Парамагнетизм дефектов решетки кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами Xe и Kr тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

?ГБ ОД

УДК 537.635: 546.273

^ и к л? 2т

ШУМСКАЯ ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

ПАРАМАГНЕТИЗМ ДЕФЕКТОВ РЕШЕТКИ КРЕМНИЯ. ИМПЛАНТИРОВАННОГО ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫМИ ИОНАМИ Хе И Кг

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК 2000

Работа выполнена па кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук доцент

ЛАПЧУК Наталья Михайловна

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник ВАРИЧЕНКО Валерий Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор

БОРИСЕНКО Виктор Евгеньевич

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник КУЧИНСКИЙ Петр Васильевич

Оппонирующая организация: Институт физики твердого тела н

полупроводников НАН Беларуси

Зашита диссертации состоится 14 апреля 2000 г. в 14.00 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02 01.16 в Белорусском государственном университете (220080 Минск, пр. Ф.Скорины, 4, к. 206. тел. ученого секретаря 226 55 41).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета

Автореферат разослан " с^шда2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

доцент В Ф. Стельмах

е>з¥9.л¥з<з оз

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокоэнергетичная ионная имплантация, возникшая первоначально как вариант радиационной физики полупроводников, на сегодняшний день рассматривается в качестве перспективного направления создания в полупроводниковых кристаллах заглубленных легированных слоев и повышения плотности элементов микроэлектронньтх приборов путем формирования многослойных трехмерных структур. Оказалось, однако, что дефектно-примесная структура, создаваемая в полупроводниковых кристаллах ионами высоких энергий, существенно отличается от структуры, формируемой при низкоэнергетичной ионной имплантации. С научной точки зрения интерес представляют специфика такого дефектообразования, пространственное распределение нарушений и их термостабильность. Основными отличиями высокоэнергетичной ионной имплантации от ннзкоэнергетичной являются глубокое проникновение имплантируемых ионов и многослойная структура облученного слоя, обусловленная реализацией различных механизмов взаимодействия ионов с атомами решетки и представляющая собой последовательность слоев, дефекты в которых количественно и качественно различны.

Хорошо развитые .модели модификации полупроводниковых кристаллов при имплантации ионов низких энергий нельзя напрямую распространить на случай высокоэнергетичной имплантации. Несмотря на то, что исследование имплантации полупроводников ионами высоких энергий ведется уже несколько лет, уровень представлений о процессах, происходящих при облучении и последующем отжиге кристалла, в этом случае значительно ниже, чем для традиционной низкоэнергетичной имплантации.

Задачи, связанные с идентификацией и определением структуры дефектов, созданных высокоэнергетичной ионной имплантацией, являются весьма актуальными для современной физики полупроводников, поскольку именно дефекты в значительной степени определяют электрические, магнитные и оптические свойства полупроводников, облученных ядерными частицами или ионами.

Кремний в настоящее время является наиболее используемым в микроэлектронике полупроводниковым материалом.

Высокоэнергетичная ионная имплантация формирует в нем одиночные

низкоразмерные элементы либо их ансамбли (дислокационные конфигурации, ассоциации точечных дефектов решетки и т.д.). Поэтому исследование свойств низкоразмерных элементов и систем, сформированных высокоэнергетичной ионной имплантацией в кремнии, является важной задачей для создания физической основы нового поколения высокоинтегрированных быстродействующих систем обработки, передачи и хранения информации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках:

- госбюджетной научно-исследовательской работы Белорусского государственного университета по теме "Исследование физических свойств квазиодномерных дефектных структур, созданных в полупроводниках высокоэнергетичной ионной имплантацией" (гос. per. № 19963061, 1996-2000 гг.) по программе Министерства образования Беларуси "Низкоразмерные системы";

- программы фундаментальных исследований Белорусского государственного университета "Разработка и исследование перспективных материалов" (Новые материалы-2, гос. per. № 19963448, 1996-2000);

- темы "Разработка физических принципов создания низкоразмерных элементов оптоэлеклгроники на основе алмаза" (гос. per. № 19963063, 1996-1997 гг.), финансируемой Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь;

- темы "Исследование физических свойств низкоразмерных углеродных и кремниевых кластеров и композитов на их основе" (гос. per. № 19982953, 1998-2000 гг.), финансируемой Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь.

Целью работы являлось выявление с помощью метода электронного парамагнитного резонанса (ЭТТР) особенностей формирования точечных и протяженных дефектов решетки кремния, имплантированного тяжелыми высокоэнергетичными ионами инертных газов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) определение специфики парамагнетизма точечных и протяженных дефектов решетки кремния, имплантированного

высокоэнергетичными ионами Хе и Кг;

2) идентификация парамагнитных центров (точечных и протяженных дефектов) в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами;

3) выявление трансформации характеристик спектральных линий точечных и протяженных дефектов по глубине облученного слоя кремния;

4) определение термостабильности наблюдаемых парамагнитных центров.

Объект и предмет исследования. В работе использовались образцы кремния р-типа, выращенные но методу Чохральского, с удельным сопротивлением 10 Ом-см. Облучение образцов ионами Хе с энергией 5,68 ГэВ в диапазоне доз 5х10п,..5х10п см"2 и ионами Кг с энергией 210 МэВ в диапазоне доз 1х1012...3х1014 см"2 осуществлялось в направлении <111> при комнатной температуре.

