Данилина Т.И., Смирнова К.И. и др. Процессы Микро и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

180

Размеры и характер ОР зависят от массы и энергии бомбарди-

рующего иона, от массы атомов мишени и величины переданной им

энергии, а также температуры мишени. В общем случае ОР состоят из

простых дефектов, а также более сложных дефектов, представляющих

собой комплексы простых дефектов. Тип и концентрация дефектов в

ОР в основном определяются величиной удельных упругих потерь

энергии на единицу длины траектории иона и дозой имплантации.

Сложные дефекты, например, могут возникать непосредственно при

имплантации, если происходит практически одновременно смещение

большого числа атомов в малой области кристалла, т.е. при больших

упругих потерях энергии иона. Этот процесс характерен для имплан-

тации тяжелых ионов (масса иона больше массы атома мишени). Для

легких ионов (масса иона меньше массы атома мишени) доминирую-

щим типом дефектов будут простые. Но и в этом случае при внедре-

нии большого числа ионов за счет перекрытия отдельных ОР концен-

трация дефектов в них будет возрастать с образованием сложных де-

фектов. Если доза имплантации превысит некоторую критическую, то

образуется аморфный слой, т.е. слой, в котором отсутствует как ближ-

ний, так и дальний порядок расположения атомов мишени. Существу-

ет предположение, что вещество переходит в аморфное состояние при

достижении определенной критической концентрации дефектов, кото-

рая по разным оценкам составляет 20–100 % от полного числа атомов

вещества в единице объема.

Для определения числа атомов, смещаемых имплантируемым ио-

ном, воспользуемся теорией Кинчина и Пиза. Кинчин и Пиз ввели по-

нятие характеристической энергии ,

E ниже которой число смещен-

ных атомов примерно равно

,42,0

см

N = (9.18)

где

E — энергия иона, расходуемая в ядерных столкновениях атомов

мишени;

см

E =9,4 эВ для

GaAs

и 14,7 эВ для

Si.

В.В. Юдин для

E дает следующее выражение, приведенное в [5]

1ln

BkA

Если энергия иона ,

то потери энергии на возбуждение

электронов и колебания атомов в решетке преобладают над ядерными

181

потерями. В этом случае общее число смещенных атомов примерно

равно

5,0)(10

см

cc0

см

EEE

(9.19)

Здесь .

)(

kBA

Для инженерных расчетов характеристическая энергия

E может

быть определена как энергия, при которой ядерная тормозная способ-

ность

S равна электронной тормозной способности .

Формулы (9.18) и (9.19) определяют число смещенных атомов,

создаваемых одним ионом. При не слишком больших дозах Q общее

количество дефектов будет равно

см

Распределение концентрации дефектов по глубине )(xN

в пер-

вом приближении также как и распределение концентрации внедрен-

ных ионов описывается нормальным законом

(

)

exp

)(

см

D×

(9.20)

Моменты первого и второго порядка распределения дефектов

пропорциональны соответствующим моментам распределения вне-

дренной примеси

;

ρ2ρ

ρ1ρ

RCR

D=D

где коэффициенты

C и

C зависят от отношения массы иона

M к

массе атома

M мишени (табл. 9.2).

Таблица 9.2

M /

1/10

¼ ½

0,82

0,85

0,83

0,80

0,81

0,87

0,93

2,24

1,58

1,20

0,95

0,88

0,82

0,77

182

Из приведенных данных видно, что ,

ρρ

< т.е. максимум

распределения концентрации дефектов располагается ближе к поверх-

ности по сравнению с максимумом распределения концентрации вне-

дренной примеси. Момент второго порядка распределения дефектов

может быть как больше (легкие ионы), так и меньше (тяжелые ионы)

величины

RD внедренной примеси.

Интегрирование выражения (9.20) при введении ряда допущений

дает концентрацию дефектов в слое внедрения

см

= (9.21)

С учетом (9.18), приняв ,

ρяя

RSE » выражение (9.21) запишет-

ся в виде

.42,0

см

= (9.22)

Концентрация дефектов в слое внедрения тем больше, чем боль-

ше потери энергии на ядерное торможение и больше доза им-

плантации.

