Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике

180

Размеры и характер ОР зависят от массы и энергии бомбардирующего 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 имплантации тяжелых ионов (масса иона больше массы атома мишени). Для легких ионов (масса иона меньше массы атома мишени) доминирующим типом дефектов будут простые. Но и в этом случае при внедрении большого числа ионов за счет перекрытия отдельных ОР концентрация дефектов в них будет возрастать с образованием сложных дефектов. Если доза имплантации превысит некоторую критическую, то образуется аморфный слой, т.е. слой, в котором отсутствует как ближний, так и дальний порядок расположения атомов мишени. Существует предположение, что вещество переходит в аморфное состояние при достижении определенной критической концентрации дефектов, которая по разным оценкам составляет20–100 % от полного числа атомов вещества в единице объема.

Для определения числа атомов, смещаемых имплантируемым ионом, воспользуемся теорией Кинчина и Пиза. Кинчин и Пиз ввели по-

нятие характеристической энергии Eс, ниже которой число смещенных атомов примерно равно

			см = 0,42	Eя	,	(9.18)
		N
				Eсм

где Eя — энергия иона, расходуемая в ядерных столкновениях атомов мишени;

Eсм =9,4 эВ для GaAs и 14,7 эВ для Si.

В.В. Юдин для Eя дает следующее выражение, приведенное в [5]

Eя =	A	é		FE	0	ù
		ln ê1	+			ú .
	kF
		ë		A / k + B û

Если энергия иона E0> Ec , 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

10-3

(E

-E

) + 0,5E

N см =

0

c

c

.

(9.19)

Eсм

Здесь E =

( A - kB)2

.

c

2F

k

Для инженерных расчетов характеристическая энергия Ec

может

быть определена как энергия, при которой ядерная тормозная способность Sя равна электронной тормозной способности Se.

Формулы (9.18) и (9.19) определяют число смещенных атомов, создаваемых одним ионом. При не слишком больших дозахQ общее количество дефектов будет равно NсмQ.

Распределение концентрации дефектов по глубине ND (x) в пер-

вом приближении также как и распределение концентрации внедренных ионов описывается нормальным законом

é

(x

-

)2

ù

R

N

смQ

N

D

(x) =

expê-

ρD

ú .

(9.20)

2

2pDRρD

ê

ú

ë

2 × DRρD

û

Моменты первого и второго порядка распределения дефектов пропорциональны соответствующим моментам распределения -вне дренной примеси

RρD = C1Rρ;

DRρD = C2DRρ ,

где коэффициенты C1 и C2				зависят от отношения массы иона M1 к
массе атома		M 2 мишени (табл. 9.2).					Таблица 9.2
M1 / M 2		1/10	¼	½	1	2	4	10
C1		0,82	0,85	0,83	0,80	0,81	0,87	0,93
C2		2,24	1,58	1,20	0,95	0,88	0,82	0,77

182

Из приведенных данных видно, что RρD < Rρ , т.е. максимум

распределения концентрации дефектов располагается ближе к поверхности по сравнению с максимумом распределения концентрации внедренной примеси. Момент второго порядка распределения дефектов может быть как больше (легкие ионы), так и меньше (тяжелые ионы)

величины DRρ внедренной примеси.

Интегрирование выражения (9.20) при введении ряда допущений дает концентрацию дефектов в слое внедрения

	ND =	N	смQ		.	(9.21)
		Rρ

С учетом (9.18), приняв Eя » Sя Rρ , выражение (9.21) запишет-

ся в виде

			D = 0,42	SяQ	.	(9.22)
		N
				Eсм

Концентрация дефектов в слое внедрения тем больше, чем больше потери энергии на ядерное торможение и больше доза имплантации.

При некоторой дозе имплантации QA концентрация смещенных

атомов (дефектов) ND будет соизмерима с плотностью атомов в по-

лупроводнике, т.е. практически все атомы мишени при внедрении ионов смещаются из регулярных положений. Доза, при которой достигается это условие, получила название дозы образования сплошного аморфного слоя (доза аморфизации).

