Радиационные дефекты

Ионное каналирование

Дефекты и способы их устранения

Эффект каналирования наблюдается при попадании иона в свободное пространство между рядами атомов. Как только ион попадает в это пространство, на него начинают действовать потенциальные силы атомных рядов, направляющие его в центр канала. В результате этого ион продвигается на значительные расстояния. Такой ион постепенно теряет энергию за счет слабых скользящих столкновений со стенками канала и, в конце концов, покидает эту область. Расстояние, проходимое ионом в канале, может в несколько раз превышать длину пробега иона в аморфной мишени.

Эффект каналирования характеризуется наличием "хвостов" концентрации атомов, выявляемых с помощью метода масспектрометрии вторичных ионов и "хвостов" концентрации свободных носителей зарядов, обнаруживаемых при проведении электрических измерений. Попытки устранения эффекта каналирования путем ориентации кремниевой монокристаллической подложки в наиболее плотно упакованных направлениях сводят его к минимуму, но не исключают полностью.

Были сделаны попытки практического использования эффекта каналирования при имплантации примеси на большую глубину. Однако в этом случае значительно затруднены управление профилем распределения имплантируемой примеси и получение воспроизводимых результатов из-за очень высоких требований к точности разориентации ионного пучка относительно основных кристаллографических направлений в подложке.

При внедрении ионов в кремниевую кристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако, только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов кремния. Легкие и тяжелые ионы производят качественно различное "дерево радиационных дефектов".

Легкие ионы при внедрении в мишень первоначально испытывают в основном электронное торможение. На профиле распределения смещенных атомов по глубине подложки существует скрытый максимум концентрации. При внедрении тяжелых ионов они сразу начинают сильно тормозиться атомами кремния.

Тяжелые ионы смещают большое количество атомов мишени из узлов кристаллической решетки вблизи поверхности подложки. На окончательном профиле распределение плотности радиационных дефектов, который повторяет распределение длин пробега выбитых атомов кремния, существует широкий скрытый пик. Сложная структура различных типов дефектов вдоль траектории движения иона вызвана распределением смещенных атомов кремния.

Вводимые в процессе ионной имплантации дефекты состоят из вакансий и дивакансий. При нагреве мишени пучком ионов в процессе имплантации до температуры выше 500 °С будут образовываться дислокации.

При внедрении ионов они подвергаются электронным и ядерным столкновениям. Только ядерные столкновения ведут к смещению атомов кремния.

В течение 10^-13 с - ион отталкивается; 10^-12 с - тепловые колебания решетки возвращаются к равновесным; 10^-19 с - релаксируют нестабильные нарушения кристаллической структуры.

Легкие ионы ¹¹B испытывают в основном электронное торможение. Тяжелые ионы ³¹P или ⁷⁵As тормозятся атомами кремния. В зависимости от энергии переданной атому кремния (DE) различают следующие случаи (E_d - энергия смещения атома):

DE < E_d - смещения атома не происходит
DE > E_d - образуются простые точечные дефекты
DE >= E_d - формирование стабильных дефектов и вторичные перемещения атомов
DE >> E_d - образуются кластеры дефектов.

Количество атомов примеси замещающих атомы кремния соответствует точно количеству падающих ионов после их торможения в подложке. Однако радиационные дефекты создают большее число энергетических состояний с глубокими уровнями, чем количество имплантируемых атомов, если не производить отжига структур после имплантации.

Природа реальных нарушений кристаллической решетки сложна и зависит от Т, ориентации и т.д. Общая энергия ионов, вносящая вклад в смещение атомов может быть оценена при предположении, что каналирование, тепловая диффузия и эффекты насыщения незначительны в процессе торможения.

Дата добавления: 2014-12-27