Генерация неравновесных точечных дефектов и сопутствующие ей эффекты при физико-химических воздействиях на поверхность кристаллов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, доктор физико-математических наук Итальянцев, Александр Георгиевич

• Итальянцев, Александр Георгиевич
• доктор физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Итальянцев, Александр Георгиевич

Введение к Главе

Как уже упоминалось во введении к данному разделу работы, генерация ТД при ТФР на поверхности кристалла - первичный сопутствующий эффект таким реакциям. Пересыщение решетки кристалла неравновесными собственными дефектами вакансионной или междоузельной природы, в свою очередь приводит к появлению вторичных эффектов в объеме кристалла от поверхностных ТФР. Данная

глава посвящена некоторым из таких вторичных эффектов. В отличие от предыдущей главы, в которой для проверки теории привлекались экспериментальные данные из литературы, в данной главе излагаются лишь эксперименты автора данной работы с соавторами. Более того, для изложения выбраны лишь те экспериментальные материалы, которые не только иллюстрируют собственно вторичные эффекты в объеме кристалла, но способны дать дополнительную информацию о генерации ТД при поверхностных ТФР или о самих ТФР.

В дополнение к уже упоминавшимся в предыдущей главе эффектам второго порядка в виде ускоренной или замедленной диффузии примесных атомов и трансформации размеров кластеров в 81, в данной главе представлены эффекты, относящиеся к технологии ионной имплантации, а также эффект экзоэлектронной эмиссии в присутствии ТФР.

Глава включает три параграфа. Первый параграф посвящен технологически важному процессу - ионной имплантации полупроводникового 81 и касается взаимного влияния потоков ТД в отжигаемом ионно-имплантированном слое и в удаленной зоне протекания ТФР образования силицидов металлов. Трактовка результатов изменения учитывать, как центры перехвата I в объеме кристалла, так и условия их стока на противоположную сторону кристалла.

Сделаем теоретическую оценку числа междоузельных атомов кремния (Q), безвозвратно покидающих за время отжига ионно-имплантированный слой [61,62]. Рассмотрим ситуацию, когда на противоположной поверхности кристаллической пластины выполняется или условие абсолютного поглощения I, или условие их полного отражения. Иначе говоря, при х = 1 соответственно имеем либо Q = 0, либо dQ /dx= 0 , где Q - концентрация междоузельных атомов, 1 - толщина образца. Первая ситуация моделируется в экспериментальных образцах (рис.4.2а), где формирующиеся одновременно с отжигом ионно-имплантированного слоя фазы силицида хрома стимулируют рождение избыточных V (см. гл.П, табл.3.1, а также [3]), обеспечивающих эффективную рекомбинацию I. Вторая ситуация (рис.4.2б) - гипотетически предполагается в контрольных образцах, атомарная структура поверхности которых «отравлена» слоем естественного окисла, в результате чего перестает быть эффективным стоком для I.

Кроме того, предположим, что за время отжига концентрация несвязанных I на границе раздела имплантированный слой - кристалл изменяется несильно, т.е. Ci(x=0) = C°i = const. Тогда для диффузионного уравнения вида dCJdt = Di(d2Ci/dt2) - ACi (4.1) с граничными условиями

Ci(x=0)=C°i = const и Ci(x-L) = 0, (4.2а) либо Ci(x=0)=C°i = const и dCi /dx | X=L = 0 (4.26) следуют два решения:

Qi =C0,{[Dltq///i(qL)]+[^/7(qL)-L]/q-[(c/i(qL)-L)^(qL)J/q s/*(qL)} (4.3a)

Q2 = C°i (Djtq + L/q) //*(qL) (4.3.6), где параметр q = (A/D^ ;

A - коэффициент пропорциональности в слагаемом правой части диффузионного уравнения, учитывающим сток I на ненасыщающиеся ловушки в объеме кристалла;

Di— коэффициент диффузии I, t - время эксперимента. иояно-импланткрованныеслои

У/)/}////)//)///А

510гестеств

Гран. усл. 1 C.ix-O.Q-Ci;, C,i*4,t)-0 -о- 2 С] {x=Q,t} = CI£; Ц1 | X=L = О n gÇi & r

T " 1 ~ ex. 10'

A СМГ'1 с'

Рис.4.2 Особенности распределения концентрации неравновесных I, эмитирующих из ионно-имплантированного слоя в процессе отжига радиационных дефектов, в зависимости от граничных условий на обратной стороне пластины. Отношение а поглощенного и отраженного потока I от обратной стороны пластины в зависимости от параметра А перехвата I объемными стоками и толщины пластины Ь.

