2.1.3. Глубокое проникновение по границам зерен. Стержнеобразные дефекты

При имплантационном легировании монокристаллов приходится иметь дело с дефектами точечными (нульмерными), линейными – типа дислокаций (одномерными), плоскостными типа дисков, лент и стержней (двумерными) и объемными кластерами и порами (трехмерными). Как уже отмечалось выше, имплантация ионов приводит к возникновению механического напряжения в имплантационном слое (сильное двумерное сжатие в плоскости, параллельной поверхности) и под ним (слабое растяжение в той же плоскости). По-видимому, наиболее эффективная релаксация этих напряжений (точнее, сглаживание градиента напряжений) может происходить за счет диффузии вглубь точечных дефектов междоузельного типа и прорастания междоузельных двумерных дефектов типа лент и стержней вглубь, за легированный слой (Lambert J. A., Dobson P. S. The structure and formation of radiation defects in ion implanted Si // Phil. Mag., 1981. Vol. 44A, № 5. P. 1043–1053).

В поликристаллических мишенях кроме названных дефектов большую роль играют границы зерен. Известно, что именно эти «слабые места» обычных материалов ответственны, в частности, за резкое несоответствие реальной и расчетной механической прочности поликристаллических образцов (при том, что для монокристаллических образцов согласие расчета с экспериментом вполне хорошее). Естественно, что и в рассматриваемом случае имплантационного легирования релаксация механических напряжений будет происходить, прежде всего, за счет перестройки границ. Существенной особенностью здесь является то, что непосредственно под имплантационным слоем материал подвержен растягивающим усилиям, в то время как сам имплантационный слой сжат. Таким образом, избыточные атомы из этого слоя будут выдавливаться внутрь (если, конечно, подвижность их для этого достаточна) и концентрироваться в областях межкристаллитных границ (Tandon L. J., Harrison H. B., Neoh C. L., Short K. T., Williams J. S. The annealing behavior of Sb implanted poly-Si // Appl. Phys. Lett., 1982. Vol. 40, № 3. P. 228–231) (поскольку именно там больше всего оборванных межатомных связей и легче всего найти место для лишнего атома). Такое «декорирование» границ зерен примесными атомами, естественно, вызывает дальнейшее локальное продвижение области механического напряжения вдоль этой границы. Известно, что любая диффузия идет по границам зерен значительно быстрее, чем по внутренним областям кристаллитов, то и втягивание примеси, естественно, будет идти практически только по межкристаллитным границам. Причем скорость этого продвижения примеси должна существенно зависеть от угла наклона границы к плоскости поверхности. Последний факт нетрудно проверить, если выявить (например, по окрашиванию шлифа, срезанного перпендикулярно к поверхности легирования, или по поверхностному распределению примеси на том же шлифе оже-методом) распределение примеси по плоскости.

2.1.4. Импульсный отжиг имплантационных слоев

Достаточно широкое распространение получил также метод отжига дефектов имплантационного происхождения мощным кратковременным энергетическим импульсом. Причем эта энергия вносится в имплантационный слой либо электронами (Лидоренко Н. С., Месяц Г. А., Рябиков С. В. и др. Об использовании сильноточных электронных пучков для отжига полупроводников // ЖТФ, 1981. Т. 51, № 6. С. 1303–1306) либо ионами (в том числе и теми, которыми проводится легирование) (Baglin J. E. E., Hodgson R. T., Chu W. K., Nert J. M., Hammer D. A., Chen J. L. Pulsed proton beam annealing: semiconductors and silicides // Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res., 1981. Vol. 191, № 1–3. P. 169–176) либо плазмой (Гаврилов А. А., Качурин Г. А. Отжиг имплантационных слоев кремния в плазме импульсного газового разряда // ФТП, 1981. T. 15, № 6. C. 1232–1234).

Механизмы воздействия на имплантационный слой импульсного облучения принципиально различны для миллисекундного и наносекундного режимов. Главнейшее различие состоит в том, что при наносекундном воздействии эффективное легирование достигается, как правило, только при условии, что облучаемый слой переплавляется (хотя бы частично). При миллисекундном же воздействии все процессы происходят в твердой фазе, плавление материала не происходит (во всяком случае, оно не обязательно). Общим же для обоих режимов импульсного отжига является то, что в обоих случаях слой переводится из одного неравновесного состояния (с избыточным содержанием дефектов имплантационного происхождения) в другое, тоже неравновесное состояние (с избыточной растворимостью примеси и, возможно, с дефектами, вызванными самим импульсным облучением). Так вот, оказывается, это конечное неравновесное состояние может быть существенно не одним и тем же для наносекундного и миллисекундного режимов, и одна из причин этого – неодинаковое развитие механических напряжений и деформаций.

При наносекундном импульсном отжиге после мгновенного расплавления поверхностного слоя происходит почти столь же быстрая рекристаллизация этого слоя. После окончания кристаллизации происходит сравнительно медленное охлаждение уже твердого слоя. Поверхностные слои материала испытывают растягивающие напряжения.