Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1997, том 39, № 5 Рентгенодифракционные исследования кремния, имплантированного ионами эрбия с высокими энергиями й Р.Н. Кютт, Н.А. Соболев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 10 декабря 1996 г.) Кристаллы кремния после имплантации ионов эрбия с энергиями 0.8Ц2.0 MeV и дозами 11012-11014 cm-2 исследовались методами двух- и трехкристальной дифракции рентгеновских лучей. Наблюдалось образование трех типов двухкристальных кривых отражения. Они соответствуют различным структурным состояниям имплантированных слоев. При умеренных дозах (11012 - 1 1013 cm-2) наблюдается возникновение положительной деформации, обусловленной формированием вторичных радиационных дефектов межузельного типа.

Увеличение дозы имплантации сопровождается формированием аморфного слоя, разделяющего объемный и тонкий приповерхностный монокристаллический слои. При дозе имплантации 11014 cm-2 приповерхностный монокристаллический слой полностью аморфизируется. Определены параметры имплантировнных слоев.

Обсуждается модель трансформации структурных нарушений.

егированный эрбием кремний привлекает огромное когерентности фиксируемого дифрагированного излучевнимание, поскольку он является перспективным мате- ния и наличие диффузного рассеяния.

риалом для создания светоизлучающих структур [1]. Для Для рассматриваемых в данной работе образцов не практического использования такого материала в элек- наблюдалось заметной диффузной интенсивности, а дитрооптических приборах мощность электролюминесцен- намические пики на трехкристальных кривых в 2-моде ции необходимо увеличить на несколько порядков. Этим сканирвоания имели ширину, обусловленную только ини обусловлена актуальность исследования структурных, струментальным фактором (сверткой кривых отражения электрических и оптических свойств слоев легированно- монохроматора и анализатора). Отсюда был сделан выго эрбием кремния на разных стадиях их изготовления. вод о том, что вся измеряемая интенсивность носит когерентный характер.

Для исследования дефектной структуры имплантироЭто позволило моделировать двухкристальные диванных слоев полупроводников используются методы обратного резерфордовского рассеяния (RBS), рентге- фракционные кривые, используя полукинематическое новской дифракции и трансмиссионной электронной ми- приближение [4], и путем последовательной подгонки получить, где это возможно, профиль распределения по кроскопии (TEM). Измерение RBS-спектров позволяет определить степень разупорядоченности кристалличе- глубине компоненты деформации = (d/d), где (d/d) Ч относительное изменение межплоскостного ской решетки и профили распределения нарушений и имплантируемых примесей. Дифракционные методы ис- расстояния d по сравнению с матрицей кремния.

пользуются в первую очередь для оценки возникающих На первом этапе выбирался начальный профиль деформации с учетом физической модели имплантированнапряжений в монокристаллических слоях. Электронная микроскопия позволяет оценить размер и плотность воз- ного слоя, общей формы кривой отражения и таких параметров кривой, как средние расстояния между осникающих структурных дефектов и в отдельных случаях их структуру. цилляциями и их удаленность от пика матрицы.

Ранее образование структурных дефектов при имплантации ионов эрбия в кремний исследовалось методом 2. Экспериментальные результаты RBS [2,3]. В данной работе приведены результаты исследования таких слоев методом рентгеновской дифракции.

По форме распределения интенсивности дифракционные кривые от исследованных образцов можно разделить на три вида, исходя из чего имплантированные пластины 1. Экспериментальные условия можно разбить на три группы с принципиально различной структурой поверхностного слоя.

Рентгеновская дифракция измерялась на двух- и трех- К первой группе относятся кристаллы, подвергнутые кристальном дифрактометре в симметричной брэггов- имплантации при дозах, меньших чем 5 1013 cm-2. На ской геометрии, отражение 004 CuK-излучения. Ис- сооветствующих кривых отражения наблюдались дополпользовалась бездисперсионная схема с монохромато- нительные пики и осцилляции со стороны углов, меньром и анализатором из совершенных монокристаллов ших брэгговского. Угловые положения и интенсивность кремния в отражении 004. Для каждого из образцов этих пиков зависят от энергии (E) и дозы имплантации сначала измерялись двухкристальные кривые отражения, (D), причем увеличение дозы приводит к смещению а затем по трехкристальной схеме проверялись степень дополнительных пиков в сторону от главного, а с ростом 854 Р.Н. Кютт, Н.А. Соболев (E = 1.0 MeV) до 0.70 m (E = 2.0 MeV); b) высота максимума уменьшается с 1.2 10-3 (E = 1.0 MeV) до 0.6 10-3 (2 MeV), а полуширина кривой распределения растет; c) суммарная деформация поверхностного слоя, рассчитываемая как площадь под профилем деформации U = (z)dz, в рассматриваемом интервале энергий (0.8Ц2 MeV) при фиксированной дозе остается величиной, практически постоянной (в пределах 10%).

