CC BY
29
6. Толмачев, С. Т. Однородное поле, возмущенное периодической системой круговых цилиндров [Текст] / С. Т. Толмачев // Теоретическая электротехника: Респ. межвед. научн.-техн. сб. - 1977. - Вып. 23. - С. 97-106.
7. Толмачев, С. Т. Однородное поле, возмущенное периодической системой эллиптических цилиндров [Текст] / С. Т. Толмачев // Теоретическая электротехника: Респ. межвед. научн.-техн. сб. - 1978. - Вып. 24. - С. 96-105.
8. Толмачев, С. Т. Расчет потенциала в прямоугольной пространственной системе сферических элементов, помещенных во внешнее однородное поле [Текст] / С. Т. Толмачев // Электричество. - 1974. - № 10. - С. 30-33.
9. Толмачев, С. Т. Потенциальное поле в периодической системе взаимодействующих сфероидов [Текст] / С. Т. Толмачев // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1975. - № 1. - С. 52-61.
10. Емец, Ю. П. Эффективные параметры многокомпонентных диэлектриков с гексагональной структурой [Текст] / Ю. П. Емец // Журнал технической физики. - 2002. - Т. 72, вып. 1. - С. 51-59.
11. Вайнштейн, Б. К. Современная кристаллография [Текст]. Т. 1. Симметрия кристаллов. Методы структурной кристаллографии / Б. К. Вайнштейн. - М.: Наука, 1979. - 384 с.
12. Гурвиц А. Теория функций / А. Гурвиц, Р. Курант. - М.: Наука, 1968. - 648 с.
13. Безымянный, Ю. Г. Методология акустического контроля многофазных гетерогенных материалов [Текст] / Ю. Г. Безымянный // Сборник трудов акустического симпозиума «К0НС0НАНС-2005». Киев, 27-29 сентября 2005 г. - Киев, 2005. - С. 50-55.
Метою даног статт1 е систематизация даних про основт закономерности процессе юнного легування арсетду галю, анализ впливу технологхчних факторов на пара-метри мплантованих шаргв, використан-ня методов юнног ¡мплантаци в тому числг високоенергетичног багатозарядног при формувант приладних структур швидкгсних великих ттегральних схем на арсешд1 галЮ Ключовг слова: гонне легування, багатозарядш домшки, натвгзолюючий
арсетд галЮ
□-□
Целью данной статьи является систематизация данных об основных закономерностях процессов ионного легирования арсени-да галлия, анализ влияния технологических факторов на параметры имплантированных слоев, использование методов ионной имплантации в том числе высокоэнергетической многозарядного при формировании приборных структур скоростных больших интегральных схем на арсениде галлия
Ключевые слова: ионное легирование, многозарядные примеси, полуизолирующий арсенид галлия
УДК 621.382.001.2
Ф1ЗИКО-ТЕХНОЛОГ1ЧН1
АСПЕКТИ БАГАТОЗАРЯДНОТ 1МПЛАНТАЦ1Т АРСЕН1Д ГАЛ1Ю В СТРУКТУРАХ ПРИЛАД1В I СХЕМ
С. П. Новосядлий
Доктор техычних наук, професор* E-mail: nsp@mail.pu.if.ua Л. В. Мельник Астрант* E-mail: lj-3d@rambler.ru Т. П. Ki ндрат Астрант* E-mail: nsp@mail.pu.if.ua *Кафедра комп'ютерноТ шженери та електронки Прикарпатський нацюнальний ушверситет iM. В. Стефаника вул. Шевченка, 57, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76025
1. Вступ
Промислове освоення технологи юнного легування на арсенда галш сьогодт вимагае ршення декшькох специфiчних задач, основними i3 яких е :
• зниження вартост i покращення якост вихщ-ного матерiалу i тдкладок великого дiаметру (>100 мм);
• модифжащя сучасного автоматизованого об-ладнання, яка обумовлена великою в порiвнян-ш з кремшем (майже в 2,7 рази) масою пластин
GaAs , 1х хрупкост i прозорктю високоомного матерiалу в 1Ч^апазош;
• забезпечення ефективного вщведення тепла вщ структур GaAs в процес обробки i екс-плуатацп внаслщок низько'1 теплопровщносп матерiалу (складае близько 35% вщ теплопро-вщносп Si );
• розробки методiв багатозарядно'1 iмплантацil i вщпалу домшок для зниження дефекпв в структурах В1С.
2. Аналiз дослав i публiкацiй
2.1. Фiзичнi основи i моделi юнного легування в GaAs [1, 2, 5, 6]
1онна iмплантацiя в арсенда галiю мае сво! особливостГ в порiвняннi з кремнiем. Розглянемо щ особливостi, виходячи iз теорГ! Лшдхарда-Шарфа-Шiйотта (ЛШШ).
Розподiл пробМв iмплантованих iонiв за гли-биною, якi спiвпадають з концентрацiею введено! домшки, в1дпов1дають розподiлу Гаусса i визначаеться середнiм проекцiйованому пробiгу Яр стандартному в1дхиленню АЯР та дозою ютв ф зг1дно виразу :
^х) =
-ехр
(х- Яр)2 2АЯ„2
(1)
А максимальна концентрацiя впроваджено! домiшки приймае вид
^^ =ф /л/2лАЯр.
(2)
Розроблена теорiя ЛШШ не враховуе ряд побiчних ефектiв, як сильно проявляються при iонному легувант GaAs . Так, формула (1) не враховуе оберне-ного розсшвання iонiв, яке стае досить замГтним вже при iмплантацГi низько енергетичних юшв. Каналю-вання iонiв в GaAs проявляеться бiльш слабше, тж у кремнГ!, що пояснюеться великим впливом декапсулю-ючих факторiв.
