Stefan Eichler

Untersuchungen zu leerstellenartigen Kristalldefekten nach Ionenimplantation in Halbleitern

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 30.06.1998

Abstract
Die Implantation von Ionen in Halbleiter ist ein übliches Verfahren der oberflächennahen Dotierung in der planaren Halbleitertechnologie. Die in das Material eingebrachten Fremdatome können dessen elektrischen und optischen Eigenschaften stark beeinflussen. Der hochenergetische Ionenbeschuß eines kristallinen Targets führt allerdings zur Entstehung von Gitterdefekten, die dem beabsichtigten Dotierungseffekt entgegenwirken.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Defektentstehung und die Ausheilung der erzeugten Schäden für verschiedene Implantationen in Silizium und Galliumarsenid als Funktion der Ionenmasse und der Dosis im Bereich bis zur amorphisierenden Dosis systematisch untersucht. Im Mittelpunkt standen dabei die sogenannten leerstellenartigen Defekte, die durch das Nichtbesetzen regulärer Gitterplätze ein attraktives Potential für Sonden-Positronen erzeugen. Die spezifischen Positronenannihilationsparameter für solche Kristalldefekte sowie die Messung der Positronendiffusionsweglänge wurden genutzt, um den Typ und die Konzentration der Schädigung zu charakterisieren. Dabei wurden die neusten Entwicklungen zur Interpretation von Doppler-verbreiterten Annihilationsspektren konsequent genutzt und Anknüpfungspunkte zu anderen Methoden wie Rutherford Rückstreuung, Raman- und Infrarotabsorptionsspektroskopie gesucht. Für die experimentellen Resultate konnten qualitative und teilweise sogar quantitative Modelle überprüft und entwickelt werden.
Nach der Implantation von leichten Bor-Ionen in Silizium konnten verschiedene, isolierte Kristalldefekte mit offenem Volumen beobachtet werden. Amorphe Bereiche entstanden erst durch die Implantation schwererer Ionen wie Silizium und Arsen. Das Wechselspiel zwischen Agglomeration und Rekombination während der Ausheilung der Nichtgleichgewichtsdefekte konnte vor allem an stärker geschädigten Proben untersucht werden. In Germanium wurden leerstellenartige Defekte studiert, die nach ionenstrahlgestützter epitaktischer Rekristallisation von amorphen Schichten im Material verbleiben bzw. neu erzeugt werden. In Verbindungshalbleitern sind die Prozesse von Defektentstehung und -ausheilung nach Ionenimplantation noch komplizerter zu verstehen, weil Defekte mit unterschiedlichen Eigenschaften in verschiedenen Untergittern erzeugt werden können. In schwach geschädigtem Galliumarsenid konnte die Existenz eines Defektes, der eine Galliumleerstelle enthält, eindeutig nachgewiesen werden. Für höhere Dosen und Ionenmassen wurde das Target amorphisiert. Während der Ausheilung des schwach geschädigten Materials bzw. nach der Rekristallisation der amorphen Schichten kommt es zur Bildung von Leerstellenagglomeraten.

The ion implantation is an usual technology to dope semiconductor crystals in the near-surface region. The incorporated dopands may strongly affect the electrical and optical properties of the material. The major side effect of the implantation of kinetic ions is the radiation damage.Lattice defects are formed, which disturb the intended crystal properties.
This work contains a systematic investigation of the formation and the annealing behavior of the implantation induced damage in silicon and galliumarsenid as a function of the ion mass and the ion fluence. Mainly, the so-called vacancylike defects are observed, which form an attractive potential for the positively charged positrons due to missing atoms on regular lattice sites. The typical annihilation properties as well as the positron-diffusion data are used to characterize the defect types and the defect concentrations. The recent developments of the interpretation of the Doppler-broadened annihilation spectra are applied and comparisons with measurements obtained by Rutherford Backscattering, Raman- and infrared absorption-spectroscopy are done. The experimental data fit on qualitative and partial on quantitative models.
In silicon, the implantation of boron ion induces different large vacancylike defects. In contrast, the generation of amorphous zones was obtained after implantation of heavy ions as silicon, phosphorous, or arsenic. The annealing behavior of the vacancy-type defects is characterized by processes of agglomeration and recombination of mobile point defects depending on their concentration. In amorphous layers of germanium, vacancylike defects after ion beam induced recrystalization were investigated. The processes of generation and annealing of defects after ion implantation in compound semiconductors are more complex. In galliumarsenid, the generation of vacancylike defects in the gallium sublattice was observed. Amorphous structures were obtained at high implantation fluences. The diffusion of defects behind the projected range was detected for undoped and n-type material. The formation of open-volume agglomerates was observed during the annealing of the weakly damaged material as well as during the recrystalization of the amorphous phase.

Keywords:
Ionenimplantation, leerstellenartige Defekte, Ausheilung, Rekristallisation, Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Positronenannihilation

ion implantation, vacancy-type defects, annealing behavior, recrystalisation, silicon, germanium, galliumarsenid, positron annihilation, slow positrons

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis (i-ii)
Einleitung (1-2)
1 Kristalldefekte nach Ionenimplantation (3-20)
2 Ionenimplantation und Untersuchungsmethoden (21-43)
3 Ergebnisse und Diskussion (44-89)
Zusammenfassung und Ausblick (90-91)
Literaturverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis (93-103)