Накопление дефектов в облучаемом ионами кремнии при пониженной плотности каскадов смещений

Азаров, Александр Юрьевич

Накопление дефектов в облучаемом ионами кремнии при пониженной плотности каскадов смещений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Азаров, Александр Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Накопление дефектов в облучаемом ионами кремнии при пониженной плотности каскадов смещений»

Автореферат диссертации на тему "Накопление дефектов в облучаемом ионами кремнии при пониженной плотности каскадов смещений"

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

АЗАРОВ Александр Юрьевич

НАКОПЛЕНИЕДЕФЕКТОВ В ОБЛУЧАЕМОМ ИОНАМИ КРЕМНИИ ПРИ ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ КАСКАДОВ СМЕЩЕНИЙ

специальности: 01.04 10 - физика полупроводников и 01.04.04- физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт- Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре физической электроники ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессорТитовАИ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент Александров О.В. (СПбТЭТУ) доктор физико-математических наук, профессор Козловский В.В. (СПбТПУ)

Ведущая организация: Нижегородский Государственный университет

им. Н.И. Лобачевского

Защита состоится 23 декабря 2004 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.229.01 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, II уч. корпус, ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан ноября 2004 г.

ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.01

доктор физико-математических наук, профессор Водоватов И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

В последние несколько десятилетий ионная имплантация является одним из основных технологических процессов при производстве полупроводниковых приборов. Следует ожидать, что в и обозримом будущем использование ионной имплантации будет расширяться.

Ионная имплантация позволяет модифицировать свойства полупроводникового материала, контролируя глубину залегания, профиль распределения и концентрацию легирующей примеси. Известно, что ионная бомбардировка всегда приводит к образованию радиационных повреждений, влияющих практически на все свойства полупроводникового материала. Этот факт, в большинстве практических приложений ионной имплантации являющийся существенным недостатком, открывает возможность модифицировать свойства твердого тела посредством контролируемого введения радиационных дефектов.

На сегодняшний день кремний является основным материалом в полупроводниковой промышленности. Несмотря на то, что процессы дефектообразования в Si интенсивно изучаются в течение многих лет, до сих пор нет полного понимания процессов, происходящих в кремниевой матрице под воздействием ионного облучения. Необходимо отметить, что наиболее детально изучены процессы, происходящие в Si под воздействием ионов средних энергий (десятки-сотни кэВ), т.е. в энергетическом диапазоне, до недавнего времени наиболее востребованном в полупроводниковой технологии. Это, в первую очередь, относится к случаям внедрения тяжелых ионов, когда каскады смещений, создаваемые бомбардирующими ионами являются достаточно плотными и процессы вторичного дефектообразования не играют существенной роли. Механизмы формирования устойчивых нарушений при имплантации легких ионов в этом диапазоне энергий разработаны существенно менее детально и целый ряд эффектов еще требует адекватной интерпретации. Это же можно сказать и о процессах, происходящих в Si при имплантации легких ионов низких энергий (до 10 кэВ), а также ионов высоких энергий (~ 1 МэВ), когда плотность каскадов смещений не очень велика и вторичное дефектообразование играет большую роль в формировании устойчивых нарушений. Однако, в последнее время наблюдается стабильный рост интереса к ионной имплантации в этих энергетических диапазонах.

Подобный интерес связан с тем обстоятельством, что имплантация ионами столь низких энергий позволяет получать устройства, в которых толщина легированного слоя не превышает двух-трех десятков нанометров. Потребность в таких устройствах назревает в связи с уменьшением геометрических размеров элементов современной микроэлектроники и переходу к нанометровым технологиям. В то время как имплантация ионами высоких энергий позволяет не только получать сверхглубокие переходы, но и изменять свойства полупроводниковой матрицы на значительную глубину контролируемым введением радиационных

дефектов.

РСС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

В полупроводниковой технологии для создания определенных структур или получения определенных свойств материала зачастую целесообразно использование молекулярных ионов. Имплантация молекулярными ионами и кластерами является одним из способов увеличения интенсивности ионного пучка, а также снижения энергии имплантируемых атомов. Кроме того, имплантация такими ионами позволяет путем подбора химического состава молекулы совмещать получение слоев заданного типа проводимости с процессами пассивирования и геттерирования дефектов. Хорошо известно, что эффективность ряда явлений в расчете на один упавший атом может отличаться при облучении в эквивалентных условиях атомарными и молекулярными ионами. Этот эффект получил название молекулярного эффекта (МЭ). Далее мы будем рассматривать только МЭ при накоплении радиационных повреждений. Хотя процессы, сопровождающие имплантацию молекулярных ионов в полупроводники, исследуются, по крайней мере, более трех десятилетий, более-менее реалистичные теории дефектообразования существуют только для бомбардировки молекулярными ионами тяжелых элементов низких энергий.

Цель настоящей работы направлена на изучение и объяснение закономерностей накопления нарушений устойчивых при низких и комнатных температурах при радиационном повреждении Si в условиях, когда генерируемые внедряемыми ионами каскады атомных смещений имеют пониженную плотность. Если рассматривать цель более подробно, то она распадается на ряд конкретных задач, а именно:

- развитие физической модели накопления структурных нарушений в Si в окрестности межфазной границы c-Si / вЮг, в частности, при облучении его медленными лёгкими ионами, а также рассмотрение возможности приложения этой модели к другим полупроводникам;

- исследование накопления разупорядочения при имплантации в Si быстрых тяжелых атомарных и молекулярных ионов при температуре жидкого азота;

- исследование молекулярного эффекта в Si на легких ионах при комнатной температуре, выявление роли плотности потока ионов;

Научная новизна диссертационной работы

1.2 Создана математическая модель этого процесса. Компьютерное моделирование дало хорошее соответствие расчётов экспериментальным данным, полученными различными исследовательскими группами.

1.3 Приложение этой модели к случаю бомбардировки GaAs подобными ионами пока-

зало, что она может быть применена и для других типов полупроводниковых материалов.

2.1 Получены данные о радиационном повреждении Si при имплантации в него атомарных и молекулярных ионов висмута с энергией 0.5 МэВ/атом при температуре жидкого азота. Результаты показывают, что при данных условиях облучения распределение устойчивых нарушений по глубине в Si имеет ярко выраженный бимодальный характер.

2.2 Показано, что в данных условиях облучения повреждение в Si, происходящее в объеме, может быть описано в рамках модели перекрытия частично разупорядоченных областей. Установлено, что данная модель должна быть модифицирована по сравнению с более ранними ее приложениями введением критического уровня дефектов, при достижении которого происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние.

2.3 Объяснена и промоделирована кинетика повреждения в поверхностном максимуме дефектов на распределениях структурных нарушений по глубине на основе разработанной модели для кинетики роста поверхностного аморфного слоя при облучении Si медленными легкими ионами.

2.4 Обнаружен молекулярный эффект в образовании устойчивых дефектов и предложено физическое объяснение его природы.

3.1 Двумя независимыми экспериментальными методами обнаружена зависимость эффективности молекулярного эффекта от плотности потока ионов при внедрении в кремний лёгких ионов.

3.2 Показано, что традиционный механизм, привлекаемый для объяснения молекулярного эффекта на легких ионах и основанный на концепции нелинейных энергетических пиков, возникающих при перекрытии отдельных субкаскадов, в действительности, в случае облучения Si легкими ионами не дает существенного вклада.

3.3 Предложен новый физический механизм молекулярного эффекта, основанный на нелинейности процессов вторичного дефектообразования в кремнии, и на его базе проведено численное моделирование экспериментальных данных. Результаты расчетов показали, что данный механизм может играть определяющую роль в процессах накопления устойчивых нарушений при облучении Si легкими молекулярными ионами.

Практическая значимость работы

В работе предложены и разработаны физические модели, которые позволяют предсказывать результаты использования ионных пучков для модификации и анализа свойств подложек из кремния, а так же и ряда других полупроводниковых материалов. К основным из таких моделей можно отнести:

- модель роста поверхностного аморфного слоя при имплантации медленных легких ионов в кремний, базирующаяся на миграции генерируемых ионами мобильных точечных дефектов к поверхности и последующих процессах их сегрегации на межфазной границе;

- модифицированная модель накопления структурных нарушений, основанная на перекрытии частично разупорядоченных областей, когда при достижении критического уровня

дефектов происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние, примененная для описания радиационного накопления при низкотемпературном облучении кремния быстрыми тяжелыми ионами;

- Предложена оригинальная методика для расчета толщины тонкого поверхностного аморфного слоя по спектрам распределения дефектов по глубине, полученными методом ре-зерфордовской спектроскопии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Накопление устойчивых нарушений в кремнии при имплантации медленных легких ионов, а также в поверхностном пике на распределении дефектов при внедрении быстрых ионов, может быть описано в рамках модели, основанной на диффузии генерируемых ионами мобильных точечных дефектов к поверхности и последующих процессах их сегрегации на межфазной границе аморфный слой / кристалл.

