CC BY
16
УДК 539.2: 539.107.6
РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННАЯ ДИФФУЗИЯ УГЛЕРОДА И КИСЛОРОДА В АРСЕНИД ГАЛЛИЯ
Л. Е. Кузьмин, А. М. Казанцев, В. В. Тишин
С использованием ядерных реакций 12 С(с1,р)13С и 160(с?, роУ'О исследована миграция атомов углерода и кислорода в сколах кристаллов СаАв при облучении пучком дейтронов с энергией 0.6 МэВ и дозой 5 • 1016с-и~2. Обнаружено резкое повышение диффузионной способности атомов углерода и кислорода, сорбированных на поверхности скола, которые мигрируют к стокам дефектов в области упругих напряжений вблизи максимума концентрации вакансий, генерируемых дейтронами.
Радиационно-индуцированная диффузия (РИД) газообразующих примесей в полупроводники при ионном легировании или создании высокоомных слоев внутри кристал лов ионным облучением представляет значительный интерес, поскольку данный про цесс может приводить к существенному изменению электрофизических характеристик полупроводниковых приборов [1, 2]. Особое значение РИД имеет для СаАэ, кристаллы которого в результате низкой температуры разложения (~ 600 °С) требуют применения перед ионной обработкой и отжигом защитных покрытий (5г02, 5гзЛ^ и др.), получаемых в низкотемпературных процессах (например, ионное или лазерное напыление). При этом примеси углерода и кислорода могут находиться как в самом покрытии, так и на границе раздела покрытие - кристалл. Ранее, методом ядерного микроанализа с использованием ядерной реакции 12С(с?, р)13С нами была обнаружена высокая при ~ 100° С диффузия углерода из поверхностного слоя в кристаллы оливинов под действием пучков дейтронов с энергией Е = 1.4 МэВ при дозах 1016 — 101' см~2 [3].
В настоящей работе метод ядерного микроанализа применен для исследования ми грации атомов углерода и кислорода в сколах кристаллов СаЛз. Работа проводилась на электростатическом ускорителе ЭГ-2 (ИЯИ РАН) на пучке дейтронов размером
N
100000 Г
юооо!-
10< 1
I
I
4
Л ' 1
1001-
180 200 220 240 260 280
300 320 340 360
Номера каналов
Рис. 1. Энергетические спектры протонов ядерных реакций 12C(d,p)13C u16O(d,p0)l7O. 1 - до облучения; 2 - после облучения; 3 - после выдержки; ^ и 5 - пики от поверхностного углерода и кислорода соответственно; 6 и 7 - области объемного углерода и кислорода соответственно. N - число отсчетов на канал.
2x2 мм2. Регистрация протонов реакций 12 C(d, р)13С и l60(d,p)170 осуществлялась кремниевым поверхностно-барьерным полупроводниковым детектором с поглотителем обратнорассеянных дейтронов (пленка майлара 24 мкм). Скалывание образцов проводили на воздухе, после чего образцы помещали в аналитическую камеру с азотной ловушкой и откачивали до 1-10-4 Па турбомолекулярным и магниторазрядными насосами. Энергетические спектры протонов измеряли при энергии дейтронов Eq = 1.6 МэВ, токе пучка I = 25 нА и дозе 120 мкКл. Непосредственно после измерения исходного (первого) спектра, образец облучали молекулярным пучком дейтронов () с энергией Eq = 0.6 МэВ/дейтрон при том же токе дозой 160 мкКл (5-1016 ат/см2). Сразу после облучения проводили измерение второго спектра. После напуска атмосферы в аналитическую камеру и выдержки при нормальных условиях в течение 24 часов без изменения положения образца проводили третье измерение. Полученные энергетические спектры в области вышеуказанных реакций представлены на рис.1. Рассчитанные по программе BEAM EXPERT [4] профили концентрации атомов углерода и кислорода для всех спектров приведены на рис. 2, 3. Относительная погрешность определения концентрации в
[С], 1021 ат/см3
[О], 1021ат/см3
100
100
0.001
0.01
0.1
10
1
0.001
0.01
0.1
10
1
Л_-_f I-1-L
0 1 2 3 4 5 6 Глубина, мкм
0 1 2 3 4 5 6
Глубина, мкм
Рис. 2. Профили концентрации углерода в GaAs. 1 - до облучения (фоновый уровень); 2 - после облучения; 3 - после выдержки; 4 ~ распределение вакансий (TRIM-98); 5 - распределение внедренных атомов дейтерия (TRIM-98).
Рис. 3. Профили концентрации кислорода в GaAs. 1 - до облучения (фоновый уровень); 2 после облучения; 3 - после выдержки; 4 - распределение вакансий (TRIM-98).
каждой точке профиля не превышала 20%. Там же представлены данные, полученные с помощью программы TRIM-98, по распределению вакансий, генерируемых дейтронами с энергией 0.6 МэВ. Содержания углерода и кислорода на поверхности, рассчитанные из площади соответствующих пиков реакций 12C(d,p)13C и 160(d, ро)170 (рис. 1), а также интегральные содержания атомов С и О в объеме кристалла после облучения и выдержки (за вычетом фона) приведены в табл. 1.
Из полученных экспериментальных результатов видно, что после облучения содержания углерода и кислорода как на поверхности, так и в приповерхностном слое толщиной ~ 2.5 — 4мкм резко возросли, причем в объеме при суточной выдержке в атмосфере они практически не изменились. Максимум кривой для углерода (рис 2) находится ближе к поверхности, чем максимум для кислорода (рис. 3), который расположен на глубине, соответствующей максимальному градиенту концентрации вакансии После выдержки наблюдается обратная диффузия атомов углерода и кислорода. Полу ченный результат, воспроизведенный несколько раз на разных сколах, по-видимому, может быть объяснен следующим образом.
Таблица 1
Содержание углерода и кислорода на поверхности и в объеме кристалла СаАв,
1016 ат/см2
Поверхность Объем
углерод кислород углерод кислород
слой 2-4.5 мкм слой 1.5-5.5 мкм
До облучения 1.3 0.24 0.07 (фон) 0.3 (фон)
После облучения 16 0.82 0.21 ±0.05 1.7 ±0.2
После выдержки 18 1.6 0.28 ±0.05 1.4 ±0.2
Согласно существующим представлениям, при высокодозовой имплантации легких ионов в кристалле между поверхностью и проективным пробегом дейтронов могут существовать три дефектных слоя. Первый - это приповерхностная область скола, характеризующаяся наличием напряжений и являющаяся стоком дефектов, второй разупорядоченная (или аморфная) область на конце пробега дейтронов (в данном случае 5.05 ± 0.35мкм). Третий слой образуется на границе раздела разупорядоченная область - кристаллическая матрица и также характеризуется высокими напряжениями. Стремление системы к равновесию приводит к возникновению в этом слое заряда и соответственно к резкому повышению диффузионной способности атомов углерода и кислорода, сорбированных на поверхности скола, которые мигрируют к стокам дефектов. Можно предположить, что геттером для углерода, как электронейтрального атома, является область упругих напряжений, расположенная ближе к поверхности, чем максимум концентрации вакансий. Электроотрицательные атомы кислорода, взаимодействуя с вакансиями, образуют комплексы, которые стабилизируются вблизи этого максимума. Поэтому сегрегация атомов углерода и кислорода происходит на различных глубинах. При выдержке в течение 24 часов происходит частичный отжиг дефектов в области проективного пробега дейтронов и возрастает роль поверхности как геттера для примесных атомов. Это приводит к обратной диффузии углерода и кислорода. Согласно полученным результатам (табл. 1), поступление кислорода из вакуумной системы происходит непрерывно в процессе облучения, в то время как углерод внедряется в кристаллическую решетку из 1-2 монослоев на границе раздела углеродная пленка -поверхность скола. Пленка образуется из сорбированных углеводородов, содержащихся в вакуумной системе при полимеризации ионным пучком.
Следует отметить, что в большинстве работ механизм РИД в полупроводниках изу-
чался путем косвенных электрофизических измерений. В настоящей работе РИД исследована in situ с использованием пучка дейтронов как для генерации дефектов, так и прямого измерения профилей концентрации газообразующих примесей.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Вопросы радиационной технологии полупроводников. Под ред. Л.С. Смирнова Но восибирск, Наука, 1980.
[2] В а в и л о в В. С., К и в А. Е., Н и я з о в а О. Р. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках. М., Наука, 1981.
[3] К у з ь м и н Л. Е., Шилобреева С. Н., Казанцев А. М., Минаев В. М. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9, 12 (1998).
[4] К о g а п D. L., К a z а п t s е v А. М., and К u z ш i п L. Е. Nucí. Instrum Methods, В88, 495 (1994).
Институт ядерных исследований РАН Поступила в редакцию 14 декабря 1909 г
