трекам, сформированным высокоэнергетичными ионами при их торможении.

Анализ пространственного распределения радиационных дефектов в кремнии, облученном ионами Хе, показал, что профиль концентрации дефектов обнаруживает качественное соответствие с теоретически рассчитанной кривой ядерных потерь, что свидетельствует о доминирующем механизме образования тоио,п1ых дефектов за счет атомных столкновений. Длинный "хвост" радиационных дефектов, простирающийся глубже максимума профиля концентрации дефектов и максимума потерь энергии на ядерное торможение, обусловлен каналированием части ионов по трекам высокоэнергетичных ионов, также как и в случае облучения ионами N1.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что механизмы дефектообразования в кремнии при высокоэнергетичном ионном облучении являются разными для радиационных дефектов различных типов. Упругие соударения являются основным механизмом создания точечных дефектов. Электронное торможение, обусловливая сильную ионизацию кристаллической решетки, стимулирует дефектообразование за счет упругих соударений, таким образом, способствуя образованию протяженных дефектных областей, а также оказывает влияние на механизмы релаксации первичной дефектной структуры, образующейся в процессе облучения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые методом ЭПР исследованы процессы дефектобразовакия в алмазе и кремнии, облученных высокоэнергетичными ионами № и Хе. Показано, что образование треков в облученной области обусловлено доминирующей ролью электронного торможения быстрых ионов.

2. Изучение парамагнитных свойств одномерных

модифицированных трекоподобных структур, сформированных в алмазе высокоэнергетичными ионами №, (дозовая зависимость интенсивности и степени асимметрии линии ЭПР доминирующих ПЦ, изменение ее ширины при изохронном отжиге, зависимость интенсивности линии от мощности поля СВЧ и изменение ее функции формы по глубине облученного слоя) показало, что резонансное поглощение в таких структурах обусловлено подвижными квазичастицами — солитонами.

3. Развита модель трека в алмазе, облученном ионами высоких энергий, как одномерного низкоразмерного элемента в матрице твердого тела, ориентированного вдоль направления ионного облучения, с высокой степенью упорядоченности атомов, причем атомы в оболочке этого элемента в отличие от матрицы перегруппированы с изменением гибридизации от эр3 к зр2, обеспечивая дальний и ближний порядок в треке.

4. Установлено, что средний проективный пробег высокоэнергетичных ионов № в алмазе, так же как и ионов N1 и Хе в кремнии, совпадает с теоретически рассчитанным по программе ТЩМ-90. В то же время среднеквадратичное отклонение величин пробегов, определенное на основании полученного экспериментально распределения по глубине радиационных дефектов, в несколько раз превышает рассчитанное значение. Это несоответствие объясняется необходимостью учета присутствующих при высокоэнергетичном облучении эффектов трекового каналирования, механизмов обмена электронами между тормозящимися ионами и неподвижными атомами мишени, а также особенностей разрушающего метода послойного травления ионно-облученной области.

5. Впервые с помощью компьютерной обработки спектров ЭПР получены спектры, характеризующие каждый удаленный слой ионно-облученной области алмаза. Разработан методический подход для анализа функции формы линий, позволяющий сравнивать форму экспериментального спектра с теоретически рассчитанными линиями лоренцевой и гауссовой форм. Обнаруженное изменение функции формы от супер-лоренцевой к лоренцевой и, по мере удаления слоев, — к гауссовой, связывается с уменьшением участков движения солитонов.

6. Показано, что в кремнии при высокоэнергетичном ионном облучении образование точечных дефектов происходит за счет упругих соударений тормозящихся ионов и атомов мишени. Электронное торможение, обусловливая сильную ионизацию

кристаллической решетки, стимулирует дефектообразование за счет упругих соударений, таким образом, способствуя образованию протяженных дефектных областей, а также оказывает влияние на механизмы релаксации первичной дефектной структуры, образующейся в процессе облучения.