2. Повреждение в объеме кремния при низкотемпературной имплантации быстрых тяжелых ионов может быть описано в рамках модифицированной модели перекрытия частично разупорядоченных областей, когда при достижении критического уровня дефектов происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние.

3. При низкотемпературном облучении кремния быстрыми тяжелыми ионами, в эквивалентных условиях молекулярные ионы производят в приповерхностной области больше устойчивых дефектов в расчете на одну упавшую частицу, чем атомарные ионы, т.е. имеет место молекулярный эффект.

4. Эффективность молекулярного эффекта зависит от плотности потока ионов, в случае имплантации легких ионов в кремний при комнатной температуре.

5. Традиционный механизм, привлекаемый для объяснения молекулярного эффекта на легких ионах и основанный на концепции нелинейных энергетических пиков, возникающих при перекрытии отдельных субкаскадов, не дает существенного вклада в случае облучения Si легкими ионами. Молекулярный эффект в этом случае может быть объяснен в рамках нового физического механизма, основанного на нелинейности процессов вторичного дефекто-образования в кремнии.

Публикации и апробация работы

Содержание диссертации раскрыто в 19 работах, опубликованных по теме диссертации, 3 из которых опубликованы в ведущих российских и зарубежных журналах. Список работ приведен в конце автореферата.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 Всероссийских семинарах, а также 10 Международных конференциях и симпозиумах:

родные конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 2001, 2002, 2004), XV и XVI Международные конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Звенигород 2001, 2003), 8й1 Japan-Russia International Symposium on Interaction of Fast Charged Particles with Solids (2002), lO"1 International Conference "Desorption" (Saint Petersburg 2004).

Личный вклад автора.

Основные результаты работы получены автором лично. Экспериментальные данные получены как лично самим автором, так и его коллегами. Теоретические исследования и разработка физических моделей выполнены совместно с научным руководителем. Построение алгоритмов и программ, а также проведение вычислений выполнено автором самостоятельно.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы и двух приложений. Диссертация содержит страницы, в том числе 3?рисунка. Список литературы включает наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая значимость и представлены положении, выносимые на защиту. Содержатся сведения об апробации работы.

В первой главе дается краткий обзор литературных данных по современному состоянию затронутых в диссертации проблем. В частности, рассмотрены общие представления о взаимодействии ускоренных ионов с веществом, влияние вида и условий облучения на процессы накопления дефектов в Si, а также состояние современных представлений о молекулярном эффекте (МЭ) в полупроводниках. Кроме того, рассмотрены основы экспериментальных методов анализа уровня повреждения кристаллической решетки, использованных в данной работе, а именно, метода спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния (RBS), а также метода анизотропии неупругого обратного рассеяния электронов (АНОРЭ).

При облучении кремния легкими ионами налетающий ион генерирует в основном отдельные точечные дефекты. Хорошо известно, что при облучении такими ионами, распределение по глубине стабильных дефектов является бимодальным т.е. наряду с объемным максимумом дефектов (ОМД), присутствует и поверхностный максимум дефектов (ПМД). Кинетика накопления устойчивых дефектов различна для ОМД и ПМД, в ОМД дозовые зависимости концентрации дефектов имеют характерный S-образный вид. Известно, что в случае облучения кремния легкими ионами плотность потока ионов значительно влияет на скорость введения устойчивых дефектов. При облучении тяжелыми ионами образуются разупорядо-ченные области (РО), содержащие большое количество дефектов. Однако изменение пара-

метров и условий облучения очень сильно влияет на характер генерации и, следовательно, накопления дефектов. В случае облучении Si тяжелыми ионами достаточно хорошо изучены и поняты процессы накопления дефектов при средних энергиях внедряющихся ионов, в отличие от случая облучения такими ионами высоких энергий.

Сведения о структурных изменениях при бомбардировке легкими ионами с низкими энергиями (< 10 кэВ) весьма ограничены. В настоящее время имеются экспериментальные данные, о том, что накопление дефектности при облучении полупроводников медленными легкими ионами протекает как постепенное расширение аморфного слоя (АС), начинающееся от границы между естественным слоем окисла и собственно полупроводником. Однако на сегодняшний день нет единого понимания механизмов приводящих к накоплению разупоря-дочения при бомбардировке полупроводников ионами столь низких энергии, равно, как и целостной общепринятой теории, позволяющей описывать процессы такого накопления.

Если Лд - число (концентрация) стабильных дефектов, создаваемых молекулярным ионом Хь, состоящим из к атомов типа Х, а ГЦ - аналогичная величина для одноатомных ионов X*, то величина МЭ может быть выражена следующим соотношением:

Природа МЭ традиционно описывается в рамках модели нелинейных энергетических пиков. Считается, что при достижении порогового значения концентрации смещенных атомов в пике смещений или средней энергии, приходящейся на атом каскада в термическом пике, процессы в них становятся нелинейными, что и приводит к МЭ. Такие представления удовлетворительно объясняют МЭ для тяжелых ионов невысоких энергий. При изучении МЭ на легких ионах ситуация становится сложнее как в постановке эксперимента, так и в интерпретации его результатов. Привлечение концепции энергетических пиков, по крайней мере, в ее общеупотребительной форме для объяснения МЭ на легких ионах, становится некорректным. Литературных данных по МЭ на легких ионах не много и в целом данные, полученные разными исследовательскими группами, весьма противоречивы, что, в частности, связано с некорректностью проведения экспериментов. Предполагают, что, хотя для ионов малой массы средние индивидуальные каскады в целом не являются нелинейными, условия нелинейности могут выполняться для отдельных субкаскадов, на которые разбивается каждый индивидуальный. Таким образом, на сегодняшний день, вопросы о том, какова величина МЭ для легких ионов, а главное, каков его механизм остаются открытыми.

Вторая глава посвящена разработке модели, способной как качественно, так и количественно описывать накопление разупорядочения в кремнии и арсениде галлия при имплантации легких ионов низких энергий.

Экспериментальные результаты, используемые в данном исследовании, были получены B.C. Беляковым и А.И. Титовым и описаны в [1]. В этих экспериментах образцы (100) Si

(КДБ 15), облучались при комнатной температуре (7\) ионами Ne+ с энергией 10 кэВ при плотности ионного потока F= 6.2-10" СМ*2 С*1 или F = 6.2'Ю12 СМ2 С Анализ толщины поверхностных АС осуществлялся методом АНОРЭ.

На рис. 1 показана зависимость толщины AC h от дозы облучения Ф для двух плотностей ионного тока. Легко заметить, что, во-первых, нарастание АС не зависит в выбранных пределах изменения величины от F, а во-вторых, существует пороговая доза Ф(Д для начала эффективного роста АС.

Разработанная модель исходила из предположения, что рост АС на границе S1O2 / c-Si является результатом диффузии мобильных точечных дефектов. Для упрощения расчетов

предполагалось, что для точечных дефектов выполняется условие квазистационарности, кроме того, в качестве таких дефектов рассматривались только вакансии. Функция генерации вакансий g(x), где х - глубина, была рассчитана с помощью стандартной программы TRIM 95 [8] и аппроксимирована гауссианой. Учитывая рекомбинацию мобильных дефектов на ненасыщаемых стоках со средним временем жизни можно записать уравнение:

+ = (2)

ах т

с граничными условими при и

= h, где D - коэффициент диффузии мобильных точечных дефектов, а координата внутренней границы АС.

Наконец, считалось, что для перехода в аморфную фазу кристалла единичного объема требуется накопление в нем относительной концентрации дефектов Па при достижении которой структура спонтанно переходит из кристаллического состояния в аморфное. Тогда dhlcl&, может быть записана как:

(3)

где щ - концентрация атомов в мишени, а Ф = Ft - доза облучения.

Можно показать, что в данной модели диффузионная длина рассматриваемых точечных дефектов Li — (D т)"2 является единственным подгоночным параметром.

Пороговая доза на первом этапе бралась из экспериментальных результатов. В этом случае к дозе, которая использовалась при расчете надо добавить пороговую дозу

Рис. 1 Зависимость толщины АС на поверхности образца (100) от дозы облучения при Т/, ионами №+ с энергией 10 кэВ. Символы - экспериментальные результаты. Сплошная и пунктирная линия - расчет по простой модели и модели с насыщаемыми стоками; соответственно.

Результаты модельных расчетов при Li = 20 нм представлены на рис. 1 сплошной линией.

На следующем этапе мы считали, что наличие Фц, связано с насыщаемыми стоками, присутствующими в образце до облучения, роль которых играют ростовые дефекты. А, дозу, при которой достигается насыщение таких стоков, мы рассматривали в качестве Фд.

