Содержание к диссертации
Стр.
Введение Ч
Глава 1#_ Эмиссия комплексных ионов при бомбардировке
твердых тел ионами средних энергий (обзор
литературы). И
Основные представления о механизме вторичной ионной эмиссии атомарных ионов............................. И
Экспериментальное исследование вторичной ионной эмиссии комплексных ионов п
Теоретические модели эмиссии комплексных ионов из твердого тела .;.<.*-. и
Выводы и постановка^задачи чО
Глава 2. Объекты исследования. Техника и методика
экспериментальных исследований... ^
Выбор объектов исследования и способа измерения чЪ
Аппаратура вторично-ионной масс-спектрометрии ЧЧ
Разработка методики достоверной регистрации комплексных фрагментов вторичной ионной эмиссии *ч
Контрольные измерения 74
Глава 3. Экспериментальное исследование эмиссии
комплексных ионов "примесь-матрица" из кремния ?9
Эмиссия ионов Sin.X при бомбардировке кремния ионами неона ои
Основные закономерности эмиссии комплексных ионов "примесь-матрица" <э
Эмиссия отрицательных комплексных ионов
Выводы из результатов экспериментальных исследований. Глава 4. Модель вторичной ионной эмиссии комплексных
ионов "примесь-матрица" ІІЦ
Механизм выхода комплексных ионов вида Si^X Мк
Факторы, влияющие на вероятность эмиссии комплексных ионов "примесь-матрица" 1%Н
Выводы из главы , №
Глава 5. Некоторые возможности использования
комплексных ионов во вторично-ионной
масс-спектрометрии. пО
5.1. Использование комплексных ионов для снижения пределов
обнаружения примесей. тъ
5.2. Разработка методики анализа фазовой неоднородности
в кремнии, возникающей при легировании его примесями,
методом ионной имплантации '^"
5.3. Выводы №
Заключение М
Основные результаты и выводы 1В6
Приложение 168
литература №
-к
Введение к работе
Актуальность проблемы. Процессы, происходящие при. бомбардировке поверхности твердого тела ионами или атомами и называемые, обычно, вторичными процессами (легирование бомбардирующими частицами, дефектообразование, накопление и дальнейшая эволюция дефектов, эрозия поверхности твердого тела и возникновение потока вторичных частиц из твердого тела через поверхность) приобрели в современной науке и технике особое значение. С этими процессами связаны, например, так называемая проблема первой стенки ядерного реактора, проблема совершенствования материалов для электронной и металлургических промышленностей и тому подобное. В последнее время значительно возрос интерес к вторичным процессам, в частности к эмиссии вторичных частиц (ионов, электронов, фотонов) в связи с созданием на их основе методов диагностики (анализа свойств) поверхности, без которых немыслим прогресс в области фундаментальных и прикладных исследований физики твердого тела.
Одним из таких методов является метод вторично-ионной масс--спектрометрии, основанный на масс-спектральном анализе вторичных ионов, эмитируемых из поверхностных слоев мишени при бомбардировке её пучком ионов или атомов с энергией от единиц до десятков килоэлектровольт. Этот метод выгодно отличается от существующих методов диагностики поверхности благодаря целому ряду присущих ему свойств: высокая чувствительность определения примесей, возможность анализа всех без исключения элементов периодической системы, включая изотопы, сравнительная простота реализации послойного анализа с высоким разрешением по глубине. Однако возможности применения метода вторично-ионной масс-спектро-метрии для решения практически важных задач физики поверхности
в значительной степени определяются уровнем знаний о процессах,' происходящих при взаимодействии ускоренных ионов с твердым телом.
Подавляющее большинство теоретических и экспериментальных работ по вторично ионной эмиссии, выполненных у нас в стране и за рубежом, посвящены изучению закономерностей эмиссии атомарных ионов. Однако во вторично-ионном масс-спектре присутствуют фрагменты, содержащие десятки атомов мишени и имеющие массу, на два-три порядка, превосходящую массу бомбардирующих частиц. С точки зрения физики явления такие комплексы чрезвычайно интересны, поскольку представляют собой форму вещества промежуточную между атомарным и конденсированным в виде решетки твердого тела. В настоящее время эмиссия комплексных ионов является наименее изученной областью и поэтому исследование закономерностей эмиссии комплексных фрагментов представляет актуальную проблему в научном аспекте.
