Элионная технология в микро- и наноиндустрии : ускоренные ионы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2020 

Кафедра технологии материалов электроники

 
 
 

Элионная технология
в микро- и наноиндустрии 

Ускоренные ионы 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2012 

УДК 621.315 
 
Э46 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. Ю.В. Осипов 

Авторы: Г.Д. Кузнецов, А.Р. Кушхов, А.А. Сергиенко, Н.А. Харламов  

 
 
 
Элионная технология в микро- и наноиндустрии : ускорен- 
Э46 ные ионы : учеб. пособие / Г.Д. Кузнецов, А.Р. Кушхов, 
А.А. Сергиенко, Н.А. Харламов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. 
– 128 с. 
ISBN 978-5-87623-556-5 

В учебном пособии рассматриваются в основном практические результаты по изменению параметров приповерхностных слоев материалов электронной техники ионным внедрением примесей. Приводятся результаты по особенностям распределения внедренной примеси в аморфных и кристаллических материалах и их теоретическое обоснование. Анализируются результаты по легированию приповерхностных слоев с использованием так называемых атомов отдачи при ионном внедрении. 
Соответствует программе курса «Элионная технология в микро- и наноиндустрии». 
Предназначено для магистров, специализирующихся по направлениям 
«Электроника и наноэлектроника» и «Нанотехнология и микросистемная 
техника», и может быть полезно обучающимся по направлению «Наноматериалы». 

УДК 621.315 

ISBN 978-5-87623-556-5 
© Г.Д. Кузнецов, А.Р. Кушхов,  
А.А. Сергиенко, Н.А. Харламов, 
2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Общие основы физики взаимодействия ускоренных ионов 
с твердым телом........................................................................................5 
1.1. Энергетика взаимодействия ионов с атомами твердого тела....5 
1.2. Основные эффекты взаимодействия ионов с твердым телом... 10 
2. Пробеги ионов в твердом теле ..........................................................13 
2.1. Распределение внедренных ионов .............................................13 
2.2. Локализация атомов примеси и электрические свойства 
легированных слоев............................................................................16 
2.3. Распределение внедренных ионов в аморфных мишенях .......19 
2.4. Распределение внедренных ионов в монокристаллах..............37 
2.5. Ускоренная диффузия .................................................................50 
3. Структурные дефекты в твердом теле при ионном внедрении......57 
3.1. Первичные дефекты ....................................................................57 
3.2. Вторичные дефекты.....................................................................61 
3.3. Разупорядочение решетки ..........................................................63 
4. Легирование наноразмерных гетероструктур атомами 
отдачи и ускоренными ионами..............................................................75 
4.1. Моделирование профилей распределения атомов отдачи 
и бомбардирующих ионов в подложке при воздействии 
ионных пучков  на структуры «пленка – подложка»......................76 
4.2. Легирование подложки бомбардирующими ионами 
и атомами отдачи при воздействии ионных пучков на структуры 
«пленка – подложка»..........................................................................79 
4.3. Практическое применение ионной имплантации.....................84 
Библиографический список...................................................................95 
Приложение 1. Темы практических занятий и домашних 
заданий к главе 2.....................................................................................96 
Приложение 2. Аппроксимирующие полиномы для расчета 
параметров распределений основных примесей в кремнии.............127 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Разработка современных перспективных устройств микро- и наноэлектроники, микросистемной техники практически невозможна 
без использования направленных потоков ускоренных ионов для получения пленочных материалов, многослойных гетерокомпозиций, 
изделий микромеханики и заданного топологического рисунка. 
Настоящее учебное пособие посвящено ускоренным ионам. Данная 
тема тесно связана с такими курсами, как «Физика взаимодействия 
частиц и излучений с веществом» и «Ионно-плазменная обработка 
материалов», успешное освоение которых необходимо для понимания 
практического применения ускоренных ионов в электронике. 
Особенностью настоящего пособия является углубленное рассмотрение проявления эффектов взаимодействия энергетических ионов с твердым телом для микросистемной техники. 
Особое внимание уделяется распределению внедренных ионов в 
твердом теле, легированию наноразмерных гетероструктур атомами 
отдачи и ускоренными ионами. 
В конце каждой главы даются контрольные вопросы для проверки 
усвоения материала, а в прил. 1 и 2 приводятся темы практических и 
домашних заданий. 

1. ОБЩИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 
УСКОРЕННЫХ ИОНОВ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ 

1.1. Энергетика взаимодействия ионов 
с атомами твердого тела 

Виды энергетических потерь ионов 

Наряду с развитием термически активируемых процессов получения и обработки материалов все большее распространение в практике получают нетермически активируемые процессы с использованием ускоренных потоков ионизированных и нейтральных атомных 
частиц и электронов, электромагнитного и лазерного воздействий, 
плазмы и ядерных реакций. 
В этом случае энергия, необходимая для осуществления процесса, 
передается ускоренными частицами или излучениями атомам и молекулам твердого тела и окружающей его среды. Дополнительного 
подвода энергии, например тепла, не требуется. 
Наибольший прогресс в технологии получения материалов, прежде всего пленочных, достигнут в результате использования процессов с применением ускоренных ионных потоков. К таким процессам 
относятся процессы получения пленок ионным распылением твердых тел, химическим разложением соединений в условиях ионного 
облучения, внедрением ионов в поверхностный слой твердого тела и 
синтезом новых материалов, различного рода покрытий, ионной имплантацией в полупроводниковые материалы и ряд других. 
С развитием электроники, в частности микроэлектроники, широкое применение нашли ионные процессы прецизионного удаления 
материала с поверхности для создания определенного геометрического рисунка, размеры элементов которого достигают десятых и 
даже сотых долей микрометра. 
Наконец, широко применяются многочисленные методы определения параметров материалов с использованием ионного воздействия 
на их поверхность, получившие название ионной спектроскопии и 
спектрометрии. 
В основе всех ионных процессов получения и обработки материалов лежит энергетическое взаимодействие ионов с атомами и молекулами твердого тела, от которого и зависит возникновение и проявление различных эффектов. Воздействие ионов на поверхность твер

дого тела обусловливает большое разнообразие процессов. Протекание тех или иных из них в первую очередь обусловливается энергией 
падающих ионов, механизмом потери их энергии, который определяется энергией и природой взаимодействующих частиц. 
Условно различают ионы низкой, средней и высокой энергий. В 
качестве граничной энергии, разделяющей интервалы, где доминирует тот или иной механизм потерь энергии, принимают энергию, 
значение которой, выраженное в килоэлектронвольтах (кэВ), равно 
атомному номеру иона, независимо от вещества, в котором ион движется (рис. 1.1). Этот практический критерий называют критерием 
Зейтца. С определенной долей условности к ионам высокой энергии 
относятся ионы с энергией более нескольких десятков кэВ, к ионам 
средней энергии – от нескольких кэВ до нескольких десятков кэВ, к 
ионам низкой энергии – до нескольких кэВ. 
При ионной бомбардировке в качестве первичных частиц могут 
быть использованы как положительно, так и отрицательно заряженные ионы, а также нейтральные атомы. 

 

Рис. 1.1. Зависимость энергетических потерь иона dE/dZ от его энергии Еи: 
1 – ядерные потери энергии; 2 – электронные потери; 3 – потеря энергии 
в результате обмена зарядами между ионом и атомом мишени; значение 
энергии, определяемое пунктиром, отвечает критерию Зейтца 

Наиболее часто используют ионы, несущие положительный заряд, 
из-за большей простоты их получения по сравнению с отрицательными ионами и большей простоты ускорения, управления их движением и контроля за их количеством по сравнению с нейтральными 
атомами. 