Поряд з параметрами Яр i АЯР iснуе ще одна величина, що не враховуеться формулами (1) i (2), але мае досить принципове значення для GaAs - це бокове розсшвання АЯРЬ , що представляе розсшвання пада-ючих ютв вГд напряму, перпендикулярного поверхш мiшенi-пiдкладки, його значення АЯРЬ е зазвичай на 25-35% бГльшим вГд значення АЯР. Для наближено! оцiнки можна рахувати, що при iмплантацГi через маску вГдстань приблизно рГвна 0,5 .
При ГмплантацГ! великих доз ютв починае про-являтися ефект розпилення поверхш тд впливом Гонного бомбардування. Для GaAs процес розпилення проявляеться уже при дозах 1014 -1015 см2. ДослГдження показали, що для випадку юшв криптона чи прототв коефшдент розпилення GaAs вже перевищуе 40 ат/юн. Якщо вважати швидкостГ розпилення атомГв GaAs - пГдкладок Г домшки однако-вими Г не враховувати атомГв вгддачГ ГонГв !х розподГл в пГдкладщ з врахуванням процесу розпилення можна записати у виглядГ
^х) = — У 7 2S
ехр
(х + фS/N) ^/2АRP
-ехр
х
^/2АR
ру
, (3)
де S- коефГцГент розпилення мГшенГ ат/юн.
ВГдповГдно при насиченнГ концентрацГйного про-фГлю, отримаемо
хт, ч N
= 286ХР
х - Яр
л/2АЯ
(4)
ру
СпГввГдношення (4) показуе що при врахуванш процесу розпилення максимум концентрацГ! лежить на поверхш Г виражаеться сшввщношенням :
N
^ =— ехр т 2S
1 -
л/2АЯ
^ )
= N = D, при RP > 3АRP. (5)
Тобто, така максимальна концентрацГя визначаеться стввГдношенням атомно! густини N до коефГцГента розпилення S.
1нтегрування виразу (4) дае значення максимально досягнуто! поверхнГ концентрацГ! атомГв в легуючому матерГалГ GaAs .
N = ^ = N Аяр
ехр
Яр
2Аяр
(6)
Саме при ГмплантацГ! важких ГонГв в GaAs Гз серед-нГми та великими дозами експериментально отримаш значення N5 дуже добре ствпадають з розрахованими згГдно формули (6).
Дуже важливим ефектом, що супроводжуе процес ГмплантацГ! Г шсляГмплантацшного вГдпалу е звичай-но процес дифузГ!. ГенерацГя великого числа дефектГв при Гонному бомбардуваннГ може викликати значну дифузГю по вакансГям в процес ГмплантацГ! ГонГв. ПГд впливом радГацГйних дефектГв швидкГсть дифузГ! може збГльшуватись (за рахунок мГж вузлово! дифузГ!) або зменшуватись в результатГ захоплення атомГв домГшки дефектними утвореннями (кластерами чи преципГта-тами).
Значну роль вГдграе дифузГя Г при вГдпалГ (актива-цГ!) Гмплантованих шарГв. В цьому випадку значення коефЩенпв дифузГ! для рГзних елементГв в GaAs може сильно вГдрГзнятися вГд значень твноважно! термГчно! дифузГ!.
Якщо ГмплантацГя проводиться через тонкий шар якого-небуть матерГалу, нанесеного на поверхню GaAs , то при певних умовах проходить процес «вбивання» атомГв речовини цього шару (атомГв вГддачГ) в по-верхневу область пГдкладки. В результатГ цього може проходити неконтрольоване забруднення ГмплантацГ! через маску SiO2. Цей ефект можна використати для формування ретроградних областей витоку Г стоку по-льових транзисторГв.
При легуванш GaAs Гонами кремнГю чи сГрки виникае специфГчна задача забезпечення чистоти Гонного пучка, бо в мас-сепараторГ завжди е присутнГ Гони з тими ж масами, що Г Гони легуючих елементГв ( N Г СО+ для Si+ Г 02 для S+ ), то вГдповГдно необхГднГ спецГальнГ мГри по запобГганню такого забруднення. Це досягаеться технологГею багатозарядно! ГмплантацГ!, яка подавлюе такий ефект.
Розглянемо тепер моделГ дефектоутворен-ня в GaAs при ГмплантацГ!. УтворенГ при юнному легуваннГ радГацГйнГ структурнГ дефекти вГдГграють важливу роль в процесГ отримання легованих шарГв при формуваннГ структур приладГв Г схем. Дефекто-утврення в GaAs можна розглядати Гз тих же позицш, що Г кремнГ!. Проте, приймаючи бГльш складний характер Г структуру GaAs , то неважко представити собГ значне ускладнення механГзмГв утворення дефектГв, !х
трансформацГ! Г вГдпалГ в процесГ Гонного легування та активацп. Якщо для Si цГ мехашзми е достатньо вивче-ними, то для GaAs теорГя радГацГйних дефектГв тГльки розробляеться. Розглянемо основнГ !х аспекти.
ЕнергГя, що передаеться Гмплантованим Гонам атомами гратки , значно перевищуе так звану по-рогову енергГю, яка необхГдна для змГщення атомГв Гз вузлГв гратки. Ця порогова енерпя для GaAs при юмнатнш температурГ рГвна приблизно 10еВ. ВибитГ Гз вузлГв гратки атоми As Г Ga в свою чергу, ут-ворюють радГацГйнГ дефекти на шляху свого руху. Тому тут концентрацГя ГонГв супроводжуеться ут-воренням велико! кГлькостГ дефектГв, концентрацГя яких дуже неоднорГдно розподГляеться за гли-биною Гмплантованого шару. Тому для зменшення дефектностГ необхГдно зменшувати дозу шляхом переходу на багатозаряднГ Гони. Для наближено! оцГнки профГлю розподГлу первинних дефектГв запропоно-вана нами модель не враховуе процесГв дифузГ! та анГгГляцГ! дефектГв, вона дуже добре описуе динамГку первинного дефектоутворення Г форму профГлю його розподГлу за глибиною опромГненого Гонами шару. В результатГ процесу ГмплантацГ! довкола треку кожного Гмплантованого Гона утворюеться область Гз сильно по-рушеною кристалГчною структурою, яка називаеться кластером. При багатозаряднш ГмплантацГ! величина таких кластерГв рГзко зменшуеться.
