Investigation of atomic displacement in isotopically enriched semiconductor multilayer structures induced by ion implantation and solid phase epitaxial recrystallization processes

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Die elektrische Dotierung von Silizium(Si) und Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) wird heute überwiegend durch Ionenimplantation mit anschließender thermischer Behandlung realisiert. Sehr flache Dotierstoffprofile mit hohen Konzentrationen elektrisch aktiver Dotieratome werden dabei durch Ionenstrahl-Amorphisierung des Halbleiters erzielt, die vor der eigentlichen Dotierstoffimplantation erfolgt. Eine anschließende thermische Behandlung führt zur Kristallisation der amorphen Schicht und zu einer damit verbunden Umverteilung von Dotier- und Matrixatomen. Sputtertechniken wie in Sekundärionen Massenspektrometrie (SIMS) und fokussierten Ionenstrahl Systemen finden weithin Anwendung für Tiefenprofilanalysen von ausgewählten Elementen und für die Präparation von Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie und die tomographische Atomsonde (APT). Die Energien der verwendeten Primärionen liegen typischerweise im Bereich von einigen keV und damit deutlich oberhalb der Energie, die für die Verlagerung eines Atoms in einem Festkörper notwendig ist (Schwellenenergie: 10 – 40 eV). Viele der primär verlagerten Atome besitzen noch Energien oberhalb der Schwellenenergie und führen zu sekundären Stoßprozessen oder Stoßprozessen höherer Ordnung. Die dadurch verursachte Vermischung von Matrix- und Dotieratomen begrenzt die Qualität der Grenzflächen von implantierten Halbleiterschichtstrukturen und die Auflösung von Tiefenprofiltechniken, die auf SIMS und fokussierten Ionenstrahltechniken beruhen. Zur Untersuchung der durch Ionenimplantations- und Kristallisationsprozesse verursachten Vermischung und Umverteilung von Matrixatomen in Si, Ge und seinen Legierungen werden im Rahmen dieses Vorhabens kristalline bzw. amorphe mit stabilen Isotopen angereicherte Vielschichtstrukturen verwendet. Das atomare Mischen wird mit modernsten Tiefenprofilierungstechniken analysiert, die damit eine Bewertung der derzeitigen SIMS und APT Techniken erlauben. Molekulardynamik-Simulationen und phänomenologische Modelle werden bemüht, um die Mechanismen des atomaren Mischens in Si, Ge und SiGe zu verstehen. Das Verständnis des atomaren Mischens, das durch Implantations- und Kristallisationsprozesse hervorgerufen wird, ist für die weitere Entwicklung von elektronischen Bauelementen auf der Grundlage von Si und Ge sehr wichtig.