	QA =	N0Eсм	.	(9.23)
		Sя

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 1000oC. В процессе отжига (обычно длительность отжига составляет от10 мин. до часа) может происходить термическая диффузия. Влияние отжига на распределение внедренной примеси рассмотрено в [16] и описывается уравнением

183

N (x, t) =

Q

2p ×(DRρ2 + 2Dt) 12

é	(x -				)2	ù
				R
× expê-				ρ		ú , (9.24)
ê	2 × DR 2			+ 4Dt ú
ë		ρ				û

где D — коэффициент диффузии примеси, соответствующей по значению коэффициенту диффузии при традиционном диффузионном процессе; t — время диффузии.

Коэффициент диффузии рассчитывается по уравнению

D = D0 exp(-D E kT ),

(9.25)

где D0 — постоянная, численно равная коэффициенту диффузии при бесконечно большой температуре;

DE — 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 арсенида галлия основывались на использовании традиционного термического отжига [20]. Восстановление структуры полупроводника при данном виде отжига происходит по механизму твердофазной эпитаксии. Атомы на границе нарушенный слой-кристалл упорядочиваются в кристаллическую структуру. Этот процесс, включающий, повидимому, диффузию вакансий в кристаллическом м нарушенном слоях, носит активационный характер и начинается при достаточно низких 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 более сложные комплексы дефектов(микродвойники, плоскостные включения, дислокационные петли), отжиг которых требует более высоких температур (800-1000 °С). Как правило, в этой области температур 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 эффективность активации имплантированной примеси зависит от стехиометрического состояния подложки. В условиях термодинамического равновесия произведение концентраций вакансии

мышьяка и галлия является постоянной для данной температуры и экспоненциально от нее зависит. Поэтому добавление донорного атома, например, селена, проявляющего при отжиге свои электрические свойства, занимая вакантный узел мышьяка, увеличивает 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, следовательно, сохранило бы общую стехиометрию решетки с одинаковой степенью перестройки обеих подрешеток. В результате наблюдался бы рост активности, так как плотность комплексов вакансий (типа вакансии галлий-донорный атом) уменьшилась бы;

2)при температурах выше 450 °С поверхность арсенида галлия быстро диссоциирует, причем испарение мышьяка происходит со значительно большей скоростью, чем испарение галлия. Для сохранения 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 арсенидом галлия и внедренной в полупроводник примесью;

-диэлектрик не должен вносить механических напряжений,

сохранять стабильность и хорошую адгезию при температурах осаждения и отжига.

Использование пиролитически осажденной пленки двуокиси кремния (SiO2) показало, что эта пленка является хорошим барьером для диффузии мышьяка, но проницаема для галлия. Кроме этого плен-

ка SiO2 проницаема для ряда примесей(цинк, кадмий), а сера, взаимодействуя на границе SiO2-полупроводник с кислородом, образует нейтральные комплексы.

185

Более эффективным барьером для диффузии галлия и мышьяка является осажденный из плазмы нитрид кремния(Si3N4). Герметизирующие свойства этих пленок сильно зависят от содержания в пленке кислорода, который приводит к резкому ускорению диффузии галлия в пленку. Отрицательным свойством пленокSi3N4 является их слабая адгезия к GaAs, которая, по некоторым данным, обусловлена образованием подслоя нитрида галлия уже в процессе нанесенияSi3N4. В ряде работ сообщается о присутствии в системеSi3N4-GaAs значительных механических напряжений, которые часто приводят к разрушению пленки. Тем не менее, совершенствуя методы получения пленок Si3N4, удалось осуществить отжиг арсенида галлия при температуре950 °С без разрушения пленки.