7. Исследована кинетика накопления ПЦ в процессе имплантации в кремний ионов Ni с энергией 6 МэВ. Показано, что при температуре облучения 400 К существует протяженный дозовый интервал (ниже дозы аморфизации слоя), в пределах которого общее количество парамагнитных радиационных дефектов не меняется. Данные результаты интерпретируются в рамках модели аннигиляции междоузельных комплексов и дивакансий в пределах этого интервала, что приводит к снижению скорости образования дефектов. Общее количество парамагнитных радиационных дефектов остается постоянной и при более высоких дозах, где происходит аморфизация, хотя относительный вклад, обусловленный ПЦ аморфных областей, возрастает.

Содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Вариченко B.C., Дидык А.Ю., Ерчак Д.П., Мартинович В.А., ПенинаН.М., Зайцев A.M., Стельмах В.Ф. Парамагнитные свойства алмаза, модифицированного высокоэнергетичным ионным облучением. — Препринт / Сообщ. ОИЯИ. — Дубна, 1995.- Р14-95-181- 9с.

2. Ерчак Д.П., Мартинович В.А., Вариченко B.C., Пенина Н.М., Зайцев A.M., Камара М.С. ЭПР алмаза, синтезированного из изотопа углерода 13С // Вакуумная техника и технология. — 1994.- Т.4., №2.- С.46-51.

3. Вариченко B.C., Дидык А.Ю., Мартинович В.А., Ерчак Д.П., Пенина Н.М., Зайцев A.M., Стельмах В.Ф., Фарнер Ф.Р. Дефектообразование в природном алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами Ni. — Препринт / Сообщения ОИЯИ. — Дубна, 1995. — Р14-95-145. — 11с.

4. Вариченко B.C., Дидык А.Ю., Мартинович В.А., Филипп А.Р. ЭПР и катодолюминесценция дефектов в алмазе, облученном ионами никеля с энергией 335 МэВ. — Препринт / Сообщения ОИЯИ. — Дубна, 1995. — Р14-95-180. — Юс.

5. Ерчак Д.П., Мартинович В.А., Вариченко B.C., Дидык А.Ю., Киранов В.А., Стельмах В.Ф. Парамагнитные свойства алмаза, имплантированного высокоэнергетичными ионами никеля. — Препринт / Сообщения ОИЯИ. — Дубна, 1996. — Р14-96-232. —

11с.

6. Zaitsev A.M., Varichenko V.S., Melnikov A.A., Erchak D.P., Martinovich V.A., Fahrner W.R., Fink D. Defect production in silicon irradiated with 335 MeV Ni ions // Abstracts of Third Int. Symposium on Swift Heavy Ions in Matter. — Caen, 1995. — P.108.

7. Varichenko V.S., Zaitsev A.M., Kazutchits N.M., Chelyadinskii A.R., Penina N.M., Martinovich V.A., Latushko Ya.I., Fahrner W.R. Defect production in silicon irradiated with 5.68 GeV Xe ions // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. — 1996. — V.B107. -P.268-272.

8. Varichenko V.S., Zaitsev A.M., binder J.K.N., Domres R., Penina N.M., Erchak D.P., Chelyadinskii A.R., Martinovich V.A. EPR, XRD and optical reflectivity studies of radiation damage in silicon after high energy implantation of Ni ions // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. — 1994. — V.B94. — P.240-244.

9. Вариченко B.C., Мартинович B.A., Зайцев A.M., Ленина H.M., Ерчак Д.П., Дидык А.Ю. Дефектообразование в кремнии, имплантированном ионами никеля с энергией 6 МэВ. — Препринт / Сообщ. ОИЯИ. — Дубна, 1996. — Р14-96-232. — 12с.

10. Martinovich V.A., Chelyadinskii A.R., Varichenko V.S., Penina N.M., Drozdova E.N., Zaitsev A.M., Fahrner W.R. Radiation Damage in Silicon Irradiated with 210 MeV Kr Ions // Abstracts of Conference of German Physical Society. — Regensburg, 1996. — P.1547.

