9.5. Легирующие свойства имплантированных примесей
в арсениде галлия
9.5.1. Формирование ионно-легированных слоев в арсениде галлия
Первые прикладные разработки метода ионной имплантации ар- сенида галлия основывались на использовании традиционного терми- ческого отжига [20]. Восстановление структуры полупроводника при данном виде отжига происходит по механизму твердофазной эпитак- сии. Атомы на границе нарушенный слой-кристалл упорядочиваются в кристаллическую структуру. Этот процесс, включающий, по- видимому, диффузию вакансий в кристаллическом м нарушенном сло- ях, носит активационный характер и начинается при достаточно низ- ких температурах (250
°С). Во время рекристаллизации генерируются точечные дефекты. Эти дефекты, двигаясь по кристаллу, не только исчезают на различных стоках (внутренние и внешние поверхности,
дислокации) и рекомбинируют между собой, но и объединяются в бо- лее сложные комплексы дефектов (микродвойники, плоскостные включения, дислокационные петли), отжиг которых требует более вы- соких температур (800-1000
°С). Как правило, в этой области темпера- тур происходит активация внедренной примеси. Для арсенида галлия специфика проведения отжига вообще и активация имплантированной примеси в частности связана с двумя обстоятельствами:
184 1)
так как арсенид галлия является бинарным соединением, то эф- фективность активации имплантированной примеси зависит от стехиометрического состояния подложки. В условиях термоди- намического равновесия произведение концентраций вакансии мышьяка и галлия является постоянной для данной температуры и экспоненциально от нее зависит. Поэтому добавление донорно- го атома, например, селена, проявляющего при отжиге свои элек- трические свойства, занимая вакантный узел мышьяка, увеличи- вает количество вакансий галлия и нарушает стехиометрический состав. В результате образуются нейтральные комплексы типа се- лен-вакансия галлия, что снижает эффективность имплантаций.
Добавление же равного количества атомов галлия вблизи имплан- тированных ионов селена снизило бы концентрацию вакансии галлия (а значит и комплексов селен-вакансии галлия) и, следова- тельно, сохранило бы общую стехиометрию решетки с одинако- вой степенью перестройки обеих подрешеток. В результате на- блюдался бы рост активности, так как плотность комплексов ва- кансий (типа вакансии галлий-донорный атом) уменьшилась бы;
2)
при температурах выше 450
°С поверхность арсенида галлия бы- стро диссоциирует, причем испарение мышьяка происходит со значительно большей скоростью, чем испарение галлия. Для со- хранения стехиометрического состояния при отжиге требуется какой-либо метод герметизации поверхности. Наиболее широко используется метод герметизации диэлектриками,
получаемый различными методами, которые наносят перед отжигом на им- плантированную поверхность. Идеальная пленка диэлектрика должна удовлетворять трем основным требованиям:
- температура осаждения диэлектрика должна быть меньше температуры диссоциации арсенида галлия;
- пленка не должна вступать в химические реакции с арсени- дом галлия и внедренной в полупроводник примесью;
- диэлектрик не должен вносить механических напряжений,
сохранять стабильность и хорошую адгезию при температу- рах осаждения и отжига.
Использование пиролитически осажденной пленки двуокиси кремния (SiO
2
) показало, что эта пленка является хорошим барьером для диффузии мышьяка, но проницаема для галлия. Кроме этого плен- ка SiO
2
проницаема для ряда примесей (цинк, кадмий), а сера, взаимо- действуя на границе SiO
2
-полупроводник с кислородом, образует ней- тральные комплексы.
185
Более эффективным барьером для диффузии галлия и мышьяка является осажденный из плазмы нитрид кремния (Si
3
N
4
). Герметизи- рующие свойства этих пленок сильно зависят от содержания в пленке кислорода, который приводит к резкому ускорению диффузии галлия в пленку. Отрицательным свойством пленок Si
3
N
4
является их слабая адгезия к GaAs, которая, по некоторым данным, обусловлена образо- ванием подслоя нитрида галлия уже в процессе нанесения Si
3
N
4
. В ря- де работ сообщается о присутствии в системе Si
3
N
4
-GaAs значитель- ных механических напряжений, которые часто приводят к разрушению пленки. Тем не менее, совершенствуя методы получения пленок Si
3
N
4
,
удалось осуществить отжиг арсенида галлия при температуре 950
°С
без разрушения пленки.
Другим диэлектриком, который используется в качестве защитно- го покрытия, является нитрид алюминия (AlN), осажденный методом высокочастотного распыления. В сравнении с Si
3
N
4
свойства нитрида алюминия оцениваются как более эффективные и надежные, вследст- вие его отличной адгезии. В последнее время было показано, что при высоких температурах (более 800
°С) AlN склонен к образованию кри- сталлической
- b
фазы, приводящей к нарушению защитных свойств.
