Введение к работе
Актуальность темы.
В начале 60-х годов Воткинсом было обнаружено явление вытеснения элементов III группы из узлов решетки кремния междо-узельными атомами кремния, возникающими при облучении кристаллов электронами с энергией порядка 1 МэВ. Боткине наблюдал это явление при 20.4 и 4.2 К. Затем этот Эффект наблюдался при еще более низких температурах: 1.6 и 0.5 К. Открытие этого явления привнесло в физику твердого тела новые представления об атермической миграции атомов в кристалле при температурах, близких к О К, стимулировало разработку квантовой подбарьерной диффузии.
Для объяснения эффекта Воткинса была разработана модель, известная как модель Бургуэна, согласно которой миграция атомов в решетке при столь низких температурах обусловлена переходом атома из одного равновесного междоузельного состояния в другое (из тетраэдрического в гексагональное и т.д.) при изменении его зарядового состояния. Родственным этой модели является эстафетный механизм миграции гантельного междоузельного состояния при смене его заряда. Зарядовое состояние может меняться вследствие генерации при облучении неравновесных носителей заряда.
Эти механизмы предполагают случайную миграцию атомов кремния до их встречи с элементами III группы. Однако высокая эффективность процесса замещения (в опытах Воткинса число вытесненных из узлов решетки атомов примеси равнялось числу образовавшихся при облучении вакансий) вызывает сомнение в случайности этого процесса.'
Исследования показали, что эффект вытеснения примесей замещения из узлов решетки кремния имеет место не только непосредственно при облучении, но и при отжиге облученных образцов. Источником подвижных междоузельных атомов кремния в этом случае являются междоузельные комплексы, разрушающиеся при термообработке. Именно с этим явлением связывают стадию "обратного" отжига на кривой электрической активации бора при температурах порядка 500 С в ионно-имплантированном кремнии.
Вытеснение примесей из узлов решетки междоузельными атомами кремния в междоузлия приводит к перераспределению имплантированной примеси по каналам диффузии, что может определять аномалии в ее диффузии. Эти процессы нуждаются в детальном исследовании.
Таким образом, научный интерес к проблеме взаимодействия примесей и дефектов и прикладное значение указанных эффектов делают исследования в этом направлении актуальными.
Целью работы являлось установление механизма замещения по Воткинсу и его воздействия на электрическую активацию и диффузию имплантированных примесей в кремнии.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
изучалось влияние концентрации примесей замещения и радиационных дефектов на интенсивность их вытеснения из узлов решетки;
исследовалось влияние зарядового состояния дефектов, а также введения дополнительных примесей на эффективность процесса замещения;
исследовалась диффузия имплантированных бора и фосфора в слоях кремния, дополнительно легированных примесями IV группы.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
впервые установлено, что междоузельные атомы кремния вытесняют из узлов решетки не только элементы III группы, как это наблюдалось Воткинсом, но и элементы V группы;
установлено, что эффективность процесса замещения определяется величиной несоответствия ковалентных радиусов атомов примеси и атома решетки;
определены размеры сфер, попадая в которые междоузельные атомы кремния направленно движутся к атомам замещения III, IV и V групп;
предложен механизм атермической миграции междоузельного атома кремния в решетке кремния, заключающийся в его движении в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения;
установлено, что ускоренная диффузия атомов бора в имплантированном кремнии обусловлена вытеснением их междоузельными атомами кремния из узлов решетки в междоузельный канал диффузии;
экспериментально подтверждена модель ускоренной диффузии фосфора по комплексу: атом фосфора - междоузельный атом кремния.
Практическая значимость полученных результатов заключается в установлении, что все примеси замещения, имеющие ковалентные радиусы, отличные от радиуса атома решетки, являются ловушками для междоузельных атомов кремния через механизм Воткинса. Это позволяет использовать нейтральные в кремнии элементы IV группы для управления коэффициентами диффузии имплантированных примесей (бор, фосфор), ускоренная диффузия которых обязана междоузельный
дефектам. Их введение позволяет создавать более резкие распределения электрически активных примесей, т.е. реализовать в полной мере основное преимущество ионного легирования полупроводников.
Исследования выполнялись в рамках госбюджетной НИР кафедры физики полупроводников Белгосуниверситета "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и опто-электрони-ки". N гос. регистрации 01910081739.
Основные результаты работы докладывались на X Международной конференции по технологии ионной имплантации, ' Катанья, Италия, 1994, а также на научных семинарах кафедры физики полупроводников Белгосуниверситета.
На защиту выносятся:
разработанная модель атермической миграции междоузельных атомов кремния в решетке кремния, заключающаяся в движении их в поле упругих деформаций, создаваемых примесями замещения с ковалентними радиусами, отличными от радиуса атома решетки;
экспериментальное подтверждение, что аномально-ускоренная диффузия имплантированного фосфора в кремнии обусловлена его диффузией в виде комплекса: атом фосфора - междоузельный атом кремния; ускоренная диффузия имплантированного бора обусловлена вытеснением его в междоузельный канал диффузии междоузель-ными атомами кремния, образующимися при распаде междоузельных комплексов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