Результаты численных расчетов по разработанной модели, учитывающей наличие насыщаемых стоков в образце, представлены на рис. 1 пунктирной линией, хорошо видно, что теоретические кривые удовлетворительно описывают ход экспериментальных зависимостей.

Аналогичные расчеты были проведены для описания результатов, полученных другими авторами [3,4] для случаев облучения Si, а также случаев облучения GaAs [1] медленными ионами. Как и в рассмотренном случае, результаты модельных расчетов показали хорошее согласие с экспериментальными результатами при разных значениях подгоночных параметров.

Третья глава посвящена изучению МЭ на легких ионах в Si при Ti ивыяснению влияния плотности потока ионов (F) на его эффективность.

Облучение образцов, а также измерения методом RBS в сочетании с каналированием (RBS/C) осуществлялось автором в ГУЛ НПП "Электрон-Оптроник", на ускорителе ионов фирмы "High Voltage Engineering Europe", позволяющего ускорять положительно заряженные ионы в энергетическом диапазоне от 10 до 500 кэВ. Следует отметить, что оборудование для резерфордовской спектроскопии в ГУЛ НПП "Электрон-Оптроник", начиная с начала 90-х годов до настоящего времени никак не использовалось. Автором, в сотрудничестве с коллегами с кафедры физической электроники СПбГПУ, была проделана работа по ремонту и налаживанию методики RBS на базе имеющегося оборудования. Исходя из этого, в диссертации довольно подробно описывается установка для ионной имплантации и RBS, а также калибровка масштаба по глубине, учитывающая нелинейный характер электронных потерь при используемых в эксперименте энергиях анализирующего пучка. Измерения методом АНОРЭ, проводились на кафедре физической электроники СПбГПУ.

В рассматриваемых экспериментах образцы (111) Si (КДБ 1), подвергались облучению при ионами и с энергией 40 кэВ/атом. Для соблюдения эквивалентности облучения плотности потока ионов N[+ и N2+ в казадом эксперименте была одинаковой в единицах ат. СМ 2 С 1 и выбиралась в пределах F = 2.8 1011 — 6.2 101J ат. CM с'1. Для подавления как осевого, так и плоскостного каналирования облучение осуществлялось в направлении, составляющем 11.5° с (111) в плоскости {128}.

На рис. 2, в качестве примера, представлены RBS/C спектры для самой низкой из используемых в эксперименте F. Хорошо видно, что спектры имеют бимодальный характер, что характерно для дефектообразования в Si под воздействием облучения при для легких ионов. Кроме того, легко заметить, что в области между ПМД и ОМД ионы N2+ создают большее количество дефектов в расчете на одну атомную частицу, чем ионы т.е. наблюдается МЭ в накоплении устойчивых нарушений с у > 1. На рис. 3 представлены зависимости

величины МЭ у от глубины х для различных Ж. Видно, что для всех, кроме максимального, значений Ж величина МЭ максимальна вблизи поверхности и уменьшается с глубиной. Кроме того, с ростом Ж наблюдается уменьшение у, и для наивысшей Ж величина МЭ в рамках статистического разброса равна 1.

Рис. 2 ЫВв/С спектры образцов 81, облу- Рис. 3 Зависимость величины МЭ от глу-

ченных при Ть ионами N1* и с энергией бины для различных / для случая облуче-

40 кэВ/атом и р= 2.8'10" атДсм2 с) и двух ния 81при 7» ионами N1* и N2* с энергией

различных доз Ф. Уровень для аморфного 40 кэВ/атом. образца соответствует« 1380 счетов.

Зависимость у(/), а также стремление у к »1 при увеличении Б, свидетельствует о том, что традиционные механизмы, привлекаемые для объяснения МЭ в действительности, в случаи облучения 81 легкими ионами не дают существенный вклад в МЭ, так как они не зависят от Ж.

Нами предлагается новый механизм, основанный не на нелинейности процессов при термализации энергетических пиков, а на нелинейности процессов вторичного дефектообра-зования.

Для подтверждения того, что подобный подход действительно будет приводить к падающей с ростом Ж зависимости у(/), было проведено компьютерное моделирование этого процесса. Для этого мы полагали, что образующийся в результате развития каскадов атомных столкновений кластер первичных дефектов является вакансионным, а из всех возможных реакций с участием вакансий рассматривали только диффузию вакансий с коэффициентом В, рекомбинацию вакансий на ненасыщыемых стоках, характеризуемое временем жизни а также образование устойчивых дивакансионных комплексов с концентрацией и^,, характеризуемое кинетической константой а. Последние и полагались устойчивыми дефектами, регистрируемыми экспериментально. Процесс моделирования можно описать следующим образом. На области Г, на которой производится моделирование, последовательно с шагом по времени, соответствующим рассматриваемой Ж случайно с равномерной плотностью ве-

роятности, вводятся кластеры первичных дефектов, соответствующие атомарным или молекулярным ионам. Эволюция первичных и

2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 У 1,6 1,4 1,2 1,0

О experiment

о RBS/C

* АНОРЭ

model

-full overlap

О * -----part overlap ■

" S""

вторичных дефектов описывается следующими кинетическими уравнениями:

а dt

1 J

■■—an

dy2

---an

1E12 F, atoms cm"2 s"'

1E13

с начальными условиями я | (ж о = 0, п^ | < - о = 0, где п - концентрация вакансий. Граничные условия были выбраны циклическими. Для того чтобы исключить влияние переходных процессов, при расчете величины полного повреждения, необходимо не учитывать повреждение, создаваемое за

Рис. 4 Экспериментальные и расчетные зависимости у(Г) в 81 на глубине 30 нм

время Т после начала облучения. Таким образом, полное повреждение, создаваемое к атомарными или молекулярными ионами за конечное время равно:

А«»\к)= Цъ^УЫу

(5)

(6)

а величина МЭ в данном случае определяется как:

Г = А'(2к)

На рис. 4 представлены экспериментальные результаты, полученные методами ИБ8/С и АНОРЭ, зависимости у{Г) в 81 на глубине 30 нм. Результат моделирования по представленной выше методике показан на рис. 4 линиями: сплошной - в предположении о полном перекрытии, а пунктирной - в предположении частичном перекрытии каскадов атомных смещений, создаваемых компонентами молекулярного иона. Видно, что качественно предложенная модель дает уменьшение у с ростом ¥, т.е. она действительно предсказывает не только появление МЭ для легких ионов, но и поведение зависимости у{1Р). Количественные различия между экспериментальными данными и нашей оценкой не должны вызывать удивление, поскольку нами рассматривалась двумерная модель, которая является существенным упрощением по сравнению с 3-х мерным явлением. Кроме того, в процессе моделирования мы рассматривали только один тип устойчивых дефектов, а именно дивакансии. Однако наше моделирование показывает, что предложенный механизм действительно "работает".

Четвертая глава посвящена изучению накопления дефектов в объеме, а также непосредственно вблизи поверхности при имплантации в 81 быстрых тяжелых ионов при температуре жидкого азота.

Образцы (100) 81 (КЭФ 5-10) при температуре жидкого азота (-196 °С) подвергались

бомбардировке ионами и с энергией Е - 0.5 МэВ/атом в диапазоне доз от МО12

ат/см2 до 1.8-1013 ат/см2 при плотности ионного потока ,К«&Т/)см2 с) в направлении, составляющем 7° с направлением (100), для подавления эффекта каналирования.

Все экспериментальные работы по облучению и снятию спектров КБ8 осуществлялись С.О. Кучеевым в Австралийском национальном университете, г. Канберра, Австралия.

На рис. 5 представлены профили распределения относительной концентрации дефектов по глубине в 81 облученном ионами

и И8В12 дозой Ф = 8-1012. Хорошо видно, что спектры имеют ярко выраженный бимодальный характер. Кроме того, из рис. 5 хорошо видно,

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

• 1 F - .......I" . • «Г * Bi/ --------theory .л *

1.S-"- ,

Ф, 10'2 atom/cm2

Рис. 5 Профили распределения относительной концентрации дефектов по глубине в 81 облученном при температуре -196 °С ионами 20,Ш1 и 209В1г с энергий 0.5 МэВ/атом.

Рис. 6 Зависимость относительной концентрации устойчивых нарушений в максимуме ОМД от дозы ионов В^и Шг- Пунктирная линия - теория.

что в области, расположенной между ПМД и ОМД, имплантация ионов Bl2 приводит к более сильному повреждению полупроводниковой матрицы в расчете на одну упавшую атомную частицу, чем внедрение ионов Bi], т.е. в приповерхностной области Si наблюдается МЭ в накоплении устойчивых нарушений с у > 1.

