Радиационное повреждение кремния низкоэнергетическими ионами гелия

• Автор: Сохацкий, Александр Станиславович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 123 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Радиационное повреждение кристаллов 81 ускоренными ионами

1.1. Взаимодействие ускоренных ионов с кристаллами кремния

1.1.1. Электронное торможение

1.1.2. Упругое рассеяние ионов

1.1.3. Точечные радиационные дефекты

1.1.4. Каскады смещений

1.1.5. Ионное легирование

1.2. Радиационно индуцированная аморфизация кристаллов

1.2.1. Критерии аморфизации

1.2.2. Механизмы аморфизации Б
1.3. Поведение ионно-имплантированного гелия в кремнии
1.3.1. Причины интереса к имплантации Не в Б
1.3.2. Положение атомов Не в Б1 решетке
1.3.3. Взаимодействие атомов Не с радиационными дефектами
2. Экспериментальные методы
2.1. Выбор материала
2.2. Приготовление объектов для ПЭМ
2.2.1. Струйная электрополировка
2.2.2. Определение толщины объекта для ПЭМ
2.2.3. Ионное распыление
2.3. Облучение
2.3.1. ЭЦР-источник
2.3.2. Облучение тонких пластинок Б
2.3.3. Вычисление профилей радиационного повреждения и легирования
Спектры ПВА
Профили повреждения и легирования в тонких кристаллах
Параметр ионной имплантации гелия К = Сй/СНе {смещений/атом Не)
2.4. Апробация методики “продольного сечения”
2.4.1. Экспрессный ПЭМ-метод “продольного сечения”
2.4.2. Имплантация ионов углерода и азота
2.4.3. Имплантация аргона
2.4.4. Облучение И+ + Не+ и Аг8+ + Не+
2.5. Вывод
3. Общая характеристика радиационного повреждения тонких кристаллов кремния ионами Не+
3.1. Основные структурные изменения в тонких кристаллах Я1 вдоль пробега
низкоэнергетических а-частиц
3.2. Роль поверхности тонкого кристалла Si как диффузионного стока для радиационных дефектов
3.3. Поведение ионно-имплантированных атомов Не в тонких кристаллах Si
3.3.1. Наблюдение гелиевых пор в тонких образцах Si. Эффект упорядочения гелиевых пор
3.3.2. Количество гелия в порах
3.3.3. Количество и состояние имплантированных атомов Не в тонких кристаллах Si
3.4. Влияние толщины образца на профиль радиационного повреждения кремния а-частицами
3.5. Влияние параметра облучения К на состояние атомов Не в Si
3.5.1. Эксперимент
3.5.2. Структурные изменения в планарном Si кристалле после отжига
3.5.3. Анализ контраста ПЭМ изображений дефектов
3.5.4. Количество междоузельных атомов Не в Si
3.6. Выводы
4. Аморфизация кристаллов Si ионами Не+
4.1. Условия аморфизации Si а-частицами
4.1.1. Параметры облучения, определяющие повреждение Si
4.1.2. Измерение аморфных слоев
4.1.3. Диаграмма состояния Si в результате облучения а-частицами
4.2. Вывод
5. Треки а-частиц в аморфном Si, легированном гелием
5.1. Экспериментальные свидетельства образования треков низкоэнергетических а-частиц
5.2. Обсуждение
5.3. Вывод
Приложение: Радиус трека низкоэнергетической а-частицы в a—Si
6. Рекристаллизация аморфного кремния, легированного атомами Не
6.1. Отжиг слоев a—Si : Не
6.1.1. Эксперимент
6.1.2. Медленное (0.5°^') нагревание
6.1.3. Ускоренное (15°с"!) нагревание
6.2. Наноразмерные кристаллиты в a—Si, легированном Не
Заключение
Список литературы
Введение
Актуальность темы
Ионная имплантация является одним из наиболее перспективных методов контролируемого введения легирующих элементов в полупроводниковые материалы, прежде всего в кремний - основной материал современной микроэлектроники. Ионно-имплантационное легирование кремния обладает существенными технологическими преимуществами перед традиционными диффузионными методами, поскольку позволяет:
- контролируемым образом вводить точные концентрации легирующих атомов, повышая воспроизводимость параметров приборов;
- сократить на порядки время введения легирующих атомов;
- обеспечить чистоту технологии путем сепарации ионов по массам в ускорителе;
- создавать строго локализованные легированные области в кристалле, в том числе с субмикронными размерами;
- проводить легирование при низкой (~комнатной) температуре кристалла;
- проводить легирование через пассивные слои (нитриды, оксиды кремния и др.);
- создавать пересыщенные твердые растворы.
Для решения конкретных задач ионной модификации исходных кристаллов Б1 в настоящее время уже найдены оптимальные условия облучения, типы и энергии частиц. Широко используются ионы различных химических элементов, например, ионы элементов III и V групп (В, Р, Аэ, БЬ) - для легирования 81 электрически активной примесью; ионы Б1 и Ое - для аморфизации кремния; ионы С, 14, О - для создания в кристаллах изолирующих слоев; металлические ионы, например, Ре и Со - для создания проводящих слоев.
В последнее время проявляется большой интерес к наиболее легким частицам, таким как протоны и а-частицы. Это обусловлено тем, что сегодня имеются данные о перспективности их использования для решения ряда важных прикладных задач кремниевой технологии, в частности, газового скалывания (технология “ЗтаР-Са!:”) при производстве структур «кремний-на-изоляторе» [1,2], геттерирования неконтролируемых примесей и дефектов из активной зоны приборов [3,4]. Важным элементом технологического применения пучков легких ионов является, кроме того, легкость их получения и широкий диапазон пробегов ионов (от ЮОнм до 1мм) при высоких интенсивностях ионных пучков.
Хотя первые эксперименты по имплантации в Э1 а-частиц относятся еще к 1952г. [5], исследования радиационных эффектов имплантации ионов гелия до недавнего времени носили эпизодический характер. При оценке особенностей радиационного повреждения Б1 часто не учитывались накопление и свойства примесного гелия, его взаимодействие с радиационными дефектами, а также роль ионизационных процессов.
В последнее время, в связи с технологическим интересом, основной упор исследований был сделан на поиск условий для образования пористых слоев в Б1 с удобными размерами и структурой. При этом радиационно-индуцированные процессы при имплантации высоких доз Не остаются по существу не изученными. В частности, отсутствует пока объяснение аномальному характеру радиационного повреждения 81 большими дозами