В настоящее время наиболее широко используются пленки Si
3
N
4
При их получении тщательно контролируются качество обработки поверхности арсенида галлия, состав газовой смеси, скорость роста и др.
В последнее время для отжига имплантированного арсенида гал- лия разрабатывается ряд новых методов отжига, исключающих ис- пользование защитных покрытий. Наибольшее распространение полу- чили следующие виды отжига:
1)
отжиг при избыточном давлении мышьяка при температурах 800-
900
°С. В качестве источника избыточного давления мышьяка ис- пользуют разложение арсина,
бинарные жидкостные источники,
предварительно обогащенные мышьяком, соединения, например,
арсенид индия, давление паров которых при диссоциации выше,
чем у арсенида галлия (в данном примере в 100 раз). Избыточное давление паров мышьяка подбирают таким образом, чтобы ис- ключить испарение мышьяка при заданной температуре отжига.
Применение данного метода, по-видимому, носит ограниченный характер из-за токсичности арсина, необходимости осуществле- ния жесткого контроля состава газовой среды, в которой прово- дится отжиг;
2)
быстрый термический отжиг (БТО). БТО осуществляется при ис- пользовании полосковых нагревателей (чаще всего очищенный
186
графит) или источников некогерентного света (аргоновые, дуго- вые или вольфрамовые галогенные лампы). БТО длится несколь- ко секунд. Следует подчеркнуть, что полностью исключить ис- пользование диэлектриков при БТО не удается ввиду того, что в процессе отжига на поверхности арсенида галлия появляются ка- пельки галлия, ямки, что свидетельствует о частичном испарении мышьяка с поверхности пластин.
Донорные примеси в арсениде галлияДонорными примесями в арсениде галлия являются элементы IV
группы (кремний, олово) и VI группы (селен, сера, теллур). Кремний наиболее широко используется в технологии создания ионно- легированных слоев (ИЛС)
GaAsn-
. Кремний в арсениде галлия является амфотерной примесью: замещая в решетке атомы галлия,
кремний проявляет донорные свойства, замещая атомы мышьяка - ак- цепторные свойства. Кремний сравнительно легкий ион, что позволяет при равных энергиях внедрения получать более глубокие слои. Элек- трическая активность кремния при малых (Q<10 13
см
-2
) и средних
(Q
»6×10 13
см
-2
) дозах имплантации составляет 60-90 % и слабо зависит от температуры отжига в диапазоне 800-900
°С и времени отжига. При больших (Q
³10 14
см
-2
) и дозах имплантации активность кремния пада- ет до единиц процента. Этот эффект, вероятнее всего, связан с явлени- ем самокомпенсации. Известно, что в арсениде галлия произведение концентраций вакансий галлия и мышьяка зависит только от темпера- туры. Поэтому при температуре отжига уменьшение концентрации вакансий галлия за счет размещения в них кремния приводит к возрас- танию концентрации вакансий мышьяка и оставшаяся часть примеси может разместиться в вакансиях мышьяка, проявляя акцепторные свойства. При малых дозах имплантации кремний практически не диффундирует из слоя внедрения даже при избытке вакансий радиаци- онного происхождения. Распределение электрически активного крем- ния по глубине в этом
случае соответствует расчетному по теорииЛШШ.
С увеличением дозы имплантации наблюдается уширение про- филя распределения электрически активного кремния, которое обу- словлено ограниченной диффузией кремния при отжиге. Подвижность электронов в ИЛС, как правило, соответствует объемным значениям при соответствующей концентрации примеси.
Селен, наряду с кремнием, широко используется для создания
ИЛС n-GaAs. В связи с тем, что атомная масса селена больше атомной
187
массы кремния, для получения требуемых толщин слоев необходимы большие энергии внедрения (
>
0
E300 кэВ). На существующих уста- новках ионной имплантации селен чаще используется в виде многоза- рядных ионов. При имплантации элементов VI группы, к которой от- носится селен, нагрев подложек до температур более 150
°С дает зна- чительно более высокие коэффициенты легирования, лучшую одно- родность и высокие значения подвижности, чем без нагрева подложек.
Селен проявляет донорные свойства, занимая в решетке арсенида гал- лия вакансии мышьяка. При низких дозах имплантации (Q
£10 13
см
-2
)
этот процесс замещения доминирует и позволяет получать ИЛС почти со 100 % активацией примеси. С увеличением дозы имплантации эф- фективность легирования селеном падает и в зависимости от темпера- туры отжига и герметизирующего покрытия может уменьшиться до единиц процента. Одной из возможных причин этого является увели- чение концентрации нейтральных комплексов селен-вакансия галлия по мере того, как увеличивается доза имплантации. Накопление ра- диационных нарушений при имплантации селена происходит линейно вплоть до насыщения при высоких дозах. При малых дозах импланта- ции диффузия селена практически отсутствует и распределение элек- трически активного селена соответствует расчетному по теории ЛШШ.
