Влияние релаксации в электрон-фононной системе кристалла на диффузию и дефектообразование при пролете быстрых частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

'".• •' ¿оск'о'вог/Й гооударствше1-ШЩШЮ^З:пеЬК;1л ЖТ:-:?УГ

> ' V ' :•.' . - На правах ру-юллеа

' . • * * КОРКйЕБЛ Лвдгада Апатольовиа

ВЛЙЯЖЕ РШКСАЦЖ! В эдаЛОТ-вОШай <ЯВТЗ.К

ккйтагм ил и пр:1

•- • ПРОлЕТЗ БИСТРАХ ЧЛСПЩ ' • ' 01.04.07 - Уазика твердого тола

- Л З'ТОР Б '2 Е Р А Т

диссертации на соискание ученоИ сгепен;: кандидата фг.зп'ко.~катоматачзскях наук

Автор:

Моовна - 1994

Работа выполнена в Московском государственном иякэнерно-•шзическом а нети тута ("техническом унпверсятвте)

Научный рут.-об ода те ль: доцент Е.А.Ыазур. ' "

Официальные'оппоненту: доктор техннч. наук, ведущ. научк.

. сотр. LüapOB Б.В. , : ...

: доктор фаз,-мат.. наук," старший .. ' научн. сотр. Писарев A.A. ...

Ведущее предприятие:" РНЦ Курчатовский институт.": •••.

Институт ядерного синтеза. '••-."'

. ■ ч ■• •' ' , . ■'.-'■••'•■

■Залита состоится''"- 3 "октября!9Э4 г. в 10 '' часов 00 мая.

на заседании спэавал;!31:роБаиног6"'С02Э5а ТС .053.03.01 '';""

до адресу: . 115-109, Казпрское шоссе, д.31;

тод.323-91-5? : " . ■ . • ' - /•'■•;'

С диссертацией -мокло ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан " .''______ IS90 г.

Просиг.; принять участие в, работе совета и ля прислать отзыв . 2 одном экземпляра', за^ерешш.-: печатью организации." .

секретарь .■'•-. ■ 1

сг101с;а*лз;фован1!сго совета. . • ' ... И.А.Рудкев,

.' .ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ К одним из актуальных направлений-в. современной физике относится проблема взаимоцействия. различных.видов излучения н пучков частиц с твердом телом. Изучение' процессов такого взаимодействия являемся возмоеным для широкой области применения излучений и пучков частиц в научно-исследовательских целях и для. решения различных прикладных задач, таких как создание материалов и приборов электронной техники и др. Большое место среди нрилокениН радиационной физики твердого тела занимает круг проблем, связанных с созданием в облучаемом материале однсчастичних н коллективных возбуждений, которые при определенных условиях, распадаясь, стимулируют- локальную перестройку атомной конфигурации, в частности, увеличивают вероятность диффузионного скачка ' собственного или примесного атома - радиационно-стищлированнал .диффузия (РСД) -.или облегчают перемещение атома в неэквивалентное положение в кристаллической решетке даже в случае, когда энергия самого излучения недостаточна#для преодоления потенциального барьера такого перемещения - поцпороговое дефектообразова-кие (ПД). При этом необходимо изучение не только процессов, обусловливающих создание электронных возбукдений при поглощении различных видов излучения и при пролете частиц, но танке и процессов, связанных с локализацией этих возбуждений и их распадом, сопровождающимся передачей энергии одному зли нескольким атомам кристаллической реше-жп. Первые теоретические исследования, выполненные в связи с обнарукением лодпорогового дефектообразования в щелочно-галоидннх. кристаллах, стимулировали обширный поток теоретических н экспериментальных исследований радиацпонно-оти-ыулированных процессов в различных материалах. Среди них важную роль играют явления, сопровождающие облучение полупроводников-

.''■■"■'"' / :.'V:" г.7■-■■'.•

( 4 - излучение, нейтронное, электронное, протонное, а также и ионная имплантация), в ходе которых происходит ионизация атомов или возбуждение электронных оболочек. Одна из важнейших проблем состоит в тол;, является ли возбуждение электронной подсистемы кристалла достаточная для процессов ЦЦ и РОД. В отличие от щелоч-но-галоидных кристаллов, в полупроводниках не осуществляется локализация -;кситонов, поэтому процессы размена энергии возбуждения с атомами кристаллической матрицы требуют более углубленного рассмотрения.

