8.4.Влияние радиационных дефектов

Внедрение ионов в мишень приводит к образованию радиационных дефектов кристаллической решетки, их природа сложна и зависит от кристаллографическая ориентация, температура мишени, размер и масса внедренных ионов. При внедрении ионов в кремниевую кристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов Si. Легкие и тяжелые ионы производят качественно различные изменения в материале подложки. Легкие ионы (например, ¹¹В) в большей степени испытывают электронное торможение. После их замедления ядерное торможение начинает превалировать над электронным. Тяжелые ионы (например, ³¹Р, ⁷⁵As) начинают рассеиваться на первых атомных слоях мишени. В этом случае рассеянию подвергаются в значительной степенями атомы мишени. Плотность радиационных дефектов в обоих случаях повторяет распределение длин пробегов выбитых из узлов кристаллической решетки атомов кремния (рис. 8.14).

Рис. 8.14. Расчетные профили распределения плотности введенных ионной имплантацией дефектов а—бора; б—мышьяка

На рис. 8.15 показано экспериментально опредекленное распределение атомов бора, внедренных с энергией 100 кэВ в кремний и распределение радиационных дефектов.

	Если передаваемая ионом энергия превышает энергию связи атомов в решетке, атомы смещаются и покидают узлы решетки, в результате чего образуются дефекты Френкеля – вакансии и атомы в междуузлиях.
Рис. 8.15. Профили распределения дефектов и атомов бора

Поскольку первичная энергия иона велика, на пути его перемещения внутри полупроводника образуются многочисленные дефекты смещений, сливающиеся в зоны размером 5... 10 нм.

Скопление простых дефектов называют кластером радиационных нарушений. Решетка в кластере сохраняет кристаллическую структуру. Уровень Ферми в центре кластера близок к предельному положению, определяемому уровнями дивакансий, а в оболочке он может располагаться вблизи середины или в верхней половине запрещенной зоны в зависимости от типа комплексов.

Накопление кластеров радиационных нарушений приводит к разупорядочению структуры и аморфизации кристалла. Существует три точки зрения на аморфизацию. Согласно первой аморфизация является результатом накопления и слияния отдельных аморфных областей, согласно второй – она происходит путем накопления простых дефектов, их последующей коагуляции, согласно но третьей – процесс аморфизации обусловлен ростом аморфной фазы на зародышах, роль которых играют многовакансионные образования, так называемые VV-центры. Критическая доза ионного облучения, при которой полупроводник переходит из кристаллического состояния в аморфное, называется дозой аморфизации.

Доза облучения, необходимая для аморфизации поверхности кремния, составляет 6,2∙10¹⁴ см^-2. Экспериментально установлено, что аморфизация кристалла наступает при условии, если нарушается хотя бы одна тетраэдрическая связь у 40% решетки.

На рис. 8.16,а приведены зависимости доз аморфизации кремния и германия от атомного номера ионов с энергией 30 кэВ, а на рис. 8.16,б доз аморфизации для ионов В, Р и Sb в кремнии. Аморфизация поверхности кремниевой пластины под действием ионов Р происходит более интенсивно, чем под действием ионов бора. Доза аморфизации почти не зависит от энергии ионов, но толщина аморфного слоя растет с увеличением энергии.

а
Рис. 8.16. дозы аморфизации кремния и германия (а) и температурные зависимости доз аморфизации кремния (б)

Когда температура возрастает до некоторой величины, называемой критической температурой аморфизации, то добиться аморфизации кристалла невозможно ни при каких дозах облучения (рис. 8.16,б). Для бора – Т_кр =24 °С, для фосфора 175 °С, для сурьмы 460 °С.

Переход монокристаллической пластины в аморфное состояние и определяет основную сложность получения легированных слоев глубиной более 1мкм. Увеличить глубину легирования при необходимости можно методом высокотемпературной диффузии.