При больших дозах имплантации диффузия внедренного селена хотя и не зависит от температуры имплантации, однако она существенно за- висит от температуры отжига. Подвижность электронов в ИЛС, как правило, соответствует объемным значениям при соответствующих концентрациях примеси.
Имплантация серы в арсенид галлия находит ограниченное при- менение, главным образом из-за интенсивной диффузии серы. Было установлено, что значительная диффузия серы наблюдается при отжи- ге, которая
приводит к заметному обеднению серой слоев, непосредст- венно у поверхности арсенида галлия за счет ухода примеси в защит- ное покрытие. Качество и тип герметика при отжиге, по-видимому,
оказывают существенное влияние на этот процесс. В ряде работ сооб- щается о геттерировании серы при отжиге не границе диэлектрик- полупроводник. Все эти процессы существенно уменьшают эффектив- ность легирования серой арсенида галлия. Указанные нежелательные эффекты можно уменьшить, если имплантацию серы проводить при высоких энергиях. В этом случае энергию выбирают таким образом,
чтобы соответствующее ей значение
pRбыло больше диффузионной длины атомов серы в арсениде галлия при температуре отжига. При этом существенно уменьшается количество примеси серы, которое
188
достигает границы диэлектрик-полупроводник и эффективность леги- рования удается поднять с 13 % (
0
E=100 кэВ) до 44-53 % (
0
E=400
кэВ). С ростом дозы имплантации электрическая активность серы за- метно уменьшается, что объясняется образованием нейтральных ком- плексов сера-вакансия галлия.
Акцепторные примеси в арсениде галлияАкцепторными примесями в арсениде галлия являются элементы
II группы (бериллий, магний, цинк, кадмий, углерод). Проявляя элек- трическую активность, эти элементы занимают вакансии галлия. Было отмечено, что имплантация акцепторных примесей в арсенид галлия происходит значительно быстрее, чем донорных примесей при дозах до 10 14
см
-2
. При больших дозах наблюдается эффект насыщения с уменьшением эффективности легирования, которая обычно связана с пределом растворимости примеси. Высокие величины электрической активности были получены при температуре отжига около 800
°С, ис- пользуя, главным образом, защитные пленки диоксида кремния, осаж- денные методом пиролиза или распылением.
Цинк - наиболее распространенная акцепторная примесь в арсе- ниде галлия. Температура облучения не оказывает существенного влияния на активность цинка при малых дозах имплантации и лишь незначительно увеличивает эффективность легирования при дозах им- плантации более 10 15
см
-2
. Характерной особенностью цинка является его значительная диффузия при отжиге, которая зависит от плотности остаточных нарушений. Степень электрической активности цинка дос- тигает 100 % при дозе имплантации ниже 10 15
см
-2
. При имплантации больших доз активность цинка слабо зависит от энергии ионов. За- щитное покрытие играет заметную роль в активности цинка. Так как диоксид кремния проницаем для цинка, то чаще используют покрытия из нитридов кремния и алюминия.
Бериллий,
являясь легким акцептором, позволяет формировать глубокие слои с наименьшими радиационными нарушениями. В ряде работ было показано, что при концентрации бериллия менее 10 18
см
-3
и температуре отжига не более 900
°С диффузии не наблюдается. Элек- трическая активность бериллия близка к 100 %, если концентрация этой примеси в максимуме ниже 10 18
см
-3
. При концентрации бериллия свыше 10 18
см
-3
имеет место его быстрая диффузия при температурах выше 800
°С. Если температуру отжига уменьшить до 700 °С, то диф- фузионного размытия профиля можно избежать. По-видимому, пове-
189
дение имплантированного бериллия при отжиге зависит от типа по- крытия.
Магний значительно реже, чем цинк и бериллий, используется для создания ИЛС
GaAsp-
. Почти полная активация имплантиро- ванного магния достигается при дозах
£
Q10 14
см
-2
и отжиге при
850
°С (БТО). При этом профиль дырок близок к расчетному распре- делению по теории ЛШШ. С ростом дозы имплантации магния наблю- дается значительное уширение профиля легирования в сравнении с расчетным. Такое поведение магния характерно для отжига как с гер- метизирующим покрытием, так и без него. Изучение традиционного отжига слоев арсенида галлия, имплантированных магнием, показало,
что как для малых, так и для больших доз внедрения максимальная активация примеси осуществляется при температуре отжига 750
°С,
что ниже, чем при БТО (850
°С). В этом случае перераспределение магния, концентрация которого в максимуме при имплантации состав- ляет 5
×10 18
см
-3
, практически отсутствует. Однако при концентрациях магния в пике профиля 10 19
см
-3
перераспределение имеет место.