При некоторой дозе имплантации

Q концентрация смещенных

атомов (дефектов)

N будет соизмерима с плотностью атомов в по-

лупроводнике, т.е. практически все атомы мишени при внедрении ио-

нов смещаются из регулярных положений. Доза, при которой достига-

ется это условие, получила название дозы образования сплошного

аморфного слоя (доза аморфизации).

см0

= (9.23)

Для того чтобы отжечь вносимые имплантацией радиационные

нарушения, необходима последующая термообработка. Кроме того,

внедренные ионы после имплантации электрически не активны и для

их активации требуется отжиг. Необходимая для этого температура,

например, для кремния может доходить до

C.1000

В процессе отжи-

га (обычно длительность отжига составляет от 10 мин. до часа) может

происходить термическая диффузия. Влияние отжига на распределе-

ние внедренной примеси рассмотрено в [16] и описывается уравне-

нием

183

(

)

exp

)2(2

),(

+D×

-×

+D×

DtR

txN

(9.24)

где D — коэффициент диффузии примеси, соответствующей по значе-

нию коэффициенту диффузии при традиционном диффузионном про-

цессе; t — время диффузии.

Коэффициент диффузии рассчитывается по уравнению

),exp(

kTEDD

(9.25)

где

D — постоянная, численно равная коэффициенту диффузии при

бесконечно большой температуре;

— энергия активации диффузии;

k — постоянная Больцмана;

T — температура диффузии.

9.5. Легирующие свойства имплантированных примесей

в арсениде галлия

9.5.1. Формирование ионно-легированных слоев

в арсениде галлия

Первые прикладные разработки метода ионной имплантации ар-

сенида галлия основывались на использовании традиционного терми-

ческого отжига [20]. Восстановление структуры полупроводника при

данном виде отжига происходит по механизму твердофазной эпитак-

сии. Атомы на границе нарушенный слой-кристалл упорядочиваются в

кристаллическую структуру. Этот процесс, включающий, по-

видимому, диффузию вакансий в кристаллическом м нарушенном сло-

ях, носит активационный характер и начинается при достаточно низ-

ких температурах (250 °С). Во время рекристаллизации генерируются

точечные дефекты. Эти дефекты, двигаясь по кристаллу, не только

исчезают на различных стоках (внутренние и внешние поверхности,

дислокации) и рекомбинируют между собой, но и объединяются в бо-

лее сложные комплексы дефектов (микродвойники, плоскостные

включения, дислокационные петли), отжиг которых требует более вы-

соких температур (800-1000 °С). Как правило, в этой области темпера-

тур происходит активация внедренной примеси. Для арсенида галлия

специфика проведения отжига вообще и активация имплантированной

примеси в частности связана с двумя обстоятельствами:

184

1) так как арсенид галлия является бинарным соединением, то эф-

фективность активации имплантированной примеси зависит от

стехиометрического состояния подложки. В условиях термоди-

намического равновесия произведение концентраций вакансии

мышьяка и галлия является постоянной для данной температуры

и экспоненциально от нее зависит. Поэтому добавление донорно-

го атома, например, селена, проявляющего при отжиге свои элек-

трические свойства, занимая вакантный узел мышьяка, увеличи-

вает количество вакансий галлия и нарушает стехиометрический

состав. В результате образуются нейтральные комплексы типа се-

лен-вакансия галлия, что снижает эффективность имплантаций.

Добавление же равного количества атомов галлия вблизи имплан-

тированных ионов селена снизило бы концентрацию вакансии

галлия (а значит и комплексов селен-вакансии галлия) и, следова-

тельно, сохранило бы общую стехиометрию решетки с одинако-

вой степенью перестройки обеих подрешеток. В результате на-

блюдался бы рост активности, так как плотность комплексов ва-

кансий (типа вакансии галлий-донорный атом) уменьшилась бы;

2) при температурах выше 450 °С поверхность арсенида галлия бы-

стро диссоциирует, причем испарение мышьяка происходит со

значительно большей скоростью, чем испарение галлия. Для со-

хранения стехиометрического состояния при отжиге требуется

какой-либо метод герметизации поверхности. Наиболее широко

используется метод герметизации диэлектриками, получаемый

различными методами, которые наносят перед отжигом на им-

плантированную поверхность. Идеальная пленка диэлектрика

должна удовлетворять трем основным требованиям:

- температура осаждения диэлектрика должна быть меньше

температуры диссоциации арсенида галлия;

- пленка не должна вступать в химические реакции с арсени-

дом галлия и внедренной в полупроводник примесью;

- диэлектрик не должен вносить механических напряжений,

сохранять стабильность и хорошую адгезию при температу-

рах осаждения и отжига.