Список цитируемой литературы

1. Scholz R., Vetter J., Hopfe S. Observation of latent heavy-ion tracks in GeS by transmission electron microscopy // Rad. Eff. and Defects in Solids. — 1993. — V.126. — P.275-278.

2. Varichenko V.S., Zaitsev A.M., Rusetskii M.S., Stelmakh V.F. de WeJdige K„ Fries Th., Wandelt K., Didyk A.Ju., Laptev V.A. Scanning tunnelling microscopy of diamond irradiated with high energy ions // Diamond and Rel. Mat. — 1994. — V.3. — P.711-714.

3. Zaitsev A.M., Fedotov S.A., Melnikov A.A., Komarov F.F., Fahrner W.R., Varichenko V.S., Те Kaat E.H. Penetration of high energy ions in semiconductors through tracks: simulation with transport equations // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. — 1993. — V.B82. — P.421-430.

4. Filipp A.R., Tkachev V.V., Varichenko V.S., Zaitsev A.M., Chelyadinskii A.R., Kluev Yu.A. Diffusion of Implanted Nickel in Diamond // Diamond and Rel. Mat. -1992. — V.l. — P.271-276.

5. Erchak D.P., Efimov V.G., Zaitsev A.M., Stelmakh V.F., Penina

N.M., Varichenko V.S., Tolstykh V.P. Peculiarities of damage in diamond irradiated by high energy ions // Nucl.Instr. and Meth. in Phys. Res. — 1992. — V.B69. — P.443-451.

6. Fink D., Chadderton L.T., Hosoi F., Omichi H., Sasuga T., Schmoldt A., Wang L., Klett R., Hillinbrond J. Chemical modification of PMMA by MeV and GeV, light and heavy, ion irradiations // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. — 1994. — V.B91. — P.146-150.

7. Isoya J., Kanda H., Norris J.R., Tang J., Bowman M.K. Fouriertransform and continuous-wave EPR studies of nickel in synthetic diamond: Siteand spin multiplicity // Phys. Rev. — 1990. — V.B41, №7. — P.3905-3913.

РЕЗЮМЕ

Мартинович Валерия Александровна

ЭПР дефектов в алмазе и кремнии, облученных ионами высоких

энергий

Ключевые слова: ЭПР, алмаз, кремний, высокознергетичная ионная имплантация, ионный трек, солитон, одномерный низкоразмерный элемент, спиновая волна, аморфная область, точечные дефекты, трековое каналирование, электронное и ядерное торможение.

Целью работы являлось установление закономерностей формирования и особенностей дефектной структуры алмаза и кремния при высокоэнергетичном ионном облучении. В качестве основного метода исследований радиационных структурных нарушений использован метод электронного парамагнитного резонанса. Измерения проводились на спектрометрах "Varían Е-102" и "RadioPAN SE/X 2543" в трехсантиметровом диапазоне.

Впервые методом ЭПР исследованы процессы дефекто-образования в алмазе и кремнии, облученных высокознергетичными ионами никеля и ксенона, и получен ряд новых результатов в области радиационной физики полупроводников, развития методов радиоспектроскопических исследований и концепции низкоразмерных элементов и структур. На основе полученных результатов конкретизирована модель трека в алмазе, облученном ионами высоких энергий, как одномерного низкоразмерного элемента в матрице твердого тела с высокой степенью упорядоченности атомов, а также развит метод ЭПР для диагностики пространственного распределения дефектов в полупроводниках, облученных ионами высоких энергий. Данные результаты обеспечивают возможность разработки новых технологий низкоразмерных элементов и структур в сверхтвердых полупроводниках и неразрушающих методов диагностики параметров оптоэлектронных приборов на алмазе, созданных методами ионной имплантации.