9.5.2. Влияние радиационных дефектов на электрические свойства арсенида галлия
С точки зрения электрических свойств дефекты, образующиеся при имплантации, приводят к появлению в запрещенной зоне полу- проводника глубоких уровней, которые являются ловушками для ос- новных носителей заряда. Например, в кремнии вакансии имеют не- сколько зарядовых состояний ловушек. В материале
-
nтипа (основ- ные носители заряда - электроны) вакансии обычно, захватывая два электрона, обладают двойным отрицательным зарядом. В материале
-
pтипа они нейтральны. В арсениде галлия было установлено, что радиационные дефекты приводят к
возникновению эффективных цен- тров компенсации, стабильных при комнатной температуре, которые превращают проводящий арсенид галлия в материал с полуизолирую- щими свойствами. На рис. 9.5 представлены результаты измерений зависимости проводимости
GaAsn- с исходной проводимостью
0
s
=10 2
Ом
-1
×см
-1
от дозы облучения ионами кислорода с энергией 100
кэВ.
190
Рис. 9.5. Зависимость проводимости s
и количества сме- щенных атомов
0
/ N
N
D
от дозы облучения
1 - экспериментальная зависимость s
от дозы облучения;
2,3 - количество смещенных атомов
0
/ N
N
D
при одно- и двухкратном перекрытии ОР соответственно.
С ростом дозы облучения до значений Q=2
×10 12
см
-2
проводи- мость
GaAs
n
- уменьшается, достигая минимального значения min s
=10
-8
Ом
-1
×см
-1
(см.рис.9.5, кривая 1). Анализ показывает, что при
<
Q
2
×10 12
см
-2
проводимость изменяется по экспоненциальному зако- ну
(
)
,
exp
0
Q
S
ОР
-
=
s s
(9.26)
где
-
ОР
S
площадь основания ОР в цилиндрическом приближении.
Зависимость (9.26) характеризует изменение проводимости
GaAs
n
- в результате захвата основных носителей заряда (электро- нов) на уровни дефектов в ОР. В результате этого уровень Ферми, оп-
10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10
-8 10
-4 10
-6 10
-3 10
-4 10
-2 10
-2 10
-1 10 0
10 0
10 2
10 1
N
D
/N
0
Q, см
-2 1
2 3
191
ределяющий концентрацию электронов в зоне проводимости, смеща- ется к середине запрещенной зоны. При
дозе облучения=
Q2
×10 12
см
-2
уровень Ферми закрепляется вблизи середины запрещенной зоны.
В этом случае все свободные электроны удалены из зоны проводимо- сти и закреплены на уровнях дефектов в запрещенной зоне арсенида галлия.
При дозах облучения
>
Q2
×10 12
см
-2
проводимость арсенида гал- лия (см.рис.9.5, кривая 1) возрастает, достигая насыщения вблизи зна- чения
=
s
10 0
Ом
-1
×см
-1
при дозе облучения
=
Q8
×10 14
см
-2
. С ростом дозы облучения на этом участке вводимые радиационные дефекты оказываются незаполненными электронами, т.к. они уже удалены из зоны проводимости. В этом случае возрастает вероятность туннелиро- вания электронов на свободные уровни дефектов за счет перекрытия волновых функций локализованных электронов. Этот вид проводимо- сти получил название прыжкового и возрастает по экспоненциальному закону при уменьшении среднего расстояния между дефектами
DRУчитывая, что
( )
3
/
1
-
»
DDNR, минимальное значение
DRбудет со- ответствовать дозе, при которой все атомы полупроводника смещены из узлов решетки. При этом прыжковая проводимость достигнет наи- большего значения. Из этого следует, что доза, при которой обеспечи- вается максимальное значение прыжковой проводимости, соответству- ет дозе аморфизации полупроводника (
=
AQ8
×10 14
см
-2
). На рис.9.5 в координатах
QNND-
0
/
приведены кривые, описывающие накопле- ние аморфной фазы при одно- (кривая 2) и двухкратном (кривая 3)
перекрытии ОР. Видно, что образование аморфной фазы при имплан- тации кислорода в арсенид галлия связано с одно-, двухкратным пере- крытием ОР.
Приведенное здесь сопоставление кинетики накопления радиаци- онных нарушений и экспериментальные результаты по зависимости прыжковой проводимости от дозы имплантации правомерны настоль- ко, насколько проводимость связана с дефектами.
Скачать 22.56 Mb.