дуемую структуру не вносятся артефакты, в основном, из-за радиационного повреждения ионным пучком и/или из-за перегрева образца. С этой целью используются:
- скользящий пучок ионов, с углом к поверхности < 6°;
- низкая энергия ионов, < 5 кэВ;
- плотность тока пучка в пределах 1 мА-см'2;
- вращение объекта во время полировки.
Все эти условия реализованы в разработанном и изготовленном устройстве, схема которого приведена на рис.2.6. Устройство собрано на базе установки ВУП-4 и конструктивно состоит из ионной пушки и из вставляемого в ее основание 1 механического привода 5 с мишенным узлом 6. Привод позволяет выполнять вращение объекта в интервале ±90°, а также его наклоны на углы в пределах ± 10° по отношению к пучку ионов. В качестве рабочего газа для получения ионов используется Аг.
Ионная пушка работает по принципу разрядной трубки с самостоятельным тлеющим разрядом и конструктивно состоит из: катода 1, являющегося одновременно корпусом для размещения в нем мишенного узла и средств откачки - выходного патрубка 7 и клапана 8; антикатода 2 с трубкой подачи рабочего газа; полого анода 3, являющегося также фокусирующим электродом. Анод соединяется с обоими катодами стеклянными трубками 4. Для подстраивания фокусировки длина главного разрядного промежутка может слегка варьироваться. Помимо этого, в конструкции пушки используется идея увеличения эффективности ионизации газа за счет разряда Пеннинга. Необходимое магнитное поле формируется внутри полого анода двумя кольцевыми постоянными магнитами 9 из интерметаллида SmxCOy с векторами намагниченности, перпендикулярными плоскости магнитов. Ход магнитных силовых линий показан на рисунке.
Благодаря эффекту Пеннинга, после включения ускоряющего напряжения холодная плазма локализуется в пространстве внутри анода, вдоль оси пушки. Электрическое поле вытягивает ионы Аг+ из области анода, после чего они фокусируются в центрах обоих катодов из алюминия. Далее, пройдя через коллиматорное отверстие 11 диаметром 0.7мм в центре катода, пучок ионов 12 направляется на ПЭМ-объект 10, находящийся в мишенном узле. Интенсивность пучка варьируется путем настройки системы напуска газа (на рисунке не показана) и вакуумной откачки через клапан 8, а также подстройкой ускоряющего напряжения.
Важным моментом при ионной обработке является ориентация образца мишенным приводом относительно направления ионного пучка. Так, в случае ПЭМ-объектов для экспериментов в “cross-section”, для того чтобы избежать возможного стравливания материала с торца объекта образцы ориентируется непременно торцом от пучка, как это показано на рисунке. Кроме того, такая ориентация образцов предотвращает также и запыле-ние поверхности просмотрового участка кремнием, который мог бы лететь с граничных участков углубления (отклоненных от пучка сильнее, чем просмотровый, и потому более интенсивно распыляемых).