При ГмплантацГ! важких ГонГв кластерами дефектГв служать зародками аморфно! фази, розвиток яких приводить при доз Г афорфГзацГ! до утворення приповерх-невого аморфного шару. У випадку ГмплантацГ! легких ГонГв перехщ GaAs в аморфний стан здшснюеться при досягненнГ деяко! критично! концентрацГ! дефектГв. В утвореннГ зарядГв аморфно! фази домГнуючу роль по-чинають вдагравати вторинш процес, таю як дифузш дефектГв, !х взаемодГя.
МГнГмальна густина енергп, яка необхГдна для переходу GaAs в аморфний стан, складае 2,8 1024 еВ/см3. Якщо густина енергетичних пружних втрат перевищуе 9 1024 еВ/см3, то висока концентрацГя структурних дефектГв буде вже перепоною для повно! рекристалГзацГ! аморфного шару при температурах вщпалу до 773К. Багатозарядна ГмплантацГя зменшуе аморфГзащю GaAs .
В технологи приладГв В1С ГмплантацГя ГонГв частГше всього здГйснюеться локально через вГкна в маскую-чому шарГ. Такими капсулюючими покриттями для GaAs можуть бути SiO2,Si3N4,SixOyNz,AlN,BN, фоторезист. При цьому спостерГгаеться сильна рГзниця у властивостях опромГнено! та нормально! областей. Бомбування поверхнГ арсенГду галГю приводить до штенсивного випаровування вакансГй в пщгратщ миш'яку в опромГненГй областГ Г як наслщок до утворен-ня нерГвноважних вакансГй в пщгратщ миш'яку, яю при великГй кГлькостГ можуть утворювати дислокацГйнГ петлГ.
При ГмплантацГ! в умовах локального маскування поверхш радГацГйнГ дефекти можуть проникати Г пгд маску латерально на вщстат >1мкм при ГмплантацГ! Гона на глибину <0,25мкм. Тому для GaAs важливу роль вГдГграе вже тривимГрна модель ГмплантацГ!.
Виникнення дефектГв в Гмплантованих шарах е основним наслГдком процесу Гонного легування, так як при цьому стае неможливим отрмання якГсних
стабшьних приладГв.. Тому введенГ при ГмплантацГ! радГацГйнГ дефекти повиннГ бути антльоваш на-ступною термообробкою (вГдпалом). Саме технологГя вщпалу Г визначае стутнь активацп Гмплантовано! домГшки, яка повинна досягати >85%. Швидюсть рекристалГзацГ! аморфного шару при вГдпалГ залежить вгд кристалографГчно! орГентацГ! Г найбГльше значення мае для орГентацГ! (100). Тут особливе мГсце займае фотонна рекристалГзацГя.
Арсетд галГю е бГльш чутливим до Гмпульсного фотонного вщпалу, шж кремнГй тому його ефектив-ний вщпал е складною задачею активацп, що вимагае оптимГзацп технологГчних факторГв процесу.
3. Формування цiлей i задач
3.1. 1онне легування GaAs акцепторними багато-зарядними домiшками [3, 4, 7].
1з елементГв друго! та четверто! групи як легуючГ акцепторнГ домГшки використовують Be,Mg,Zn,Cd,C . При цьому цинк Г кадмГй вГдносяться до важких ГонГв, а берилш, вуглець Г магнш - до легких. Внаслщок зна-чно! рГзницГ в процесах легування GaAs важкими Г легкими Гонами, то доцГльно розглядати !х окремо.
Цинк Г кадмш. В результатГ вивчення залежностГ концентрацп носив Г !х рухливостГ вгд дози опромшен-ня, температури мшет та режиму вщпалу було вста-новлено, що для забезпечення електрично! активацГ! Zn та Cd необхщш температури вщпалу 673-723 К. ТермГчний вщпал Гмплантованих цинком шарГв GaAs здГйснюеться в 4 стадп: на першш (300-673 К) проходить рекристалГзацГю, що супроводжуеться значним збГль-шенням питомого поверхневого опору р5 ; на другГй стадп (673-923 К) - вже проходить сильне покращення структурно! досконалостГ кристалу при рГзкому змен-шент р5 ; на третш стадп (673-1073) утворюеться до-сконалий кристалГчний матерГал з високим значенням електричних параметрГв, а на четвертГй (1072-1223 К), як Г на третГй фазГ при покращеннГ параметрГв проходить сильна дифузГя Zn . Для забезпечення швид-ко! активацп при Т < 100°С використовують Гмпуль-сний фотонний вщпал протягом 4-5с на установцГ "1мпульс-3", а Гмплантащю проводять двозарядними Гонами Zn++ , що зменшують радГацшну дефектнГсть.
ПроникливГсть захисного шару SiO2 для цинку збщнюе при поверхневий шар GaAs цГею домГшкою при бГльш високих температурах вщпалу. Тут оптимальни-ми умовами вщпалу е, з одте! сторони, необхщтстю вГдновленню порушень кристалГчно! гратки Г достат-нього рГвня активацп (>80%), а з друго! сторони - слаб-ке випаровування цинку в процесГ вГдпалу.
Застосування в ролГ капсулюючого покриття Si3N4,SixOyNz, AlN,BN запобГгае обернену дифузГю та випаровування цинку в процесГ вГдпалу. Таю покрит-тя, яю сформованГ НВЧ-магнетронним розпиленням вщповщних мГшеней в активнГй плазмГ азоту забез-печують дуже високу зарядову стабГльнГсть на межГ роздГлу GaAs -шгридне покриття.