dE/dZ 

Еи, кэВ 

Облучение можно производить не только атомарными, но и молекулярными ионами, если это целесообразно. Если кинетическая 
энергия ионов много больше энергии связи атомных частиц в молекулярном ионе, то в большинстве случаев можно считать такие частицы распространяющимися в твердом теле независимо. 
Наконец, иногда используют многозарядные ионы, поскольку таким образом при той же ускоряющей разности потенциалов можно 
получить ионы с энергией, большей однозарядного в i раз (i – кратность заряда иона). 
Если учесть, что в качестве бомбардирующих частиц можно использовать ионы практически всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева, а также молекулярные ионы и частицы в разных зарядовых состояниях, то можно полагать, что ионные пучки 
являются потенциально более гибким средством воздействия на обрабатываемый материал по сравнению, например, с электронными, 
так как позволяют в более широких пределах изменять свойства составляющих их частиц. 

Механизмы возникновения энергетических потерь 

При анализе энергетических потерь бомбардирующего поверхность твердого тела иона удобно различать два основных механизма: 
соударения иона с электронами и соударения иона с ядрами. 
Первый механизм состоит в том, что быстрый ион взаимодействует с электронами кристаллической решетки, в результате чего возникают возбуждение и ионизация атомов вещества. Поскольку плотность электронов в веществе мишени высока и такие столкновения 
многочисленны, этот процесс можно считать непрерывным. По второму механизму взаимодействие происходит между экранированными зарядами ядер первичного иона и атома мишени. Частота таких 
столкновений ниже, чем в первом случае, поэтому их можно рассматривать как упругие столкновения двух частиц. Взаимодействие 
ионов высоких энергий хорошо описывается резерфордовским рассеянием, а взаимодействие ионов средних энергий экранированным – 
кулоновским рассеянием. При низких энергиях ионов характер взаимодействия становится более сложным. 
Кроме перечисленных выше механизмов, вклад в энергетические 
потери дает обмен зарядами между движущимся ионом и атомом 
мишени. Этот процесс наиболее эффективен, когда относительная 
скорость движения иона сравнима с боровской скоростью движения 
электрона (2·106 м/с). 

Таким образом, полную потерю энергии ионом (dEи/dZ) можно 
представить как сумму трех составляющих – ядерной (dEи/dZ)я электронной (dEи/dZ)э и обменной (dEи/dZ)oб: 

 
и
и
и
и

я
э
об

d
d
d
d
.
dZ
dZ
dZ
dZ
E
E
E
E
⎛
⎞
⎛
⎞
⎛
⎞
=
+
+
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
 
(1.1) 

При низких энергиях иона преобладает взаимодействие с ядрами, 
которое приводит к появлению угловой расходимости ионного пучка. При высоких энергиях более существенными становятся столкновения с электронами (рис. 1.2). В промежуточном диапазоне энергий 
потери, обусловленные обменом заряда, могут возрастать примерно 
до 10 % от полных потерь. 

 

Рис. 1.2. Энергетический спектр рассеянных ионов и атомных частиц: 
1, 2 – распыленные атомные, в основном нейтральные, частицы; 
3 – многократно рассеянные атомные частицы мишени; 4 – ионизированные 
и возбужденные частицы; 5 – обратно-рассеянные ионы 

Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную электронную эмиссию, характеристическое рентгеновское 
излучение и испускание световых квантов. 
Упругие взаимодействия приводят к смещению атомов в твердом 
теле, появлению дефектов и удалению атомов с поверхности. Энергетический спектр рассеянных твердотельной мишенью ионов с начальной энергией Eи и атомных частиц схематически представлен на 
рис. 1.2. Широкая низкоэнергетическая (10…50 эВ) полоса соответ

ствует испусканию нейтральных атомов (распыленные атомы). Относительно узкая высокоэнергетическая полоса, расположенная 
вблизи энергии первичного иона Еи соответствует упруго рассеянным ионам. 

