Распределение внедренных примесных атомов

При имплантации используются три вида материалов: аморфные, поли- и монокристаллические. Аморфные и поликристаллические материалы служат в качестве масок при имплантации ионов. В монокристаллических материалах создаются структуры с заданным профилем концентрации примесей.

При внедрении в мишень быстрые ионы в результате столкновений с атомными ядрами и электронами теряют свою энергию и останавливаются. Длина пути ионов от поверхности мишени до точки внедрения называется длиной пробега R, а её проекция на направления первоначального движения – проекцией пробега Rp(рисунок 1), которая является экспериментально определяемой величиной.

Распределение пробега ионов в атмосферном теле зависит главным образом от их энергии и атомной массы, а также вещества мишени. Для монокристаллических мишеней на распределение пробега влияет ориентация их граней относительно пучка ионов и наличие эффекта каналирования – движение ионов по каналам, образованным атомными плоскостями.

При движении ионов в твердом теле внедряемые в подложку ионы меняют направление своего движения из – за столкновений с атомами мишени, которые могут покидать свои первоначальные положения в узлах кристаллической решетки. В результате вдоль траектории внедренных ионов образуются многочисленные вакансии и междоузельные атомы. Возникают целые области, в которых нарушена кристаллическая решетка, вплоть до перехода монокристалла в аморфное состояние. При этом обычно оценивают два вида потерь энергии ионами – в результате взаимодействия их с электронами (как связанными, так и свободными) и ядрами. В первом приближении считается, что оба вида потерь не зависят друг от друга и действуют одновременно. Ядерное торможение более существенно при малых энергиях, электронное торможение преобладает при высоких энергиях ионов. С увеличением массы внедряемых ионов возрастают потоки энергии за счет столкновений с ядрами мишени.

Среднее значение удельных потерь энергии для одного бомбардирующего иона можно представить в виде суммы ядерной Sn и электронной Se составляющих процесса торможения.

Радиационные нарушения в мишени создаются главным образом при Sn >> Se.Поэтому при внедрении ионов малых энергий радиационные дефекты образуются вдоль всей траектории, а при высокой энергии ионов – только в конце их пробега.

Распределение пробегов ионов в монокристаллических мишенях отличается от их распределения в аморфных тем, что в монокристаллах направление падающего пучка ионов может совпадать с одним из основных кристаллографических направлений мишени, что связано с эффектом каналирования.

Движение ионов строго по центру канала маловероятно. Однако может существовать траектория, осциллирующая около оси канала, если имплантированные ионы передвигаются с помощью последовательных легких соударений с атомами, образующими “стенки” канала. Такая траектория движения ионов показана на рисунке 2, где направление пути иона составляет угол φ с осью канала. Максимальный угол φ, при котором исчезает направляющее действие атомов мишени, называется критическим углом каналирования φкр. Он определяет возможность каналирования.

Если предположить, что все ионы идеально каналированы, то распределения концентрации ионов в мишени будут иметь два максимума: один для неканалированных ионов, другой для идеально каналированных (рисунок 3). В полупроводниковой технологии эффект каналирования дает возможность получать более глубокие легированные слои и уменьшать число радиационных нарушений.

На образцах кремния с ориентацией поверхности (110) относительно пучка, вероятность каналирования с ростом энергии ионов возрастает, а с увеличением дозы облучения падает. Увеличение температуры мишени вызывает деканалирование ионов вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки (рисунок 3). [1]