Использование пиролитически осажденной пленки двуокиси

кремния (SiO

) показало, что эта пленка является хорошим барьером

для диффузии мышьяка, но проницаема для галлия. Кроме этого плен-

ка SiO

проницаема для ряда примесей (цинк, кадмий), а сера, взаимо-

действуя на границе SiO

-полупроводник с кислородом, образует ней-

тральные комплексы.

185

Более эффективным барьером для диффузии галлия и мышьяка

является осажденный из плазмы нитрид кремния (Si

). Герметизи-

рующие свойства этих пленок сильно зависят от содержания в пленке

кислорода, который приводит к резкому ускорению диффузии галлия в

пленку. Отрицательным свойством пленок Si

является их слабая

адгезия к GaAs, которая, по некоторым данным, обусловлена образо-

ванием подслоя нитрида галлия уже в процессе нанесения Si

. В ря-

де работ сообщается о присутствии в системе Si

-GaAs значитель-

ных механических напряжений, которые часто приводят к разрушению

пленки. Тем не менее, совершенствуя методы получения пленок Si

удалось осуществить отжиг арсенида галлия при температуре 950 °С

без разрушения пленки.

Другим диэлектриком, который используется в качестве защитно-

го покрытия, является нитрид алюминия (AlN), осажденный методом

высокочастотного распыления. В сравнении с Si

свойства нитрида

алюминия оцениваются как более эффективные и надежные, вследст-

вие его отличной адгезии. В последнее время было показано, что при

высоких температурах (более 800 °С) AlN склонен к образованию кри-

сталлической

фазы, приводящей к нарушению защитных свойств.

В настоящее время наиболее широко используются пленки Si

При их получении тщательно контролируются качество обработки

поверхности арсенида галлия, состав газовой смеси, скорость роста и

др.

В последнее время для отжига имплантированного арсенида гал-

лия разрабатывается ряд новых методов отжига, исключающих ис-

пользование защитных покрытий. Наибольшее распространение полу-

чили следующие виды отжига:

1) отжиг при избыточном давлении мышьяка при температурах 800-

900 °С. В качестве источника избыточного давления мышьяка ис-

пользуют разложение арсина, бинарные жидкостные источники,

предварительно обогащенные мышьяком, соединения, например,

арсенид индия, давление паров которых при диссоциации выше,

чем у арсенида галлия (в данном примере в 100 раз). Избыточное

давление паров мышьяка подбирают таким образом, чтобы ис-

ключить испарение мышьяка при заданной температуре отжига.

Применение данного метода, по-видимому, носит ограниченный

характер из-за токсичности арсина, необходимости осуществле-

ния жесткого контроля состава газовой среды, в которой прово-

дится отжиг;

2) быстрый термический отжиг (БТО). БТО осуществляется при ис-

пользовании полосковых нагревателей (чаще всего очищенный

186

графит) или источников некогерентного света (аргоновые, дуго-

вые или вольфрамовые галогенные лампы). БТО длится несколь-

ко секунд. Следует подчеркнуть, что полностью исключить ис-

пользование диэлектриков при БТО не удается ввиду того, что в

процессе отжига на поверхности арсенида галлия появляются ка-

пельки галлия, ямки, что свидетельствует о частичном испарении

мышьяка с поверхности пластин.

