ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 8, с. 41-47
УДК 538.95.405:539.12.04;548:539.12.04
ПОВРЕЖДЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ, ОБЛУЧЕННЫХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ИОНАМИ
© 2004 г. Ф. Ф. Комаров1, П. И. Гайдук1, Л. А. Власукова1, А. Ю. Дидык2,
А. И. Купчишин3, В. Н. Ювченко1
белорусский государственный университет, Факультет радиофизики и электроники, Минск, Беларусь 2Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия 3Казахский государственный университет им. Аль-Фараби, Алматы, Казахстан
Поступила в редакцию 09.09.2003 г.
Дан анализ повреждений, созданных в полупроводниковых кристаллах высокоэнергетическими ионами. Результаты получены с помощью просвечивающей электронной микроскопии, селективного химического травления и резерфордовского обратного рассеяния. В кристаллах 1пР, ОаАз, Ое и выявлен различный характер формирования дефектов и трекообразования. Для интерпретации зарегистрированных в Ое прерывистых треков использована флуктуационная модель трекообразования при подпороговых значениях удельных потерь энергии электронов. Изучены процессы формирования нанокластеров 1п в при полиэнергетической имплантации индия и последующей термообработке, а также процессы перестройки кластеров при облучении ионами сверхвысоких энергий.
ВВЕДЕНИЕ
При вхождении в твердое тело быстрых ионов с кинетической энергией в сотни МэВ и более электронное торможение в 103-104 раз превышает ядерное торможение. Если преодолен зависящий от материала порог удельных потерь энергии электронов (ёЕ/ёх)е, высокий уровень электронных возбуждений приводит к созданию скрытых треков (узких цилиндров с модифицированной дефектной структурой, встроенных в неповрежденную матрицу) и другим специфическим эффектам. Создавая системы треков в металлах, сплавах, полупроводниках, можно изменять механические, оптические или электромагнитные свойства этих материалов.
Эффекты электронных возбуждений при прохождении быстрых ионов в кристаллах полупроводников оказались более сложными в сравнении с диэлектриками, ионными кристаллами или металлами, и механизм трекообразования в базовых материалах микроэлектроники недостаточно ясен.
Аморфные треки ранее обнаружены были в кристаллах 1пР и ве, облученных ионами Хе+ и В1+ с энергиями от 250 до 710 МэВ [1, 2], а также в ве и ваАв, облученных пучками фуллеренов с энергиями в десятки МэВ [3-5].
В настоящей работе на основании полученных экспериментальных данных проанализированы структура и морфология повреждений, индуцированных быстрыми ионами в кристаллах ваАв, 1пР, ве и Изучено перераспределение примеси в слоях пересыщенных твердых растворов 81(1п)
под действием термообработки и облучения высокоэнергетическими ионами.
ПОВРЕЖДЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ GaAs, InP, Ge И Si
Подложки (001)InP и (001)GaAs, (111)Ge и (111)Si облучались ионами Xe (E = 250, 340 и 595 МэВ), Bi (E = 710 МэВ) и U (E = 1300 МэВ) дозами от 5 х 1010 до 1 х 1014 см-2 при интенсивности пучка ионов 2 х 108 см-2 с-1. Для оценки влияния температуры облучения на создание дефектов в фосфиде индия материал облучался ионами Xe с энергией 250 МэВ при температурах жидкого азота, комнатной и 130°C. Повреждения изучались методами резерфордовского обратного рассеяния (POP), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и селективного травления.
Исследования методом ПЭМ проводились в микроскопах ЭМ-125 и Philips CM20. Образцы готовились в геометрии "plan-view" и "cross-section" по стандартной методике (механическая полировка с последующим ионным травлением).
Химическое травление поперечных сколов образцов, перпендикулярных облученной поверхности, проводилось в растворе Cr03(10 г) + H2O(20 мл) + + HF(10 мл) + AgN03(0.08 г) [6]. Сколы GaAs обрабатывались при комнатной температуре в течение 10-20 с, сколы остальных кристаллов обрабатывались при 60-70°С в течение 2-3 (InP и Ge) и 5-6 мин (Si) с последующим просмотром в оптических микроскопах Neophot и Leica INM-100. Анализ картин травления позволил оценить эффективность введения дефектов и получить
'll.Sv(J* • Л-1'
(а)
10 мкм
/■л <
•• j »
—о—
А
10 мкм
I_I
(г)
10 мкм
I_I
Рис. 1. Повреждения в кристаллах Si(a), Ge(6), GaAs(B), InP(r), облученных ионами Bi (710 МэВ,
1 х 10 см-2). Кристаллы сколоты перпендикулярно исходной поверхности и обработаны селективным травителем (оптическая микрофотография).
наглядную картину распределения повреждении по глубине в исследованноИ группе материалов.
На рис. 1 представлены картины травления образцов 81, ве, ваЛв и 1пР, облученных ионами Ы+ (710 МэВ, 1 ■ 1012 см-2). Трекообразные фигуры на глубинах преобладающего электронного торможения зарегистрированы в ве и 1пР и не наблюдаются в и ваЛв. Для всех изученных материалов выявлены широкие зоны повреждении в области максимума ядерного торможения. В этих зонах узкие полосы светлого или темного контраста отмечают конец пробега ионов и, с учетом удаленного при травлении материала, хорошо совпадают со значениями проективного пробега Яр, рассчитанными по программе ТШМ-98. Для образцов и ваЛв наряду со слоем дефектов в области максимума ядерного торможения зарегистрирован еще один слоИ повреждении шириноИ ~5 мкм для ваЛв и ~10-12 мкм для 81. Он расположен на глубине 1.2-1.5 Яр. Природа повреждении не выяснена. Предположительно они связаны с каналиро-ванием по трекам части ионного пучка.