ОсобливГстю Гонного легування цинком (чи кад-мГем) арсешду галГю п-типу е утворення в деяких ви-падках не просто р-п-переходу, а вже структури типу р-Ьп. При цьому товщина шару Гз власною провщтстю (Г-шар) змГнюеться в залежностГ вгд концентрацп до-
мшки в щдкладщ i умов легування. Щоб виключити вплив утворення можливого Ьшару (паразитного) на параметри дюда, доцiльно проводити багатозарядну iмплантацiю цинку ( Zn++, Zn+++ ) при юмнатнш тем-пературi i невисоких прискорюючи пучках або енергп iмплантацГi 75-125 кеВ, а вщпал - здiйснювати iмпуль-сно на установщ фотонного в1дпалу "1мульс-3".
Шсля iмпульсного в1дпалу GaAs випромiнюванням неодимового лазера з тривал ктю iмпульсу20мкс i енергГi 0,94 -1,5 дж/см2 при дозi iмплантованого Zn(Cd) профiль концентрацГi стае дещо ширшим i не залежить в1д енергп лазерного iмпульсу, яка по суп визначае стетнь активацГi (при 45 дж/см2, стетнь активацГi наближаеться до 100%). Також висока електрична активтсть iмплантованого Zn++ (Cd++ ) спостертаеться i пiсля фотонного вiдпалу за допомогою аргонних дугових ламп. В цьому випадку стетнь електрично! активност iонiв циклу Zn++ при енергп 150 мВ i дозою 0,7 1015 см-2 степiнь електрично1 активност стае >95% при вiдпалi протягом 3с при Т > 820°С . При цьому рухливiсть дiрок досягае теоретичного значення, а профшь вщповщае розподiлу Гаусса, що змщуеться в глибину напiвпровiдника 0,94 -1,5 дж/см2 рис. 1.
Рис. 1. Залежнють розподту концентрацп дiрок р (1,2) i Тх рухливостi ц (3, 4) в GaAs при iмплантацN iонами Zn++ з енергieю 100 кеВ i дозами 1014(1) та 1015см-2 по глибинi зразка d
В порiвняннi з легуванням цинком Zn++ iонне легування Cd++ мае деякi особливостi. Перш за все електрична активацш iмплантованого Cd++ пробiгае при бiльш високш температурi Т>850° протягом 5-6с. За-стосування захисного капсулюючого покриття SiO2 i Si3N4 дають одинаковi результати. Максимальну кон-центрацiю електрично активного SiO2 в GaAs можна досягти до р < 2 1019 см-3, що е меншим тж для Zn++ , значення якого складае р < 1 1020 см-3 (майже на порядок). Тому для формування стж-витокових областей польових транзисторiв доцшьно (як ПТШ, так i МДН) проводити багатозарядовою iмплантацiею цинку, бо формуються ретроградно контакти з малим опором.
Вуглець , будучи елементом 4-1 групи перюдичшл системи, е у сполуках АШВ¥ амфотерною домiшкою. Проте при легуваннi GaAs вуглець проявляе акцепторнi властивостi. Перед другими акцепторами
вуглець мае переваги звязан з легюстю отримання як одно, так i багатозарядних ютв. 1мплантований вуглець починае проявляти електричну активтсть при високих температурах вщпалу вище 600°С. При температурах вщпалу менших 800°С найбiльшi значення степен електрично1 активностi iмплантованого ву-глецю досягаються при малих дозах ( < 1013 см-2), а при великих дозах ефектившсть легування знижуеться . Для доз ютв С+ > 1014 см-2 ефектившсть по електричнш активностi знижуеться до 5-8% рухливкть дiрок в iмплантованому шарi, в1дпаленому при 850°С, майже в 2 рази е бшьшою, тж !х рухливiсть в аналопчних шарах, отриманих iмплантацiею Zn або Cd, тобто iмплантований вуглець проявляе гетерш властивостi. Особлива його заслуга у формувант локально1 iзоляцil багатозарядною iмплантацiею бору при певнш дозi та iмпульсному фотонному вщпал! Тобто за допомогою багатозарядно1 iмплантацil вуглецю можна формувати локальний атзотропний гетер та локальну iзоляцiю в структурах В1С. Формування локально1 iзоляцil для GaAs розглянемо в окремому роздШ.
Берилiй i магнiй вважаються легкими iонами i дозволяють при досить низьких енергшх отримува-ти товст iонно-легованi шари. Крiм цього, внаслщок невелико1 маси iонiв при iмплантацil багатозарядними iонами Mg++ чи берилш Ве++ ядернi втрати енергп i густина радiацiйних дефекпв е набагато меншими, нiж при легуванш Zn чи Cd. Це дозволяе добитися високо1 рухливосп дiрок i !х концентрацп при менших температурах вщпалу (до 600°С протягом 6 с).
Степiнь електрично1 активностi iмплантовано-го Ве++ сильно залежить вщ параметрiв iмплантацil та вщпалу. При малих дозах iмплантацil < 1013 см-2 при досягнент 100%-о! електрично1 активностi до-статнш фотонний в1дпал до 700°С, а у випадку доз 104 -51015 см-2 вже повна активацш наступае при Т>950°С i приводить до суттевого пониження максимально: концентрацп дiрок при розширеному профШ розподiлу домiшки. Саме перех1д до багатозарядно1 iмплантацil Ве++ приводить до тдвищення ступеня електрично1 активацп та зменшення температури фотонного вщпалу до 600°С. Саме дози iмплантованих iонiв та температура в1дпалу стають основними факторами, що визначають профшь розподшу берилш в багатозаряднш iмплантацil шарiв GaAs . При великих дозах iмплантацil пiсля вщпалу при 600-650°С кон-центрацiйний профшь берилш ( Ве++ , Ве+++ ) зберiгае Гауссову криву рис. 2. 1мпульсний фотонний в1дпал за допомогою галогенних ламп забезпечуе максимальну концентрацш дiрки (25) 1019 см-3, що на порядок вища за термiчний в1дпал при товщинi легованого шару 0,15 мкм рис. 2.