Проблема изучения вторичной ионной эмиссии комплексных ионов из кремния актуальна и в прикладном плане, так как легированный примесями кремний является одним из основных материалов, используемых в современном полупроводниковом производстве, и анализ распределения примесей необходим при создании новых и модернизации существующих полупроводниковых приборов. Поэтому понимание процессов, приводящих к эмиссии комплексных ионов, позволит на качественно новом уровне применять методику вторично-ионной масс-спектрометрии для решения практических проблем современной полупроводниковой технологии.
Целью работы являлось экспериментальное исследование закономерностей эмиссии комплексных ионов вида "примесь-матрица" из легированного кремния при бомбардировке его ионами средних энергий для развития модельных представлений о механизме обра-
-бу-
зования комплексных вторичных ионов и изучения возможностей повышения эффективности методики вторичной масе-епектрометрии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведено сравнительное систематическое иссле
дование вторичной ионной эмиссии комплексных ионов вида "примесь-
матрица" из кремния, легированного примесями методом ионной им
плантации. Впервые для учета факторов, искажающих результаты из
мерения закономерностей вторичной эмиссии комплексных ионов при
менен методический прием, заключающийся в измерении тока вторич
ных ионов в процессе записи концентрационных профилей примесей
по фрагментам, состоящим из атомов матрицы и примеси, и сопоста
влении выходов комплексных ионов в максимуме имплантационного
распределения.
+
2. Изучены особенности эмиссии ионов Si^X" » где А -
- атом примеси ( X = S , № , С , N , Р , /Js » Sb , F , СЄ ), /г - натуральное число, при бомбардировке кремния ионами инертных газов, имеющих различные массы ( Л/е , flr , Кг » Хв ), и ионами химически активных элементов с разным характером электроотрицательности (кислород, цезий).
3. Установлено, что тенденция изменения выходов комплексных
ионов &аХ~ при увеличении количества атомов кремния в комп
лексе определяется, в основном, положением примесного атома в
периодической системе и в ряде случаев имеет немонотонный ха
рактер. Не обнаружено влияния энергии и плотности тока пучка
первичных ионов на относительный выход ионов вида "примесь-мат
рица". Впервые установлено, что при увеличении массы первичных
ионов относительный выход комплексных ионов уменьшается, когда
П.< lta » где п0- количество атомов кремния в комплексе, имеющем наибольшую интенсивность в спектре вторичной ионной эмиссии,
~7-
и увеличивается в случаях, когда /г?ги.
Сделан вывод на основе анализа экспериментальных результатов о преобладании механизма прямого выбивания в эмиссии комплексных ионов -Sl^X" из легированного кремния. Предложена качественная модель механизма эмиссии комплексных ионов, предпола-гающаяя выбивание группы атомов, энергия связи между которыми выше их энергии связи со всей решеткой. Предложено эмпирическое выражение для определения состава комплексного иона с наибольшим ионным выходом, которое учитывает структуру валентных оболочек атомов кремния и примеси в основном состоянии.
На качественном уровне исходя из свойств полярных связей "примесь-матрица" интерпретированы основные закономерности выхода комплексных ионов Sl^K' . Показано, что влияние массы бомбардирующих частиц на относительный выход комплексных ионов связано с разной концентрацией первичных ионов в распыляемом I слое, которая изменяет прочность межатомных связей на поверхности мишени.
Разработан способ анализа фазовых неоднородностей в легированном кремнии, основанный на сопоставлении интенсивностей тока комплексных вида SlX и атомарных X ионов.
Разработан аналитический метод получения достоверных концентрационных профилей распределения примеси по глубине при распылении мишени стационарным пучком, имеющим достаточно произвольное распределение ионов ^io поперечному сечению, и измерении тока вторичных ионов со всего или части неоднородного по глубине кратера.