Волниэ& интерес представляют исследования поведения полупроводниковых кристаллов в условиях'импульсного воздействия интенсивны;»! 1Ч7ЧК0М быстрых заряженных частиц при ориентации лучка параллельно кристаллографическим "плоскостям. Такой режим обучения (каналирование), иcJíлючающий прямое выбивание частицам атсиов ¿¡з мест их локализации, вскрывает целую совокупность интересных явлений в полупроводнике при высоких плотностях электронного возбуждения. Использование здесь представлений о "кооперативных" механизмах ЦД и РСД, связанных с одновременным воздействием нескольких факторов (распад высок оэнергетичнш: плазмонов, локальный нагрев возбужденной области кристалла, фононная тряска и др.), позволяет объяснить ряд- экспериментальных данных о сниг-;хении порогов известных механизмов радиациошю-стимулкрованных процессов. .

Цель и задачи исследования. Долью диссертационной работы • 1

является теоретическое исследование атомных и электронных процессов, соцровондакаих пролет- быстрых зарякеаных частиц через полупроводниковые кристаллы и обусловленных -этими процессами 11Д и РСД, а гакке исследование влияния -РОД на формирование примесных прсфалей при различных видах 'ионной бомбардировкк т:Я{-

./прсгсощшоз. Для достикёния' этой цели решались-слетающие --задачи: ¡Г-' '-•:.•.'. '

1. Построение теории радиационно-стивдлнрозанких скачков атс:ол в полупроводниках в присутствии высокой плотности элект-рсн-дырочноП иласшсопровождающей продет интенсивных пучков

■какалпроваинкх частиц.-;

2. Исследование влияния РСД на просгранственно-временщю эеолпцпю профиля примеси, при зонной имплантации в иодупроводни-

: кш:.

3. Теоретическое обосновсшие рациациошю-швдцированной страттфлкацгш заряда в узкозонньк полупроводниках при облучении

. их легккют Еоиаг.м. - ; ; ' -

На пататУ клюсятся следующие положения:

' то о

- 3 присутствии очень плотного ( < Ю^см-0) электронного возйущения, сопровождающего пролет интенсивных пучков орпенти-резанных частиц, пороги известных механизмов РСД и ГЩ заметно донимаются за счет действия кооперативных механизмов.

- Скорость РСД в беспримесном полупроводнике при высоких

; интеисивностях облучения каналированнш щчком,-предполагавшего 'действие кооперативных механизмов, сравнима со скоростью РСД в . примеенше полупроводниках при более мягком облучении.

- Эффективность как электронно-теплового, так и электростатического механизмов ДД значительно возрастает за счет взаимодействия атомов с определенной долей"надбарьерных" частиц в каналированпом пучке. V > . : ■

- В условиях непрерывной имплантации профили концентрации " ионов, полученные в различные моменты времени с начала имплантации, неподобии друг другу, ото обусловлено наличием процессов РСД, ослоЕненноЗ захватом на глубокие и мелкие ловушки.

- Форма ."Установившегося распределения примеси домкмо вица первоначального профиля определяется соотношением.скоростей РСД и захвата на глубокие.ловушки;--.время, установления зависит от соотношения скоростей-захвата и высвобождения из ловушек.' V.

- Эффект каналирования» привовдцдай к появлению второго максимума на профиле концентрации ионов, проявляется с .разной • степенью отчетливости в зависимости от соотношения" параметров. РСД и ловушек. '--. : '''..'•'.'." ";. -V-;"-.';"

- При облучении узкозонных.полупроводников'легким".ионами происходит стратификация. заряда, то есть образуется структура ■ чередующихся разноименно зарякенных макроскопическихобластей ,: типа + - +, причем структура тем контрастнее,-чем сильнее.раз- . ' личие коэффициентов диффузии донорной и'акцепторной.компонент.