На основании данных о средних параметрах индивидуального каскада смещений, полученных из статистического анализа большого количества каскадов смещений, распределение смещенных атомов в которых было получено при помощи стандартной программы TRIM 95 [2], можно заключить, что традиционные механизмы, основанные на концепции нелинейных энергетических пиках, в данных условиях облучения неприменимы. Кроме того, S - образный вид зависимости относительной концентрации дефектов в максимуме ОМД и^ от дозы облучения Ф, показанный на рис. 6, свидетельствует о том, что накопление разупо-рядочения при низкотемпературном облучении Si быстрыми тяжелыми ионами нельзя рассматривать как перекрытие полностью аморфных РО. Для описания подобных зависимостей может быть применена модель перекрытия РО с не полностью нарушенной кристаллической структурой, когда для достижения полной аморфизации вещества необходимо

кратное перекрытие таких областей [5]. В такой модели среднее по площади относительное повреждение /¡¿может быть записано, как:

(7)

где X* = где щ - относительная концентрация дефектов в (¿-1) - кратно перекрытой РО. Естественно предположить, что Щ линейно растет с увеличением числа перекрытий, т.е. Щ — ск, где с - уровень относительного повреждения в результате однократного попадания. В отличие от более ранних приложений данной модели, нами предполагалось, что рост продолжается до тех пор, пока внутри РО на данной глубине не достигнет критического уровня Пс (в наших расчетах полагалось Пс = 0.1), при достижении которого происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние. При этом, естественно, щ = 1, а — 0. Результаты расчетов по представленной модели показаны на рис. 6 пунктирной линией.

Таким образом, в данном случае возможное объяснение МЭ может быть связано с нелинейными энергетическими пиками, возникающими в области пространственного перекрытия (относительно плотных) субкаскадов, на которые разделяется каждый индивидуальный каскад или же с увеличением эффективности кластерообразования при увеличении плотности каскадов в случае облучения молекулярными ионами по сравнению с облучением атомарными ионами, подробно рассмотренный в главе 3.

Однако для того чтобы ответить на вопрос, какие именно процессы ответственны за МЭ в Si под воздействием низкотемпературного облучения быстрыми тяжелыми ионами, необходимы дальнейшие исследования.

Как уже упоминалось выше, на экспериментальных RBS/C спектрах, хорошо различим ПМД (см. рис. 5). Обычно подобный поверхностный пик дефектов соответствует тонкому АС. В данной работе толщина этого поверхностного АС А оценивалась путем сравнения реального спектра с результатом свертки модельной и аппаратной функций. Также учитывалось наличие естественного поверхностного слоя SiOï- Зависимость толщины поверхностного АС от дозы облучения Ф показана на рис. 7 точками. Видно, что h растет с ростом Ф, причем эффективный рост А начинается при достижении определенной пороговой дозы облучения. Также можно сказать, что накопление разрушений в приповерх-

8 12 Ф, 101гст'2

Рис. 7 Зависимость толщины АС на поверхности (100) от дозы облучения при температуре -196 °С ионами г<"Ш1 и ^Лг с энергией 0.5 МэВ/атом. Точки -экспериментальные результаты. Пунктирная линия - расчет.

ностной области не зависит в пределах погрешности от того атомарными или молекулярными ионами проводится облучение.

В главе 2 была предложена модель, описывающая кинетику роста АС при облучении 81 легкими медленными ионами при 7*. Результат расчетов, выполненных на основании подобной модели для диффузионной длины Ьл = 9 представлен на рис. 7 пунктирной линией. Видно хорошее соответствие расчетной зависимости экспериментальным результатам.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1.1 Предложена физическая модель накопления структурных нарушений в 81 при облучении его медленными лёгкими ионами при комнатной температуре. Данная модель базируется на представлении о миграции генерируемых ионами мобильных точечных дефектов к поверхности и последующих процессах их сегрегации на межфазной границе, а также учитывает тот факт, что переход из кристаллического в аморфное состояние происходит спонтанно при достижении критического уровня дефектов. Кроме того, предполагается, что пороговая доза облучения, характерная для случаев облучения кремния, возникает в результате накопления дефектов на насыщаемых стоках, которые существуют в кремнии до облучения и имеют большое сечение захвата мобильных дефектов.

1.2 Расчеты, базирующиеся на предложенной модели, дали хорошее согласие с экспериментальными данными, известными в литературе. Показано, что данная модель может быть успешно применена для описания накопления разупорядочения вблизи поверхности в случае облучения 81 быстрыми тяжелыми ионами. Кроме того, приложение разработанной модели к случаям бомбардировки ОаА медленными ионами показало, что она может быть применена и для других типов полупроводниковых материалов.

2.1 Обнаружено неизвестное ранее явление - зависимость величины молекулярного эффекта от плотности потока ионов в случае имплантации легких ионов в кремний, которое не может быть объяснено в рамках существующих представлений.

2.2 Отсутствие в пределах погрешности МЭ при большой плотности потока ионов, свидетельствует о том, что традиционный механизм, привлекаемый для объяснения молекулярного эффекта на легких ионах и основанный на концепции нелинейных энергетических пиков, возникающих при перекрытии отдельных субкаскадов, в действительности, в случае облучения 81 легкими ионами не дает существенный вклад.

2.3 Предложен новый физический механизм МЭ для легких ионов, основанный на нелинейности процессов вторичного образования дефектов. Результаты численного моделирования показали, что предложенная модель, по крайней мере, на качественном уровне способна объяснить различие в накоплении радиационных повреждений в 81 при облучении атомарными и молекулярными ионами, а также уменьшение величины МЭ с ростом плотности потока ионов.

3.1 Исследовано накопление структурных нарушений в Si при низкотемпературном облучении тяжелыми быстрыми ионами методом RBS/C. Результаты показывают, что при данных условиях облучения распределение устойчивых нарушений по глубине имеет бимодальный характер, кроме того, что в эквивалентных условиях молекулярные ионы производят больше дефектов, чем атомарные.

3.2 Показано, что в данных условиях облучения накопление разупорядочения в объеме образца хорошо описывается в рамках модифицированной модели перекрытия разу-порядоченных областей с не полностью нарушенной кристаллической структурой, когда для достижения полной аморфизации вещества требуется к - кратное перекрытие таких областей, кроме того, при достижении критического уровня дефектов происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние.

3.3 Молекулярный эффект в данных условиях облучения может быть обусловлен i) процессами, связанными с нелинейными энергетическими пиками, возникающими в области пространственного перекрытия (относительно плотных) субкаскадов, на которые разделяется каждый индивидуальный каскад, увеличением эффективности кла-стерообразования с увеличением плотности каскадов в случае облучения молекулярными ионами по сравнению с облучением атомарными ионами.

Цитируемая литература

1. Титов А.И. Дисс. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.04. Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина, 1989.

402 с.

2. Biersack J.P., Haggmark L.G. // Nucl. Instr. and Meth. 174 (1980), p. 257.

3. Kimura K., Agarwal A., ToyofUku H., Nakajima K., Gossman H.-J. // Nucl. Instr. and Meth.

В 148 (1999), p. 284.

4. Lohner Т., Kotai E., Khanh N.Q., Toth Z., Fried M, Vedam K., Nguyen N.V., Hanekamp

L.J., van Silfhout A. // Nucl. Instr. and Meth. B. 85 (1994), p.335.

5. Gibbons J.F. // Proceedings ofthe IEEE, 60 (1972), № 9, p. 1062.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Титов А.И., Азаров А.Ю., Беляков B.C. Кинетика роста поверхностных аморфных слоев при облучении кремния легкими ионами низких энергий. // ФТП, т. 37 (2003), с. 358-364.

2. Titov A.I., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Formation of surface amorphous layers in semiconductors under low-energy light-ion irradiation: Experiment and theory. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. В 212 (2003), p. 169-178.

3. Titov A.I., Kucheyev S.O., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Damage buildup in Si under bombardment with MeV heavy atomic and molecular ions. // J. Appl. Phys., v. 90 (2001), p. 38673872

4. Азаров А.Ю., Никулина Л.М., Титов А.И. Молекулярный эффект в Si для легких ионов:

эксперимент и модель. // VII Всероссийский семинар "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Нижний Новгород 26-29 октября 2004 г., Тез. докл., Н. Новгород: ННГУ, 2004, с. 70-72.

5. Беляков B.C., Азаров А.Ю. Особенности образования дефектов в GaAs, бомбардируемом медленными ионами. // VII Всероссийский семинар "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Нижний Новгород 26-29 октября 20024 г., Тез. докл., Н. Новгород: ННГУ, 2004, с. 65-66.

6. Titov A.I., Azarov A.Yu., Belyakov V.S. Damage accumulation in semiconductors bombarded by light keV ions. // Abstracts ofthe 10th International Conference "Desorption", 2004, August 29 - September 2, Saint Petersburg, Russia, p.83.