Недолжи юнно1 iмплантацil Ве++ : висока токсич-нiсть та менше в порiвняннi з цинком максимальне значення концентрацп дiрок i рухливост!
Закономiрностi стацiонарного в1дпалу для шарiв GaAs , iонно-легованим багатозарядним магшем Mg++ значно вiдрiзняеться вiд закономiрностей в1дпалу ша-рiв, iмплантованих багатозарядними юнами Ве++ . При дозах < 5 1013 см-2 повна електрична активтсть iмплантованого Mg досягаеться лише тсля в1дпалу при Т>900°С. Максимальна концентрац1я електрично активних атомiв Mg спостерiгаеться лише тсля термообробки при Т=700-800°С. Значних покращень
електрофiзичних характеристик багатозарядних юн-но-легованих магшем шарiв GaAs можна добитися застосувавши iмпульсний фотонний в1дпал в парах миш'яку . При цьому степшь електрично! активностi iмплантованого Mg++ майже на порядок перевищуе його значення для стацюнарного температурного в1д-палу в печГ
Рис. 2. Залежнють розподiлу концентраци р Ве++ при Е = 125 кеВ i дозi D = 1015 см-2 тсля фотонного вiдпалу 5с.
1-600°С; 2-700°С; 3-900°С вiд глибини зразка d
Розмиття концентрацiйного профiлю вказуе на протжання дифузiйних процесiв при збшьшенш дозi iмплантацГi. Але якщо провести в1дпал в атмосферi AsH3, то розмиття профiлю сильно зменшуеться, а сте-пiнь електрично! активносп зростае в 2-3 рази. Як i бе-рилiй, магнш е теж токсичним тому його використання треба здшснювати при забезпеченш умов захисту.
3. 2. 1онне легування GaAs донорними багатоза-
рядними юнами. [8 - 10]
Досягнення високо! ефективностi легування GaAs
багатозарядними юнами донорiв е досить складною
задачею з певними особливостями. В ролi донорних до-
мiшок використовуються елементи VI групи : S, Se, Те
та елементи IV групи : Si, Ge, Sn. Останш два в арсенiдi
галш е аморфними домiшками, але при юнному легу-
ваннi ведуть себе як донори.
За характером вносимих при iмплантацГi радГацш-
них дефектГв та закономiрностям в1дпалу сiрка г арсе-
нГй вГдносяться до легких ютв, а решта - до важких.
Розглянемо для ще! донорно! групи !х закономГрностГ.
СГрка. У випаду юнно! ГмплантацГ! сГрки необхГдно
враховувати можливГсть забруднення Гонного пучка Гонами тГе! ж маси, наприклад Гонами О2. Тому тут до-цГльно використовувати двозаряднГ Гони сГрки S++ , якГ дозволяють цей ефект усунути.
При малих дозах ГмплантацГ! двозарядних ГонГв сГрки S++ замГтний вплив на профГль !! розподГлу здГйснюе явище каналювання ГонГв, причому якщо доза сГрки не перевищуе < 5 1013 см-2, то змГна дози практично не впливае на поведшку канальованих частинок. При великих дозах сГрки доля канальованих ГонГв рГзко змен-
шуеться внаслгдок явища деканалювання, звязаного з ростом радГацшних дефектГв. В1дпов1дно для усунення цього явища дощльно при ГмплантацГ! мшень-шдклад-ки GaAs повертати на кут 4-7° по вщношенню до Гонного пучка. Для бГльш точного опису профГлю розподГлу Гмплантовано! домшки в GaAs сГрки S++ сл1д використовувати розподГл ПГрсона.
ЗбГльшення температури пгдкладки в процесГ Гмп-лантацГ! двозарядних ГонГв сГрки S++ до 200-250°С майже в 10 разГв збГльшуе концентрацГю електрошв пГсля фотонного вгдпалу. Це пояснюеться вгдпалом великого числа радГацГйних дефектГв в процесГ ГмплантацГ! ГонГв при пГдвищенГй температурГ. А при збГльшеннГ темпе-ратури пгдкладки до 300-350°С степГнь електрично! ак-тивностГ сГрки S++ понижуеться до рГвня 50% внаслгдок випаровування атомГв миш'яку Гз тдкладки GaAs . Як бачимо, що при двозаряднш ГмплантацГ! сГрки S++ осо-бливий вплив на електрофГзичнГ параметри легованих шарГв GaAs здГйснюе пГсляГмплантацГйний фотонний вГдпал, який розглянемо окремим питанням.