Другим диэлектриком, который используется в качестве защитного покрытия, является нитрид алюминия (AlN), осажденный методом высокочастотного распыления. В сравнении с Si3N4 свойства нитрида алюминия оцениваются как более эффективные и надежные, вследствие его отличной адгезии. В последнее время было показано, что при высоких температурах (более 800 °С) AlN склонен к образованию кристаллической b - фазы, приводящей к нарушению защитных свойств.

Внастоящее время наиболее широко используются пленки Si3N4. При их получении тщательно контролируются качество обработки поверхности арсенида галлия, состав газовой смеси, скорость роста и др.

Впоследнее время для отжига имплантированного арсенида галлия разрабатывается ряд новых методов отжига, исключающих использование защитных покрытий. Наибольшее распространение получили следующие виды отжига:

1)отжиг при избыточном давлении мышьяка при температурах800900 °С. В качестве источника избыточного давления мышьяка используют 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 исключить испарение мышьяка при заданной температуре отжига. Применение данного метода, по-видимому, носит ограниченный характер из-за токсичности арсина, необходимости осуществления жесткого контроля состава газовой среды, в которой проводится отжиг;

2)быстрый термический отжиг (БТО). БТО осуществляется при использовании полосковых нагревателей(чаще всего очищенный

186

графит) или источников некогерентного света(аргоновые, дуговые или вольфрамовые галогенные лампы). БТО длится несколько секунд. Следует подчеркнуть, что полностью исключить использование диэлектриков при БТО не удается ввиду того, что в процессе отжига на поверхности арсенида галлия появляются капельки галлия, ямки, что свидетельствует о частичном испарении мышьяка с поверхности пластин.

Донорные примеси в арсениде галлия

Донорными примесями в	арсениде галлия являются элементыIV
группы (кремний, олово) и VI	группы (селен, сера, теллур). Кремний
наиболее широко используется в технологии создания-		ионно

легированных слоев (ИЛС) n - GaAs . Кремний в арсениде галлия является амфотерной примесью: замещая в решетке атомы галлия, кремний проявляет донорные свойства, замещая атомы мышьяка - акцепторные свойства. Кремний сравнительно легкий ион, что позволяет при равных энергиях внедрения получать более глубокие слои. Элек-

13	-2
трическая активность кремния при малых(Q<10	см ) и средних

(Q»6×1013 см-2) дозах имплантации составляет 60-90 % и слабо зависит от температуры отжига в диапазоне 800-900 °С и времени отжига. При больших (Q³1014 см-2) и дозах имплантации активность кремния падает до единиц процента. Этот эффект, вероятнее всего, связан с явлением 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 возрастанию 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 радиационного происхождения. Распределение электрически активного кремния по глубине в этом случае соответствует расчетному по теории ЛШШ.

С увеличением дозы имплантации наблюдается уширение профиля распределения электрически активного кремния, которое обусловлено 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 ( E0 > 300 кэВ). На существующих уста-

новках ионной имплантации селен чаще используется в виде многозарядных ионов. При имплантации элементов VI группы, к которой относится селен, нагрев подложек до температур более150 °С дает значительно более высокие коэффициенты легирования, лучшую однородность и высокие значения подвижности, чем без нагрева подложек. Селен проявляет донорные свойства, занимая в решетке арсенида галлия вакансии мышьяка. При низких дозах имплантации(Q£1013 см-2)

этот процесс замещения доминирует и позволяет получать ИЛС почти со 100 % активацией примеси. С увеличением дозы имплантации эффективность легирования селеном падает и в зависимости от температуры отжига и герметизирующего покрытия может уменьшиться до единиц процента. Одной из возможных причин этого является увеличение концентрации нейтральных комплексов селен-вакансия галлия по мере того, как увеличивается доза имплантации. Накопление радиационных нарушений при имплантации селена происходит линейно вплоть до насыщения при высоких дозах. При малых дозах имплантации диффузия селена практически отсутствует и распределение электрически активного селена соответствует расчетному по теории ЛШШ. При больших дозах имплантации диффузия внедренного селена хотя и не зависит от температуры имплантации, однако она существенно зависит от температуры отжига. Подвижность электронов в ИЛС, как правило, соответствует объемным значениям при соответствующих концентрациях примеси.