- При стратификации. заряда в. кристалле, создаётся..внутреннее . электрическое поле, состоящее из последовательности ускоряющего и запирающего потенциалов, что мойет быть'использовано-формирования высококачественных р — & переходов--заданной, форхш а' глубины залегания. . .'■■'■ . • '-' ■;,.•..-

' Научная новизна результатов, полученных в . диссертации, состоит з следующем: ■••■-'.■ • : '

1. Впервые исследозача роль плазменного'механизма дефоктоо -разовашш и диффузии при-прологе пучка ориентированных зарякен-ШХ частиц. - --.-;'---'..■,..'-;'- '".-','-.•. ■'.'\ ' -

2. Обнаружен эффект,и впервые рассчитало явление увеличения эффективности электронно-тепловых' и электростатических . механизмов вдйгзии и дефектообразования за.счет кооперативных эффектов при высоких плотностях электронных возбувдгний.-.;-,-. .

3. Прсдлоксн и обоснован метод разгоняя, двух вкладов, вносимых каналировалной частицей, в- де-фектообразрьакго;- — поган-

цашкного ударного Vза счет, роталированвя.згла влета частиц.

4. Впервые ис следовала'зазиси мост ь эффективности подпорого-вого дсфектообразоватзя от угла.влета и энергии частиц с учетом эффекта зависания над барьером- частиц двигающихся в рсавмо• кадбарьсрного кавагарования.'. •

, 5. Построена.теория диф|узнойного перераспределения про.$яля шплаигирусмых понев,-осложненного захватом-на дефекты цаух сортов, во всом интервале пространственного и временного аргумеп-топ. Обнаружен и исследован аффект, перемещения макевдма профиля со временем.

6. Объяснены экспериментально наблюдаемые распределения имилантата при пшлантацйй -в условиях каналвровання с учетом деканалировання в процессе рассеяния. Представлено формирование профиля о двумя максимумами.

7. Построена теоретическая'модель цростракствениого разделения заряда в полупроводниках при облучении легкими нонами. Теоретически исследовано формирование структуры из трех последовательных разноименно заряхенных областей.

8. Выявлены условия возникновения профиля внутреннего поля, отвечающего требованию' формирования' высококачественных переходов.

Практическая ценность результатов диссертации состоит в том, что они позволяют-определить коэффициент РСД в широком диапазоне парамётроз полу1фоводтжового кристалла и бомбардиругагоих частиц, что необходимо' да! -обеспечения радиационной устойчивости полупроводниковых элементов" микросхем. Кроме того указаны способы экспериментального определения;параметров, определяювдх устойчивость элементов в условиях как слабого непрерывного,, так и интенсивного импульсного облучения, что монет примеачться при конетруи-

рованки наземных и космических фотшриемников. Результаты цис- .. сертации могут использоваться в практических "задачах, ионной' имплантации для формирования профилей ионов заданной конфигура-• ции. В" работе предло;кен способ формирования р-П переходов, с - .,.'_' заданной глубиной залегания и резкостью, что способствует созданию высококачественных полупроводниковых элементов микросхем. -'- ' .'_■■'V•■'.:'.: •''".' ''••-'-.''.•;'•• ': "'''

Апробация результатов работы: весь материал, изложенный в диссертации, опубликован в;печати (в 9 работах). Он излагался • на Всесоюзных конференциях, яроисход1щщ1;х,в 1986-1989 гг; "физические основы надежности и деградации.полупроводниковых приборов" (Кишинев,-1386)', "Радиационная физика и химия ионных • кристаллов"•(Рига,; 1386г.); "математическое моделирование релаксации в элементах микросхем",(одесса, 1980 г.);• "Физика да-/, электриков" (Тшс^-1988);^^Радиацвонная физш<а^хшия р \ неорганических материалов (Юрмала, 1989г.). . !

Структура диссертации. Диссертация состоит'из'введения, . обзорной главы, 3-х глав основного текста, заключения, рисунков, а такЕе списка .литературы из наименований, всего страниц. -' ./•'■.. '..-'- г, ' ;'. '' ; ;'•• '.

