3. 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.1.6), 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 аморфизированных областей кристалла. Для каждого типа мишени и массы внедренных ионов существует предельное значе­ние плотности ионного потока, называемое дозой аморфизации.

Рис.1.6. Образование кластера радиационных дефектов: 1 - падающий ион; 2 - поверх­ность кристалла; 3 - кластер радиационных дефектов

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

Теория ЛШШ позволяет найти число смещенных атомов на 1 см². При небольших дозах облучения это число равно QN_d, где Q - доза облучения; N_d - среднее число атомов смещенных одним внедренным ионом. Наиболее просто N_d можно оценить при E>>E_d по формуле Кин­чина-Пиза:

N_d = Е/(2Е_d), (1.23)

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

Распределение радиационных дефектов в кристалле в общих чер­тах 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).

Внедрение тяжелых ионов в кремний при больших дозах облуче­ния приводит к образованию локальных аморфных зон диаметров 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 совпвдает 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. Созданные в результате ион­ной бомбардировки радиационные дефекты можно устранить отжигом. Отжиг ионно-легированных слоев вещества необходим еще и по другой причине. 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.

Подавляющая часть атомов, возникших из внедренных ионов, после окончания процесса легирования электронейтральна и находит­ся в междоузлиях. тжиг, т.е. нагрев вещества до определенной температуры в течение некоторого времени, приводит к термической активации примесных атомов и ускорению процесса диффузии, в ре­зультате которой происходит восстановление структуры решетки и замещение атомов вещества атомами примеси.

Помимо термического и лазерного методов отжига используют также электронно-лучевой метод, который по своему механизму бли­зок к лазерному, а также отжиг с помощью некогерентного мощного оптического излучения. Источником такого излучения являются им­пульсные лампы, которые применяются в системах накачки лазеров.