Сл1д вГдзначити, що вГдпал шарГв GaAs , Гмплан-тованим малими дозами S++ при температурГ >700°С приводить до повно! електрично! активностГ домГш-ки. ВГдповГдно з ростом дози ГонГв коефЩент актив-ностГ знижуеться, а якщо використати тризаряднГ S+++ , то такого зниження не вщбуваеться. Отже, багатозарядна Гмплантащя сГрки стабШзуе сто вГд-соткову активацГю Гмплантовано! домшки. Особли-вим капсулюючим покриттям при багатозаряднГй ГмплантацГ! слГд використовувати Si3N4,SixOyNz, AlN , сформованих ВЧ-магнетронним розпиленням вщпо-вщно! мГшенГ в азотнш плазмГ. В процесГ термГного вщпалу проходить генерування сГрки прихованим шаром, яке особливо сильно проявляеться при дозах < 1014 см-2, причому бГльша частина атомГв сГрки е в цГй областГ вже електрично неактивними, що пояснюеться утворенням комплексГв атомГв сГрки з вакансиями галГя. Тобто, для стабШзацп коефГцГен-та активностГ сГрки необхГдно виключати дифузГйнГ процеси, а саме перевести п Г сляГмплантацГйний вГ д-пал на фотонний короткотривалий (<10 с). 1нфра-червоний вГдпал приводить до високо! степеш електрично! активностГ сГрки S++ при ГмплантацГй них дозах < 3 1013 см-2, бо тут навГть 2-х секундний вГдпал при 750°С забезпечуе >85% активацГю домшки. Вна-слГдок високих значень коефЩента дифузГ! Г степеш замГщення сГрка може з успГхом використовуватися для формування вщносно товстих активних Г при-контактних ретроградних стГк-витокових областей ПТШ та МДН-транзисторГв В1С. Тут цГкавим е те, що ширина профГлей зменшуеться при збГльшеннГ заряду Гмплантованого Гона S+++ . Тут слГд в1дмиити, що при дозГ ГонГв S++ > 1018 см-3 пГсля 2-ох секундного фотонного вщпалу максимальна концентрацГя електрошв досягае (6-8) 1018 см-3. За допомогою багато-зарядно! ГмплантацГ! струм (одно-, дво-, три-) можна будувати гребшковий концентрацГйний профГль донорно! домГшки в GaAs , що е важливим для форму-вання шаруватих структур.
Кремнш е амфотерною домГшкою для GaAs , аж при багатозаряднГй Гмплантацп веде себе як донор, е найбГльш легким Гз ГонГв донорГв. 1они Si+ ,Si++ ,Si+++ дають найменшу кГлькГсть радГацГйних дефектГв в процесГ багатозарядно! Гмплантацп. Це дозволяе добитися
ефективного юнного легування GaAs багатозарядними юнами кремнiю ( Si+ ,Si++ ,Si+++,Si++++ ), без пiдiгрiву пщкладки i при невисоких температурах фотонного вщпалу-актиавцп. Основний вплив на електрофiзичнi параметри iонно-легованих кремнieм шарiв GaAs ока-зують якiсть вих1дних GaAs -щдкладок; дози, енерг1я iонiв; температура фотонного вщпалу та кратнiсть заряду юна.
При iмплантацiï невеликих доз ютв кемтю кон-центрацшт профiлi цього розподiлу дуже добре вщпо-в1дають гауссовим розрахунковим, причому ця вщпо-вiднiсть спостерiгаeться в широкому дiапазонi енергiй i доз юшв i зберiгаeться аж до температури вщпалу 800°С. Багатозарядна iмплантацiя на кратнiсть iона зменшуе як енергш iона, так i його дозу. Раз зменшу-еться вносима радiацiйна дефектнiсть, то в1дпов1дно i зменшуеться температура i тривалiсть фотонного вщ-палу-активацп.
Менш критичними е також параметри iмплантованих багатозарядними юнами кремтю шар iв GaAs i до вибору захисного (капсулюючого) покриття. Випаровування Si при фотонному вiдпалi практично не проходить, хоча при вiдпалi тд шаром SiO2 спостерiгаеться деякий вiдхiд частинки атомiв кремнiю в захисний шар-маску, що i знижуе ефектившсть легування. Дуже важливим фактором, який випливае на вщтворювашсть результапв юнного легування GaAs кремнем, е постшшсть стехюметричного складу вих1дного матерiалу.
При реалiзацiï великих дох легування кремнiем шфрачервоний фотонний в1дпал дозволяе виключати вплив дифузшних процесiв на профiль розподшу елек-тричного активного кремнiю. В цьому випадку рiзкий профiль поеднуеться з високою степеню активацп та великою рухливютю електронiв в легуючому шарi GaAs .
Перспективним способом багатозарядноТ iмплантацiï е запропонований нами метод локального безмасочного легування гостро сфокусованим пучком ютв. Першi роботи по такому легуванню GaAs кремшем Si++ iз застосуванням юнного пучка дiаметром 0,25 мкм показало сильну вщмшшсть в характерi утво-рених в цьому випадку радiацiйних дефектiв на вiдмiну в1д звичайноТ iмплантацiï. Значно вiдрiзнялись також електрофiзичнi параметри iонно-iмплантованих шарiв. Така вщмштсть зв'язана в першу чергу iз високою гу-стиною iонного струму в гостро сфокусованому пучку (0,1 А/см2) в порiвняннi iз не сфокусованим пучком, де густина струму складае лише < 10 мкА/см2. При iмплантацiï GaAs сформованим пучком двозарядних юшв Si++ кремнiю значно зростае глибина Тх проник-нення в щдкладку. Це в1дпов1дно приводить до сильного збшьшення (на порядок) товщини легованоТ областi не вщповщають розподiлу Гаусса, бо тут накладаеться на процес iмплантацiï на дифузшний процес, зумовле-ний локальним розя^вом п1дкладки гостросфокусо-ваним юнним пучком. Цей метод дозволяе сформувати яюсш захованi шари n+ -типу в GaAs (захований та вертикальний шари бшолярних транзисторiв).
Сьогоднi вже запропоновано оцшювати якiсть напiвiзолюючих областей криста-матерiалу. Перш за все - це глибою рiвнi, введення яких е необхщним для отримання матерiалу (шару) з високим значенням опору. А це дало б можливють формувати мiж шарову
iзоляцiю в структурах В1С. По друге - це методи що забезпечують мехашзм компенсацп в нелегованому GaAs i легованому Cr i O2, трете - це методи визна-чення природи донорiв та акцепторiв i технологш про-ведення компенсацИ за допомогою глибоких i мшких енергетичних рiвнiв.
Селен, його велика атомна маса вимагае при його iмплантацiï високих прискорюючих напруг та зумовлюють велике число радiацiйних дефектiв, що перевищуе Тх при iмплантацiï арки та кремтю. Це вимагае застосування багатозарядноТ iмплантацiï, що знижуе як радiацiйну дефектнiсть, так температури щдкладки при iонному легуваннi. Особливо е великим вплив температури пщкладок на концентрацш електрично активного селену рис.3 i профшь ïï розподшу тсля вщпалу.