Другой разновидностью кривых отражения является асимметричная кривая с медленно и монотонно спадающей интенсивностью со стороны меньших углов (рис. 3, a). Такая форма свидетельствует об аморфизации поверхностного слоя, а увеличенная интенсивность на малоугловом крыле кривой обусловлена рассеянием от Рис. 1. Кривая отражения (сплошная линия Ч эксперимент, более глубокой неаморфизированной области кристалла штриховая Ч расчет) после имплантации эрбия с E = 2 MeV с монотонно спадающей деформацией.

и D=1 1013 cm-2.

Структура таких образцов изображена на рис. 3, b, где профиль деформации соответствует расчетной кривой на рис. 3, a (штриховая линия). К сожалению, дифракционные измерения в стандартной геометрии не позволяют ничего сказать о толщине поверхностного аморфного слоя.

Форма кривых третьего типа (рис. 4) характерна для структур, содержащих в глубине инородный слой, соРис. 2. Профили деформации после имплантации эрбия с D = 1 1013 cm-2 и E (MeV): 1 Ч1.0, 2 Ч1.2, 3 Ч2.

энергии эти пики увеличиваются по высоте и приближаются к главному. Такая форма кривых указывает на наличие положительно деформированного слоя, возникшего в результате ионной бомбардировки.

Пример дифракционной кривой для одного из образцов приведен на рис. 1. Штриховой линией на нем изображена кривая, полученная в результате расчета и соответствующая профилю деформации (3 на рис. 2).

На рис. 2 представлены профили распределения деформации для образцов, имплантированных одной и той же дозой D = 1 1013 cm-2, но с разной энергией.

Распределение деформации неравномерно и имеет четко выраженный максимум в глубине слоя и относительно слабо нарушенную область у поверхности.

Рис. 3. Кривая отражения (a) и профиль деформации (b) Из рис. 2 видно, что с увеличением энергии импосле имплантации эрбия с E = 2 MeV и D =1 1014 cm-2.

плантации: a) глубина максимума деформации увелиa) Сплошная линия Ч эксперимент, штриховая Ч расчет;

чивается в первом приближении линейно от 0.35 m b) заштрихованная область соответствует аморфному слою.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Рентгенодифракционные исследования кремния, имплантированного ионами эрбия... в нашем случае, с помощью гистограмм [4,6Ц8], делаются попытки его моделирования с помощью простых аналитических функций (например, симметричной [9] или двойной гауссовской функцией [10]) с последующим получением параметров этих функций.

В настоящей работе мы следовали методике, разработанной в [4] и основанной на полукинематическом приближении. Применимость последнего оправдана тем, что общая толщина t деформированного слоя даже при E = 2.0 MeV(t 1.3 m) значительно меньше экстинкционной длины для рефлекса 004 ( = 11.4 m). При моделировании кривых отражений профиль задавался десятью интервалами, каждый из которых характеризовался двумя параметрами: приведенной толщиной zi и деформацией i.

Рис. 4. Кривая отражения после имплантации эрбия с В настоящей работе при определении профиля дефорE = 2 MeVи D=5 1013 cm-2. мации дифракционные кривые рассчитывались без учета статического фактора ДебаяЦВаллера e-L. Это может показаться неоправданным, особенно, при дозах, близких к критической. Однако в пользу такого приближения здающий фазовый сдвиг верхнего кристаллического слоя (малого влияния) свидетельствует то, что расчетные и относительно нижнего. В нашем случае это может быть экспериментальные кривые дают одинаковые значения только аморфный слой, сам по себе не дающий отраинтегральной интенсивности отражения, определяемой жения, но обеспечивающий смещение верхнего слоя по эффективным рассеивающим объемом te-L. Другими нормали к поверхности из-за меньшей плотности аморфсловами, при заметном влиянии статических смещений ного материала. Следовательно, образцы этой группы при расчете кривых не удалось бы совместить максиму(доза имплантации 51013 cm-2) характеризуются только мы на ней как по углам, так и по интенсивности.

частичной аморфизацией, происходящей, очевидно, на К сожалению, распределение деформации для образглубине максимума деформации.

цов с заглубленным аморфным слоем, полученное тольОсцилляции на кривых этого типа наблюдаются со ко из соответствия расчетной и экспериментальной дистороны меньших углов на фоне монотонно спадаюфракционных кривых для одного рефлекса, нельзя прищей интенсивности. Характер последней зависимости знать однозначным. Во-первых, в принципе невозможно аналогичен имеющему место для образцов с полноопределение толщины аморфного слоя, так как в расчет стью аморфизированным поверхностным слоем. Поэтозакладывается только изменение фазы, кратное 2, или му моделирование кривых осуществлялось, исходя из смещение вышележащего слоя, кратное одному межпредположения о существовании трех областей: верхней плоскостному расстоянию d. При уровне деформации монокристаллической с малой деформацией, следующей 3 10-3 (выше которой наступает аморфизация, аморфной и более глубокой монокристаллической с что соответствует относительному уменьшению плотостаточной спадающей в глубину деформацией.