Характер распределения I в кристалле при граничных условиях (1) и (2), записанных в поле рисунка, представлен на рис.4.2а. С физической точки зрения вычисленные величины С) представляют собой оценку интегралов о!х 1[(х=0) ск, т.е. интегралов по времени от потока междоузлий ^ через поверхность х=0 на стадии выхода диффузионного процесса на стационарный режим и в процессе стационарной диффузии в течение времени т в условиях «поглощающей» междоузлия (СЬ) и «отражающей» их (СЬ) тыльной поверхности кристалла.

Отношение СУ СЬ = £ не зависит от С°1 и определяется величиной коэффициента диффузии междоузельных атомов кремния Б! , временем отжига I и параметром ц = (А/Б,) . На рис.4.2б представлен характер зависимости от мощности объемных стоков Ь, (А) и от толщины кристалла кремния ^ (Ь).

При характерных значениях величин, входящих в решения (4.3) уравнения (4.1): Б^Ю"5 см2 с"1 [7], Ь = 4*10"2см, т=103с, в ситуации когда сток I на обратную сторону образца существен на фоне стока I на ловушки в объеме кристалла, т.е. при 0< А < 10" , значение лежит в диапазоне (10-1,3). Такая разница в значениях СЬ и СЬ должна неминуемо сказаться на динамике отжига радиационных дефектов в имплантированных слоях, поскольку означает существенно различные условия для диффузионного выхода I из радиационных дефектов в зоне имплантированного слоя.

Таким образом, становится понятным и обоснованным экспериментально наблюдаемый эффект (рис. 4.1) влияния ТФР на параметры имплантированного слоя на расстояниях, превышающих диффузионную длину пробега V. Поскольку для кремния »Бу, то существует достаточно широкий интервал времени отжига, когда диффузионный фронт V не достигает имплантированного слоя, но является эффективной зоной взаимной аннигиляции V, рождаемых в реакциях структуры Сг - 81, и I, испускаемых имплантированным слоем. В контрольном образце номер 3 с заранее выращенной пленкой Сг812 моделируется возможное влияние упругих макроскопических напряжений в экспериментальной структуре (образец 1). Из полученных результатов

82]. В данной главе будет рассмотрена ситуация, когда такой принудительный отбор атомов, с целью генерации неравновесных V, осуществляется путем фотостимулированной сублимации атомов 81 [104]. В [112] показано, что такая сублимация поверхностных атомов 81 может быть реализована, например, при облучении кристаллов световым потоком ксеноновой лампы достаточной мощности.

Как показано в предыдущих двух

главах, для генерации неравновесных V должны быть удовлетворены определенные требования, предъявляемые к внешнему воздействию и кристаллическому образцу. Рассмотрим, при каких условиях светового воздействия на кристалл 81 эти требования будут удовлетворены.

Первое требование - условие прямого удаления поверхностных атомов, т.е. без образования промежуточных фаз. Поскольку фотостимулированная сублимация атомов 81 проводится с поверхности исходного кристалла в восстановительной среде газообразного водорода, то химические реакции с образованием новых фаз исключены. Более того, имеющаяся на поверхности кремния тонкая пленка естественного (выросшего на атмосферном воздухе при комнатной температуре) 8 Юг под воздействием атмосферы Н2 в начальный период времени эксперимента восстанавливается и далее при фотонном воздействии свет падает непосредственно на поверхность 81. Таким образом, при данных условиях сублимации это требование удовлетворяется полностью.

Второе условие исследуемого подхода к генерации неравновесных V заключается в том, чтобы часть матричных атомов удалялась по нормальному механизму, т.е. не из изломов атомарных ступеней, а из атомарно плоских участков поверхности. При тепловой сублимации атомов кремния с вицинальных граней считается [87], что удаление атома происходит в два этапа (Рис.7.1а). Сначала атом выходит из атомарной ступени (на рисунке позиция 1) или из излома (2) на ней на поверхность

Обнаруженные вторичные эффекты в ионно-имплантированных слоях кремния объяснены с позиции взаимодействия вводимых с поверхности неравновесных вакансий с ТД, высвобождающимися из радиационных кластеров в процессе отжига ионно-имплантированных слоев.

3. С помощью методов рентгеновской дифрактометрии, внешней фотоэмиссии, катодолюминесценции и катодопроводимости исследованы эффекты улучшения структурного совершенства слоев ваАз за счет сбалансированного введения в кристалл вакансий по обеим подрешеткам кристалла в процессе стехиометрического травления его поверхности. Показано, что таким образом удается модифицировать слои полуизолирующего ваАэ толщиной не менее 5 мкм. За счет улучшения кристаллического совершенства исходного кристалла существенно увеличивается краевая люминесценция исходных кристаллов ОаАз. Исследованы люминесцентные и электрофизические параметры ионно-легированных кремнием слоев, созданных на таких модифицированных подложках ОаАБ. Показано, что люминесцентные характеристики слоев увеличиваются в разы за счет подавления безызлучательных центров рекомбинации носителей заряда, а подвижность электронов возрастает на 2030%.