Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время самым распространенным после кремния материалом полупроводниковой электроники является арсенид галлия, поэтому не уменьшается стремление исследователей к повышению его качества и приданию ему свойств, позволяющих реализовать новые приборные возможности. Столь большое внимание связано, главным образом, с высокой подвижностью электронов в этом материале и возможностью получения полуизолирующих подложек арсенида галлия. Одним из перспективных направлений создания новых материалов, основой современной планарной технологии является ионная имплантация - универсальный и достаточно технологичный метод введения примеси в заданном количестве и с заданной локальностью. Использование имплантации для формирования р-п-переходов затрагивает технологию таких арсенидгаллиевых приборов как лавинно-пролетные диоды, варакторные диоды, биполярные транзисторы и интегральные схемы сверхвысокой степени интеграции на их основе, отличающиеся высоким быстродействием. Интересно применение высокодозовой имплантации (особенно бериллия, акцепторной примеси с малой массой) для создания фотолюминисентных приборов и р-п-переходов с очень малыми обратными токами и резкими пробойными характеристиками. Также в приборах формируются низкоомные и контактные области высокодозовой имплантацией примесей. Однако данному методу легирования сопутствует образование радиационных точечных дефектов и для активации примеси в решетке предполагается проведение отжига. Эффективность легирования зависит от реальной структуры ионноимплантированного слоя (состав ансамбля точечных радиационных дефектов и примеси). Поэтому изучение особенностей формирования структуры после имплантации и ее эволюции при отжигах играют важную роль в подборе режимов имплантации и активирующего отжига для создания оптимальной структуры, получения желаемых свойств и качества слоя, а, следовательно, и для обеспечения требуемых пространственных и электрофизических параметров изготовляемых приборов.
Цели и задачи работы. Выявление особенностей и закономерностей формирования дефектной структуры ионноимплантированных слоев арсенида галлия и ее эволюции при отжиге.
При этом решались следующие задачи:
-
определение механизмов образования дефектного слоя с учетом взаимодействия и аннигиляции радиационных точечных дефектов в процессах ионной имплантации и отжига;
-
выяснение роли поверхности подложки в формировании структуры имплантированного слоя;
-
установление зависимости характера дефектообразования от массы имплантируемых ионов и условий имплантации (энергии и дозы);
-
обоснование возможности определения профиля концентрации радиационных дефектов по профилю деформации нарушенного ионной имплантацией слоя, восстановленному из кривых дифракционного отражения.
Научная новизна. Экспериментально и методами компьютерного моделирования выстроена достаточно детальная физическая картина поведения радиационных точечных дефектов в ионноимплантированных слоях арсенида галлия.
Показана роль вторичных процессов, происходящих при ионной имплантации, в формировании структуры этих слоев: образования ассоциаций и аннигиляции дефектов в объеме и на поверхности кристалла.
Установлено, что образование микродефектов не является определяющим структурные изменения во время имплантации процессом.
Впервые обнаружен поверхностный слой, обогащенный вакансиями в процессе высокодозовой имплантации ионов средних масс, который стимулирует диффузию введенной примеси на поверхность подложки и может оказывать существенное влияние на форму профиля распределения имплантированной примеси при создании тонких имплантированных слоев.
С ростом энергии имплантации при ориентации подложки относительно падающего пучка ионов, уменьшающей вероятность каналирования, приближение аморфного тела для восстановления профиля распределения радиационных дефектов перестает работать, на распределение концентрации точечных дефектов сказывается кристалличность подложки, вследствие чего
проявляются процессы каналирования, приводящие к уменьшению общего количества радиационных дефектов. Обнаружен эффект резкого уменьшения концентрации точечных дефектов в слоях арсенида галлия, имплантированных легкими ионами бериллия с энергиями 150 кэВ и выше.
Практическая значимость работы. Использование рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения в трехкристальной схеме дифрактометра, позволяющей разделить когерентное рассеяние кристаллической структурой и некогерентное (диффузное) рассеяние локальными структурными нарушениями, можно рекомендовать для диагностики ионноимплантированных слоев. Доказана существенная роль поверхности в формировании и модификации ансамбля радиационных дефектов уже в процессе имплантации в арсениде галлия. Выявленные зависимости дают возможность управлять совершенством структуры ионноимплантированных слоев при выборе условий имплантации для создания электронных приборов данным методом. Полученные данные позволяют найти оптимальные, с точки зрения количества и распределения радиационных дефектов, условия имплантации и отжига.
Положения, выносимые на защиту.
-
Профиль деформации кристаллической решетки ионноимплантированных слоев можно использовать для восстановления профиля концентрации радиационных дефектов в этих слоях.
-
В процессе ионной имплантации в арсениде галлия при температуре близкой к комнатной реализуются два преобладающих механизма релаксации радиационных дефектов: 1) аннигиляция,. обусловленная радиационно - стимулированными диффузными процессами и не изменяющая соотношение концентраций вакансий и межузельных атомов, и 2) сток дефектов на поверхность, меняющий это соотношение. Роль того или иного процессов зависит от глубины залегания дефектного слоя.
-
Неравновесные ассоциации радиационных дефектов в условиях, когда существенную роль в изменении дефектной структуры при активирующих отжигах играет поверхность, могут при сравнительно небольших пересыщениях растворятся, а при больших развиваться в дислокационные петли.
4.. При имплантации ионов с малыми энергиями (например, 50 кэВ для ионов кремния) образуются тонкие слои, в которых близость физической поверхности подложки способствует стоку на нее межузельных атомов, что приводит к формированию вблизи поверхности слоя, обогащенного вакансиями. В этих слоях с ростом дозы имплантации ионов кремния в десять раз существенного увеличения дефектности слоя не происходит.
5. При имплантации ионов примесей с малой энергией и с ориентацией подложки относительно падающего пучка ионов, уменьшающей вероятность каналирования, приближение аморфного тела для расчета профиля распределения радиационных дефектов удовлетворительно описывает структуру ионномиплантированных слоев арсенида галлия, с ростом энергии имплантации приближение аморфного тела перестает работать, на распределение концентрации точечных дефектов сказывается кристалличность подложки, вследствие чего проявляются процессы каналирования, приводящие к уменьшению общего количества радиационных дефектов. Апробация работы. Результаты работы представлены на IV
Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной
имплантации" (Нижний Новгород, 9-11 июня 1998 года), XII международной
конференции "Ion Implantation Technology' 98" (Киото, Япония, 22-26 июня 1998
года).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 4
печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, 5 основных глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация
изложена на 131 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков.
Список литературы состоит из 81 наименования.
