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 температуревыявление 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.
1.2 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 показало, 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 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.
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 вто.
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:
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. 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.
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 49 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. 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.
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 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.
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.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 Всероссийских семинарах, а также 10 Международных конференциях и симпозиумах:
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.
§ 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 вблизиповерхности 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.
3.1 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 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.
