14.5. Распределение пробегов ионов в монокристаллических подложках. Эффект каналирования

Распределение пробегов ионов в монокристаллических мишенях отличается от их распределения в аморфных тем, что в монокристаллах бомбардирующие ионы могут каналировать, если падающий пучок ионов параллелен одному из кристаллографических направлений с низкими индексами.

Движение ионов строго по центру канала имеет малую вероятность, однако может существовать траектория, осциллирующая около оси канала, если имплантированные ионы передвигаются с помощью последовательных легких соударений с атомами, образующими "стенки" канала. Такая траектория движения показана на рис.14.7, где направление пути иона составляет угол с осью канала. Здесь преобладает электронное торможение, и средний пробег движущихся ионов, которые удерживаются около оси канала, превышает их пробег в аморфной мишени.

Рис.14.7. Траектория движения каналированного иона

Максимальный угол , при котором исчезает направляющее действие атомов мишени, называется критическим углом каналирования. Критический угол каналирования может быть приближенно вычислен из соотношения

_крит = (2Z₁Z₂ e²)/(4_oEd)^1/2, (14.19)

где ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,8510^-14 Ф/см;d- постоянная решетки для кремния, равная 0,54310^-7см;е- заряд электрона;Е- энергия иона, Дж.

Каналирование в реальном монокристалле всегда сопровождается эффектом деканалирования – выходом иона за пределы канала с последующим торможением в соседних с каналом областях решетки. Деканалирование связано с рассеянием ионов на дефектах решетки, главным образом на радиационных, возникающих в процессе ионного легирования. Этот эффект может наблюдаться даже при углах падения пучка, меньших критических. Совместное влияние каналирования и деканалирования ионов в значительной степени усложняет профиль распределения внедренных частиц по сравнению с распределением в аморфной мишени (рис.14.8).

Рис. 14.8. Типичные профили распределения примеси при каналировании первичных ионов: 1 – деканалирование минимально; 2 – деканалирование сильно выражено

В ряде случаев эффект каналирования можно рассматривать как положительно влияющий на процесс легирования, так как глубина проникновения ионов в мишень увеличивается. Однако, ввиду того, что расчет распределения и его прогнозирование с учетом каналирования весьма сложны, в практике используют вариант расчетов с аморфной мишенью. При этом считают ионные пучки ориентированными так, что углы падения превышают критические для каждого типа мишени.

На эффект каналирования влияет температура мишени, доза облучения, разориентированные и разупорядоченные поверхности. Так, при повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов, что приводит к снижению величины .

14.6. Аморфизация и рекристаллизация подвергнутого имплантации кремния

Ядерные столкновения сопровождаются большими потерями энергии иона и приводят к значительному изменению направления его движения. Они обусловливают разупорядочение структуры мишени (рис.14.9), образуя на пути внедрения целые области (кластеры) 3 с нарушенной структурой, содержащие высокую концентрацию дефектов по Френкелю, или в поверхностном слое 2 - дефектов по Шоттки. В образовании кластеров принимают участие и атомы отдачи, обладающие энергией, превышающей энергию связи атома мишени в узле решетки. Размеры кластеров могут достигать 10 нм. Их перекрытие при большой плотности падающих ионов может привести к образованию макроскопических аморфизованных областей кристалла. Для каждого типа мишени и массы внедренных ионов существует предельное значение плотности ионного потока, называемое дозой аморфизации.

При электронном рассеянии потери энергии иона в каждом акте столкновения существенно меньше, изменение первоначального направления его движения незначительно, а дефекты обычно не образуются.

Теория ЛШШ позволяет найти число смещенных атомов на 1 см². При небольших дозах облучения это число равноQN_d, гдеQ- доза облучения;N_d- среднее число атомов, смещенных одним внедренным ионом. Наиболее простоN_dможно оценить приE>>E_dпо формуле Кинчина-Пиза:

N_d = Е/(2Е_d),(14.20)

где Е- энергия иона;Е_d- пороговая энергия смещения атома мишени в междоузлие (для SiЕ_d= 22 эВ).

Распределение радиационных дефектов в кристалле в общем случае повторяет распределение внедренных атомов, однако максимумы этих распределений для дефектов сдвинуты в сторону поверхности мишени по сравнению с максимумами профилей внедрения. Учет эффекта каналирования приводит к появлению глубинных "хвостов" в кривых распределения дефектов.