Имплантация серы в арсенид галлия находит ограниченное применение, главным образом из-за интенсивной диффузии серы. Было установлено, что значительная диффузия серы наблюдается при отжиге, которая приводит к заметному обеднению серой слоев, непосредственно у поверхности арсенида галлия за счет ухода примеси в защитное покрытие. Качество и тип герметика при отжиге, по-видимому, оказывают существенное влияние на этот процесс. В ряде работ сообщается о геттерировании серы при отжиге не границе диэлектрикполупроводник. Все эти процессы существенно уменьшают эффективность 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 p 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 легирования удается поднять с13 % ( E0 =100 кэВ) до 44-53 % ( E0 =400

кэВ). С ростом дозы имплантации электрическая активность серы заметно уменьшается, что объясняется образованием нейтральных комплексов сера-вакансия галлия.

Акцепторные примеси в арсениде галлия

Акцепторными примесями в арсениде галлия являются элементы II группы (бериллий, магний, цинк, кадмий, углерод). Проявляя электрическую 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	14	-2
		см . 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 около800 °С, используя, главным образом, защитные пленки диоксида кремния, осажденные методом пиролиза или распылением.

Цинк - наиболее распространенная акцепторная примесь в арсениде галлия. Температура облучения не оказывает существенного влияния на активность цинка при малых дозах имплантации и лишь незначительно увеличивает эффективность легирования при дозах имплантации более 1015 см-2. Характерной особенностью цинка является его значительная диффузия при отжиге, которая зависит от плотности остаточных нарушений. Степень электрической активности цинка достигает 100 % при дозе имплантации ниже1015 см-2. При имплантации больших доз активность цинка слабо зависит от энергии ионов. Защитное 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 1018 см-3 и температуре отжига не более900 °С диффузии не наблюдается. Электрическая активность бериллия близка к100 %, если концентрация этой примеси в максимуме ниже 1018 см-3. При концентрации бериллия свыше 1018 см-3 имеет место его быстрая диффузия при температурах выше 800 °С. Если температуру отжига уменьшить до700 °С, то диффузионного размытия профиля можно избежать. По-видимому, пове-

n - GaAs

189

дение имплантированного бериллия при отжиге зависит от типа - по крытия.

Магний значительно реже, чем цинк и бериллий, используется для создания ИЛС p - GaAs . Почти полная активация имплантиро-

ванного магния достигается при дозах Q £ 1014 см-2 и отжиге при

850 °С (БТО). При этом профиль дырок близок к расчетному распределению по теории ЛШШ. С ростом дозы имплантации магния наблюдается значительное уширение профиля легирования в сравнении с расчетным. Такое поведение магния характерно для отжига как с герметизирующим 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 отжига750 °С, что ниже, чем при БТО (850 °С). В этом случае перераспределение магния, концентрация которого в максимуме при имплантации составляет 5×1018 см-3, практически отсутствует. Однако при концентрациях магния в пике профиля ~1019 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 полупроводника глубоких уровней, которые являются ловушками для основных носителей заряда. Например, в кремнии вакансии имеют несколько зарядовых состояний ловушек. В материале n - типа (основные носители заряда - электроны) вакансии обычно, захватывая два электрона, обладают двойным отрицательным зарядом. В материале p - типа они нейтральны. В арсениде галлия было установлено, что

радиационные дефекты приводят к возникновению эффективных центров компенсации, стабильных при комнатной температуре, которые превращают проводящий арсенид галлия в материал с полуизолирующими свойствами. На рис. 9.5 представлены результаты измерений зависимости проводимости с исходной проводимостью

s0 =102 Ом-1×см-1 от дозы облучения ионами кислорода с энергией 100 кэВ.