КРАТКОЕ СОДЕРШМЕ ДИССЕРТАЩ ' ■. :' ■ ' -В работе исследуется дефектообразующая.релаксация электрон-'

'-:.'.,,-- ТО О ' •

дырочной плазмы высокой плотности (более 10 см),'которая- об-., разуется в результате, облучения неметаллических-кристаллов тяжелыми зарякенншли частицами в ревдме подбарьернох'о каналарования, ■ а такге цря' импульсном облучении (длительность» менее 10 не) ' плотным пучьод} электронов , (с током 10 - 106А). [I-.- б}. - . . ; Согласно литературным источникам в .полупроводниках дефекте-

• образование и" диффузия, обусловленная., релаксацией возбуждений

. ,в электронной подсистеме кристалла практически не осущестгляет-ся в связи с-малым временем жизни возбуждений по сравнении с

• временами, необходимыми для перестройки атомной конфигурации. •Однако.пролет быстрой частицы в полупроводнике сопровождается образованием кильватерного потенциала, локализованного в момент генерации на расстояниях порядка нескольких межатомных от оси

' трека частицы. Релаксация этого локального возбуждения монет

приводить к атомной перестройке даке в идеальной решетке полу' проводникового кристалла. Анализ этих процессов пока не нашел широкого распространения в литературе, хотя указывается, что при генерации электрон-дырочной плазмы высокой плотности в полупроводниках и диэлектриках изменяются пороги известных механизмов дефектообразования и диффузии. •.

Оценивается плотность электронного возбуждения в кильватере

быстрых заряженных частиц на основании анализа процессов распада

■ коллективных колебаний электронов проводимости (плазыонов) высокой

.•энергии'.- Показано, что при прохождении каналироьанкого лучка

протонов с энергией 5 МэЗ : кристаллическом кремнии плотность

?0 1

'электрон-дырочной'плазмы достигает 10 см вблизи трека частиц [1,2], что пр"Зодит к значительному возрастанию скорости различных равдационночз табулированных процессов. В частности, рассматривается" процесс диффузионного прыжка примесного атома в идеальной решетка, стимулированного электроном (или дь1ркой), который -захватывается на локальный уровень примесного атома в запрещенной зоне. Сценка вероятности диффузионного'прыжка сильно зависит от температуры, в связи с чем учтен локальный нагрев возбужденной •области кристалла за счет релаксации энергии "горячих" электронов, .' образу одихся при распаде высокознергетичных плазмонов, сопрово;;:-

дающих пролет быстрых частиц [зХ Получено, что скорость РСД в "чистом" подчфовоцнике при. высоких интенснвностях облучения -каналированным пучком, превдолагающего действие кооператив:1ЫХ механизмов, сравнима, со. скоростью РСД в лримеснкх полупроводгш- Г ках при более мягком облучении. "

Оценивается эффектавность различных механизмов лодпорогозого дефектообразования.в'условиях воздействия капалироваш;н;л цучкск частиц. Вначале,рассматривается электронно-тепловой процесс, то ■ есть реакция образования дефекта Фреыкеля в идеальнол релетко, . стимулированная свободным электроном (или дыркой), зах-

ватывается на локальный уровень образующейся вакансии (или ыэг-доузельного атома).-Показано, что-для эффективного доТ^тос^разо- '-вания по данному механизму при комнатних температурах несводимо показать барьер теплового образования дефекта, сооосц-в атогд дополнительную энергию перядка I эВ. Такая дополнительная кинетическая энергия монет быть передана атому при упругом взаимодействии с пролетающей частицей в зеловиях надбарьерпого кана-лирования [4,5]. Затем рассматривается ряектростагпчсзпий меха-низы подпорогового цефектообразованпя. Показано, что в слаболегированном полупроводнике' (при концентрации примеск < хи^^см-^) в отсутствии эффектов локального нагрева механизмы с электроста- . тической неустойчивостью преобладают над электронно-тепловыми, причем-эффективность первых, обычно малая при столь низком :, -

уровне легирования,- значительно возрастает за счет взаимоцейст-вия атомов с определенной долей нацбарьериых частиц в канапиро-ванном пучке [б][. ' ' > ' :

Построена модель формировании профиля концентрации ионов при их имплантации в полупроводник с дефектами на основе предстаз-'лений о равдациоЕНО-стимулирозанной диффузии, а такке о учетом ■