Взаимодействие иона с ядрами вещества мишени 

Для вычисления потерь (эВ/нм), обусловленных упругим взаимодействием (dEи/dZ)я, , необходимо знать экранированный ядерный 
потенциал (потенциал Томаса – Ферми). Однако хорошую приближенную формулу для расчета можно получить, используя для потенциалов взаимодействия простую обратную квадратичную зависимость: 

 

(
)

и
1
2
1
1/ 2
2/3
2/3
я
1
2
1
2

d
0,278
,
d
E
Z Z
M
N
Z
M
M
Z
Z

⎛
⎞ =
⎜
⎟
+
⎝
⎠
+
 
(1.2) 

где Z1, M1 и Z2, M2 – атомные номера и массы первичного иона и атома 
вещества соответственно; N – плотность атомов или число частиц/нм3. 
Расчеты по этой формуле дают для большинства сочетаний ион – 
атом мишени величину коэффициента энергетических потерь в диапазоне 100…1000 эВ/нм. 
Энергия иона Еп, начальная энергия которого равна Еи
0, после рассеяния иона на заданный угол θ в любой известной системе определяется законами сохранения энергии и импульса и определяется соотношением 

 
(
)
(
)

2
1/ 2
2
0
2
2
2
и
и
1
2
1
1
2
cos
sin
/
.
E
E
M
M
M
M
M
⎧
⎫
⎡
⎤
=
θ ±
−
θ
+
⎨
⎬
⎢
⎥
⎣
⎦
⎩
⎭
 
(1.3) 

Это выражение справедливо при M2 > M1 только с положительным знаком, а при М2 < М1 для обоих знаков, если sin θ ≤ M2/М1. 
Максимальную энергию, которая может быть передана атому мишени при одиночном соударении, определяют из уравнения  

 
(
)
2
0

max
1
2
1
2
и
4
/
,
E
M M
M
M
E
⎡
⎤
=
+
⎣
⎦
 
(1.4) 

приняв θ = π. 
Если M2 > M1, при одиночном соударении может происходить обратное рассеяние, тогда как при М2 < М1 рассеяние обязательно направлено вперед. 

Взаимодействие иона с электронами 

Если скорость иона превышает скорость электронов на Коболочке, энергетические потери описываются формулой Бете: 

 
(
) (
)
(
)
2
4
2
2
и
1
и
2
и
d
/ d
4
/
ln 2
,
E
Z
Z e
m
Z N
m
I
=
π
υ
υ
 
(1.5) 

где N – плотность атомов среды; т – масса электрона; υи – скорость 
движения иона; I – средний потенциал возбуждения атомов тормозящей среды. 
При более низких энергиях ионов и больших атомных номерах 
(Z1, Z2) формула Бете несправедлива, так как в ней не учитываются 
флуктуации заряда, возбуждение колебаний плазмы твердого тела и 
эффект обмена зарядами. Тогда формула (1.5) принимает вид 

 
(
)

1/ 2
и
и
э
d
/d
K
,
E
Z
E
′
=
 
(1.6) 

где 

 
(
)
3
1/ 2
1
2
1
K
3,28 10
Z
Z
M
N
−
−
′ =
⋅
+
 (эВ1/2нм–1). 
(1.7) 

Учет особенностей замедления тяжелых ионов с более низкой 
энергией осуществлен в модели Линдхарта, Шарфа и Шиотта 
(ЛШШ) для аморфных мишеней. В этой модели энергетические потери пропорциональны скорости иона. 
Значение коэффициента К' зависит от типа первичного иона и материала мишени. 

1.2. Основные эффекты взаимодействия ионов 
с твердым телом 

Выделяют несколько основных разновидностей взаимодействия 
ионов с твердым телом (рис. 1.3). Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого вещества 
(1). Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению 
траектории движения иона от первоначального направления после 
столкновения и к обмену энергией между ионом и атомом вещества. 
Импульс иона может быть достаточно большим, что приводит к 
смещению поверхностного атома из положения, в котором он слабо 
связан с кристаллической решеткой материала, в положение, в котором связь оказывается сильнее.