7. Titov A.I., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Damage Accumulation in GaAs bombarded by keV ions. // Abstracts of the 21th International Conference on Atomic Collisions in Solids, July 4-9 2004, Genova, Italy, p. 146.

8. Азаров А.Ю. Кинетика роста поверхностного аморфного слоя при низкотемпературном облучении кремния быстрыми тяжелыми ионами. // XXXIV Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 31 мая - 2 июня 2004 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, 2004, с. 74.

9. Азаров А.Ю., Беляков B.C. Накопление дефектов в арсениде галлия при облучении медленными ионами. // XXXIV Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 31 мая - 2 июня 2004 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, 2004, с. 75.

10. Titov A.I., Azarov A.Yu., Belyakov V.S. Damage buildup in Si under low energy light ion irradiation. // Abstracts ofthe 20th International Conference on Atomic Collisions in Solids, January 19-24 2003, Toshali Sands, Puri, India, p. 100.

11. Титов А.И., Никулина Л.М., Азаров А.Ю. Молекулярный эффект в кремнии, облученном ионами азота: роль плотности потока ионов. // Материалы XVI Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" 25-29 августа 2003 г., Звенигород, Россия, Москва 2003, т. 2, с. 41-44.

12. Никулина Л.М., Хуторщиков М.В., Титов А.И., Азаров А.Ю. Влияние плотности ионного тока на эффективность молекулярного эффекта при накоплении нарушений в кремнии, облучаемом ионами азота. // VI Всероссийский семинар "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Нижний Новгород 15-17 октября 2002 г., Тез. докл., Н. Новгород: ННГУ, 2002, с. 19-20.

13. Титов А.И., Азаров А.Ю., Беляков B.C. Рост приповерхностных аморфных слоев при облучении кремния медленными легкими ионами. // VI Всероссийский семинар "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Нижний Новгород 15-17 октября 2002 г., Тез. докл., Н. Новгород: ННГУ, 2002, с. 15-16.

14. Titov A.I., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Formation of amorphous layers in semiconductors un-

der low energy light ion irradiation. // Proceedings of the 8* Japan-Russia International Symposium on Interaction of Fast Charged Particles with Solids, Kyoto, Japan, 24-30 November 2002, p. 177-181.

15. Титов А.И., Азаров А.Ю., Беляков B.C. Образование аморфных слоев в кремнии при имплантации медленных ионов. // XXXII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 27-29 мая 2002 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, с. 121.

16. Titov A.I., Kucheyev S.O., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. The accumulation of damage in Si bombarded with MeV heavy atomic and molecular ion. // Abstracts ofXV International conference "Ion Beam Analysis", July 15-20,2001, Cairns, Australia.

17. Титов А.И., Кучеев CO., Беляков B.C., Азаров А.Ю. Образовании дефектов в кремнии при низкотемпературном облучении атомарными и молекулярными ионами висмута // XXXI Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 28-30 мая 2001 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, с. 75.

18. Titov A.I., Kucheyev S.O., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Molecular effect in Si bombarded by 0.5 MeV/atom Bi ions. // Материалы XV международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" 27-31 августа 2001 г., Звенигород, Россия, Москва 2001, т. 2, с. 46-49.

19. Titov A.I., Kucheyev S О., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Damage accumulation in Si bombarded by fast Bi atomic and molecular ions. // Материалы XV международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" 27-31 августа 2001 г., Звенигород, Россия, Москва 2001, т. 2, с. 50-53.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать to./uw. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Уч. печ. л Тираж /Я? . Заказ sie.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

»202 93

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Азаров, Александр Юрьевич

Основные аббревиатуры и сокращения.

Введение.

Глава 1 Обзор литературы.

1.1 Общие представления о взаимодействии ускоренных ионов с веществом.

1.2 Процессы вторичного дефектообразования в кремнии.

1.3 Влияние условий облучения на накопление дефектов в кремнии.

1.3.1 Облучение кремния легкими ионами.

1.3.2 Облучение кремния тяжелыми ионами.

1.3.3 Облучение кремния ионами низких энергий.

1.4 Молекулярный эффект в кремнии.

1.4.1 Молекулярный эффект в кремнии при облучении тяжелыми ионами.

1.4.2 Молекулярный эффект в кремнии при облучении легкими ионами.

1.5 Основы экспериментальных методов анализа уровня повреждения кристаллической решетки. 1.5.1 Метод спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния.

1.5.2 Метод анизотропии неупругого обратного рассеяния электронов.

Введение диссертация по физике, на тему "Накопление дефектов в облучаемом ионами кремнии при пониженной плотности каскадов смещений"

Актуальность исследований

В последние несколько десятилетий ионная имплантация является одним из основных технологических процессов при производстве полупроводниковых приборов Следует ожидать, что в и обозримом будущем использование ионной имплантации будет расширяться [1]. Основными достоинствами этого метода по сравнению с другими способами введения легирующих примесей являются:

- широкий выбор имплантируемых ионов (практически вся таблица Менделеева) независимо от материала подложки;

- возможность получения сверхмалых и сверхбольших концентраций легирующей примеси независимо от ограничений, налагаемых пределом растворимости легирующей примеси в матрице;

- варьирование энергии имплантируемых ионов, а, следовательно, глубины залегания и профиля распределения внедряемой примеси, в широких пределах;

- возможность легирования через пассивирующие пленки (например, S1O2 и S13N4);

- возможность легирования нри комнатных и низких температурах, а также высокая чистота процесса;

Благодаря этим свойствам, список которых далеко не полон, ионная имплантация позволяет модифицировать свойства полупроводникового материала, контролируя глубину залегания, профиль распределения и концентрацию легирующей примеси. Ионная бомбардировка всегда приводит к образованию радиационных повреждений, влияющих практически на все свойства полупроводникового материала. Этот факт, в большинстве практических приложений ионной имплантации являющийся существенным недостатком, открывает возможность модифицировать свойства твердого тела посредством контролируемого введения радиационных дефектов.

На сегодняшний день кремний является основным материалом в полупроводниковой промышленности. Несмотря на то, что процессы дефектообразования в Si интенсивно изучаются в течении многих лет [2-4], до сих пор нет полного понимания процессов, происходящих в кремниевой матрице под воздействием ионного облучения. Необходимо отметить, что наиболее полно изучены процессы, происходящие в Si под воздействием ионов средних энергий (десятки-сотни кэВ), т.е. в энергетическом диапазоне, до недавнего времени наиболее востребованном в полупроводниковой технологии. Это, в первую очередь, относится к случаям внедрения тяжелых ионов, когда каскады смещений, создаваемые бомбардирующими ионами являются достаточно плотными и процессы вторичного дефектообразования не играют существенной роли. Механизмы формирования устойчивых нарушений при имплантации легких ионов в этом диапазоне энергий разработаны существенно менее детально и целый ряд эффектов еще требует адекватной интерпретации. Это же молено сказать и о процессах, происходящих в Si при имплантации Jiei ких ионов низких энергий (до 10 кэВ), а также ионов высоких энергий (~ 1 МэВ), когда плотность каскадов смещений не очень велика и вторичное дефектообразование играет большую роль в формировании устойчивых нарушений. Однако, в последнее время, наблюдается стабильный рост интереса к ионной имплантации в этих энергетических диапазонах.

Подобный интерес связан с тем обстоятельством, что имплантация ионами столь низких энергий позволяет получать устройства, в которых толщина легированного слоя не превышает двух-трех десятков нанометров [5,6]. Потребность в таких устройствах назревает в связи с уменьшением геометрических размеров элементов современной микроэлектроники и переходу к нанометровым технологиям. В то время как имплантация ионами высоких энергий позволяет не только получать сверхглубокие р-п переходы, но и изменять свойства полупроводниковой матрицы на значительную глубину контролируемым введением радиационных дефектов [7,8].

В полупроводниковой технологии для создания определенных структур или получения определенных свойств материала зачастую целесообразно использование молекулярных ионов. Имплантация молекулярными ионами и кластерами является одним из способов увеличения интенсивности ионного пучка, а также снижения энергии имплантируемых атомов [5,61. Кроме того, имплантация такими ионами позволяет путем подбора химического состава молекулы совмещать получение слоев заданного типа проводимости с процессами пассивирования и геттерироваиия дефектов [9]. Хотя процессы, сопровождающие имплантацию молекулярных ионов в полупроводники, исследуются, по крайней мере, более трех десятилетий, достаточно реалистичные механизмы дефектообразования существуют только для бомбардировки молекулярными ионами тяжелых элементов низких энергий [10].