- ■■ ■■•:? Ч';.'•.,;-"-* # . - , -л'С-Г '- ,-

захвата диффундирувдих ионов на дефекты, представляют®е собой глубокие й мелкие ловушки. Рассматривается имплантация в лгслу-бесконечный монокристаллический полупроводник с дефектами в результате непрерывного воздействия ориентированного пучка ионов при комнатных температурах. В имеющихся теоретических работах по исследованию диффузии примеси, осложненной захватом на дефекты, не учитывается■одновременность процесса диффузии и роста дозы, а также радиационно-стимулировапный характер диффузии при нлзких температурах. 3 то же время эксперименты свидетельствуют о том, .что при комнатных температурах обычные механизмы диффузии в большинстве подупроводников "заморожены", а:перераспределение ионов происходит но, только под действием внешнего'облучения., но и по мере увеличения дозы ишлаптации. Теория, развитая в работах [?-1о] предполагала,■что в каждый момент в ремени в облучаемом кристалле создаётся пространственно-распределенный источник ионов , .

по форме соыадавдей с известными теоретическими распределениями, или с- экспериментальны®! профилями для малых доз в случае канали-рованкя, для.которого теория недостаточно хорошо развита. Кроме накопления ионов в результате действия источника, изменение концентрации со временем связано о РОД, захватом на глубокие ловушки, а такав захватом на мелете ловушки и тепловым высвобождением из них. Соответствующая система дифференциальных уравнений решена во все.; интервале пространственного, и временного аргументов. Отдельно рлосмстрепн случай ориентированного и неориентированного пучка. Получены стационарные распределения ;; профили, соответствующие различным временам с момента начала имплантации. Исследованы трансформации ковдеьтрациенных профилей цри изуеношга соотношений ненцу параметрами РСД,' глубоких и нехккх ловушек, а такие влияние

'I- -¡1 .

\

ориентации кристалла- относительно пучка ионов.; Показано/.что исследование зависимости распределения концентрации примеси ох дозы ишлантадии позволяет по характеру изменения профилей сделать выводы о механизмах РОД.. . .'

Развитые в диссертации представления о РСД применены к про- \ цессу формирования заряженных областей в узкозоиных полупроводниках при облучении легкиш лонэш и последующем термическом отжиге. Авторами ряда работ экспериментально наблюдалось объемное заряжение некоторых стекол при облучении ускоренные электронами , однако адекватной теоретической интерпретации это явление не получило.

Процесс стратификации заряда представлен в [п, 12} следующим образом. В результате ионной бомбкрдировки в кристалла образуется профиль дефектов в виде нейтральных кулоноьсквх комплексов,; : то есть, создается равное количество дефектов дснорного и акцепторного типов (пар Френкеля и электрон -дырочных пар), которые за очень малые времена распределяются так, что экранируют друг друга.- Далее в процессе отнига происходит разделение нейтральных комплексов на положительные и отрицательные дефекты, имеодде различную подвижность в.кристалле, в результате чего происходит быстрое удаление донорной компоненты дефектов из области имплантации, в то время как профиль акцепторной компоненты сохраняется длительное время, что щзиводит к ой.агной стратификации заряда. В результате.решения соответствующей системы дифференциальных уравнений получено, что распределение заряда представляет собой узкую область отрицательного заряда, окруженную^ цвуия пологитель-но заряженными зонамипричем с увеличением различия скоростей - V диффузии профиль, становится более резким. Такое распределение заряда создает в кристалле внутреннее электрическое поле. Дяя

положительно заряженной частицы оно представляет собой последовательность ускоряющего и запирающего поля. Такой профиль внутреннего поля межот .быть использован для создания р~1Ь переходов заданной формы.и глубины залегания.

ЗМООаЧВНИН

I. Выявлены наиболее эффективные механизмы рациационно-сэмулированной диффузии и подпорогового дефектоооразоваппя в полупроводника:: при пролете интенсивных пучков ориентированных частиц в зависимости от уровня легирования полупроводникового кристалла, сорта и энергии частиц.

.2. Исследованы кооперативные эффекты, оопутству.стае высокой плотности электронных возбуждений, возникавших при' воздействии интенсивных пучков заряженных частиц. С учетом этих эффектов получен коэффициент РСД в беспримесном полупроводнике. Проделаны оценки скорости подпорогового дефектообразования в зависимости от угла влета п эперпз/. част»ч в ориентированном пучке. Учтено влияние "надбарьернкх" частиц в канг.лпроьанном пучке на процесс создания радиационных дефектов.

