Модель кластеризации примесей с участием вакансий

При имплантации таких примесей, как мышьяк и сурьма, даже при относительно небольших энергиях и дозах, не превышающих 10¹³ см^-3, происходит аморфизация кремния. Внедрение легких примесей – бора, фосфора может привести к аморфизации при высоких дозах, больших 10¹⁴ см^-3. В этом случае в кремнии образуется зона, насыщенная вакансиями, даже при неполной аморфизации кристалла.

Образование вакансий и их обмен с атомами, диффундирующими в кремнии изображены на рис. 4.

При внедрении бора с дозой, превышающей 10¹⁴ см^-3 и небольшой – 5 кэВ энергией возможно образование кластеров, но при взаимодействии не с междоузельными атомами и самыми междоузлиями, а с возникающими здесь вакансиями. В том случае, когда каким-либо способом в кремнии перед легированием бором создается аморфная область, например, при бомбардировке подложки ионами самого кремния, наблюдается также кластеризация, причем количество атомов и вакансий в кластере n может быть велико, а энергии образования кластеров оказываются на порядок величины выше, чем при образовании кластеров, включающих междоузлия.

Рис. 4. Образование вакансии в кремнии (а,б,в) и ее обмен с диффундирующим атомом (г,д,е)

а – расположение атомов в решетке кремния.

б – образование вакансии,

в – вакансия после релаксации,

г – диффундирующий атом (d) занимает седловую точку,

д – диффундирующий атом занимает вакансию,

е – релаксация кристалла после обмена атома с вакансией.

На рис. 5 показано 2 кривых распределения бора, имплантированного в кремний с энергией 5 кэВ и дозой 2·10¹⁴ см^-2 (сплошная кривая), а пунктирной кривой отмечено распределение бора при тех же условиях, но в полупроводнике, предварительно подвергнутом бомбардировке ионами кремния с энергией 100 кэВ. В обоих случаях проводился двустадийный отжиг при температурах 800⁰С в течение 1 мин и 1000⁰С 15 сек.

Рассчитаны энергии образования кластеров, содержащих n вакансий в кремнии. Кластеры могут присоединять вакансию или ее терять:

а также взаимодействовать с междоузлиями:

.

Причем, форма кластеров предполагает две модификации. Малые кластеры (n < 24) представляют собой гексагональные образования, большие по размеру – сферические (рис. 6). Гексагональная форма энергетически более выгодна. Энергия, необходимая для образования кластера, связана с его размером:

Как и кластеры мышьяка, с ростом температуры отжига кластеры бора диссоциируют, так что при высокой температуре (выше 1000⁰С) вся примесь приходит в активное состояние.

Рис. 5. Распределение бора, имплантированного в кремний (сплошная кривая и в кремний, предварительно подвергнутый бомбардировке ионами Si (пунктирная кривая)

Рис. 6. Зависимость энергии образования кластеров бора от их размера.

Гексагональная форма – сплошная линия, сферическая форма – пунктирная линия.

2. ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ ПРИ ОКИСЛЕНИИ КРЕМНИЯ.

При термическом окислении легированного кремния наблюдается ускоренная диффузия основных примесей – B, P, As. Это диффузия ускоренная окислением – ДУО. Вместе с тем наблюдается также рост окислительных дефектов упаковки – ОДУ. Эти дефекты связаны с междоузельными атомами в кремнии, их концентрация может как расти, так и уменьшаться с изменением температуры окисления. С ростом температуры концентрация ДУО уменьшается. Известно, что рост окисла на поверхности кремния требует избыточного свободного объема, что, по-видимому, обеспечивается стоком к границе раздела кремний-окисел вакансий. Генерируемые на границе окисления междоузельные атомы способствуют ускорению диффузии примесей, двигаясь в кремнии по междоузельному с замещением механизму. исключение составляет лишь Sb, коэффициент диффузии которой при окислении уменьшается, т.е. происходит диффузия замедленная окислением – ДЗО. Замедление диффузии сурьмы вполне понятно, т.к. диффузия этой примеси может осуществляться только по вакансиям, концентрация которых при окислении резко уменьшается.