Моделирование физических явлений в инноимплантированных приборных структурах на основе соединений A III B U тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИОНОВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ

МИШЕНВЮ АЫ1ВУ.

1.1. Введение.

1.2. Механизмы, описывающие взаимодействие налетающих высокоэнергетических частиц с атомами мишени.

1.2.1. Основные подходы к описанию взаимодействия ион - атомы мишени.

1.2.2. Ядерное торможение и угол рассеяния.

1.2.3. Электронное торможение . i.

1.2.4. Тепловые колебания решетки.

1.3. Структура упорядоченных мишеней.

1.4. Описание программы расчета профилей распределения ионов в кристаллической решетке полупроводниковых соединений Aii:eBv.

1.5. Расчетные результаты пробегов высокоэнергетических ионов в полупроводниковой мишени AI3:IBV.

2.2. Методика эксперимента.42

2.3. Экспериментальные результаты, моделирование и обсуждение.43

2.4. Основные результаты и выводы.60

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ AZ11BV.62

3.1. Введение.62

3.2. Общие характеристики барьеров Шоттки.64

3.3. Барьеры Шоттки на GaAs.7 6

3.4. Барьеры Шоттки на GaP.82

3.5. Барьеры Шоттки на GaAso.sPo.4.87

3.6. Влияние облучения быстрыми электронами на электрофизические характеристики и параметры БШ на основе соединений AII]:BV.90

3.7. Зависимости концентрации носителей заряда в БШ на основе полупроводниковых соединений AIII:BV от потока быстрых электронов.110

3.8. Основные результаты и выводы.114

ГЛАВА 4. Энергетический спектр и кинетика накопления глубоких центров в структурах "с барьером Шоттки на широкозонных полупроводниках типа Ai:riBv при радиационном воздействии. 116

4.1. Введение.116

4.2. Методика эксперимента.116

4.3. Основные параметры и зависимости концентрации и скорости введения глубоких центров от потока быстрых электронов в БШ на основе полупроводниковых материалов AXIIBV.121

4.4. Сравнительный анализ параметров ГЦ в ионноимплантированных слоях и облученных быстрыми электронами структурах.130

4.5. Основные результаты и выводы.134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.136

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.138

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММЫ IMPLANT.14 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММЫ DAGH.144

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 БЛОК-СХЕМА СОПРЯЖЕНИЯ УСТАНОВКИ РСГУ С ЭВМ.145

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время электроника вообще и полупроводниковые приборы в частности развиваются настолько стремительно, что сегодняшние представления завтра уже могут оказаться устаревшими. Поэтому необходимо ясно понимать физические процессы лежащие в основе технологии изготовления полупроводниковых приборов. Одним из основных способов создания любых полупроводниковых приборов является введение примеси в полупроводниковый кристалл (легирование) . Наиболее распространенными способами легирования полупроводниковых подложек являются введение примесей в процессе роста кристалла (эпитаксия), диффузия, вплавление и ионная имплантация .

В последние годы постоянно расширяется диапазон областей применения метода ионной имплантации (ИИ) в технологическом цикле изготовления полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных микросхем (ИМС). Особенно заметны успехи применения ИИ при создании ПП и ИМС СВЧ и оптического диапазонов, в том числе и на основе полупроводниковых соединений AI]:IBV. Эффективность использования ИИ определяется рядом существенных преимуществ перед традиционными технологическими приемами, в частности, возможностью введения в полупроводниковую подложку практически любого иона; возможностью создания в полупроводниковой структуре не только примесных центров, обладающих донорными или акцепторными свойствами, но и глубоких рекомбинационных центров; широким диапазоном концентраций легирующей примеси; высокой точностью соблюдения заданных размеров активных областей; точностью контроля концентрации вводимой примеси; хорошей воспроизводимостью распределения ионов по глубине.

Основными проблемами, возникающими при проектировании приборов с заданными характеристиками, являются расчет пробегов частиц и предсказание профиля распределения примеси. Несмотря на большое количество работ, посвященных этой проблеме, до сих пор наблюдаются достаточно большие расхождения между реально измеренными и рассчитанными профилями распределения примесных атомов, внедренных в решетку полупроводника при ионной имплантации. Причиной таких несоответствий может быть как недостаточно полный учет всех механизмов взаимодействия между быстрыми ионами и атомами мишени, так и неверное пространственное описание указанного взаимодействия. Анализ множества работ, посвященных вопросам взаимодействия ионов с атомами мишени, показывает, что в настоящее время не существует универсальной модели взаимодействия, учитывающей всевозможные факторы, определяющие характер взаимодействия, и, в конечном итоге, позволяющей точно предсказать положение иона в мишени. Особенно это касается тех случаев, когда имплантация примеси проводится не в элементарные полупроводники, а в полупроводниковые соединения.