3. Разработан ме?оц экспериментального разделения двух вкладов, ^носимых каналкрованной чаеткцел в дефекгообразованге -потенциального (связанного с созданием и последующим распадом кильватерного пакета электронных и атомных возбуждений) и ударного- за счет регулирования угла влета частиц. ■

- 4. Проведено математическое кодолнравпшю диффузионного перс-распределения профиля вшдйнтпровгшшх ионов,соложненнсго захватом на дефекты двух сортов - глубокие и мелкие лояуыки. Задача псиона во-всем интервале.простразсгвгнртого п ьреузкиого аргументов как

аяя случая нсорпентарованного иучла, та: л в услов:;лх кайа/^.'рс^й;;;;.':. ' {?■

Подучены зависимости формы концентрационного профиля от дозы имплантации и от доли деканапнровашшх в процессе .рассеяния ионов.

5. Дана теоретическая интерпретация явлению пространственного разделения заряда в узкозонных полупроводниках под действием облучения легкими ионами. Получена структура из чередующихся разноименно заряженных областей и рассчитан профиль соответствующего ей внутреннего электрического поля. Обоснована возможность использования таких структур для создания высококачественных переходов заданной формы и глубины залегания.

Основные печатные работы.по теме диссертации;

1. Корнеева Л.А., Ыазур Е.А., Руденко А..И. Кооперативные эффекты в кильватере бысирых ориентированных частиц в полупроводниках. - ФШ, 1989, т.23, № 5, с. 835-838.

2. Корнеева Л.А. .Мазур Е.А., Руденко А.И. Релаксация электронной подсистеш диэлектрика при прохождении интенсивного пучка каналированных частиц. - Мат.' 6-й Всес.ионф. по физике диэлектриков, Томск, 1988. ,• _ ■■

3. Корнеева Л.А., Мазур Е.А., Руденко А.И. Радиациокно-стимулирозанная диффузия при проховдении быстрых ориентированных частиц в полупроводниках. - М.: Препринт ЩФИ, й 060-88, 1988,

12 с. ■ ■ , . ' .

4. Корнеева Л.А/.Ь&зурЕ.А. Подпороговал генерация дефектов при прохождении быстрых ориентированных частиц в полупроводниках. - В кн.: Кинетические процессы и возбуждения в полупроводниках и диэлектриках. - М.: Энергоатоыиздат, 1989, с.27-35.

5. Корнеева Л.А., Мазур Е.А. Кооперативные эффекты при прохождении интенсивного пучка каналированных частиц через .полупроводник. Седьмая Всесоюзная конференция по радиационной

• физике и химии неорганических материалов. Тезисы докладов. Часть I. ИФАК ЛССР, 1989 г. с. 59-60.

6. Корнеева Л.А.,. Мазур Е.А., Руценко А.И. Увеличение эффективности электростатического механизма дефекгообразования под действием каналированного пучка частиц. - ФТП, 1989, т.23, И 7, с. 168-170. '.'-.,.-■

7. Корнеева Л.А.', Мазур Е.А:, Руденко А.И. Прсстранственно-

. временная эволюция профиля-имплантируемых ионов в полупроводниках . в. присутствии радиационных дефектов. - ФТП, 1963, т. 20, 8, с. 1546-1548.

8. Корнеева Л.А.',- Мазур Е.А,, Руденко А.И. Радиационно-индуцированное перераспределение имплантированных ионов в полупроводниках о дефектами, - ФТЛ, IS86, т.20, $ II, с.2023-2028.

9.'Корнеева Л.А., Мазур Е.А., Руденко А.И. Формирование профиля конов, имплантируемых ориентированным пучком в полупроводник .О дефектами., - ФШ, 1988, .'.22, & IG, с. 1859-1862.

10. "Корнеева Л.А., 1«5азур' й.А.., Руденко А.И. Влияние дефектов на диффузионное перераспределение внедренных ионов в полу-бескопечный полупроводник в условиях каналированпя. - Тез.докл.

■ 2 Бсес. конф. "Физические основы надежности и деградации полу; проводниковых прибороз", Кишинев,. 13-16 мая 1986г. t

11. Корнеева Л.А., I/азур Е.А., Р.?цепко А.И. Рациавдонно-индуцярованная стратификация заряда в узкозонных полупроводниках. - Ш, 1989, т.23, Je II, с. 1992-Ш6.