Аналогичный результат зафиксирован в [7] для кремния и алмаза, облученных быстрыми ионами Кг и Ni. Авторы [7] обнаружили, что экспериментально полученные профили распределения оптически активных радиационных дефектов шире рассчитанных по методу TRIM профилей упругих потерь энергии. На глубинах, существенно превышающих Rp, были зарегистрированы широкие (~10 мкм) полосы нарушений. Теоретически предсказать их появление стало возможным, когда в расчете прохождения быстрых ионов в мишени учли эффекты трекового каналирова-ния и флуктуации зарядовых состояний ионов.
Как видно из рисунка, наиболее контрастная картина выявленных травлением повреждений наблюдается в случае InP и наименее контрастная - в случае Si. Следовательно, InP наиболее, а Si наименее чувствителен к облучению быстрыми ионами.
По данным ПЭМ для кристаллов InP, облученных ионами Xe+ с энергией 250 МэВ при различных температурах [2], при комнатной температуре в образцах формируются сплошные треки, а при температуре жидкого азота и при T = 130°C сплошные треки не образуются.
Как показали результаты ПЭМ и POP [1, 2], при облучении InP при комнатной температуре дозами Xe+ (5-7) х 1012 см-2 возникают два слоя дефектов. Первый, более глубокий, состоит из микрокристаллитов и аморфных областей и совпадает с максимумом ядерных потерь энергии в конце пробега ионов. Второй находится в зоне преобладающих электронных потерь энергии (область кристалла от поверхности до глубины 10-15 мкм) и состоит из аморфных треков диаметром 7-15 нм. Треки организованы в виде цилиндров длиной в несколько мкм или вытянутых вдоль траектории ионов дефектов подобно цепочкам жемчужин. Последние характерны для более глубокой части слоев с треками.
Развитие треков в InP происходит в два этапа. На первом этапе в области будущего ядра трека формируются отдельные аморфные области, а вокруг образуются дислокационные петли, дефекты упаковки, микродвойники и другие дефекты. На втором этапе создаются большие аморфные треки диаметром до 15 нм. Часть треков содержит кристаллиты. При дозах облучения от 1 х 1013 см-2 и выше отдельные треки перекрываются с образованием сплошного аморфного слоя. В некоторых треках обнаруживаются микрочастицы вюрцитной фазы InP [8] (метастабильной фазы высокого давления). С ростом дозы до 1 х х 1014 см-2, когда аморфизованный на более ранних стадиях облучения приповерхностный дефектный слой рекристаллизуется, происходит переход от вюрцитной к обычной, сфалеритной фазе.
Как показывают эксперименты, образование скрытых треков происходит при превышении по-
й
(а)
250 нм
(б)
50 нм
Рис. 2. Светлопольные ПЭМ-изображения поперечных сечений кристаллов Ое, облученных ионами и(1.3 ГэВ, 5 х 1010 см-2); стрелками указаны прерывистые треки вдоль пути ионов (а); б - увеличенное изображение одного из треков.
роговых значений электронных потерь, (dE/dx)e thr. Нами зафиксировано формирование прерывистых треков в кристаллах Ge, облученных ионами Bi и U в условиях, когда величина (dE/dx)e достигала 37 и 42 кэВ|нм для Bi и U соответственно.
По данным селективного травления, в приповерхностных областях кристаллов германия, облученных Bi (рис. 16) и U, выявляются трекообразные фигуры в форме цилиндров длиной 10—15 мкм, состоящих из сегментов неодинаковой толщины. Более подробная информация о структуре треко-образных дефектов получена методом ПЭМ. В образцах Ge, облученных ионами Bi (710 МэВ) и U (1300 МэВ), регистрируются кластеры точечных дефектов или дислокационные петли. Такие дефекты наблюдались ранее для сплавов Si-Ge, облученных быстрыми ионами U [9]. Большинство дефектов нерегулярно распределено в имплантированном слое, однако ~10% их объединены в ряды (треки) вдоль траекторий ионов. Это видно на рис. 2. Плотность связанных с треками дефектов меньше общей дозы имплантации. Так, при имплантации Bi дозой 1 х 1012 см-2 плотность нерегулярно вкрапленных в матрицу дефектов составляет около 2 х 1011 см-2, а плотность дефектов, объединенных в ряды вдоль треков, на порядок меньше - 1 х 1010 см-2. Такая же картина имеет место для U. Различие между числом треков и дозой облучения наблюдалось и в InP, облученном быстрыми ионами Xe [1, 2]. Подобное сходство, как мы полагаем, означает и сходство физических процессов, приводящих к созданию треков. Предложенная нами ранее модель [1, 2], базирующаяся на приближении термопиков с учетом накопления нарушений вокруг траектории иона, позволяет объяснить наблюдаемое раз-
личие между числом аморфных треков и дозой ионов.
Еще один важный результат связан с периодичностью появления дефектов, объединенных в ряды вдоль траекторий ионов (прерывистые треки). Такие треки обозначены стрелками на рис. 2а. В случае облуч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.