Донорные примеси в арсениде галлия

Донорными примесями в арсениде галлия являются элементы IV

группы (кремний, олово) и VI группы (селен, сера, теллур). Кремний

наиболее широко используется в технологии создания ионно-

легированных слоев (ИЛС)

GaAsn

. Кремний в арсениде галлия

является амфотерной примесью: замещая в решетке атомы галлия,

кремний проявляет донорные свойства, замещая атомы мышьяка - ак-

цепторные свойства. Кремний сравнительно легкий ион, что позволяет

при равных энергиях внедрения получать более глубокие слои. Элек-

трическая активность кремния при малых (Q<10

см

-2

) и средних

(Q»6×10

см

-2

) дозах имплантации составляет 60-90 % и слабо зависит

от температуры отжига в диапазоне 800-900 °С и времени отжига. При

больших (Q³10

см

-2

) и дозах имплантации активность кремния пада-

ет до единиц процента. Этот эффект, вероятнее всего, связан с явлени-

ем самокомпенсации. Известно, что в арсениде галлия произведение

концентраций вакансий галлия и мышьяка зависит только от темпера-

туры. Поэтому при температуре отжига уменьшение концентрации

вакансий галлия за счет размещения в них кремния приводит к возрас-

танию концентрации вакансий мышьяка и оставшаяся часть примеси

может разместиться в вакансиях мышьяка, проявляя акцепторные

свойства. При малых дозах имплантации кремний практически не

диффундирует из слоя внедрения даже при избытке вакансий радиаци-

онного происхождения. Распределение электрически активного крем-

ния по глубине в этом случае соответствует расчетному по теории

ЛШШ.

С увеличением дозы имплантации наблюдается уширение про-

филя распределения электрически активного кремния, которое обу-

словлено ограниченной диффузией кремния при отжиге. Подвижность

электронов в ИЛС, как правило, соответствует объемным значениям

при соответствующей концентрации примеси.

Селен, наряду с кремнием, широко используется для создания

ИЛС n-GaAs. В связи с тем, что атомная масса селена больше атомной

187

массы кремния, для получения требуемых толщин слоев необходимы

большие энергии внедрения ( >

E 300 кэВ). На существующих уста-

новках ионной имплантации селен чаще используется в виде многоза-

рядных ионов. При имплантации элементов VI группы, к которой от-

носится селен, нагрев подложек до температур более 150 °С дает зна-

чительно более высокие коэффициенты легирования, лучшую одно-

родность и высокие значения подвижности, чем без нагрева подложек.

Селен проявляет донорные свойства, занимая в решетке арсенида гал-

лия вакансии мышьяка. При низких дозах имплантации (Q£10

см

-2

)

этот процесс замещения доминирует и позволяет получать ИЛС почти

со 100 % активацией примеси. С увеличением дозы имплантации эф-

фективность легирования селеном падает и в зависимости от темпера-

туры отжига и герметизирующего покрытия может уменьшиться до

единиц процента. Одной из возможных причин этого является увели-

чение концентрации нейтральных комплексов селен-вакансия галлия

по мере того, как увеличивается доза имплантации. Накопление ра-

диационных нарушений при имплантации селена происходит линейно

вплоть до насыщения при высоких дозах. При малых дозах импланта-

ции диффузия селена практически отсутствует и распределение элек-

трически активного селена соответствует расчетному по теории ЛШШ.

При больших дозах имплантации диффузия внедренного селена хотя и

не зависит от температуры имплантации, однако она существенно за-

висит от температуры отжига. Подвижность электронов в ИЛС, как

правило, соответствует объемным значениям при соответствующих

концентрациях примеси.

Имплантация серы в арсенид галлия находит ограниченное при-

менение, главным образом из-за интенсивной диффузии серы. Было

установлено, что значительная диффузия серы наблюдается при отжи-

ге, которая приводит к заметному обеднению серой слоев, непосредст-

венно у поверхности арсенида галлия за счет ухода примеси в защит-

ное покрытие. Качество и тип герметика при отжиге, по-видимому,

оказывают существенное влияние на этот процесс. В ряде работ сооб-

щается о геттерировании серы при отжиге не границе диэлектрик-

полупроводник. Все эти процессы существенно уменьшают эффектив-

ность легирования серой арсенида галлия. Указанные нежелательные

эффекты можно уменьшить, если имплантацию серы проводить при

высоких энергиях. В этом случае энергию выбирают таким образом,

чтобы соответствующее ей значение

R было больше диффузионной

длины атомов серы в арсениде галлия при температуре отжига. При

этом существенно уменьшается количество примеси серы, которое

188

достигает границы диэлектрик-полупроводник и эффективность леги-

рования удается поднять с 13 % (

E =100 кэВ) до 44-53 % (

E =400

кэВ). С ростом дозы имплантации электрическая активность серы за-

метно уменьшается, что объясняется образованием нейтральных ком-

плексов сера-вакансия галлия.