б
Рис. 3. 1онне легування багатозарядним селеном. а — Залежжсть впливу температури Т GaAs - пiдкладки на поверхневу концентращю п5 i питомий поверхневий отр
р5 для GaAs , легованого Se++ з енергiю 200кеВ i дозою 1014см-2; б — залежнють степеж активацiТ т вiд дози дво-
зарядноТ iмплантацiТ ф для Se++
При iонному легуваннi багатозарядним селеном Si++,Si+++, найкращi результати досягаються тсля
а
фотонного вгдпалу з використанням захисного шару Si3N4 або АШ, сформованого ВЧ-магнетронним роз-пиленням вГдповГдно! мГшенГ в азотно-аргоннГй плазмГ, причому остатнГй (АШ) забезпечуе бГльш високу кон-центращю електронГв. 1з зростанням дози Гмпланто-ваних ГонГв коефГцГент електрично! активностГ сильно зменшуеться рис. 3, б, що зв'язано Гз збереженням пГсля вгдпалу великого числа дефектних кластерГв ( - Se ) вакансГя гал Гю - атом селену.
На вгдмгну вГд кремнГю Г сГрки в процесГ Гмплантацп великих доз багатозарядних юшв Se ( Se++,Se+++,Se++++ ), спостерГгаються Гнтенсивна стимульована дифузгя до-мГшки навГть при кГмнатнГй температурГ.
Якщо дози Гмплантованого селена не перевищуе 1014см-2, то сама доза Г температура Гмплантацп дуже слабо випливають на характер дифузГйного перероз-подГлу.
1мпульсний вгдпал GaAs , легованого багатозаряд-ними Гонами селена з дозами меншими 1014см-2 такий же ефективний як у випадку Гмплантацп Si. Для акти-вацГ! великих доз (1015см-2) фотонний вгдпал повинен проводитись 10 с при 950°С. При Гмпульсному лазерному вгдпалГ GaAs -шарГв, Гмплантованих селеном, профГль його розподГлу е майже вдвое глибшим, шж звичайний термГчний з точки зору усунення радГацГй-них дефектГв Г отримання високих значень рухливос-тГ електронГв (>1500см2/В■ с ) фотонний вгдпал най-бГльш ефективний.
Телур Г олово вимагають високих прискорюючих напруг для забезпечення достатньо! глибини цих важ-ких ГонГв. Велике число радГацГйних дефектГв, вноси-мих в процес юнно! Гмплантацп проводять до утво-рення вже дефектного шару, на вгдпал якого необхщш досить високГ енергГ!. Звичайно багатозарядна Гмплан-тацгя !х зменшуе. Для ефективного фотонного вгдпалу теж доцГльно використовувати капсулюючГ покрит-тя Si3N4 Г АШ, сформован ВЧ-магнетронним розпи-ленням в1дпов1дно! мГшенГ в азотно-аргоннГй плазм! Максимальна концентрацГя електронГв в легованому телуром GaAs складае (7 -9)1018 см-3 при рухливостГ на рГвш 103 см2/В ■ с , а для Те ++ ,Те+++ рухливГсть збГльшуеться до 1500-2000 В /см2, що вказуе на змен-шення радГацшних дефектГв.
ЗакономГрностГ Гонного легування GaAs багатоза-рядним оловом подГбнГ до селену Г телуру. Максимальна концентращя електронГв при дозГ Sn++ 2 1015 см-2 складае (1 - 2)1018 см-3. I для ефективного вГдпалу GaAs легованого багатозарядними Гонами Sn++ ,Sn+++ , з дозами > 1014 см-2 необхщт вже температури фотонного вГд-палу >1000°С. Так, при Т=1050°С (10 с) доля активного олова складае лише 70-75% для дози 1014см-2 Г 30-35% для дози > 1015 см-2. Тобто, багатозарядну Гмплантацгя олова сл1д використовувати для мГлких сильно легова-них шарГв з рГзним розподГлом електронГв.
Ряд дослГдникГв запропонували метод збГльшення коефГцГента використання Гмплантовано! донорно! домГшки шляхом достатньо! Гмплантацп юшв Ga++ , чи As++ для пгдтримки стехюметрп в GaAs . Цей метод названий «подвшною» ГмплантацГею, почав широко впроваджуватись в мГкроелектронГку, особливо при формуваннГ НВЧ-схем. Ми теж запропонували ви-користати Г цьому випадку пар багатозарядних юшв, наприклад Si+++ р++^+++ Ga++ ^+++ As++ , що приводить до зростання електрично! активностГ в декГлька раз при зменшеннГ температури фотонного вГдпалу. Це вщноситься до формування ретроградних стГк-витокових областей польових транзисторГв та ретро-градних мГшеней для формування комплементарних сполук.
1мплантац1я пари Ga+++ Ge++ дае змогу сформу-вати р+ -шар-тонкий, високочутливий, що необхгдно для формування контактГв до ^-областей В1С. Тому практичне застосування методу «подвГйного» бага-тозарядного легування вимагае сьогоднГ додаткових дослГджень з метою вибору оптимальних варГантГв для Гмплантацп Г вГдпалу для GaAs В1С. НайбГльш цГкавою з практично! точки зору е рГзновиднГсть «подвГйно!» Гмплантацп при введенш донорно! Г акцепторно! домГш-ки для реалГзацп рГзних концентрацГйних профГлей. Наприклад, сумГсна Гмплантацш Si++ Г S++ подавлюе дифузГю сГрки Г ми отримаемо вузький профГль легу-вання. Або глибока Гмплантацш малих доз акцепторГв (Zn++) разом Гз Гмплантування донорГв S++ дозво-ляе повнГстю компенсувати хвостовГ областГ розподГлу електрошв (подавити ефект капсулювання). Даний метод е високоефективним для формування шаруватих нано-структур для збГльшення швидкодп В1С.