Из множества типов полупроводниковых соединений следует выделить соединения Ai:i:iBv, которые находят все более широкое применение в полупроводниковых приборах, в том числе СВЧ и оптического диапазонов. Большой диапазон значений ширины запрещенной зоны в соединениях AriIBv позволяет применять их в самых разнообразных ПП и ИМС.

Вынужденный постимплантационный отжиг, необходимый для удаления радиационных нарушений, введенных при ионной имплантации, и активации введенной примеси, приводит к ее перераспределению, в результате чего заметно изменяется исходное распределение. Поскольку в имплантированных структурах легированные области имеют малую глубину, необходимо точно знать профиль распределения примеси после проведения всего технологического цикла.

Применение в радиоэлектронных системах космических аппаратов микро- и оптоэлектронных приборов на основе широкозонных полупроводниковых соединений AIi:rBv и использование радиационных технологий при их создании стимулируют комплексное исследование свойств глубоких радиационных центров, формирующихся в активных областях этих приборов в результате бомбардировки высокоэнергетическими ионами и электронами.

Вводимые при ионной имплантации глубокие центры (ГЦ) значительно изменяют электрофизические характеристики активных областей и параметры полупроводниковых приборов. Изучить возникающие непосредственно после ионной имплантации ГЦ затруднительно, так как для создания приборной структуры и оценки ее параметров необходимо проведение активирующего отжига, в результате которого могут измениться как концентрация ГЦ, так и их физическая природа и энергетический спектр. Указанных трудностей можно избежать, применив облучение быстрыми электронами специально изготовленных приборных структур барьеров Шоттки (БШ). Поскольку БШ могут применяться как самостоятельно в качестве дискретных приборов, так и в виде активных элементов интегральных микросхем, необходимо изучить влияние вводимых при облучении ГЦ на их электрические и электрофизические характеристики. Важно также установить сходство и различие радиационных центров в широкозонных соединениях AII:IBV различного состава по энергетическому спектру и физической природе.

Таким образом, необходимо разработать обобщенные физико-математические модели, адекватно описывающие как распределение внедренных ионов до и после термического отжига, так и параметры и характеристики полупроводниковых материалов, ПП и ИМС, при наличии сложных комплексов дефектов, включающих остаточные РД.

Поэтому цель настоящей работы заключалась в разработке физико-математической модели процесса торможения высокоэнергетических ионов в сложной кристаллической мишени полупроводниковых соединений Ai:aBv; описании явлений, происходящих в этих соединениях на стадии активирующего отжига, и разработке физико-математической модели для расчета профиля распределения внедренных ионов после термического отжига, а также в моделировании процесса формирования сложных комплексов РД с помощью облучения высокоэнергетическими электронами, аналогичных комплексам, возникающим при ионной имплантации и последующем отжиге, для предсказания изменения параметров полупроводниковых материалов и характеристик ПП и ИМС.

4.5. Основные результаты и выводы

1. В диапазоне температур от 77 К до 420 К измерены спектры РСГУ на структурах Ag/GaAs, Ag/GaP, Ag/GaAso.ePo.i и Ад/InP n-типа с исходной концентрацией электронов 1.55'1015 см"3, З'Ю17 см-3, 2.14'1017 см"3 и З'Ю16 см"3, соответственно.

2. Во всех исходных материалах обнаружены глубокие центры, связанные с наличием вакансий в подрешетках III и V групп, межу-зельными атомами V группы, антиструктурными дефектами. Концентрация ГЦ и их энергия ионизации зависят от условий выращивания конкретных полупроводниковых соединений.

3. При облучении исходных структур наблюдается рост концентрации врожденных дефектов и появление новых. Измеренные дозовые зависимости концентрации были описаны экспоненциальными и степенными функциями, дифференцированием которых определены скорости введения каждого центра.

4. На основе анализа таких параметров ГЦ, как энергия ионизации, сечение захвата и скорость введения, все обнаруженные ГЦ можно сгруппировать с учетом их возможной природы на следующие группы:

1) атом примеси + VP, Е±= (0 .19*0. 25) эВ, о= (5*8) "Ю-13 см2,

2) Viu+Vv, Е±= (0.32*0. 38) эВ, о= (1*2) ■ 10"13 см2,

3) атом примеси + собственный дефект, Ех=(0.54*0.б) эВ, а-(3 *4 ) ■ 10~14 см2,

4) антиструктурный + собственный дефект, Ei=(0.79*0.82) эВ, а=(1*3)-10"14 см2.