Изучались парамагнитные свойства одиночных низкоразмерных элементов и их ансамблей, являющихся продуктом высокоэнергетичной имплантации кремния ионами инертных газов.

В представленной работе в качестве основного метода исследования радиационных структурных нарушений использован метод ЭПР.

Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

- впервые с помощью метода ЭПР в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, обнаружено резонансное поглощение, обусловленное неспаренными электронами, локализованными на дислокациях и их ассоциатах, которые сформированы в процессе высокоэнергетичной ионной имплантации;

- впервые обнаружен магнитный гистерезис посредством измерения электронного парамагнитного резонанса в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, что связывается с существованием магнитного упорядочения в системе неспаренных электронов, локализованных на дислокациях;

- развит метод ЭПР для исследования свойств магнитно-упорядоченной системы неспаренных электронов, определения угловых зависимостей значения поля насыщения с целью установления анизотропии и особенностей дефектной структуры, формируемой при высокоэнергетичной имплантации и обладающей магнитным упорядочением;

- установлено, что при имплантации кремния высокоэнергетичными ионами Хе и Кг помимо центров дислокационной природы образуются точечные дефекты, превалирующими из которых являются: БьРЗ ((110)-планарная тетравакансия в нейтральном зарядовом состоянии), БьРб (положительно заряженное <100> расщепленное димеждоузлие), (тетравакансия в отрицательном зарядовом состоянии); в то же время парамагнитные центры с g = 2.0055, связываемые с аморфной фазой кремния, не наблюдаются;

- при сопоставлении экспериментально полученного пространственного распределения точечных дефектов по глубине имплантированного ионами Хе кремния и моделирования по программе ТШМ-96 подтверждено, что доминирующим механизмом формирования точечных дефектов являются упругие столкновения ионов с атомами мишени;

- впервые на основании идентичности угловой зависимости §-фактора линий ЭПР кремния, выращенного по методу Чохрагтьского и имплантированного высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, и теоретически рассчитанной угловой зависимости парамагнитного термодонорного центра 8ьЫЪ8 показано, что высокоэнергетичная имплантация кремния формирует указанный термодонорный центр.

Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты являются физической основой решения задачи управления электрофизическими свойствами кремния путем легирования его другими элементами методом высокоэнергетичной имплантации и одновременно с этим радиационно-термической модификации имплантируемой области материала. Кроме того, результаты, связанные с формированием дислокаций в кремнии при высокоэнергетичной имплантации и с возникновением магнитного упорядочения в системе неспаренных электронов, локализованных на дислокациях, могут быть использованы в области полупроводникового материаловедения для формирования путем высокоэнергетичной ионной имплантации магнитно-упорядоченных структур на основе кремния, а также могут войти в курс лекций по физическому материаловедению.

Результаты исследования парамагнитных свойств дефектно-примесной структуры кремния, созданной высокоэнергетичным ионным облучением, могут быть использованы при изучении структурных совершенств твердых тел методами радиационной физики в

Белорусском государственном университете, Институте физики твердого тела и полупроводников АН РБ, Объединенном институте ядерных исследований, Физическом институте им П.Н. Лебедева и других организациях соответствующего профиля.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- установление специфики парамагнетизма дислокаций, сформированных в процессе имплантации кремния высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, заключающейся в проявлении в спектре ЭГ1Р линии с анизотропным g-фaктopoм g = 2,2...3,4 и шириной ДН = 200...3000 Гс, а также в возникновении магнитного упорядочения в системе локализованных на дислокациях неспаренных электронов, стабильной до температуры не ниже 1270 К;

- закономерности формирования точечных дефектов и кислородных комплексов в присутствии дислокаций, сформированных в процессе имплантации кремния высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, проявляющиеся в отсутствии аморфизации кремния и распределении парамагнитных дефектов за пределами среднего проективного пробега.

Личный вклад. Из 20 опубликованных по теме диссертации работ 5 работ выполнены автором диссертации без соавторов.

Личный вклад автора в совместно опубликованные работы, выполненные в соавторстве с научными руководителями диссертации и коллегами, заключается в анализе и интерпретации спектров ЭЛР, осуществлении диагностики с помощью метода ЭПР различных типов дефектов решетки (точечных и протяженных) и применении данного метода для оценки пространственного распределения и термостабильности дефектов решетки кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами инертных газов.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Ежегодной конференции немецкого физического общества (Регенсбург, 1996 г., Мюнстер, 1997 г.), III Международном симпозиуме по алмазным пленкам ТББР-З (Санкт-Петербург, 1996 г.), Международном симпозиуме "Ионная имплантация в науке и технике" (Налэнчув, 1997 г.), XVII конференции по радио- и микроволновой спектроскопии 11АМ15'97 (Познань, 1997 г.), Ежегодной конференции Европейского общества материаловедения Е-МКБ (Страсбург, 1998 г.),

Международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1995 г., 1997 г., 1999 г.), Первой Всероссийской конференции "Кремний-96" (Москва, 1996 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний-2000" (Москва, 2000 г.), II республиканской научной конференции студентов Беларуси (Минск, 1996), Республиканской студенческой конференции по физике конденсированных сред (Гродно, 1995 г., 1996 г., 1997 г.).