ности аморфного материала / = -4.5 10-3) неОтметим, что аналогичная структура имплантированоднозначность в определении толщины аморфного слоя ного слоя и соответствующие дифракционные кривые будет кратной 450 Ч величине, которая примерно на впервые наблюдались в [5] для высокоэнергетического порядок меньше самой толщины.

внедрения ионов азота. Однако задача определения параВо-вторых, смещение верхнего слоя (фазовый сдвиг) метров профиля такого типа неоднозначна (см. далее), создается не только аморфным, но и нижележащим и поэтому соответствующие результаты вычислений не кристаллическим слоем с остаточной деформацией.

приводятся. Достаточно определенным параметром, поИ в-третьих, мы должны задавать практически две лучаемым непосредственно из кривых, является толфункции распределения как для нижнего, так и для щина верхнего монокристаллического слоя, вычисляеверхнего монокристаллических слоев.

мая из периода осцилляций. Она получилась равной Вероятно, устранить возникающую неопределенность 0.35-0.4 m для образцов с различной энергией.

можно только при изучении последовательного изменения профиля деформации в зависимости от дозы с малым шагом ее возрастания до критической, как это сделано 3. Обсуждение результатов в [11].

К настоящему времени насчитывается достаточно Профили деформации, полученные для имплантации много работ, в которых по дифракционным кривым ионов эрбия с энергией порядка миллиона электронопределяется распределение деформации по глубине. вольт, имеют вид заглубленных максимумов. Такое асимКроме метода, в котором профиль задается, как и метричное распределение наблюдалось в большинстве Физика твердого тела, 1997, том 39, № 856 Р.Н. Кютт, Н.А. Соболев экспериментальных рентгенодифракционных работ по деформации в районе максимума ее распределения для ионному внедрению в кремний. Правда, последние были E = 2 MeV и превышению ее при более низких энергиях.

сделаны в основном для легких и средних ионов (B+, P+, При этом, казалось бы, пропорционально дозе должна O+, Si+) в интервалах энергий от нескольких десятков возрастать и деформация верхнего слоя, остающегося до сотен keV [4,6Ц11]. Кроме того, даже зависимость кристаллическим. Однако форма дифракционных кривых деформации от энергии в нашем случае аналогична (рис. 4) для таких образцов показывает, что среднее наблюдавшейся в [4]. Это показывает, что поведение значение в этом слое не должно превышать 210-4.

высокоэнергетических тяжелых ионов аналогично пове- В противном случае неизбежно появление на кривой дению легких ионов (таких как B+) с энергиями, на отражения дифракционного максимума, превышающего порядок меньшими. по интенсивности амплитуду осцилляций и соответствуПоложительная деформация в имплантированном ющего величине.

слое при внедрении средних и тяжелых ионов создается Поскольку у нас нет оснований считать, что в этой в подавляющей части радиационными дефектами. Несмообласти имеет место нарушение линейности между тря на то что атомный радиус эрбия достаточно велик деформацией и дозой, малое значение в припо(rEr = 1.75 ) и Er находится в междоузельных положеверхностном слое должно быть обусловлено другими ниях в решетке кремния [12], простой расчет показывает, причинами. Одно из возможных объяснений состоит в что вклад примеси в суммарную деформацию невелик.

том, что с образованием аморфного слоя начинается Действительно, если считать, что активный сток междоузлий в этот слой, в результате чего происходит обеднение поверхностного слоя дефектами.

U(Er) =(1/3)KvErD Однако возможна и другая причина. Поверхностные слои, образованные в результате диффузии или ионной (K Ч коэффициент тетрагональной дисторции за счет имплантации (с дозами до критической), как правипуассоновских сил K(001, Si) =1.9, vEr Чобъем атома ло, когерентно сопряжены с матрицей кристалла. Это кремния), получим для D = 1 1013 cm-2 значение приводит к упруго-деформированному состоянию слоя, U(Er) 2 10-10 cm. Даже если учесть, что междовыражающемуся в тетрагональной дисторсии решетки в узельный атом вызывает дилатацию, большую, чем его слое. Частичная или полная релаксация упругих напрянепосредственный объем, это значение в любом случае жений наблюдается обычно после высокотемпературнона два порядка ниже, чем интегральныя деформация, го отжига, при этом напряжения снимаются с помощью полученная для этой дозы (U = 4 10-8 cm).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам