Радиационные дефекты и аморфизация

При упругих соударениях (ядерный механизм рассеяния энергии) налетающий ион передаёт часть своей кинетической энергии атомам матрицы. Если энергия, переданная атому матрицы, оказывается больше некоторой пороговой энергии, то налетающий ион выбивает атом матрицы из узла в междоузлие. При этом атом матрицы, получивший энергию, сам может выбивать (смещать) соседние атомы матрицы из узлов, вызывая каскад атомных смещений. В результате, происходит образование первичных радиационных дефектов (РД) – вакансий, собственных междоузельных атомов (СМА) и их пар (пар Френкеля). Общее число смещённых атомов и, соответственно, первичных радиационных дефектов выражается простой формулой , где n_d – число смещенных атомов на один налетающий ион; n_d @ 0.4nE/E_d, E_d – пороговая энергия (E_d @13 эВ в кремнии), n – доля энергии иона E, расходуемая в упругих взаимодействиях. При E = 65 кэВ, E_d = 13 эВ и n= 0.5 имеем n_d @ 1000 первичных РД на один налетающий ион. Первичные РД, будучи весьма подвижны в кремнии, уже в процессе имплантации образуют вторичные РД – комплексы вакансий и СМА с атомами примесей, вакансионные кластеры V_l, междоузельные кластеры I_m, а также так называемые разупорядоченные облас-ти – сложные образования, содержащие как вакансии, так и СМА. Концентрация вторичных РД N_d2 много меньше концентрации первичных РД из-за взаимной рекомбинации вакансий и СМА. Согласно “+1” модели, N_d2@ @ nQ, где n не намного превышает 1. Зависимость концентрации вторичных РД от дозы имплантации имеет S-образный характер и для лёгких ионов зависит от плотности ионного тока (рис. 3.11). На ней можно выделить три области: 1 – сверхлинейная, 2 – линейная, 3 – насыщения. Сверхлинейная зависимость (1) обусловлена взаимодействием первичных РД друг с другом с образованием комплексов и кластеров собственных точечных дефектов. Линейная зависимость (2) связана с перекрытием каскадов смещений. Насыщение дозовой зависимости (3)
связано с наступлением аморфизации кристаллической матрицы кремния. Аморфизация наступает либо при превышении концентрации РД величины, составляющей ~10 % от атомной концентрации матрицы (~5×10²¹ см^-3) – для лёгких ионов, либо при перекрытии разупоряченных областей в соседних каскадах смещений – для тяжелых ионов. Наступление аморфизации характеризуется критической дозой аморфизации Q_a, величина которой зависит от массы иона (рис. 3.12) и от температуры мишени (рис. 3.13).

Как видно из рисунков, с увеличением массы иона критическая доза аморфизации уменьшается, а с увеличением температуры возрастает. При температурах имплантации свыше 600 °С аморфизации не происходит, так как образующиеся РД отжигаются быстрее, чем накапливаются, моно-кристалличность мишени сохраняется.