Цель настоящей работы направлена на изучение и объяснение закономерностей накопления нарушений устойчивых при низких и комнатных температурах при радиационном повреждении Si в условиях, кохда генерируемые внедряемыми ионами каскады атомных смещений имеют пониженную плотность. Если рассматривать цель более подробно, то она распадается на ряд конкретных задач, а именно:

- развитие физической модели накопления структурных нарушений в Si в окрестности межфазной границы c-Si / S1O2, в частности, при облучении его медленными лёгкими ионами, а также рассмотрение возможности приложения этой модели к другим полупроводникам;

- исследование накопления раз упорядочения при имплантации в Si быстрых тяжелых атомарных и молекулярных ионов при температуре жидкого азота;

- исследование молекулярного эффекта в Si на легких ионах при комнатной температуре; выявление роли плотности потока ионов.

Научная новизна диссертационной работы

1.1 Предложена физическая модель накопления структурных нарушений в Si при облучении его медленными легкими ионами при комнатной температуре. Данная модель базируется на представлении о миграции генерируемых ионами мобильных точечных дефектов к поверхности и последующих процессах их сегрегации на межфазной границе, а также учитывает тот факт, что переход из кристаллического в аморфное состояние происходит спонтанно при достижении критического уровня дефектов.

1.3 Приложение этой модели к случаю бомбардировки GaAs подобными ионами показало, что она может быть применена и для других типов полупроводниковых материалов.

2.2 Показано, что в данных условиях облучения повреждение в Si происходящее в объеме может быть описано в рамках модели перекрытия частично разупорядоченных областей. Установлено, что данная .модель должна быть модифицирована по сравнению с более ранними ее приложениями, введением критического уровня дефектов, при достижении которого происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние.

Практическая значимость работы

- модифицированная модель накопления структурных нарушений, основанная на перекрытии частично разупорядоченных областей, когда при достижении критического уровня дефектов происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние, примененная для описания дефектонакопления при низкотемпературном облучении кремния быстрыми тяжелыми ионами;

- Предложена оригинальная методика для расчета толщины тонкого поверхностно: о аморфного слоя но спектрам распределения дефектов по глубине, полученными методом резерфордовской спектроскопии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Накопление устойчивых нарушений в кремнии при имплантации медленных легких ионов, а также в поверхностном пике на распределении дефектов при внедрении быстрых ионов может быть описано в рамках модели, основанной на диффузии генерируемых ионами мобильных точечных дефектов к поверхности и последующих процессах их сегрегации на межфазной границе аморфный слой / кристалл.

2. Повреждение в объеме кремния при низкотемпературной имплантации быстрых тяжелых ионов может быть описано в рамках модифицированной модели перекрытия частично раз упорядоченных областей, когда при достижении критического уровня дефектов происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние.

4. Эффективность молекулярного эффекта зависит от плотности потока ионов в случае имплантации легких ионов в кремний при комнатной температуре.

I ричного дефектообразования в кремнии. i

Публикации и апробация работы

Содержание диссертации раскрыто в следующих 19 работах, опубликованных по теме диссертации, 3 из которых опубликованы в ведущих российских и зарубежных журналах:

3. Titov A.I., Kucheyev S.O , Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Damage buildup in Si under bombardment with MeV heavy atomic and molecular ions. // J. Appl. Phys., v. 90 (2001), p. 3867-3872

4. Азаров А.Ю., Никулина JI.M., Титов А.И. Молекулярный эффект в Si для легких ионов: эксперимент и модель. // VII Всероссийский семинар "Физические и физикохимические основы ионной имплантации", Нижний Новгород 26-29 октября 2004 г., Тез. докл., Н. Новгород: ННГУ, 2004, с. 70-72.

5. Беляков В С., Азаров А.Ю. Особенности образования дефектов в GaAs, бомбардируемом медленными ионами. // VII Всероссийский семинар "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Нижний Новгород 26-29 октября 2004 г., Тез. докл., Н. Новгород: ННГУ, 2004, с. 65-66.

6. Titov A.I., Azarov A.Yu., Belyakov V.S. Damage accumulation in semiconductors bombarded by light keV ions. // Abstracts of the 10th International Conference "Desorption", 2004, August 29 - September 2, Saint Petersburg, Russia, p.83.

8. Азаров А.Ю. Кинетика роста поверхностного аморфного слоя при низкотемпературном облучении кремния быстрыми тяжелыми ионами. // XXXIV Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 31 мая — 2 июня 2004 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, 2004, с. 74.

9. Азаров А.Ю., Беляков B.C. Накопление дефектов в арсениде галлия при облучении медленными ионами. И XXXIV Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 31 мая - 2 июня 2004 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, 2004, с. 75.

10. Titov A.I., Azarov A.Yu., Belyakov V.S. Damage buildup in Si under low energy light ion irradiation. // Abstracts of the 20th International Conference on Atomic Collisions in Solids, January 19-24 2003, Toshali Sands, Puri, India, p. 100.

11. Титов А.И., Никулина JI.M., Азаров А.Ю. Молекулярный эффект в кремнии, облученном ионами азота: роль плотности потока ионов. // Материалы XVI Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" 25-29 августа 2003 г., Звенигород, Россия, Москва 2003, т. 2, с. 41-44.

14. Titov A.I., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Formation of amorphous layers in semiconductors under low energy light ion irradiation. // Proceedings of the 8th Japan-Russia International

Symposium on Fast Charged Particles with Solids, Kyoto, Japan, 24-30 Novernt>cr 2002, p. 177-181.

15. Титов А.И., Азаров А.Ю., Беляков B.C. Образование аморфных слоев в к^рогчнии при имплантации медленных ионов. // XXXII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 27-29 мая 2002 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, с. 121.

16. Titov A.I., Kucheyev S.O., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. The accumulation of damage in Si bombarded with MeV heavy atomic and molecular ion. // Abstracts of XV Interniitional conference "Ion Beam Analysis", July 15-20, 2001, Cairns, Australia.

17. Титов A.M., Кучеев C.O., Беляков B.C., Азаров А.Ю. Образовании дефектов, в кремнии при низкотемпературном облучении атомарными и молекулярными ионами висмута. // XXXI Международная конференция по физике взаимодействия заряженнь-t^c частиц с кристаллами. Москва, 28-30 мая 2001 г., Тез. докл., М., изд. МГУ, с. 75.

18. Titov A.I., Kucheyev S.O., Belyakov V.S., Azarov A.Yu. Molecular effect in SI bombarded by 0.5 MeV/atom Bi ions. // Материалы XV международной конференции ""Взаимодействие ионов с поверхностью" 27-31 августа 2001 г., Звенигород, Россия, IVTooicBa 2001, т. 2, с. 46-49.

XV International conference "Ion Beam Analysis" (Cairns, Australia 2001); VI и VII Всероссийские семинары "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород 2002, 2004); 20th and 21th International Conferences on Atomic: Collisions m Solids (Toshali Sands, Pun, India 2003, Genova, Italy 2004); XXXI, XXXII и 200CIV Международные конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кгр> металлами (Москва 2001, 2002, 2004), XV и XVI Международные конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Звенигород 2001, 2003), 8th Japan-Russia International Symposium on Interaction of Fast Charged Particles with Solids (2002), 10th International Conference "Desorp-tion" (Saint Petersburg 2004).

Личный вклад автора.

Основные результаты работы получены автором лично. Эксперименталь-ные данные получены как лично самим автором, так и его коллегами. Теоретические исследования и разработка физических моделей выполнены совместно с научным руководителем. Построение алгоритмов и программ, а также проведение вычислений выполнено автором самостоятельно.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. В 1-й главе дается краткий обзор литературных данных по современному состоянию затронутых в диссертации проблем. В начале 2-й, 3-й кратко, а в 4-й главе достаточно подробно излагаются методики экспериментов. 2-я глава посвящена разработке модели, способной как количественно, так и качественно описывать накопление ра-зупорядочения в кремнии и арсениде галлия при имплантации легких ионов низких энергий. 3-я глава посвящена изучению молекулярного эффекта на легких ионах в кремнии при комнатной температуре и выяснению влияния плотности потока ионов на его эффективность. 4-я глава посвящена изучению накопления дефектов в объеме, а также непосредственно вблизи поверхности при имплантации в кремний быстрых тяжелых ионов при температуре жидкого азота. В заключении каждой из глав приводится сводка основных результатов и выводов. Диссертация содержит 101 страницу, в том числе 37 рисунков. Список литературы включает 127 наименований.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

§ 4.6 Основные результаты и выводы

1. Исследовано накопление структурных нарушений в Si при температуре -196 °С при облучении ионами 209Bii и 209Bi2 с энергией 0.5 МэВ/атом и плотностью потока ионов F ~ 6-Ю9 ат/(см2 с) в диапазоне доз от 1-1012 ат/см2 до 1.8-1013 ат/см2.