Опубликованность результатов. Содержание диссертации отражено в 20 опубликованных научных работах, в том числе 5 статьях. Из них: 2 статьи - в научных журналах, 3 статьи - в сборниках научных статей, 15 тезисов докладов - в сборниках материалов конференций. Общий объем опубликованных материалов составляет 42 страницы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с заключениями по каждой из них, основных выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 123 страницы, включая 43 иллюстрации на 41 странице. Список использованных источников включает в себя 158 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся литературные данные по поведению атомов инертных газов в кристаллической матрице кремния, рассматриваются экспериментально обнаруженные особенности спеюров ЭПР кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, исследуется зависимость дефектообразования от вида ионов и параметров кремния, а также сопоставляются процессы дефектообразования в алмазе и кремнии при высокоэнергетичной имплантации ионов Хе и Кг.

На сегодняшний день преобладает точка зрения об ограниченной способности атомов инертных газов к химическому взаимодействию вследствие полной застройки их внешней электронной оболочки. Тем не

менее в ряде работ было доказано, что практически все элементы из группы инертных газов при их внедрении в кристаллическую матрицу способны образовывать устойчивую химическую связь с атомами матрицы. Поэтому имплантация ионов инертных газов в кремний представляет интерес с точки зрения их возможного взаимодействия с атомами мишени. В данной работе были использованы тяжелые атомы из группы инертных газов - Кг и Хе, а энергия имплантации была существенно выше, чем при обычной высокоэнергетичной имплантации.

Подавляющее большинство работ, посвященных дефектообразовашпо в кремнии при высокоэнергетичной ионной имплантации, связано с исследованием точечных дефектов, аморфной фазы и треков, формируемых ионами в кристалле. В данной работе выявлены следующие отличительные особенности имплантации кремния высокоэнергетичными ионами Хе и Кг:

1) в спектрах ЭПР отсутствует изотропная линия с g = 2.0055 и шириной АН = 5 Гс, характерная для аморфного кремния;

2) в обоих случаях имплантации была впервые зарегистрирована анизотропная линия ЭПР с g = 2.2 а шириной ЛН « 200 Гс и 320 Гс для ионов Хе и Кг, соответственно;

3) в спектрах ЭПР в диапазоне § = 1,991 ...2,022 присутствуют анизотропные линии ЭПР, обусловленные термодонорным центром 8ьЖ8;

4) сформированная имплантацией дефектная система обладает свойством магнитного гистерезиса, характерным для магнитоупорядоченных систем, причем это свойство сохраняется после термообработки имплантированных кристаллов при температуре 1270 К.

Во второй главе содержатся результаты идентификации парамагнитных центров точечных дефектов решетки кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, приведены доказательства присутствия в исследуемых материалах термодонорного центра 8ь№Д а также рассматриваются условия, сопровождающие имплантацию и являющиеся необходимыми для введения термодонорного центра 8ьЫЬ8.

В начале главы сделан литературный обзор, содержащий анализ радиационных дефектов вакансионного и междоузельного типов,

различных видов термодонорных центров в кремнии, рассмотрены различные аспекты метода ЭПР для исследования таких дефектов.

Обнаружено, что в спектрах ЭПР кремния, имплантированного ионами Кг с энергией 210 МэВ и Хе с энергией 5,68 ГэВ, изотропная линия ЭПР с g = 2,0055 и шириной АН = 5 Гс, соответствующая парамагнитным центрам аморфных областей, не наблюдается. Формирование аморфных областей в кремнии обусловлено высокой концентрацией парамагнитных центров вакансионного типа. Отсутствие очагов аморфной фазы может быть связано со следующими процессами:

а) отжигом дефектов вакансионного типа непосредственно в процессе имплантации, что обусловлено высокими локальными температурами вблизи траектории иона.

б) наличием стока вакансий, приводящим к их исчезновению. Избыточные вакансии исчезают на внутренних границах кристалла, которыми могут являться дислокации.

Среди точечных дефектов, сформированных имплантацией Хе и Кг, доминирующим является дефект междоузельного типа - парамагнитный центр Si-Рб. Спектр ЭПР точечных дефектов представляет собой сложный анизотропный спектр в диапазоне g=l,99...2,02. Анализ угловых зависимостей g-фактора и характера насыщения всех наблюдаемых линий ЭПР позволил идентифицировать основные парамагнитные центры Si-P6, Si-S2 и Si-P3.

Доминирующий центр Si-Рб представляет собой <100> расщепленное димеждоузлие в положительном зарядовом состоянии, которое образуется, если атом в узле решетки захватывает два междоузлия. Si-Рб является единственным из наблюдаемых точечных дефектов, не насыщающимся при увеличении мощности СВЧ.

Центры Si-S2 и Si-РЗ были идентифицированы с помощью анализа анизотропии g-фактора соответствующих линий. Парамагнитному центру Si-S2 соответствует изотропная линия ЭПР с g=2.0070±0.0005. Si-S2 представляет собой тетравакансию в отрицательном зарядовом состоянии.