Существует несколько гипотез для объяснения образования аморфизированного слоя в монокристаллической мишени: формирование вдоль каждого трека иона расплавленной области с последующим ее затвердеванием в аморфном состоянии; образование в кластерах аморфных зародышей и их рост за счет стока к ним атомов междоузлий (роль зародышей играют многовакансионные комплексы); разрушение решетки, наступающее при превышении концентраций накопленных дефектов некоторого определенного значения (накопление может происходить либо путем слияния отдельных аморфных областей, либо путем накопления простых дефектов с их последующей коагуляцией).

Рис.14.9. Образование кластера радиационных дефектов: 1 - падающий ион; 2 - поверхность кристалла; 3 - кластер радиационных дефектов

Внедрение тяжелых ионов в кремний при больших дозах облучения приводит к образованию локальных аморфных зон диаметром 3-5 нм. Число этих зон линейно растет с дозой облучения вплоть до насыщения - аморфизации. При легировании легкими ионами основными видами нарушений являются изолированные вакансии и атомы в междоузлиях, миграция которых приводит к формированию кластеров или комплексов с примесными атомами. Такой аморфизованный слой имеет свои особенности. Он состоит из двух аморфизованных областей, поверхностной и внутренней, разделенных тонкой монокристаллической областью. Поэтому следует различать три критические дозы: дозу аморфизации поверхностного слоя; дозу внутренней аморфизации и дозу сплошной аморфизации. Если на поверхности не образуется аморфный слой, то доза сплошной аморфизации совпадает с дозой облучения, при которой внутренний аморфный слой, разрастаясь в процессе легирования, достигает поверхности. Доза аморфизации зависит от атомного номера и от температуры мишени.

Активация примесных атомов.Внедренные атомы в решетке твердого тела в основном занимают положения в междоузлиях и не являются электрически активными центрами. Так как цель легирования в микроэлектронике - изменение электрофизических свойств материала, например типа проводимости, то внедренные атомы примеси должны быть электрически активны. Это означает, что ион примеси должен заменить атом вещества в узле решетки и вступить в электронные связи с соседними атомами.

Для активации примесных атомов необходим отжиг, в процессе которого они занимают места в узлах решетки, формируя твердый раствор замещения, и вносят вклад в концентрацию свободных носителей заряда, являясь либо донорами, либо акцепторами.

Зависимость электрофизических свойств легированных слоев от условий ионного легирования и последующего отжига сложна и во многом определяется индивидуальными свойствами вводимой примеси.

Отжиг легированных слоев преследует цель - наряду с восстановлением кристаллической структуры мишени перевести примесные атомы в узлы и по возможности приблизить состояние легированного слоя к равновесному. Для активации примесей проводят так называемый низкотемпературный отжиг, когда скоростью диффузионных процессов в твердом теле практически можно пренебречь. Для кремния это соответствует температурам ниже 1000 ^оС.

Механизм замещения примесными атомами узлов кристаллической решетки может быть различным: динамическое замещение, когда ион встает на место вакансии, образованной им при последнем столкновении; попадание иона в узел в результате рекомбинации примесного атома с диффундирующими вакансиями, образованными данным ионом или его «партнерами»; замещение ионами вакансий в процессе отжига после внедрения (при этом вакансии образуются в ходе распада термически возбужденных дивакансий, кластеров или более сложных дефектов).

Одновременно с процессом замещения происходит и обратный процесс – выход примесных атомов в междоузлия, определяемый взаимодействием атомов примеси с радиационными дефектами.

К некоторым аномальным явлениям в процессе отжига примесей приводит аморфизация поверхности. В процессе рекристаллизации аморфного слоя генерируется большое количество вакансий. Вместе с тем те типы дефектов, которые возникают при локальном разупорядочении решетки, в рекристаллизованном аморфном слое почти полностью отсутствуют. Это приводит к тому, что при температурах отжига, превышающих температуру эпитаксиальной рекристаллизации аморфного слоя, за счет обмена с вакансиями доля замещающих примесных атомов растет по сравнению с отжигом неаморфизованного слоя. Таким образом, при аморфизации поверхностного слоя полупроводника, для того чтобы максимальная доля атомов оказалась в узлах, можно снижать температуру отжига. Удельное сопротивление поверхностного слоя полупроводника при аморфизации поверхности возрастает и сохраняется для всех температур отжига ниже температуры эпитаксиальной рекристаллизации слоя.