5. Висновки
1. Проведено комплекс дослгджень по використаннГ багатозарядно! юнно! Гмплантацп в субмГкроннГй арсешдгалГевш технологи В1С.
2. Встановлено модель багатозарядно! ГмплантацГ! та визначенГ основнГ параметри Гонного легування, що визначають його ефективнГсть.
3. ВизначенГ основт акцепторнГ Г донорнГ домГшки, якГ можуть бути використанГ для багатозарядно! Гонно! Гмплантацп в GaAs .
4. Проведено фГзико-технологГчний аналГз глибо-ких Г мГлких рГвнГв в забороненГй зон арсещду галГю Г на цш основГ визначена роль хрому в отриманш напГвГзолюючого Г- GaAs .
5. ДослГдженГ процеси формування локально! Гзоляцп в GaAs з використанням багатозарядних юшв водню, бору Г кисню.
ЛГтература
1. Симонов, В. В. Оборудование ионной имплантации [Текст] / В. В. Симонов, Л. В. Корнилов. - М.: Радио и связь, 1988. -354с.
2. Риссел, Х. Ионная имплантация [Текст] / Х. Риссел, И. Руге. - М.:Наука, 1983. - 360с.
3. Болтакс, Б. И. Глубокие центри в GaAs , связание с собственними структурними дефектами [Текст] / Б. И. Болтакс, М. Н. Колотов, Е. А. Скоретина. - Известия вузов. Физика, 1983. - 10с.
у5
4. Афанасев, В. А. Оборудование для импульсной термообработки полупроводникових материалов [Текст] / В. А. Афанасев, М. П. Духвський, Г. А. Красов. - Електроника СВЧ, 1984. - 56-58с.
5. Окамото, Т. Устройства ионной имплантации [Текст] / Т. Окамото. - Саймицу кикай, 1985. - 1322-1325с.
6. Черилов, А. В. Исследование електрофизических характеристик ионно-легированих слоев GaAs [Текст] / А. В. Черилов -Електронная техника, 1984. -8-12с.
7. Данилов, Ю. А. Електрофизические свойства слоев GaAs , получених имплантацией [Текст] / Ю. А. Данилов, П. В. Павлов, Е. А. Питиримова. - ФТП, 1984. - 1673-1678с.
8. Риз, Дж. Полуизолирующие соеденения АПВ [Текст] / Дж. Риз. - М.: Металургия, 1984. - 410с.
9. Новосядлий, С. П. Суб - наном1крона технолопя структур В1С [Текст] / С. П. Новосядлий. - 1вано-Франк1вськ Мюто НВ, 2010. - 456с.
10. Новосядлий, С. П. Ф1зико-технолопчш основи субм1кронно'Т технологи В1С [Текст] / С. П. Новосядлий. - 1вано-Франювськ : С1мка, 2003. - 52-54с.
-□ □-
Приведено схему розробленог експериментальног установки для реалгзацИ активного термограф1чного методу дефектоскопи твердих т1л на основа використання енерги циклгчних напружень I енерги тфрачервоного випромтювання. Експериментально показана можливгсть виявлення сучас-ними тепловЫйними засобами контролю термопроявлення мгкроструктурних неодноргдностей I дефектов в металах при циклхчних навантаженнях зразкгв
Ключовг слова: 1Ч-рад1ометр1я, дефектоскопия твердих т1л, циклгчт
навантаження
□-□
Приведена схема разработанной экспериментальной установки для реализации активного термографического метода дефектоскопии твердых тел на основе использования энергии циклических напряжений и энергии инфракрасного излучения. Экспериментально показана возможность выявления современными тепловизионными средствами контроля термопроявления микроструктурных неоднородностей и дефектов в металлах при циклических нагрузках образцов
Ключевые слова: ИК-радиометрия, дефектоскопия твердых тел, циклические нагрузки -□ □-
УДК 681.2;620.1
УСТАНОВКА АКТИВАЦП МЕТАЛ1В ЦИКЛ1ЧНИМИ НАПРУЖЕННЯМИ ПРИ ТЕРМОГРАФ1ЧН1Й ДЕФЕКТОСКОПИ
М. I. Базалссв
Кандидат техшчних наук, провщний науковий
ствроб^ник* Б. Б. Бандурян Кандидат фiзико-математичних наук, старший науковий ствроб^ник* В. В. Брюховецький Доктор фiзико-математичних наук, старший науковий ствроб^ник, заступник директора 1ЕРТ НАН УкраТни* В. Ф. Кл е п i к о в Доктор фiзико-математичних наук, професор, член-
коресподент НАН УкраТни, директор 1ЕРТ НАН УкраТни* В. В. Литвиненко Доктор техычних наук, старший науковий ствроб^ник, заступник директора 1ЕРТ НАН УкраТни* £. М. П рохорен ко Кандидат фiзико-математичних наук, старший науковий ствроб^ник* E-mail: fort-58@mail.ru *1нститут електрофiзики i радiацiйних технологiй НАН УкраТни вул. Гуданова, 13, м. Хармв, УкраТна, 61002
1. Вступ
Основу методики тепловiзiйного контролю станов-лять технологи дистанцшно'Т iнфрачервоноT радiометрГi контролю [1], яю базуються на реестрацГТ потоку iнфрачервоного випромiнювання з поверхш об'eктiв
контролю i наступному аналiзi Тх термозображень, що в1дображае Тхню структуру, е iнформацiйним полем, за допомогою якого виявляються приховат дефекти i дефектоутворюючi зони, проводиться класифжацш дефектiв контролю [2, 3]. Наявтсть дефекту при такiй дiагностицi вщображаеться величиною аномальноТ
С М. I- БазалсС!
II!
С.