2. Распределение устойчивых нарушений по глубине в Si при данных условиях облучения имеет ярко выраженный бимодальный характер, т.е. наряду с максимумом, положение которого соответствует области максимальных потерь энергии в упругих взаимодействиях, достаточно хорошо проявляется и максимум разупорядочения в приповерхностной области.

3. Экспериментальные зависимости хорошо описываются в рамках модифицированной модели перекрытия РО с не полностью нарушенной кристаллической структурой, когда для достижения полной аморфизации вещества требуется к — кратное перекрытие таких областей, кроме того, при достижении критического уровня дефектов происходит спонтанный переход из кристаллического в аморфное состояние.

•>ЛЛ

4. Результаты показывают, что в эквивалентных условиях ионы * В12 производят больше дефектов, чем ионы 209Bij т.е. имеет место МЭ с у > 1. Эффективность МЭ в приповерхностной области у ~ 1.7 и уменьшается с глубиной, становясь близкой к единице в области ОМД.

5. МЭ может быть обусловлен процессами, связанными с нелинейными энергетическими пиками, возникающими в области пространственного перекрытия (относительно плотных) субкаскадов, на которые разделяется каждый индивидуальный каскад и/или увеличением эффективности кластерообразования с увеличением плотности каскадов в случае облучения молекулярными ионами по сравнению с облучением атомарными ионами.

6. Анализ результатов показывает, что накопление разрушений в НМД не зависит в пределах погрешности от того атомарными или молекулярными ионами проводится облучение. Накопление повреждений в ПМД в данных условиях облучения с ростом дозы облучения происходит, как пленарный рост АС от границы c-Si / S1O2, и этот рост начинается после достижения определенной пороговой дозы облучения.

7. Полученные результаты по накоплению повреждений в ПМД хорошо описываются в рамках модели, основанной на миграции генерируемых ионами мобильных точечных дефектов к поверхности и последующих процессах их сегрегации на межфазной границе АС-кристалл, а также при наличии насыщаемых стоков в исходных образцах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании всего вышеизложенного можно сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1.1 Предложена физическая модель накопления структурных нарушений в Si при облучении его медленными лёгкими ионами при комнатной температуре. Данная модель базируется на представлении о миграции генерируемых ионами мобильных точечных дефектов к поверхности и последующих процессах их сегрегации на межфазной границе, а также учитывает тот факт, что переход из кристаллического в аморфное состояние происходит спонтанно при достижении критического уровня дефектов. Кроме того, предполагается, что пороговая доза облучения, характерная для случаев облучения кремния, возникает в результате накопления дефектов на насыщаемых стоках, которые существуют в кремнии до облучения и имеют большое сечение захвата мобильных дефектов.

1.2 Расчеты, базирующиеся на предложенной модели, показали хорошее согласие с экспериментальными результатами, известными в литературе. Показано, что данная модель может быть успешно применена для описания накопления разупорядочения вблизи -поверхности в случае облучения Si быстрыми тяжелыми ионами. Кроме того, приложение разработанной модели к случаям бомбардировки GaAs медленными ионами показало, что она может быть применена и для других типов полупроводниковых материалов.

2.1 Обнаружено неизвестное ранее явление — зависимость величины молекулярного эффекта от плотности потока ионов в случае имплантации легких ионов в кремний, которое не может быть объяснено в рамках существующих представлений.

2.2 Отсутствие в пределах погрешности МЭ при большой плотности потока ионов, свидетельствует о том, что традиционный механизм, привлекаемый для объяснения молекулярного эффекта на легких ионах и основанный на концепции нелинейных энергетических пиков, возникающих при перекрытии отдельных субкаскадов, в действительности, в случаи облучения Si легкими ионами не дает существенный вклад.

2.3 Предложен новый физический механизм МЭ для легких ионов, основанный на нелинейности процессов вторичного образования дефектов. Результаты численного моделирования показали, что предложенная модель, по крайней мере, на качественном уровне способна объяснить различие в накоплении радиационных повреждений в Si при облучении атомарными и молекулярными ионами, а также уменьшение величины молекулярного эффекта с ростом плотности потока ионов.

3.3 Молекулярный эффект в данных условиях облучения может быть обусловлен г) процессами, связанными с нелинейными энергетическими пиками, возникающими в области пространственного перекрытия (относительно плотных) субкаскадов, на которые разделяется каждый индивидуальный каскад, ii) увеличением эффективности кла-стерообразования с увеличением плотности каскадов в случае облучения молекулярными ионами по сравнению с облучением атомарными ионами.

Автор выражает искреннюю благодарность, в первую очередь, своему научному руководителю Титову А.И., бесчисленное количество обсуждений с которым, а также его наставления и руководство позволило реализоваться данной работе. Также приношу благодарность Белякову B.C., Карасеву II.A., Никулиной JI.M. и Кучееву О.С. за предоставление экспериментальных результатов, помощь в наладке экспериментального оборудования и множество полезных обсуждений. Наконец, нач. отдела ГУП НПП "Электрон-Оптроник" Коссову В.Г. за предоставленную возможность наладки экспериментального оборудования и проведение экспериментов.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Азаров, Александр Юрьевич, Санкт-Петербург

1. The 1.ternational Technology Roadmap for Semiconductors, Semiconductor Industry Association, (2003), http://public.itrs.net.

2. Зорин Е.И., Павлов П.В., Тетельбаум Д.И. Ионное легирование полупроводников. М.: Энергия, 1975. - 128 с.

3. Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. М.: Мир, 1973.-296 с.

4. Риссел X., Руге И. Ионная имплантация. Под ред. М.И. Гусевой. М.: Наука, 1983.-360 с.

5. Sosnowski Marek. Low energy implantation of boron with decaborane ions. // Proc. of XVI. Int. Conf. Application of Accelerators in Research and Industry, American Institute of Physics 2001 p. 904-907.

6. Renau A., Scheuer J.T. Comparison of plasma doping and beamlme technologies for low energy ion implantation. // VSEA Technical Publications, http://info.vsea.com/pubs.nsf.

7. Ziegler J. F. High energy ion implantation. // Nucl. Instr. and Meth. В 6 (1985), p. 270282.

8. Williams J. S., Elliman R. G., Ridgway M. C., Jagadish C., Elhngboe S. L., Goldberg R., Petravic M., Wong W. C., Dezhang Z., Nygren E., Svensson B. G. MeV implantation into semiconductors. // Nucl. Instr. and Meth. В 80/81 (1993), p. 507-513.

9. Технология СБИС. В 2-х кн., кн. 1., под ред. Зи С. М.: Мир, 1986. - 404 с.

10. Thompson D. A. High density cascade effects. // Radiat. Eff. 56 (1981), p. 105-150.

11. И. Аброян И.А., Андронов A.H., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. — М.: Высшая школа, 1984. 317 с.

12. Lindhard J., Scharff М., Schiott Н.Е. Range concepts and heavy ion ranges (Notes on atomic collisions, II). // Det Kongelige Danske Vindenskabemes Selskab Matematisk-Fysiske Med delelser, 33(14), 1963.

13. Ziegler J.P., Biersack J.P., Littmark U. The stopping and ranges of ions in solids. // Per-gamon Press, New York, 1985.

14. Chnstel L.A., Gibbons J.F. An application of the Boltzmann transport equation to ion range and damage in multilayered targets. // J. Appl. Phys. 51 (12) (1980), p. 61766182.

15. Biersack J.P., Haggmark LG. A Monte Carlo computer program for the transport of ions in amorphous targets. // Nucl. Instr. and Meth. 174 (1980), p. 257-269.

16. Caturla M.-J., Diaz de la Rubia Т., Marques L.A., Gilmer G.H. Ion-beam processing of silicon at keV energies: A molecular-dynamics study. // Phys. Rev. В 54 (1996), p. 16683-16695.

17. Martin-Bragado I., Jaraiz M., Castrillo P., Pinacho R., Rubio J E., Barbolla J. Ion implant simulations: Kinetic Monte Carlo annealing assessment of the dominant features. // Appl. Phys. Lett. v. 84 (24) (2004), p. 4962-4964.

18. Son M-S., Kwon J-S., Kang J-W., Hwang H-J. Modeling of damage accumulation in binary-collision approximation / Monte Carlo simulation for ion implantation in silicon. //J. of Modeling and Simulation of Microsystems, v. 1 (2) (1999), p. 121-130.

19. Sigmund P. On the number of atoms displaced by implanted ions or energetic recoil atoms. // Appl. Phys. Lett. v. 14 (1969), p. 114-117.

20. Loferski J.J., Rappaport P. Radiation damage in Ge and Si detected by carrier lifetime changes: damage thresholds. // Phys. Rev. Ill (1958) p. 432-439.

21. Физические процессы в облученных полупроводниках. / Под ред. Смирнова JI.C. Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1977.-256 с.