Парамагнитный центр Si-РЗ является нейтральной (ПО)-планарной тетравакансией. Поскольку ранее Si-РЗ наблюдался в кремнии п-типа, облученном а-частицами с энергией 37 МэВ, можно сделать вывод, что введение парамагнитного центра Si-РЗ не зависит от вида облучения.

Тот факт, что точечные дефекты не отжигаются в процессе электронного торможения, объясняется тем, что наличие высоких давлений в кристалле, облученном тяжелыми высокознергетичными ионами, повышает термостабилыюсть содержащихся в нем дефектов.

Термодоноры - дефекты, образующиеся в процессе отжига кремния, который имеет высокое содержание кислорода (напр, выращенного по методу Чохральского). Термодонорный парамагнитный центр Si-NL8 имеет C2v ромбическую симметрию и представляет собой ионизированное состояние термодонорного центра TD+ Несмотря на множество работ, посвященных изучению термодоноров в кремнии, на данный момент невозможно однозначно связать парамагнитный центр Si-NL8 с каким-либо определенным видом TDDn.

Идентификация термодонорного центра Si-NL8 в кремнии, имплантированном ионами Хе и Кг с энергией 5,68 ГэВ и 210 МэВ, соответственно, сделана путем анализа угловых зависимостей g-фактора резонансных линий исследуемых материалов. В обоих случаях образцы ориентировались так, чтобы вектор магнитного поля Н вращался в плоскости (011) между направлениями [100] и [011]. Теоретически рассчитанная анизотропия и экспериментальная угловая зависимость g-фактора исследуемого парамагнитного центра в кремнии, имплантированном ионами Хе и Кг, согласуются с угловой зависимостью g-фактора центра Si-NL8, если считать, что главными осями g-тензора являются направление [100] и два взаимно перпендикулярных направления, лежащих в плоскости (011). При расчете использовались следующие главные значения g-тензора: g,=1.99991; g2=l.99323; gv=2.00091.

Образование центра происходит в процессе локального отжига кремния при электронном торможении высокоэнергетичного тяжелого иона, поскольку в максимуме электронного торможения быстрых тяжелых ионов удельная величина выделяемой энергии, идущей на ионизацию и нагрев кристалла, достигает величин 10 кэВ/нм и более. Такая модель формирования центра Si-NL8 при высокоэнергетичной имплантации кремния ионами инертных газов подтверждается и тем фактом, что NL8 образуется при достаточно коротких временах отжига по сравнению с другими термодонорными центрами, например, Si-NL10.

Третья глава посвящена изучению пространственного распределения превалирующих точечных дефектов по глубине облученного слоя кремния.

На основании ряда работ при сравнении рассчитанных по программе TRIM кривых потерь энергии на электронное торможение, ядерное торможение и их произведения с экспериментальными кривыми пространственного распределения точечных дефектов в кремнии после высокоэнергетичной имплантации можно заключить, что формирование точечных дефектов не определяется лишь упругими столкновениями, поскольку дефекты образуются не только в максимуме потерь энергии на ядерное торможение, но и в областях, где преобладают электронные потери. Следовательно, в процессе дефектообразования при высокоэнергетичной ионной имплантации значительную роль играют и другие механизмы, помимо упругих столкновений, например, ионизация решетки, создаваемая при сильном электронном торможении быстрых тяжелых ионов.

Поэтому большой интерес представляет изучение дефектообразования в кремнии при облучении его тяжелыми ионами с такой высокой энергией, когда уровень электронных потерь в приповерхностном слое значительно меньше, чем в максимуме. Такая возможность реализуется в случае имплантации кремния ионами Хе с энергией 5,68 ГэВ.

При анализе пространственного распределения точечных дефектов методом механической шлифовки проводилось послойное удаление облученной области кремния, имплантированного ионами Хе (Е = 5,68 ГэВ; D = 5х1013 см"2), с последующей регистрацией спектров ЭПР после каждого удаленного слоя. В процессе исследования зависимости параметров сигнала ЭПР от мощности СВЧ-излучения были проанализированы времена спин-спиновой релаксации Т2 парамагнитных центров Si-P6, Si-S2, Si-РЗ и Si-NL8 на разных глубинах имплантированного образца. По мере приближения к глубине, соответствующей среднему проективному пробегу ионов, наблюдается увеличение времен релаксации.

Обнаружено, что максимум профиля суммарной концентрации всех парамагнитных центров, дающих вклад в спектр ЭПР, лежит в области пика потерь энергии, обусловленных ядерным торможением. Из этого следует, что доминирующим механизмом образования парамагнитных

центров точечной группы являются атомные столкновения. Однако, поскольку парамагнитные центры присутствуют и в областях, где преобладает электронное торможение, нельзя исключить и его влияние на процесс дефектообразования. Действие электронного торможения реализуется через сильную ионизацию решетки при прохождении иона, что понижает пороговую энергию выбивания атома из узла.