Акцепторные примеси в арсениде галлия

Акцепторными примесями в арсениде галлия являются элементы

II группы (бериллий, магний, цинк, кадмий, углерод). Проявляя элек-

трическую активность, эти элементы занимают вакансии галлия. Было

отмечено, что имплантация акцепторных примесей в арсенид галлия

происходит значительно быстрее, чем донорных примесей при дозах

до 10

см

-2

. При больших дозах наблюдается эффект насыщения с

уменьшением эффективности легирования, которая обычно связана с

пределом растворимости примеси. Высокие величины электрической

активности были получены при температуре отжига около 800 °С, ис-

пользуя, главным образом, защитные пленки диоксида кремния, осаж-

денные методом пиролиза или распылением.

Цинк - наиболее распространенная акцепторная примесь в арсе-

ниде галлия. Температура облучения не оказывает существенного

влияния на активность цинка при малых дозах имплантации и лишь

незначительно увеличивает эффективность легирования при дозах им-

плантации более 10

см

-2

. Характерной особенностью цинка является

его значительная диффузия при отжиге, которая зависит от плотности

остаточных нарушений. Степень электрической активности цинка дос-

тигает 100 % при дозе имплантации ниже 10

см

-2

. При имплантации

больших доз активность цинка слабо зависит от энергии ионов. За-

щитное покрытие играет заметную роль в активности цинка. Так как

диоксид кремния проницаем для цинка, то чаще используют покрытия

из нитридов кремния и алюминия.

Бериллий, являясь легким акцептором, позволяет формировать

глубокие слои с наименьшими радиационными нарушениями. В ряде

работ было показано, что при концентрации бериллия менее 10

см

-3

температуре отжига не более 900 °С диффузии не наблюдается. Элек-

трическая активность бериллия близка к 100 %, если концентрация

этой примеси в максимуме ниже 10

см

-3

. При концентрации бериллия

свыше 10

см

-3

имеет место его быстрая диффузия при температурах

выше 800 °С. Если температуру отжига уменьшить до 700 °С, то диф-

фузионного размытия профиля можно избежать. По-видимому, пове-

189

дение имплантированного бериллия при отжиге зависит от типа по-

крытия.

Магний значительно реже, чем цинк и бериллий, используется

для создания ИЛС GaAsp

. Почти полная активация имплантиро-

ванного магния достигается при дозах

Q 10

см

-2

и отжиге при

850 °С (БТО). При этом профиль дырок близок к расчетному распре-

делению по теории ЛШШ. С ростом дозы имплантации магния наблю-

дается значительное уширение профиля легирования в сравнении с

расчетным. Такое поведение магния характерно для отжига как с гер-

метизирующим покрытием, так и без него. Изучение традиционного

отжига слоев арсенида галлия, имплантированных магнием, показало,

что как для малых, так и для больших доз внедрения максимальная

активация примеси осуществляется при температуре отжига 750 °С,

что ниже, чем при БТО (850 °С). В этом случае перераспределение

магния, концентрация которого в максимуме при имплантации состав-

ляет 5×10

см

-3

, практически отсутствует. Однако при концентрациях

магния в пике профиля ~10

см

-3

перераспределение имеет место.

9.5.2. Влияние радиационных дефектов на электрические

свойства арсенида галлия

С точки зрения электрических свойств дефекты, образующиеся

при имплантации, приводят к появлению в запрещенной зоне полу-

проводника глубоких уровней, которые являются ловушками для ос-

новных носителей заряда. Например, в кремнии вакансии имеют не-

сколько зарядовых состояний ловушек. В материале

типа (основ-

ные носители заряда - электроны) вакансии обычно, захватывая два

электрона, обладают двойным отрицательным зарядом. В материале

типа они нейтральны. В арсениде галлия было установлено, что

радиационные дефекты приводят к возникновению эффективных цен-

тров компенсации, стабильных при комнатной температуре, которые

превращают проводящий арсенид галлия в материал с полуизолирую-

щими свойствами. На рис. 9.5 представлены результаты измерений

зависимости проводимости

GaAsn

с исходной проводимостью

=10

Ом

-1

×см

-1

от дозы облучения ионами кислорода с энергией 100

кэВ.