Парамагнетизм дефектов решетки кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами Xe и Kr Шумская, Елена Николаевна

Введение к работе

Актуальность темы. Высокоэнергетичная ионная имплантация, возникшая первоначально как вариант радиационной физики полупроводников, на сегодняшний день рассматривается в качестве перспективного направления создания в полупроводниковых кристаллах заглубленных легированных слоев и повышения плотности элементов микроэлектронньгх приборов путем формирования многослойных трехмерных структур. Оказалось, однако, что дефектно-примесная структура, создаваемая в полупроводниковых кристаллах ионами высоких энергий, существенно отличается от структуры, формируемой при низкоэнергетичной ионной имплантации. С научной точки зрения интерес представляют специфика такого дефектообразования, пространственное распределение нарушений и их термостабильность. Основными отличиями высокоэнергетичной ионной имплантации от низкоэнергетичной являются глубокое проникновение имплантируемых ионов и многослойная структура облученного слоя, обусловленная реализацией различных механизмов взаимодействия ионов с атомами решетки и представляющая собой последовательность слоев, дефекты в которых количественно и качественно различны.

Хорошо развитые -модели модификации полупроводниковых кристаллов при имплантации ионов низких энергий нельзя напрямую распространить на случай высокоэнергетичной имплантации. Несмотря на то, что исследование имплантации полупроводников ионами высоких энергий ведется уже несколько лет, уровень представлений о процессах, происходящих при облучении и последующем отжиге кристалла, в этом случае значительно ниже, чем для традиционной низкоэнергетичной имплантации.

Задачи, связанные с идентификацией и определением структуры дефектов, созданных высокоэнергетичной ионной имплантацией, являются весьма актуальными для современной физики полупроводников, поскольку именно дефекты в значительной степени определяют электрические, магнитные и оптические свойства полупроводников, облученных ядерными частицами или ионами.

Кремний в настоящее время является наиболее используемым в
микроэлектронике полупроводниковым материалом.

Высокоэнергетичная ионная имплантация формирует в нем одиночные

низкоразмерные элементы либо их ансамбли (дислокационные конфигурации, ассоциации точечных дефектов решетки и т.д.). Поэтому исследование свойств низкоразмерных элементов и систем, сформированных высокоэнергетичной ионной имплантацией в кремнии, является важной задачей для создания физической основы нового поколения высокоинтегрированных быстродействующих систем обработки, передачи и хранения информации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках:

госбюджетной научно-исследовательской работы Белорусского государственного университета по теме "Исследование физических свойств квазиодномерных дефектных структур, созданных в полупроводниках высокоэнергетичной ионной имплантацией" (гос. per. № 19963061, 1996-2000 гг.) по программе Министерства образования Беларуси "Низкоразмерные системы";

программы фундаментальных исследований Белорусского государственного университета "Разработка и исследование перспективных материалов" (Новые материалы-2, гос. per. № 19963448, 1996-2000);

темы "Разработка физических принципов создания низкоразмерных элементов оптоэлектроники на основе алмаза" (гос. per. № 19963063, 1996-1997 гг.), финансируемой Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь;

темы "Исследование физических свойств низкоразмерных углеродных и кремниевых кластеров и композитов на их основе" (гос. per. № 19982953, 1998-2000 гг.), финансируемой Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь.

Целью работы являлось выявление с помощью метода электронного парамагнитного резотіанса (ЭПР) особенностей формирования точечных и протяженных дефектов решетки кремния, имплантированного тяжелыми высокоэнергетичными ионами инертных газов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) определение специфики парамагнетизма точечных и протяженных
дефектов решетки кремния, имплантированного

высокоэнергетичными ионами Хе и Кг;

1. идентификация парамагнитных центров (точечных и протяженных дефектов) в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами;

2. выявление трансформации характеристик спектральных линий точечных и протяженных дефектов по глубине облученного слоя кремния;

3. определение термостабильности наблюдаемых парамагнитных центров.

Объект и предмет исследования. В работе использовались образцы кремния р-типа, выращенные по методу Чохральского, с удельным сопротивлением 10 Ом-см. Облучение образцов Si ионами Хе с энергией 5,68 ГэВ в диапазоне доз 5х10^п,..5х10^п см"² и ионами Кг с энергией 210 МэВ в диапазоне доз 1х10^Т2...Зх10¹⁴ см"² осуществлялось в направлении <111> при комнатной температуре.

Изучались парамагнитные свойства одиночных низкоразмерных элементов и их ансамблей, являющихся продуктом высокоэнергетичиой имплантации кремния ионами инертных газов.

В представленной работе в качестве основного метода исследования радиационных структурных нарушений использован метод ЭПР.

Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

впервые с помощью метода ЭПР в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, обнаружено резонансное поглощение, обусловленное неспаренными электронами, локализованными на дислокациях и их ассоциатах, которые сформированы в процессе высокоэнергетичиой ионной имплантации;

впервые обнаружен магнитный гистерезис посредством измерения электронного парамагнитного резонанса в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, что связывается с существованием магнитного упорядочения в системе неспаренных электронов, локализованных на дислокациях;

развит метод ЭПР для исследования свойств магнитно-упорядоченной системы неспаренных электронов, определения угловых зависимостей значения поля насыщения с целью установления анизотропии и особенностей дефектной структуры, формируемой при высокоэнергетичиой имплантации и обладающей магнитным упорядочением;

установлено, что при имплантации кремния высокоэнергетичными ионами Хе и Кг помимо центров дислокационной природы образуются точечные дефекты, превалирующими из которых являются: Si-РЗ ((ПО)-планарная тетравакансия в нейтральном зарядовом состоянии), Si-Рб (положительно заряженное <100> расщепленное димеждоузлие), Si-S2 (тетравакансия в отрицательном зарядовом состоянии); в то же время парамагнитные центры с g = 2.0055, связываемые с аморфной фазой кремния, не наблюдаются;

при сопоставлении экспериментально полученного пространственного распределения точечных дефектов по глубине имплантированного ионами Хе кремния и моделирования по программе TRIM-96 подтверждено, что доминирующим механизмом формирования точечных дефектов являются упругие столкновения ионов с атомами мишени;

впервые на основании идентичности угловой зависимости g-фактора линий ЭПР кремния, выращенного по методу Чохральского и имплантированного высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, и теоретически рассчитанной угловой зависимости парамагнитного термодонорного центра Si-NL8 показано, что высокоэнергетичная имплантация кремния формирует указанный термодонорный центр.

Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты являются физической основой решения задачи управления электрофизическими свойствами кремния путем легирования его другими элементами методом высокоэнергетичной имплантации и одновременно с этим радиационно-термической модификации имплантируемой области материала. Кроме того, результаты, связанные с формированием дислокаций в кремнии при высокоэнергетичной имплантации и с возникновением магнитного упорядочения в системе неспаренных электронов, локализованных на дислокациях, могут быть использованы в области полупроводникового материаловедения для формирования путем высокоэнергетичной ионной имплантации магнитно-упорядоченных структур на основе кремния, а также могут войти в курс лекций по физическому материаловедению.

Результаты исследования парамагнитных свойств дефектно-примесной структуры кремния, созданной высокоэнергетичным ионным облучением, могут быть использованы при изучении структурных совершенств твердых тел методами радиационігой физики в

Белорусском государственном университете, Институте физики твердого тела и полупроводников АН РБ, Объединенном институте ядерных исследований, Физическом институте им П.Н. Лебедева и других организациях соответствующего профиля.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

установление специфики парамагнетизма дислокаций, сформированных в процессе имплантации кремния высокоэнергетнчными ионами Хе и Кг, заключающейся в проявлении в спектре ЭПР линии с анизотропным g-фактором g = 2,2...3,4 и шириной ДН = 200...3000 Гс, а также в возникновении магнитного упорядочения в системе локализованных на дислокациях неспаренных электронов, стабильной до температуры не ниже 1270 К;

закономерности формирования точечных дефектов и кислородных комплексов в присутствии дислокаций, сформированных в процессе имплантации кремния высокоэнергетичными ионами Хе и Кг, проявляющиеся в отсутствии аморфизации кремния и распределении парамагнитных дефектов за пределами среднего проективного пробега.

Личный вклад. Из 20 опубликованных по теме диссертации работ 5 работ выполнены автором диссертации без соавторов.

Личный вклад автора в совместно опубликованные работы, выполненные в соавторстве с научными руководителями диссертации и коллегами, заключается в анализе и интерпретации спектров ЭПР, осуществлении диагностики с помощью метода ЭПР различных типов дефектов решетки (точечных и протяженных) и применении данного метода для оценки пространственного распределения и термостабильности дефектов решетки кремния, имплантированного высокоэнергетичными ионами инертных газов.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Ежегодной конференции немецкого физического общества (Регенсбург, 1996 г., Мюнстер, 1997 г.), III Международном симпозиуме по алмазным пленкам ISDF-3 (Санкт-Петербург, 1996 г.), Международном симпозиуме "Ионная имплантация в науке и технике" (Налэнчув, 1997 г.), XVII конференции по радио- и микроволновой спектроскопии RAMIS'97 (Познань, 1997 г.), Ежегодной конференции Европейского общества материаловедения E-MRS (Страсбург, 1998 г.),

Международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1995 г., 1997 г., 1999 г.), Первой Всероссийской конференции "Кремний-96" (Москва, 1996 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний-2000" (Москва, 2000 г.), II республиканской научной конференции студентов Беларуси (Минск, 1996), Республиканской студенческой конференции по физике конденсированных сред (Гродно, 1995 г., 1996 г., 1997 г.).

Опубликованность результатов. Содержание диссертации отражено в 20 опубликованных научных работах, в том числе 5 статьях. Из них: 2 статьи - в научных журналах, 3 статьи - в сборниках научных статей, 15 тезисов докладов - в сборниках материалов конференций. Общий объем опубликованных материалов составляет 42 страницы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с заключениями по каждой из них, основных выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 123 страницы, включая 43 иллюстрации на 41 странице. Список использованных источников включает в себя 158 наименований.