С помощью программы Т111М-96 было рассчитано, что максимумы потерь энергии находятся на глубине 585 мкм (в случае электронного торможения) и 611 мкм (в случае ядерного торможения). Значение величины среднего проективного пробега 1^ = 616 мкм. Из результатов проведенных исследований было получено, что присутствие доминирующих парамагнитных центров БьРб и 81-82 наблюдается на глубине, превышающей значение проективного пробега. Среднеквадратичное отклонение величин пробегов, определенное на основании полученного экспериментально распределения по глубине облученного слоя парамагнитных центров 81-Р6 и Б1-82, в несколько раз превышает теоретически рассчитанное значение. Данный факт объясняется тем, что дефекты из скоплений, образованных в конце пробега ионов, распространяются по дислокациям, являющимся их стоком, и выходящими на поверхность кристалла, противоположную имплантированной. Кроме того, необходимо учитывать существующие при высокоэнергетичном облучении эффекты ионного каналирования по сформированным трекам.

В четвертой главе анализируются дислокационная структура кремния и механизмы генерации дислокаций в монокристаллическом кремнии, рассматриваются природа парамагнетизма дислокационных оборванных связей, а также особенности формирования дислокационной структуры в имплантированном кремнии.

Обращено внимание на схожесть условий, реализуемых при введении дислокаций в кремний с помощью пластической деформации, и условий, возникающих в процессе высокоэнергетичной имплантация кремния тяжелыми ионами: наличие высоких механических напряжений и температур. Облучение кристалла ионами большой энергии приводит к формированию в нем заглубленной примесно-дефектной области, которая подвергается статическому давлешио со стороны практически ненарушенной кристаллической оболочки. При этом величина давления определяется концентрацией и типом имплантируемых атомов. Кроме

того, имплантация тяжелых ионов высоких энергий в кристалл вызывает локальный разогрев матрицы, причем в процессе пробега ионов Хе и Кг в треке развиваются температуры выше температуры плавления материала.

Отличие процессов формирования дислокаций при пластической деформации и при ионной имплантации состоит в том, что в первом случае температурные и упругие поля имеют макроразмеры, сравнимые с размером образца, и в этом случае дислокационная структура и геометрия возникающих дислокаций определяется взаимной ориентацией упругого поля и кристаллографических плоскостей скольжения дислокаций. При ионной имплантации упругие и температурные поля возникают как результат движения и торможения пучка ионов в решетке и носят локальный характер. В этом случае геометрия возникающих дислокаций тссно связана с геометрией ионного пучка и ориентацией кристалла.

Поэтому в работе ставилась цель обнаружить и идентифицировать не только дефекты точечной структуры, созданные ионной имплантацией, но и дефекты дислокационной природы.

Дислокации в кремнии обладают характерными особенностями:

- введение дислокаций с помощью пластической деформации кремния создает магнитно-упорядоченные включения, что проявляется в аномальной для парамагнетиков зависимости магнитной восприимчивое™ материала от напряженности магнитного поля, которая возрастает с увеличением плотности дислокаций;

- наблюдается высокая СВЧ-проводимости кристаллов, содержащих дислокации, которая связывается с проводимостью вдоль ядер дислокаций.

Для кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, в спектрах ЭПР, кроме линий точечных дефектов, впервые обнаружена интенсивная анизотропная линия с е = и шириной ДН « 200 Гс и 320 Гс для ионов Хе и Кг соответственно. Данная линия связывается с парамагнетизмом оборванных связей, локализованных на дислокациях, которые сформированы в процессе высокоэнергетичной имплантации ионами Хе и Кг.

Поскольку дислокации в имплантированном кремнии находятся в условиях всестороннего сжатия со стороны кристаллической матрицы, то внешнее воздействие, которое частично снимает напряжение

кристалла, сильно изменяет параметры линии ЭПР, связанной с данными структурами. В процессе регистрации, термообработки и послойного удаления исследуемых образцов g-фактор и ширина данной линии изменялись в диапазоне g = 2,2...3,4 и ДН = 200...3000 Гс, соответственно.

Обнаружено, что исследуемая дислокационная система, ответственная за указанную линию ЭПР, обладает свойством магнитного гистерезиса. Это проявляется в том, что при регистрации спектров ЭПР в прямом и обратном направлении, т.е. при сканировании постоянного магнитного поля от 0 Гс до 5000 Гс и обратно, существует сдвиг между прямым и обратным ходом линий ЭПР. Такое свойство имплантированного кремния свидетельствует о том, что в материале содержатся радиационно-стимулированные доменные структуры с высокой локальной концентрацией магнитных моментов, обладающие магнитным упорядочением.

Анализ анизотропии магнитного поведения дислокационной системы показал, что ось тяжелого намагничивания совпадает с направлением [110], которое является осью простейших дислокаций, а осью легкого намагничивания является направление [111], иначе говоря, направление оборванных связей, локализованных на дислокациях.

Кроме того, было обнаружено, что дислокационные структуры, существующие в исследуемых материалах, обладают высокой СВЧ-проводимостыо. Такой вывод сделан из факта уменьшения амплитуды сигнала эталонного образца (Сг20з) при внесении исследуемого образца в. резонатор и при его послойном удалении, что свидетельствует об уменьшении добротности резонатора, а значит о наличии значительных потерь мощности СВЧ.

Дислокационная система после термической обработки при 1270 К не потеряла своих магнитных свойств. Так же, как и до отжига, прямой и обратный ход при регистрации линии ЭПР (g = 2,2) не совпадали, т.е. термообработка не только сохранила дефектные структуры, ответственные за данную линию, но и не разрушила их магнитное упорядочение.

Обнаружено наличие нескольких слоев дислокаций: в приповерхностной области, на глубине, примерно равной половине проективного пробега ионов, и в области, расположенной за средним проективным пробегом ионов. В последнем слое, залегающем на

глубине 703 мкм, наблюдается максимальная концентрация парамагнитных центров, локализованных на дислокациях. В роли таких дислокаций, сформированных при высокоэнергетичной имплантации тяжелыми ионами, выступают дислокационные петли.

Факт формирования дислокационных петель за проективным пробегом ионов необходимо учитывать при объяснении распределения точечных дефектов по глубине облученного слоя кремния, поскольку реализуется целый ряд взаимодействий между дислокациями, точечными дефектами и примесью. В процессе имплантации формируются пары "точечный дефект - примесь". Поэтому дислокационные петли не только непосредственно взаимодействуют с точечными дефектами, но и косвенно влияют на их распределение через пары "точечный дефект - примесь", играя роль "стоков". Такой механизм может объяснить наличие точечных дефектов, наблюдаемых после имплантации кремния ионами Хе и Кг (в частности, Si-Рб и Si-S2), за пределами среднего проективного пробега ионов, рассчитанного по программе TRIM.

Возникновение кислородных преципитатов на дислокациях обуславливает высокую локальную концентрацию атомов кислорода, что является предпосылкой к формированию термодонорного центра Si-NL8.

Формирование зародышей дислокационных петель из кластеров междоузельных атомов происходит в условиях механического напряжения кристаллической матрицы и высоких температур, сопровождающих имплантацию кремния тяжелыми ионами высоких энергий. При этом необходимо учесть, что в такой среде должны найти себе место имплантируемые ионы, дефекты вакансионного типа, .междоузлия, атомы технологической примеси (в основном, кислород). Все эти дефекты занимают энергетически выгодное для них положение, т.е. стекаются.к дислокациям и декорируют их. Таким образом, в конце пробега ионов и за ним, где существует максимальная концентрация точечных дефектов, залегает слой имплантируемых ионов и формируется заглубленный слой дислокационных петель, реализуется высокая локальная плотность атомов.

В кристаллах, содержащих в своем составе повышенную локальную плотность атомов, волновые функции электронов перекрываются таким образом, что согласно запрету Паули магнитные моменты этих

электронов должны быть взаимно сориентированы, т.е. существует их обменное взаимодействие. Наличие повышенной локальной плотности атомов и обменного взаимодействия между ними является необходимым условием для проявления ферромагнитных свойств материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Впервые установлено, что в спектре ЭПР кремния, облученного высокоэнергетичными ионами инертных газов Хе (Е = 5,68 ГэВ; Б = 5х10п...5х10п см"2) и Кг (Е = 210 МэВ; Э = 3х10,2...3х1014 см"2) наблюдается линия с анизотропным g-фaктopoм и шириной в диапазоне g-2,2...3,4 и ДН = 200...3000 Гс, соответственно, изменяющимися в процессе регистрации, термообработки и послойного удаления. Данная линия обусловлена неспаренными электронами, локализованными на дислокациях и их ассоциатах, стабильных до температур 1270 К, которые сформированы в процессе высокоэнергетичной ионной имплантации тяжелых ионов [10, 13].

2. Обнаружен магнитный гистерезис посредством измерения электронного парамагнитного резонанса в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, что согласуется с моделью магнитного упорядочения в системе неспаренных электронов, локализованных на дислокациях [13, 14].

3. Впервые замечено увеличение СВЧ-проводимости в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами Хе+, при механическом послойном удалении образца, что обусловлено переносом электронов по дислокациям, сформированным в процессе имплантации [5].

4. Установлено, что при имплантации кремния высокоэнергетичными ионами Хе и Кг помимо центров дислокационной природы образуются точечные дефекты, превалирующими из которых являются: БьРЗ ((ПО)-планарная тетравакансия в нейтральном зарядовом состоянии), БьРб (положительно заряженное <100> расщепленное димеждоузлие), 51-52 (тетравакансия в отрицательном зарядовом состоянии). Парамагнитные центры с g = 2.0055, связываемые с аморфной фазой кремния, не наблюдаются.

Совокупность экспериментальных данных и моделирования по программе TRIM-96 подтверждает, что доминирующим механизмом формирования точечных дефектов являются упругие столкновения ионов с атомами мишени [16].

5. При изучении распределения точечных и локализованных на дислокациях парамагнитных центров по глубине имплантированного ионами Хе+ кремния обнаружено, что все типы парамагнитных центров наблюдаются и за пределами среднего проективного пробега, что объясняется высоким коэффициентом диффузии дефектов и примесей вдоль дислокаций [5,19].

6. Впервые показано, что высокоэнергетичная имплантация кремния, выращенного по методу Чохральского, ионами Хе и Кг формирует термодонорный центр Si-NL8. Доказательством присутствия указанного термодонорного центра является идентичность угловой зависимости g-фактора линий ЭГТР исследуемых материалов и теоретически рассчитанной угловой зависимости центра Si-NL8 [20].

Содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Drozdova E.N., Penina N.M., Varichenko V.S. Electron Paramagnetic Resonance of Natural Diamond Irradiated with 92 MeV Boron Ions // J. Chem. Vap. Depos. - 1996. - V. 5. - P. 103-108.

