3.3. Образование радиационных деффектов.

При внедрении в кристаллическую подложку ионы подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов мишени. Именно поэтому ионная имплантация сопровождается возникновением в материале мишени множества разнообразных радиационных дефектов. Общее число смещенных атомов N_d (см ^-3) обычно находят по формуле Кончина и Пиза

N_d = E / 2E_d (3.16)

где E-энергия иона;

E_d -энергия смещения атома мишени.

Следует отметить, что энергию смещения, вычисленную по (16) необходимо рассметривать как верхний предел для числа смещенных атомов, поскольку не учитывается возможность притекания процесса рекомбинации вакансий и междоузельных атомов при ионном легировании. В результате ядерных столкновений в процессе ионного легирования наряду с простейшими точечными дефектами (межузельные атомы и вакансии) могут образовываться более сложные дефекты в виде комплексов точечных дефектов , а также линейные и плоскостные дефекты ( дислокации и дефекты упаковки). Число и вид радиационных дефектов, их распределение по глубине, заряд и подвижность зависят от массы и энергии ионов, дозы облучения, материала мишени, ее температуры и кристаллической ориентации, наличия на ее поверхности загрязнений и т.п. При определенных температурах может происходить релаксация (уничтожение) точечных дефектов или обьеденение их в кластеры. На рис.3 показано распределение концентрации примесных атомов N и дефектов (вакансий) N_d по глубине x при имплантации бора в кремний.

Количество радиационных дефектов растет по линейному закону с увеличением дозы имплантации до наступления насыщения (рис.4). Если концентрация смещенных в устойчивое положение атомов достигает N_Si = 5.10²² см ^-3, то материал мишени меняет свое состояние и становиться аморфным.

3.4. Отжиг легированных структур.

Структурные нарушения, возникающие при ионном легировании, могут существенным образом изменять электрофизические свойства легированных слоев, понижая концентрацию и подвижность свободных носителей заряда. Ионы, теряя энергию, останавливаются как в междоузлиях, так и в узлах кристаллической решетки. Только в последнем случае ионы создают свободные носители заряда и тем самым определяют электропроводность легированного слоя. В междоузельном положении ионы электрически не активны. Таким образом для устранения дефек-тов, возникших в процессе ионного легирования, т.е. для восстановления кристаллической решетки требуется термообработка.

Одной из основных проблем термообработки легированных слоев является определение минимальных температур и времени отжига, необходимых для полной активации доноров и акцепторов при условии полного устранения остаточных дефектов. В связи с этим возникает и другая проблема - достижение полной электрической активности легирующих примесей без их значительного диффузионного пререраспределения. На рис.5 приведена зависимость активности внедренной примеси от температуры отжига. В случае ионного легирования с малой дозой импланта-ции(<8. 10 ^-12 см ^-2) наблюдается монотонное увеличение активности с увеличением температуры отжига. При более высокой дозе имплантации при температурах 773-873К наблюдается участок уменьшения электрической активности примеси, так называемый отрицательный отжиг, и всю зависимость можно разделить на 3 области.

Для области 1(до 773К) характерно наличие точечных радиационных дефектов, концентрация которых больше концентрации свободных носителей заряда. Установлено, что в этой области отсутствуют линейные дефекты (дислокации). Для области 11 (773-873К) характерна структура, содержащая дислокации. В этой области легирующие примеси образуют преципитаты или локализуются вблизи дислокаций. В области 111 концентрация активных атомов примеси увеличивается. Происходит генерация и миграция собственных вакансий кремния, которые взаимодействуют с межузельными атомами примеси, что приводит к распаду комплексов и преципитатов.

Диффузия имплантированных примесей в кремнии в процессе отжига является сложной , даже при отсутствии радиационных дефектов. Если предположить, что коэффициент диффузии является постоянным и, следовательно не зависит от расстояния, времени, концентрации дефектов, то можно записать простое решение гауссовского распределения имплантированной примеси. Если заменить R_p на R_p² + 2Dt, то решение второго уравнения Фика dN/dt =D d²N/dx может быть представлена в следующем виде:

N_S - (x - R_p )²

N(x,t) = -------------------- exp[------------------] (3.17)

2 ( R_p²+2Dt) 2(R_p² + 2Dt)

где D - коэффициент диффузии примеси при данной температуре отжига

t - время отжига