3.3. Радиационные дефекты
Радиационные дефекты возникают при облучении кристалла быстрыми частицами (протоны, нейтроны, электроны и др.), а также продуктами ядерных реакций. В микроэлектронике радиационные дефекты возникают при ионной имплантации примесей для получения мелких p-n переходов. В отличие от тепловых дефектов радиационные дефекты термодинамически неравновесны и их концентрация определяется только степенью разрушения кристалла.
Прохождение частицы с высокой энергией через кристалл сопровождается сложными процессами взаимодействия, среди которых:
1) упругие столкновения частиц с ядрами атомов кристалла;
2) возбуждение и ионизация электронной оболочки атомов кристалла;
3) ядерные превращения (особенно после воздействия потока нейтронов в А3В5);
4) трансмутационное легирование Si.
При упругих столкновениях и превышении быстрой частицей пороговой энергии Ed атомов мишени последние выбиваются из узлов, образуя вакансию плюс атом в междоузлии (дефект по Френкелю). При облучении образуются только дефекты по Френкелю. Обычно Ed (2 3)Есвязи, т.е. для кремния пороговая энергия порядка 8 10 эВ. Длина пробега быстрых частиц (R) зависит от энергии (массы, скорости) частицы.
Большое число оборванных связей, вакансий, атомов в междоузлиях приводит к уменьшению свободных носителей заряда. Для использования облученных слоев в микроэлектронике необходима их термообработка для отжига радиационных дефектов и перевода атомов в узлы (в электрически активное состояние).
При большой энергии быстрых частиц дефекты могут образовываться каскадно. Это может привести к образованию разупорядоченной области (РО). С ростом концентрации РО они могут перекрываться и тогда происходит аморфизация кристалла (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Схема аморфизации кристалла
Число смещенных атомов можно оценить по приближенной формуле:
, (3.12)
где En – энергия частицы (эВ);
Ed – пороговая энергия для кремния (эВ).
Ионной имплантацией называют процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для их проникновения в ее приповерхностные области. Ионы примеси сепарируются с помощью магнита и ускоряются электрическим полем до энергий 3 500 кэВ.
Ионная имплантация – метод для получения сверхтонких (0,2 1 мкм) p-n переходов с контролируемой концентрацией примеси. Недостаток – наличие радиационных дефектов и необходимость последующего термического отжига. Преимущество – возможность точного управления глубиной и количеством внедренной примеси.
Например, при имплантации в Si примеси бора с энергией 30 кэВ пробег R составляет 0,1 мкм, p-n переход лежит на глубине 0,2 мкм и концентрация бора достигает 1020 см–3.
Трансмутационное легирование Si применяется для однородного легирования и осуществляется с помощью ядерной реакции:
. (3.13)
В кристаллах обычного 28Si имеется 3 % примеси стабильного изотопа 30Si, который при облучении нейтронами переходит в изотоп 31Р и равномерно легирует кристалл исходного кремния. Равномерность легирования выше, чем любым другим способом, а это важно для изготовления приборов больших площадей.
Кристаллы обладают меньшей радиационной устойчивостью свойств, нежели аморфные вещества (где уже и так много дефектов и оборванных связей).
Образование радиационных дефектов в готовых дискретных полупроводниковых приборах и интегральных схемах ухудшает большинство их характеристик за счет неконтролируемой генерации и миграции дефектов. Это приводит к деградации основных параметров полупроводниковых приборов и в конечном счете к их отказам.