Материал: LS-Sb89548

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В. А. ВОЛЬПЯС А. Е. КОМЛЕВ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Текст лекций

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2013

УДК 621.38.002.22 (07) ББК 22.33

В55

Вольпяс В. А., Комлев А. Е.

В55 Физические основы ионной имплантации: текст лекций. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ

«ЛЭТИ», 2013. 48 с. ISBN 978-5-7629-1390-4

Изложен материал первой части лекционного курса «Физико-химические основы технологии изделий электроники и наноэлектроники».

Рассматриваются физические процессы взаимодействия ускоренных ионов с веществом. Для описания процесса ионной имплантации приводится ряд приближенных аналитических методов расчета, позволяющих оценить глубину проникновения и распределение имплантированных ионов в мишени.

Предназначено для бакалавров факультета электроники, обучающихся по направлению «Микроэлектроника и наноэлектроника». Рассчитано также на студентов старших курсов фи- зико-технических факультетов, аспирантов и научных работников, специализирующихся в области физики взаимодействия атомных частиц с атомами газа, плазмы и твердого тела.

УДК 621.38.002.22 (07) ББК 22.33

Рецензенты: ОАО «Завод Магнетон»; канд. техн. наук, доц. О. В. Пахомов (НИУ ИТМО).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Вольпяс Валерий Александрович, Комлев Андрей Евгеньевич

Физические основы ионной имплантации

2

Введение

Прикладным вопросам модификации свойств поверхностных слоев твердых тел потоками ионов в технологии микроэлектроники посвящено большое количество работ. Данный метод позволяет более эффективно, по сравнению с традиционными методами, осуществлять технологические процессы активации химических реакций на поверхности, распыления поверхностных слоев, внедрения в структуру поверхности, образования радиационных дефектов и др. Однако в последнее время в связи с развитием новой отрасли микроэлектроники, такой как наноэлектроника, ориентированной на получение тонкопленочных структур с уникальными электрофизическими свойствами, заметно возрос интерес к процессу воздействия потоков ионов на поверхностные слои при их формировании. При этом если в микроэлектронике воздействие ионных пучков изменяет свойства только поверхностного слоя тонких пленок, то в наноэлектронике это воздействие приводит к изменению свойств всей наноструктурированной пленки в целом.

Одним из наиболее эффективных методов воздействия потоков ионов на тонкопленочные структуры является ионная имплантация, так называемый процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Причем если ранее этот метод применялся в основном для внедрения примесных атомов в полупроводники, то сейчас он все в большей степени применяется для контролируемого введения радиационных дефектов в тонкопленочные структуры с целью вариации их электрофизических свойств. В настоящее время ионная имплантация эффективно используется как метод ионного синтеза для создания сложных ионно-синтезированных наноструктур на основе оксидов. Ионная имплантация способна формировать состояния, далекие от химического равновесия. В связи с этим большой интерес представляет изучение возможности образования новых фаз, в том числе аллотропных модификаций, при ионном облучении. Актуальность подобных исследований способствовала возникновению нового практического направления – инженерии дефектов, поэтому проблемы модификации свойств тонких пленок при ионной имплантации занимают особое место в наиболее актуальных научных задачах наноэлектроники. Проблемой взаимодействия потоков ионов с твердыми телами интересуется на данном этапе большой круг не только физиков, но и техно- логов-разработчиков новых материалов и приборов.

3

1. ЗАКОНЫ ТОРМОЖЕНИЯ ИОНОВ В ВЕЩЕСТВЕ

При движении ионов в твердом теле происходит их взаимодействие с ядрами и электронами атомов мишени, в результате которого они теряют свою кинетическую энергию. Этот процесс потери ими энергии называется торможением ионов в веществе. Анализ распространения внедренных ионов

втвердом теле в процессе ионной имплантации основан на изучении их энергетического и пространственного распределений по глубине мишени. В настоящее время не существует строгого аналитического решения задачи торможения ионов в веществе, поэтому, рассматривая процесс распространения внедренных ионов в твердом теле, используют ряд приближений при описании элементарного акта взаимодействия между ионом и рассеивающей средой. Основным из данных приближений является разделение элементарных процессов взаимодействия иона с ядрами и электронами атомов мишени на упругое и неупругое рассеяние.

Упругим (elastic) рассеянием называют взаимодействие частицы с ядрами атомов твердого тела, неупругим (inelastic) – с газом квазисвободных электронов, образуемым в основном из валентных электронов атомов твердого тела. Вместе с тем следует понимать, что такие определения упругого и неупругого рассеяний носят приближенный характер. Так, при упругом рассеянии ионов на атомах мишени нельзя пренебрегать экранирующими эффектами внутренних оболочек атомов. При рассмотрении неупругого взаимодействия необходимо учитывать, что движущийся ион в твердом теле рассеивается как на связанных орбитальных электронах, так и на квазисвободных электронах.

Для описания процессов, происходящих при взаимодействии ионов с веществом, в частности при ионной имплантации, необходимо знать закономерности изменения их энергии в зависимости от глубины проникновения ионов в мишень. Если при прохождении ионом слоя ∆x в мишени его энергия изменяется от E до E – ∆E, то его торможение в этом слое характеризуется энергетическими потерями (∆E/∆x). Тормозные потери энергии ионами dE/dx

вэтом случае можно представить в виде

−dE = − lim ∆E . dx ∆x → 0 ∆x

Основными характеристиками при описании процесса торможения ионов в веществе являются удельные потери ими энергии dE/dx или связанное с ними сечение торможения S(E):

4

S(E) = − 1 dE , N dx

где N – концентрация атомов мишени.

Основным механизмом торможения ионов в веществе является потеря ими энергии вследствие ионно-атомных столкновений. В диапазоне энергии ионов Е = 1…1000 кэВ, характерном для ионной имплантации, потери энергии происходят в результате как упругих, так и неупругих соударений со связанными электронами и ядрами атомов мишени.

При торможении ионов неупругие соударения с ядрами атомов мишени и упругие столкновения со связанными электронами не играют большой роли по сравнению с неупругими соударениями с электронами (электронное торможение) и упругими соударениями с ядрами (ядерное торможение). Поэтому принято рассматривать лишь упругие столкновения с ядрами атомов, экранированными электронными оболочками, и неупругие взаимодействия с орбитальными электронами, связанные с их возбуждением и эмиссией. Какой из этих механизмов взаимодействия будет преобладать, зависит от энергии ионов и соотношения масс ионов и атомов твердого тела.

В диапазоне высоких (~1 МэВ) и средних (~100 кэВ) энергий налетающего иона его энергетические потери обусловлены взаимодействием с электронами атомов мишени. При малых энергиях ионов начинает проявляться эффект экранирования его атомного ядра электронами и возрастают потери энергии, обусловленные ядерными столкновениями ионов с атомами мишени. При внедрении ионов в вещество их скорость уменьшается, ядерное торможение начинает конкурировать с электронным торможением и по мере уменьшения скорости становится превалирующим.

При электронном торможении налетающий ион взаимодействует с электронами, плотность которых в веществе высока, и такие столкновения являются многочисленными, поэтому процесс электронного торможения ионов преимущественно имеет непрерывный характер. Этот процесс аналогичен движению тяжелой частицы в вязкой среде, при котором она преимущественно теряет энергию, но не импульс. При ядерном торможении взаимодействие происходит между экранированными зарядами ядер налетающего иона и атома мишени и упругие столкновения двух атомных частиц носят дискретный характер. В этом случае, в зависимости от соотношения атомных масс частиц, происходит преимущественно потеря импульса налетающего

5