2. Дроздова E.H., Пекина H.M., Стельмах В.Ф. Исследование парамагнетизма пористого кремния // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 1998. - № 1. - С. 9-14.

3. Дроздова E.H. Исследования методом ЭПР кремния, облученного высокоэнергетичными ионами никеля // Сборник научных статей студентов Бел госуниверситета. - Мн.: БГУ, 1995. - С. 96-98.

4. Drozdova E.N., Penina N.M., Varichenko V.S. Electron Paramagnetic Resonance of Natural Diamond Irradiated with 92 MeV Boron Ions // Diamond & Diamond-Like Film Applications. - Lancaster: TECHNOMIC PUBLISHING CO., Inc., 1998. - P. 367-372.

5. Вариченко B.C., Дроздов H.A., Лапчук H.M., Шуйская E.H. Электронный парамагнигный резонанс дислокаций в кремнии, облученном высокоэнергетичными ионами // III Междунар. науч. конф. "Взаимодействие излучений с твердым телом": Сб. докл. -Мн.: БГУ, 1999.-Ч. 1.-С. 95-97.

6. Пенина Н.М., Азарко И.И., Дроздова Е.Н., Миронов В.П. Дефектообразование в алмазе, облученном ионами бора в широком диапазоне энергий //1 Межгос. конф. "Взаимодействие излучений с твердым телом": Тезисы. - Мн., 1995. - С. 8В.

7. Дроздова Е.Н. Электронный парамагнитный резонанс в алмазе, имплантированном ионами бора // III Респ. студ. конф. по физике конденсированных сред: Тезисы. - Гродно, 1995. - С. 20.

8. Drozdova E.N., Penina N.M., Varichenko V.S. EPR of natural diamond implanted with 92 MeV boron ions // Abstracts of Third internal symposium on diamond films. - Санкт-Петербург, 1996.

9. Дроздова E.H., Пенина H.M., Стельмах В.Ф. Исследование парамагнетизма пористого кремния // Первая Всероссийская конф. "Кремний-96": Тезисы. - Москва, 1996. - С. 168.

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

11. Дроздова Е.Н. О магнитном упорядочении в Si при высокоэнергетичной имплантации // IV Респ. студ. конф. по физике конденсированных сред: Тезисы. - Гродно, 1996. - С. 17-18.

12. Дроздова Е.Н. ЭПР в кремнии при имплантации высокоэнергетичными ионами инертных газов // II респ. науч. конф. студентов Беларуси: Тезисы. -Минск, 1996. -Ч. 1. - С. 40-41.

13. Drozdova E.N., Penina N.M., Varichenko V.S., Zaitsev A.M. ESR of Silicon Irradiated with High Energy Noble Gas Ions // Abstracts of Conference of German Physical Society. - Munster, 1997. - P. 766.

14. Вариченко B.C., Лапчук H.M., Стельмах В.Ф., Шумская Е.Н. ЭПР в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами инертных газов // П Междунар. конф. "Взаимодействие излучений с твердым телом": Тезисы. - Мн., 1997. - С. 79.

15. Drozdova E.N., Karwat С., Lapchuk N.M., Stelmakh V.F. Paramagnetism of Fullerene Structures in Solid Matrix // Abstracts of XVII Conference on Radio- and Microwave Spectroscopy. - Poznan, 1997. - P. P-l.

16. Вариченко B.C., Дроздова E.H., Лапчук H.M., Стельмах В.Ф. Структурные особенности треков при высокоэнергетичной ионной имплантации кремния и алмаза // Abstracts of Intemat. Symposium

"Ion Implantation of Science and Technology". - Naleczow, 1997. - P. 36.

17. Дроздова E.H. Трек как одномерная структура, возникающая при высокоэнергетичной ионной имплантации кремния и алмаза // V Респ. конф. студентов и аспирантов по физике конденсированных сред: Тезисы. - Гродно, 1997. - С. 45-46.

18. Lapchuk N.M., Shumskaya E.N., Varichenko V.S., Zaitsev A.M. ESR of Silicon Implanted with 5.68 GeV Xe Ions // Abstracts of Spring Meeting of The European Materials Research Society. - Strasbourg, 1998. - P. J10.

19. Поклонский H.A., Шумская E.H., Лапчук Н.М. Диагностика методом ЭПР профиля распределения магнитоупорядоченпых центров в Si, облученном высокоэнергетичными ионами инертных газов // Вторая Российская конф. по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний-2000": Тезисы. - Москва, 2000. - С. 97.

20. Шумская E.H., Лапчук Н.М., Поклонский H.A. Формирование термодоноров в кремнии при облучении высокоэнергетичными ионами инертных газов // Вторая Российская конф. по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний-2000": Тезисы. - Москва, 2000. - С. 124.

РЕЗЮМЕ Шумская Елена Николаевна

Парамагнетизм дефектов решетки кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами Хе и Кг

Ключевые слова: ЭПР, кремний, высокоэнергетичная ионная имплантация, дислокация, магнитное упорядочение, парамагнитный центр, точечный дефект, термодонорный центр.

Объект и предмет исследований. Исследованы парамагнитные свойства одиночных низкоразмерных элементов и их ансамблей, являющихся продуктом высокоэнергетичной имплантации кремния ионами инертных газов.

