5.2.2 Радиационные эффекты
При ионном легировании полупроводников концентрация свободных носителей заряда в легированном слое оказывается меньше концентрации внедренных ионов примеси, что установлено, например, путем внедрения радиоактивных изотопов [2]. Причина этого в том, что внедренные ионы, теряя энергию, останавливаются как в междоузлиях, так и в узлах кристаллической решетки. В междоузельном положении ионы примеси электрически неактивны. И только останавливаясь в узлах кристаллической решетки они создают свободные носители заряда и определяют тем самым электропроводность легированного слоя полупроводника.
Таким образом, из-за того, что часть атомов примеси оказывается в междоузельном положении, электропроводность инверсионных слоев существенно отличается от той, которую можно было бы ожидать, на основании расчета концентрации введенных атомов. Чтобы судить о степени отличия вводится величина f, называемая коэффициентом использования вводимой примеси. При внедрении акцепторной примеси
где pp – средняя концентрация дырок в инверсионном слое; NД - концентрация доноров в исходном кремнии; NА – средняя концентрация введенных атомов акцепторной примеси. Аналогично можно ввести коэффициент использования при внедрении донорной примеси. Если каждый введенный атом примеси становится ионизированным акцептором или донором, то коэффициент f практически равен единице.
Электрические свойства легированных слоев зависят и от так называемых радиационных структурных дефектов, которые возникают при бомбардировке поверхности полупроводника ионами с высокими энергиями. Ионы при внедрении в кристалл и взаимодействии с кристаллической решеткой образуют структурные дефекты типа дефектов по Френкелю. Эти дефекты создают вблизи поверхности полупроводника сильно разупорядоченные области.
Структурные дефекты сильно влияют на электрические свойства легированных слоев полупроводника. Прежде всего, они снижают подвижность носит елей заряда. В результате электропроводность легированных слоев будет определяться не только концентрацией введенной примеси, но и концентрацией структурных дефектов. Кроме того, структурные дефекты приводят к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника, увеличивая скорость рекомбинании.
Измерения показывают, что число дефектов решетки нарастает линейно с ростом дозы облучения. При больших дозах наступает насыщение, которое можно объяснить тем, что отдельные дефекты сливаются, образуя сплошной разупорядоченный слой, уже не имеющий кристаллической структуры.
Для снижения концентрации дефектов после ионного внедрения проводят отжиг полупроводниковых пластин. Чем больше структурных нарушений, тем выше должна быть температура отжига и наоборот.
Проведение отжигов при Т = 400 – 900 ºС приводит к возрастанию коэффициента использования примеси, поскольку тепловое возбуждение кристаллической решетки способствует расположению ионов в ее узлах. Для любой дозы коэффициент использования после отжига приближается к единице, но чем выше доза, тем более высокая температура для этого требуется.
При отжиге дефектов и активации примеси за счет диффузии происходит размывание концентрационного профиля. Для его установления можно найти решение одномерного уравнения диффузии для ограниченного источника примеси, представляющего собой легированный слой с гауссовым распределением примеси. Если, как и ранее, при рассмотрении диффузионных процессов предположить, что поверхность кремниевой пластины является отражающей границей, т. е. обратная диффузия примеси из подложки отсутствует, а коэффициент диффузии не зависит от концентрации внедренных ионов, то распределение внедренных ионов после отжига дефектов будет описываться функцией Гаусса
Изменение концентрационного профиля при отжигах пластин после ионного внедрения может быть устранено при применении для отжига лазерного излучения с энергией 1 - 100 Дж/см2. Отжиг проводится в течение короткого времени, составляющего единицы секунд, поэтому заметной диффузии внедренной примеси не происходит. При этом быстрый лазерный отжиг обеспечивает такую же электрическую активность внедренной примеси, как и обычная термическая обработка. Принцип быстрого отжига дефектов состоит в том, что в результате воздействия лазерного луча происходят процессы твердофазной или жидкофазной эпитаксии.