Образование радиационных дефектов

Ионы при внедрении в кремниевую кристаллическую подложку подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов кремния. Внедрение ионов в кремниевую подложку, как принято полагать сейчас, происходит следующим образом: ион останавливается в течение примерно 10^13 с (это время может быть приблизительно определено путем деления длины пробега иона на среднюю скорость его движения), затем в течение 10^12 с тепловые колебания решетки возвращаются к равновесным значениям, за 10^9 с релаксируют нестабильные нарушения кристаллической структуры и происходит некоторое упорядочение благодаря процессу локальной диффузии. Для образования дефекта необходимо, чтобы передаваемая атому решетки энергия была больше или равна энергии связи атомов.

Тяжелые ионы тормозятся в основном за счет столкновений с ядрами, поэтому они вызывают появление большого числа дефектов. Ситуацию легко понять, рассмотрев образование дефектов ионами Sb с энергией 100 кэВ, потеря энергии которых за счет столкновений с ядрами составляет 2 кэВ/нм по всему пути внутри кристалла. Так как расстояние между атомными плоскостями в решетке кремния составляет около 0.25 нм, то ион Sb в среднем теряет примерно 500 эВ на каждую плоскость решетки. Основная часть этой энергии передается атомам отдачи кремния, причем средняя энергия атомов отдачи приближается к 500 эВ. Такие атомы имеют пробег около 2.5 нм.

Каскад последующих столкновений первоначально выбитого атома вызывает дополнительное смещение около 15 атомов мишени, так как общее число атомов отдачи для тяжелых ионов примерно равно Е/2Е_d (где Е_d  энергия связи атомов решетки, примерно 15 эВ для кремния). Общий объем области повреждения V_d  (2.5 нм)²(50 нм). Внутри этого объема в каждой плоскости решетки кремния находится около 15 смещенных атомов, т. е. всего имеет место около 3000 смещений. Средняя плотность вакансий 3000/V_d  3  10²¹ см^3, что составляет примерно 10 % общего числа атомов в объеме V_d. Вследствие этого поверхность материала после ионной имплантации становится аморфной.

Легкие ионы большую часть энергии теряют при взаимодействии с электронами, которые не приводят к возникновению повреждений. Поэтому в основном дефекты возникают в конце пробега, где начинают преобладать столкновения с ядрами, и чаще всего это происходит в месте локализации иона. Поэтому для перевода материала в аморфное состояние требуются гораздо большие дозы облучения.

Для закрепления материала по ионной имплантации предлагается выполнить индивидуальное задание № 2: построить графическую зависимость распределения концентрации внедренных ионов заданного материала с заданной энергией в кремниевую подложку с заданной дозой облучения. Определить боковое смещение ионов и сравнить полученное значение с уширением линии, полученной на резисте в задании № 1. Для проведения расчетов рекомендуется пользоваться теорией ЛШШ.

Задаваемые параметры приведены в табл. 2.

Таблица 2

Варианты параметров процессов электронной литографии и ионной имплантации для выполнения индивидуальных заданий.

Группа

		Электронолитография					Ионная имплантация
№	Фамилия		Е0, кэВ		Подлож.	Оценка	Ион	Е0, кэВ	Q, 1013		Оценка
1			10		Si		Sb	60	5
2			15		----		P	80	10
3			18		---		Al	100	50
4			20		---		B	120	100
5			25		---		As	140	1
6			28		---		Sb	140	1
7			30		---		P	120	5
8			35		---		Al	100	10
9			40		---		B	80	50
10			45		---		As	60	100
11			50		---		Sb	60	10
12			10		Ge		P	80	50
13			15		---		Al	100	100
14			18		---		B	120	1
15			20				As	140	5
16			25		---		Sb	140	1
17			28		---		P	120	5
18			30		---		Al	100	10
19			35		---		B	80	50
20			40		---		As	60	100
21			45		---		Sb	60	1
22			50		---		P	80	5
23			10		GaAs		Al	100	10
24			15		---		B	120	50
25			18		---		As	140	100
26			20		---		Sb	140	100
27			25		---		P	120	50
28			28		---		Al	100	10
29			30		---		B	80	5
30			35		---		As	60	1
31			40		---		Sb	60	1
32			45		---		P	80	5
33			50		---		Al	100	10
34			55		---		B	120	50

Список рекомендуемой литературы

Основная

1. В.И. Марголин, В.А. Жабрев, В.А. Тупик Физические основы микроэлектроники : учебник для студ. высш. учеб. заведений.- М.: Издательский центр "Академия", 2008.- 400 с.

2. В.А. Жабрев, В.И. Марголин, В.С. Павельев Введение в нанотехнологию (Общие сведения, понятия и определения): учеб. пособие, под ред. проф. А.И. Сечного.- Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2007.- 172 с.

3. Жабрев В.А., Марголин В.И., Мошников В.А. Основы субмикронной технологии: Учеб. пособие.- СПб.:, Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001.- 108 с.

4. Борн М. Атомная физика. М.: Мир, 1965.

5. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. М.: Мир, 1985.

6. Технология СБИС: В 2 т./ Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986.

7. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. М.: Мир, 1989.

8. Рыкалин Н. Н., Зуев И. В., Углов А. А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978.

9. Валиев К. А., Раков А. В. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике. М.: Радио и связь, 1984.