Исключение составляют центры, присутствующие в разных зарядовых состояниях (центры Ес-0.3 эВ в InP и Ес-0.5 эВ в GaAs по своей структуре относятся к четвертой группе).

5. Сравнительный анализ параметров радиационных дефектов, сформировавшихся в имплантированных и облученных электронами структурах БШ на основе соединений AII][BV, показал, что механизмы формирования ГЦ в обоих случаях существенно не отличаются. Стоит лишь отметить, что в облученных электронами структурах наиболь

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана модель расчета пробегов ионов Se, S и Be при имплантации их в кристаллические мишени полупроводниковых соединений GaP, GaAs, InP, InAs, учитывающая взаимодействие иона с конкретным атомом соединения, потери энергии на ядерном и электронном торможении, тепловые колебания решетки. Для расчета профилей распределения ионов разработан пакет программ на языке ФОРТРАН.

2. Получено новое выражение для длины экранирования, использование которого позволяет достичь наилучшего совпадение расчетных и экспериментальных профилей распределения ионов.

3. Проведено сравнение рассчитанных профилей с экспериментальными по параметрам распределения Пирсона. Показано, что средний проецируемый пробег ионов RP и стандартное отклонение проецированного пробега ARP, полученные по разработанной модели расходятся от экспериментальных не более чем на 15%.

4. Разработана модель перераспределения внедренных ионов при ТО, в которую включены такие физические явления, как: диффузия внедренной примеси через границу раздела полупроводник - диэлектрик, диффузия примеси в самой диэлектрической пленке, диффузия примеси в полупроводниковом материале при наличии РД (вакансий) , перенос атомов примеси за счет индуцированного поля и диффузия межузельных атомов.

5. На основе разработанной физико-математической модели получены теоретические профили распределения Be в GaAs и InP (для потоков ионов 5"1014 см-2 и 1015 см-2 и времен отжига 10 с и 15 мин), хорошо описывающие экспериментальные данные. Расчет профилей проводился с помощью программы на языке программирования БЕЙСИК, специально разработанной на основе предложенной модели.

6. Выявлены особенности и закономерности влияния облучения быстрыми 6 МэВ электронами на основные электрофизические характеристики и параметры БШ Ag/InP, Ag/GaP, Ag/GaAs0.6Po.4/ Ag/GaAs.

1. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп.- М.: Мир, 1967.- 478 с.

2. Бредов М. М., Ланг И. Г. ЖТФ.- 1958.- т.З.- 228 с.

3. Gibson G. В., Goland А. N., Milgram М. // Phys. Rev.- 1960.-v. 120.- p. 1229

4. Lindhard J., Sharff M., Schiott H. E. // Matt.-Fys. Medd. K. Dan. Vid. Selsk.- 1963.- v. 33.- p. 14

5. Mayer J. W., Erikson L., Davies J. A. Ion Implantation in Semiconductors.- New York.- 1970.- 214 p.

6. Бургуэн Ж., Ланно M. Точечные дефекты в полупроводниках. Экспериментальные аспекты.- М.: Мир.- 1985.- 304 с.

7. Buttlar Н. Einfuhrung in die Grundlagen der Kernphysik.-Frankfurt.- 1964.- 324 p.

8. Leibfried G. Bestrahlungseffekte in Festkorpern, Teubner.-Stuttgart.- 1965.- 176 p.

9. Moliere G. // Z. Naturforsch.- 1947.- v. A2.- p. 122

10. Thomas L. H. // Proc. Cambridge Philos. Soc.- 1927.- v. 23.- p. 542

11. Fermi E. // Z. Phys.- 1928.- v. 48.- p. 73

12. Фирсов О. Б. ЖЭТФ.- 1957.- т.33.- с. 6 96

13. Lindhard J., Nielsen V., Scharff M. // Mat.-Fys. Medd. К. Dan. Vid. Selsk.- 1968.- v. 36.- p. N10

14. Takeuchi W., Yamamura Y. / Radiat. Eff.- 1983.- v. 71.- p. 53

15. Ziegler J. F., Biersack J. P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids.- New York.- 1985

16. Wilson W. D., Haggmark L. G., Biersack J. P. // Phys. Rev.-1977.- v. B15.- p. 2458

17. Biersack J. P., Haggmark L. G. // Nucl. Instrum. Meth.-1980.- v.174.- p. 257

18. Бор H. Прохождение атомных частиц через вещество.- М.: ИЛ.-1950

19. Bethe Н. А. // Ann. Phys. (Leipzig).- 1930.- v.5.- p. 325

20. Anthony J. M., Lanford W. A. // // Phys. Rev.- 1982.- v. VA25.- № 10.- p. 1868-1873

21. Фирсов О. Б. ЖЭТФ.- 1959.- т.36.- с. 1517

22. Lindhard J., Scharff M. // Phys. Rev.- 1961.- v. 124.- p. 128

23. Sugiyama H. // Phys. Soc. Jap.- 1977.- v. 43.- № 5.- p. 17021707

24. Eisen F. H. Proceedings of the 1st Conference on Ion Beam. Modification of Materials. Budapest, Hungary.- 1979.- p. 147

25. Biersack J. P., Haggmark L. G. A Monte Carlo computer program for the transport of energetic ions in amorphous targets // Nucl. Instrum. Meth.- 1980.- v. 174.- p. 257-269

26. Jackson D. P. Atomic Collisions in Solids, S. Datz, B. R. Appleton, C. D. Moak, Plenum.- New York.- 1975.- p. 185

27. Robinson M. Т., Oen 0. S. // Phys. Rev.- 1963.- v. 132.- p. 2385

28. Debye P. // Ann. Phys. (Leipzig).- 1912.- v. 39.- p. 789

29. Waller I. // Z. Phys.- 1928.- v. 51.- p. 213

30. O'Connor D. J., Biersack J. P. // Nucl. Instrum. Meth.-1986.- v. B15.- p. 14

31. Biersack J. P., Eckstein W. // Appl. Phys.- 1984 .- v. A34.-p. 73

32. Yeo Y. K., Park Y. S., Kwor R. // J. Appl. Phys.- 1982.- v. 53.-№ 3.- p. 1815-1817

33. Кольцов Г. И., Ладыгин Е. А., Юрчук С. Ю. Фоточувствительные структуры на основе GaP, полученные методом ионной имплантации // Электронная техника, сер.2. 1987. - В. 2. -с. 63-67.

34. Риссел, Руге. Ионная имплантация. М.: Наука, 1976. - 360 с.

35. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов./ Двуреченский А. В., Качурин Г. А., Нидаев Е. В. и др. М.: Наука, 1982. -208 с.

36. Deal М. D., Hansen S. Е., Sigmon Т. W. // IEEE Transaction on Computer-Aided Design. 1989. - V.8. - p. 939-951.

37. Козловский В. В., Ломасов В. Н. Радиационно-стимулированная диффузия примесей в полупроводниках. // Обзоры поэлектронной технике. Серия 7. М. : ЦНИИ ЛЛЭлектроника" . 1985. - Вып. 9. - 56 с.

38. Кадменский А. Г., Тейтельбаум А.З., Файзрахманов В. Р. // Электронная техника. Серия микроэлектроника. 1988. - № 2. -С. 17-20.

39. Горелик С. С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлугрия. - 1988. -574 с.

40. Tan Т. У., Gosele U. // Appl. Phys. Lett. 1988. - V.52. -p. 1240-1242.

41. Yu S., Gosele U., Tan T. Y. // J. Appl. Phys. 1989. - V.66.- p. 2952-2959.

42. Yu S., Tan T. Y. Gosele U., // J. Appl. Phys. 1991. - V.69.- p. 3547-3565.

43. Bourgoin J., Peak D., Corbett J. W. // J. Appl. Phys. 1973.- V.44. p. 3022-3027.

44. Hu J. C., Deal M. D., Plurnmer J. D. // J. Appl. Phys. 1995.- V.78. p. 1595 - 1605

45. Hu J. C., Deal M. D., Plummer J. D. // J. Appl. Phys. 1995.- V.78. p. 1606 - 1613

46. Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. М.: Мир, 1995. 321 с.

47. Вавилов В. С., Кив А. Е., Ниязова О. Р. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках. М. : Наука.- 1981.-368с.

48. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках.- М. : Мир, 1978.- 562 с.

49. Кольцов Г. И., Юрчук С. Ю., Кунакин Ю. И. // Электрон, техн., сер. 6. 1988. - № 3. - с. 52

50. Зи С. Физика полупроводниковых приборов (в двух частях).М: Мир, 1984.- 910 с.

51. Ossicini S. // Appl. Surface Sci. 1992. - v. 56-58. - с. 290-300

52. Krorer V., Grub A. // Solid-State Electron.- 1994.- v. 37.- № 7.- p. 169-180

53. Corbel С., Pierre F. // Phys. Rev. B. 1992. - v. 45. - № 7.- p. 3386-3399.

54. Zaidi M.A., Zazoui M., Bourgoin J.C. Defects in electron irradiated n-type GaP. // J. Appl. Phys. 1993. - v. 74. - № 8. - p. 4948-4951.

55. Rybichi G. C., Zaman C. A. // J. Appl. Phys. 1994. - v. 75.- № 6. p. 3187-3189.

56. Ладыгин E. А., Горюнов H. H., Паничкин А. В. Основы радиационной технологии микроэлектроники. М.: МИСиС. 1996. - т. 1-3. - 310 с.

57. Ren L., Baucour P., Hooge F.N. // J. Appl. Phys. 1993. - v. 73. - № 5. - p. 2180-2186.

58. Ren L., Baucour P., Hooge F.N. // J. Appl. Phys. 1993. - v. 73. - № 5. - p. 2180-2186.

59. Lang D. V., Kimerling Ъ. C. Observation at thermal defect annealing in GaP // Appl. Phys. Lett. 197 6. - v. 28. - № 2.- p. 248.

60. Lang D. V. Deep-level transient spectroscopy: a new method to characterize traps in semiconductors // J. Appl. Phys. 1974. v. 45. - № 7. - p. 3023-3032.

61. Ладыгин E. А. Радиационная технология твердотельных электронных приборов. М.: ЦНИИ Электроника. 1977. 345 с.

62. Calleja Е., Munoz Е., Jimenes В. et. al. Trapping characteristics of Те related centers in GaAsi-xPx // J. Appl. Phys. 1985. - v. 57. - № 12. - p. 5295-5301.

63. Shirafuji J., Kakiuchi Т., Olka K. et. al. Thermal recombination enchanced annealing of gamma ray induced defects in GaAsi-xPx alloys // Defects and radiation effects in semiconductors. 1980. - p. 263-269.

64. Hausmann H., Pillukat A., Ehrhart P. // Phys. Rev. B. 1996.- v. 54. № 12. - p. 8527-8539.

65. Munoz E., Garcia F., Jimenes B. et. al. E12-related defects in neutron irradiated GaAsi-xPx alloys // Appl. Phys. Lett. -1985. v. 48. - № 8. - p. 798-800.

66. Liming W., Fung S., Beling C. D. // J. Phys. : Condens. Matter.- 1998.- v. 10.- № 41.- p. 9263- 9271

67. Syunsuke S., Tamotsu H. // Jap. J. Appl. Phys. Pt. 1.- 1996.-v. 35.- № 2B.- p. 1159-1164

68. Huang Q., Grimmeis H. G., Samuelson L. Configuration coordinate for E4 defect in electron irradiated GaP // J. Appl. Phys. 1985. - v. 58. - № 8. - P. 3068-3071.

69. Reddy С. V., Luo Y. L., Fung S. // Phys. Rev. B. 1998. - v. 58. - № 3. - p. 1358-1366.

70. Ferenchi G., Somogyi M., Pavenka T. Identification of a deep electron trap in GaP:N //Physica. 1983. - v. 116B. - p. 436-443.

71. Samuelson L., Omling H. Properties of the level in GaAsixPx // Physical Review B. Condenced Matter. 1986. - v. 34. - № 8(11). - p. 5603-5609.

72. Барчук A. H., Герасименко В. В., Иващенко А. И. и др. О природе полосы ~1.7 эВ в люминесценции GaP // ФТП. 1987. -т. 21. - в. 7. - с. 1308-1310.

73. Ben Salem М. М., Zaidi М. А. // J. Appl. Phys. 1995. - v. 78. - № 2. - P. 1004-1007.

74. Chan Y. J., Lin M. S. Deep-level transient spectroscopy stady of a thermal conversion layer on semi-insulating GaAs grown by the liquid-encapsulated Czochralski method // J. Appl. Phys. 1986. - v. 60. - № 6. - P. 2184-2186.

75. Wang W.L., Li S.S., Lee D.H. On the physical origins of the EL2 center in GaAs // J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and technology. 1986. - v. 133. - № 1. p. 196-199.

76. Fang Z.-Q., Look D. C., Uchida M. // J. Electron. Mater. -1998.- v.27.- № 10.- p. L68-L71.

77. Qurashi U. S., Zafar Iqbal M., Baber N. Effects of A1 doping on deep levels in molecular-beam-epitaxy GaAs // J. Appl. Phys. 1995. - v. 78. - № 8. - P. 5035-5041.

78. Guillot G. E12-related studies in irradiated and implanted GaAs // Revne de physicue applique.- 1988.- Т.- 23.- № 5.- p. 833-847.