22. Gibbons J.F. Ion implantation in semiconductors. Part II: Damage production and an-neling. // Proceedings of the IEEE, 60 (1972), № 9, p. 1062-1096.

23. Gregory B.L., Sander H.H. Transient annealing of defects m irradiated silicon devices. // Proceedings of the IEEE, v. 58 (1970), № 9, p. 1328-1342.

24. Titov A.I., Kucheyev S.O. Ion beam induced amorphous-crystalline phase transition in Si: quantitative approach. // Nucl. Instr. and Meth. В 168 (2000), p. 375-388.

25. Hallen A., Keskitalo N., Josyula L., Svensson B.G. Migration energy for the silicon self-interstitial.//J. Appl. Phys. v. 70 (1991), p. 214-216.

26. Gilmer G.H., Diaz de la Rubia Т., Stock D.M., Jaraiz M. Diffusion and interactions of point defects m silicon: molecular dynamics simulations. // Nucl. Instr. and Meth. В 102 (1995), p. 247-256.

27. Watkins G.D., in Radiation effects in semiconductors, ed. by P. Baruch, Paris, Dunod, 1965, p. 97.

28. Bourgom J., Corbett J.W. A new mechanism for interstitial migration. // Phys, Lett. v. 38 A (1972), p. 135-137.

29. Corbett J.W., Karins J.P., Tan T.Y. Ion-induced defects in semiconductors. // Nucl. Instr. and Meth. 182/183 (1981), p. 457-476.

30. Zhu J., Yang L.H., Mailhiot C., Diaz de la Rubia Т., Gilmer G.H. Ab initio pseudopo-tential calculations of point defects and boron impurity in silicon. // Nucl. Instr. and Meth. В 102 (1995), p. 29-32.

31. Cnstiano F., Cherkashin N., Hebras X., Calvo P., Lamrani Y., Scheid E., de Mauduit В., Colombeau В., Lerch W., Paul S., Claverie A. Ion beam induced defects in crystalline silicon. // Nucl. Instr. and Meth. В 216 (2004), p. 46-56.

32. Agarwal A., Haynes Т.Е., Eaglesham D.J., Gossmann H.-J., Jacobson D.C., Poate J.M., Erokhin Yu.E. Interstitial defects in silicon from 1-5 keV Si+ ion implantation. // Appl. Phys. Lett. v. 70 (1997), p. 3332-3334.

33. Svensson B.G., Jagadish C., Hallen A., Lalita J. Generation of vacancy-type point defects in single collision cascades during swift-ion bombardment of silicon. // Phys. Rev. B, v. 55 (1997), p. 10502-10507.

34. Гаштольд B.H., Герасименко H.H., Двуреченский A.B., Смирнов Л.С. Профили дефектов при имплантации ионов в кремний. // ФТП, т. 9 (1975), № 5, с. 835-839.

35. Gerasimov A.I., Zorin E.I., Pavlov P.V., Tetelbaum D.I. On the peculiarities of silicon amorphisation at ion bombardment. // Phys. Stat. Sol. (a), v. 12 № 2, (1972), p. 679685.

36. Аброян И.А., Титов А.И., Хлебалкин A.B. Образование приповерхностного пика структурных нарушений при ионном облучении. // ФТП, т. 11 (1977), № 6, с. 1204-1206.

37. Аброян И.А., Титов А.И., Хлебалкин А.В. Образование дефектов в кремнии при комбинированном облучении ионами. // ФТП, т. 13 (1979), № 2, с. 227-233.

38. Titov A.I., Christodoulides С.Е., Carter G., Nobes M.J. The depth distribution of disorder produced by room temperature 40 keV N+ ion irradiation of silicon. // Radiat. Eff. 41 (1979), p.107-111.

39. Thompson D.A., Carter G., Haugen H.K., Stevanovic D.V. Anomalous surface damage in ion bombarded silicon from channelmg-backscattenng measurements. // Radiat. Eff. 46(1980), p. 71-78.

40. Аброян И.А., Титов А.И. Распределение дефектов по глубине при облучении кремния легкими ионами. // Труды II Советско-Американского семинара по ионной имплантации. Пущино 9-11 мая 1979. Новосибирск: изд. ИФП СО АН СССР 1979. с. 335.

41. Fukarek W., Moller W,, Hatzopoulos N., Armour D.G., van den Berg J.A. Ellipsometric investigation of damage distribution in low energy boron implantation in silicon. // Nucl. Instr. and Meth. В 127/128 (1997), p. 879-883.

42. Titov A.I., Carter G. Defect accumulation during room temperature 1ST irradiation of silicon. // Nucl. Instr. and Meth. В 119 (1996), p. 491-500.

43. Lohner Т., Kotai E„ Khanh N.Q., Toth Z., Fried M., Vedam K., Nguyen N.V., Hane-kamp L.J., van Silfhout A. Ion-implantation induced anomalous surface amorphization in silicon. // Nucl. Instr. and Meth. B. 85 (1994), p.335-339.

44. Swanson M.L., Parsons J.R., Hoelke C.W. Damaged regions m neutron-irradiated and ion-bombarded Ge and Si. U Radiat. Eff. 9 (1971) p. 249.

45. Vook F.L. Radiation Damage and Defects in Semiconductors. // Inst, of Physics, London, 1972.

46. Chnstel L.A., Gibbons J.F., Sigmon T.W. Displacement criterion for amorphization of silicon during ion implantation. // J. Appl. Phys. v. 52 (1981), p. 7143-7146.

47. Pelaz L., Marques L.A., Aboy M., Barbolla J. Atomistic modeling of ion beam induced amorphization in silicon. // Nucl. Instr. and Meth. В 216 (2004), p. 41-45.

48. Аброян И.А., Беляков B.C., Титов А.И. Применение вторичного-эмиссионного метода для изучения процессов накопления и отжига структурных дефектов при ионном облучении. // Микроэлектроника т. 5, вып 3, (1976), с. 231-239.

49. Dennis J.R., Hale Е.В. Crystalline to amorphous transformation m ion-implanted silicon: a composite model. //J. Appl. Phys. 49 (3) (1978), p. 1119-1127.

50. Титов А.И. Образование и отжиг дефектов при бомбардировке полупроводников ионами; вторичноэмиссионные методы исследования. Дисс. . д-ра физ.-мат. наук: 01.04.04. Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина, 1989. 402 с.

51. Вопросы радиационной технологии полупроводников. J Под ред. Смирнова Л.С. -Новосибирск: Наука, 1980.-294 с.

52. Thompson D.A., Walker R.S. Energy spikes in Si and Ge due to heavy ion bombardment. // Radiat. Eff. 36 (1978), p. 91-100.

53. Morehead F.F., Crowder B.L. A model for the formation of amorphous Si by ion bombardment. // Radiat. Eff. v.6 (1970), p. 27-32.

54. Williams J. S., Short K.T., Elliman R. G., Ridgway M.C., Goldberg R. D. Ion-beam induced amorphization and dynamic annealing process in silicon. // Nucl. Instr. and Meth. В 48 (1990), p. 431-434.

55. Cheang-Wong J.C., Crespo-Sosa A., Oliver A. RBS-channeling studies on damage production by MeV ion implantation in Si(lil) wafers. // Matenals Science and Engineering В 84 (2001), p. 205-210.

56. Скакун H.A. и др. Пространственное распределение дефектов в кремнии, легированном ионами лития. // Труды 6-го Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с монокристаллами. М.: изд. МГУ, 1975, с, 335339.

57. Аброян И.А., Беляков B.C., Титов А.И. Накопление дефектов в полупроводниках, облучаемых медленными ионами. // Известия РАН, сер. физич. 1994. Т. 58 (10), с. 59-62.

58. Belyakov V.S., Titov A.I. Stationary amorphous layer formation during 5 keV Ar+ ion bombardment of Si. // Radiat. Eff. v.138 (1996), p. 231-242.

59. Беляков B.C., Брыксин C.B., Титов А.И. Квазистационарные состояния при ионном облучении полупроводников. // Высокочистые вещества 3 (1993), с. 38-44.

60. Pnolo F., Spinella С., Rimini Е. Phenomenological descnption of ion-beam-induced epitaxial crystallization of amorphous silicon. // Phys. Rev. B, v. 41 (1990), p. 52355242.

61. Pelaz L., Marques L.A., Aboy M., Barbolla J. Atomistic modeling of ion beam induced amorphization in silicon. // Nucl. Instr. and Meth. В 216 (2004), p. 41-45.

62. Kimura K., Agarwal A., Toyofuku H., Nakajima K., Gossman H.-J. Amorphization of Si(001) by ultra low energy (0.5-5 keV) ion implantation observed with high-resolution RBS. // Nucl. Instr. and Meth. В 148 (1999), p. 284-288.66.