Microsc. Microanal. Microstruct. 1, 141-148 (1990)
DOI: 10.1051/mmm:0199000102014100

Cross-sectional electron microscopy investigation of silicon amorphisation during high temperature zinc-ion bombardment

Joël Faure, Stephan Simov, Maria Kalitzova, Gérard Balossier, Lalit-Mohan Bharadwaj, Alain Claverie et Pierre Bonhomme

Laboratoire de Microscopie Electronique, INSERM U314, 21 rue Clement Ader, 51100 Reims, France

Abstract
Cross-sectional transmission electron microscopy has been applied to the characterisation of silicon amorphisation due to Zn+ (120 keV) ion bombardment at 110 °C. In spite of the implantation temperature used, we did not notice any annealing effect. This point is discussed in light of the low ion current density used in these experiments and experimental results arising from litterature. Calculations of the energy received by the target through nuclear collisions (i.e. damage energy) have been recombined with concepts arising from the "critical damage energy density" model for the crystal to amorphous transition of silicon. Comparison of the experimental measurements of the extension of the amorphous layer for increasing doses with the theoretical calculations shows that a damage energy density of about 10 eV.at-1 is required for silicon amorphisation. It is suggested that temperature effects are responsible for the need of higher damage energy density to produce a first continuous amorphous layer than to extend this layer to greater depth. The expermental observations clearly show that the roughness of the amorphous-crystalline interface is reduced when increasing the ion dose, and hence its depth location ; which suggest that the damage process becomes more homogeneous.

Résumé
L'amorphisation d'un substrat monocristallin de silicium par implantation, à 110 °C, d'ions Zn+ de 120 keV a été étudiée par microscopie électronique "sur la tranche". Le calcul de l'énergie reçue par la cible en collisions nucléaires (énergie de dommage) a permis d'utiliser le modèle de la "densité critique d'énergie de dommage" pour la transition cristal -> amorphe du silicium implanté. La confrontation des résultats théoriques aux mesures expérimentales de l'épaisseur des couches amorphes, obtenues pour différentes doses implantées, conduit à une valeur critique de 10 eV.at -1 pour la densité d'énergie de dommage associée à l'amorphisation du silicium. La necessité de densités d'énergie de dommage supérieures à cette valeur critique, aux premiers stades de l'amorphisation, peut être reliée à un taux de recombination important des défauts ponctuels, lié à la température d'implantation de 100 °C. Par ailleurs, lorsque la dose implantée augmente, la rugosité de l'interface amorphe/cristal diminue au fur et à mesure de sa progression vers la profondeur, ce qui traduit une homogénéisation du processus d'endommagement de la cible. Enfin, malgré la température d'implantation utilisée, aucune recristallisation notable, liée à un recuit dynamique, n'a été observée.

PACS
6180J - Ion radiation effects.
6470K - Solid-solid transitions.

Key words
Amorphization -- Ion implantation -- Zinc ions -- Damage -- Defect recombination -- Point defects -- Cross section(geometry) -- TEM -- Silicon -- Experimental study


© EDP Sciences 1990