RESUME

Martinovich Valer ij a Alexandrovna

EPR of defects in diamond and silicon irradiated with high energy

ions

Key words: EPR, diamond, silicon, high energy ion implantation, ion track, soliton, one-dimensional low-dimensional element, spin wave, amorphous region, point defects, track assisted channelling, electron and nuclear stopping.

The aim of the study is the investigations of regularities of defect production and peculiarities of the defect structure in diamond and silicon by high energy ion irradiation. Electron paramagnetic resonance technique is used as the main investigation method. The measurements have been carried out using X-band homodyne "Varian E-102" and "RadioPAN SE/X 2543" spectrometers.

For the first time the defect production processes in diamond and silicon irradiated with high energy nickel and xenon ions have been studied by EPR technique. New results have been obtained in the fields of radiation defects in solid materials and radiospectroscopic methods of investigations. A new conception of low-dimensional elements and structures created by high energy ions has been further developed. The physical model of the high energy ion track in diamond is proposed to be a one-dimensional unit in solid state matrix possessing a high degree of atomic ordering therein. An important methodical result is the application of the EPR technique for the diagnostics of spatial distribution of defects in semiconductors irradiated with high energy ions. The obtained results can be used as a basis for the development of new technologies of low-dimensional elements and structures in superhard semiconductors and nondestructive methods of characterization of electronic and optoelectronic diamond based devices produced by ion implantation.

РЭЗЮМЕ

Mapi|inoBÍ4 Валерыя Аляксандрауна

ЭПР дэфектау у алмазе i крэмнп, апрамененых юнами bbicokíx

siiepriii

Ключавыя словы: ЭПР, алмаз, крэмшй, высокаэнергетычная юнная 1мплантацыя, юнны трэк, салит, аднамерны шзкаразмерны элемент, стнавая хваля, аморфная вобласць, кропкавы дэфект, трэкавае канал1раванне, электроннае i ядзернае тармажэнне.

Мэтай работы з'яулялася устанауленне заканамернасцей фарм1равання i уласц1васцей дэфектнай структуры алмазу i крэмшю пры высокаэнергетычным ioHHbra апраменьванш. У якасщ асноунага метаду даследаванняу радыяцыйных структурных парушэнняу выкарыстаны метад электроннага парамагштнага рэзанансу. Вымярэнш праводзЬпся на спектрометрах "Varían Е-102" i "RadioPAN SE/X 2543" у трохсантыметровым дыяпазоне.

Упершьгаю метадам ЭПР даследаваны працэсы дэфекта-утварэння у алмазе i крэмнц, апрамененых высокаэнергетычным! ionaMi шкелю i ксенону, i атрыман шэраг новых вынжау у галше радыяцыйнай ф1зш1 пауправадшкоу, развщця метадау радые-спектраскатчных даследаванняу i канцэпцьп шзкаразмерных элементау i структур. На аснове атрыманых выншау канкрэ-тызавана мадэль трака у алмазе, апрамененым ionaMi bbicokíx энерпй, як аднамернага шзкаразмернага элемента у матрыцы цвердага цела з высокаю ступенню упарадкавання атамау, а таксама разв1ты метад ЭПР для дыягностыш аб'емнага размеркавання дэфектау у пауправадншах, апрамененых ionaMi bbicokíx энерпй. Дадзеныя BbiHÍKÍ забяспечваюць магчымасць распрацоуш новых тэхналогш шзкаразмерных элементау i структур у звышцвердых пауправадншах i неразбуральных метадау дыягностыш параметрау оптаэлектронных прыборау на алмазе, створаных метадам1 юннай 1мплантацьп.

Подписано к печати 06.12.96. Формат 60x84 1/16. Бумага № 1. Заказ 1856. Тираж 70 экз. Отпечатано Предприятием "Технопринт" 220027 г. Минск, пр. Ф.Скорины, 65 корп. 14.

ISBN 985-6373-03-4