Цель работы. Установить особенности формирования точечных и протяженных дефектов решетки кремния, имплантированного тяжелыми высокоэнергетичными ионами инертных газов.

В качестве основного метода исследований структурных нарушений решетки использован метод электронного парамагнитного резонанса. Измерения проводились на спектрометре "НасНоРАЫ ЯЕ/Х 2543" в трехсантиметровом диапазоне.

Впервые с помощью метода ЭПР обнаружено резонансное поглощение, обусловленное неспаренными электронами, локализованными на дислокациях и их ассоциатах, . которые сформированы в процессе высокоэнергетичной ионной имплантации кремния. Посредством измерения электронного парамагнитного резонанса установлено существование магнитного упорядочения в системе неспаренных электронов, локализованных на дислокациях. На основании анизотропии g-фaícтopa показано, что высокоэнергетичная имплантация формирует термодонорный парамагнитный центр 81-ЫЬ8. Развит метод ЭПР для исследования свойств магнитно-упорядоченной системы неспаренных электронов.

Полученные результаты могут быть использованы в области полупроводникового материаловедения для формирования путем высокоэнергетичной ионной имплантации магнитно-упорядоченных структур на основе кремния.

РЭЗЮМЭ Шумская Алена Мкалаеуна

Парамагнетизм дэфектау рашотю крэмшю, ¿мпланщраванага высокаэнергетычным! юнам1 Хе 1 Кг

Юпочавыя словы: ЭПР, крэмнш, высокаэнергетычная юнная ¡мплантацыя, дыслакацыя, магштнае упарадкаванне, парамагнитны цэнтр, кропкавы дэфект, тэрмадонарны цэнтр.

Аб'ект 1 прадмет даследавання. Даследаваны парамагштныя уласщвасщ адзшочных шзкапамерных элементау 1 ¡х ансамбляу, яюя з'яуляюцца прадуктам высокаэнергетычнай ¡мплантацьп крэмшю юнам1 шертных газау.

Мэта работы. Устанавшь асабл1васш фарм1равання кропкавых 1 нрацяглых дэфектау рашотю крэмшю, ¡мпланщраванага цяжы\п выеокаэнергетычным!" ioнaмi шертных газау.

У якасщ асноунага метаду даследаванняу структурных парушэнняу рашота выкарыетаны метад электроннага парам aгнiтнaгa рэзанансу. Вымярэшп праводзшся на спектрометры "КлсНоРАК БЕ/Х 2543" у трохсантыметровым дыяпазоне.

Упершыню пры дапамозе метаду ЭПР выяулена рэзананснае паглынанне, абумоуленае нсспараны\н электронам!, лакалпаваным1 на дыслакацыях i ¡х аеацыятах, яюя сфарм1'раваны у працэсе высокаэнергетычнай юннай ¡мплантацьп крэмшю. Праз вымярэнне электроннага парамагштнага рэзанансу устан0Улена ¡снаванне мапптнага упаРаДкавшшя У сютэме неспараных электронау, лакалпаваных на дыслакацыях. На падставе ангзаграпп [;-фактару паказана, што высокаэнергетычная ¿мплантацыя фарм1'руе тэрмадонарны цэнтр Paзвiты метад ЭПР для даследавання уласЦ'васчс"

магштна-упарадкаванай астэмы неспараных электронау.

Атрыманыя вынш могуць выкарыстоувацца у галше пауправадшковага матэрыялазнауства для фарм1равання шляхам высокаэнергетычнай юннай ¡мплантацьп магш'тна-упарадкаваных структур на аснове крэмшю.

SUMMARY

Shumskaya Elena Nikolaevna

Paramagnetism of defects of silicon lattice implanted by high energy Xe and Kr ions

Keywords: EPR, silicon, high energy ion implantation, dislocation, magnetic ordering, paramagnetic center, point defect, thermal donor.

The object of research. The paramagnetic properties of the single low-dimensional elements and their groups produced by high energy noble gas ion implantation into silicon have been studied.

The purpose of the work. The purpose of the woik is to establish the formation peculiarities of point and extensive defects of silicon lattice implanted by heavy high energy noble gas ions.

Electron paramagnetic resonance technique has been used as the main method for the structural imperfection investigations. The measurements have been carried out using X-band "RadioPAN SE/X 2543" spectrometer.

For the first time by means of the EPR technique the resonant absorption due to unpaired electrons localised on the dislocations and their clusters which were formed during high energy ion implantation into silicon has been revealed. Willi the aid of electron paramagnetic resonance measurements the existence of the magnetic ordering in the unpaired electrons arrangement localised on the dislocations has been established. Based on the g-value anisolropy it has been shown high energy ion implantation forms the thermal donor paramagnetic center Si-NL8 An important methodical result is the application of the EPR technique for the research of magnetic ordered system of unpaired electrons.

The obtained results can be used in the field of semiconductor material science in order to form the magnetic ordered structures on silicon basis by means of high energy ion implantation.

Подписано в печать 11.02.00. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 80.

Белорусский государственный университет.

Лицензия ЛВ №315 от 14.07.98.

220050. Минск, пр. Ф. Скорины, 4. Отпечатано в Издательском центре БГУ. 220030, г. Минск, ул. Красноармейская, 6.