Практическая ценность работы. Совокупность установленных закономерностей выхода комплексных ионов с учетом предлагаемой модели эмиссии позволяет повысить эффективность использования методики вторично-ионной масс-спектрометрии для диагностики поверх-
яв-
ности твердого тела. В частности, предложенное эмпирическое выражение позволяет a. priori выбирать комплексный фрагмент, имеющий максимальный ионный выход, в случаях когда затруднено или невозможно обнаружение примесей по атомарным ионам. Опубликованные в периодической литературе данные показывают справедливость разработанного подхода к выбору комплекса с максимальным выходом не только в случае легированного кремния, но и материалов иного, элементного состава.
Показана перспективность совместного использования комплексных и атомарных ионов для анализа фазовых неоднородностей по глубине в тонких поверхностных слоях кремния, легированного примесями методом ионной имплантации.
Возможность использования для послойного анализа примеси
стационарных пучков малых размеров позволяет улучшить локаль-
анализ ность области распыления и проводить с учетом требований современного уровня микроминиатюризации полупроводникового производства.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Учет факторов, искажающих результаты послойного анализа, а также уровня фонового сигнала позволяет на ионно легированных образцах получать корректные значения тока вторичных комплексных ионов вида "примесь-матрица".
При бомбардировке легированного кремния ионами средних энергий наблюдается вторичная ионная эмиссия комплексных ионов вида SinX~ » где п. = I * б, X - атом примеси. Тенденция изменения выходов ионов при увеличении количества атомов кремния
в комплексе определяется химическими свойствами атома примеси и для ряда элементов имеет немонотонный характер. Для каждого примесного элемента X значения выходов ионов SC^X" » нормированные на выход комплекса, имеющего наибольшую интенсивность в спе-
ктре вторичной ионной эмиссии, зависят от массы и химической природы первичных ионов и практически не зависят от энергии и плотности тока первичного пучка в диапазонах значений, соответственно равных 1,4-14,5 кэВ и 0,04-2 h/vr,
Эмиссия комплексных ионов Si^K' из кремния, легированного элементами X , происходит, в основном, по механизму прямого выбивания за счет разрыва наиболее слабых связей между атомами, находящимися в поверхностном слое мишени. Стабильность комплексных ионов является определяющим фактором процесса вторичной эмиссии и может быть качественно оценена из условия спаривания валентных электронов атомов матрицы и примеси. Влияние экспериментальных параметров на эмиссию ионов St^X" связано со свойствами полярных связей "примесь-матрица".
Сопоставление интенсивностей тока комплексных SiX и атомарных X ионов позволяет судить об изменении фазового состава в тонких поверхностных слоях.
В случае стационарного бомбардирующего пучка и измерения сигнала со всего или части неоднородного по глубине кратера математическая обработка измеренной зависимости тока вторичных ионов от времени распыления позволяет исправить "эффект кратера" и получить истинный концентрационный профиль примеси в образце.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на УІ Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом (Минск, 1981), XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984), УП и УШ Всесоюзных конференциях по локальным рентгеноспектральным исследованиям и их применению (Черноголовка, 1979 и 1982), ІУ Всесоюзном семинаре по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков, 1983), Республиканском совещании по диагностике поверхности ионными пучками (Донецк, 1983).
-/0-
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять
глав, заключение, перечень основных результатов работы, приложе
ние с копией акта о внедрении и библиографию, включающую 151 на
именование. Во введении показаны актуальность, цель, научная но
визна и практическая ценность работы, сформулированы научные
положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации
работы и количестве публикаций по теме диссертации, кратко опи
сана структура диссертации, В первой главе дан критический обзор
литературы, посвященной исследованию вторичной ионной эмиссии
комплексных ионов из различных материалов, подвергаемых облуче
нию ионами средних энергий. На основе литературного обзора уточ
нены задачи работы. Вторая глава посвящена разработке методики
получения корректных значений токов вторичных комплексных ионов
и краткому описанию экспериментальных установок. В третьей гла
ве представлены экспериментальные результаты по эмиссии комплекс
ных ионов вида "примесь-матрица" из кремния, легированного мето
дом ионной имплантации. В Четвертой главе обобщаются полученные
экспериментальные результаты и развиваются модельные представ
ления о механизме эмиссии комплексных ионов из легированного
кремния. Пятая глава посвящена вопросам практического использо
вания установленных закономерностей эмиссии комплексных ионов
для целей диагностики поверхности легированного кремния методом
вторично-ионной масс-спектрометрии. *'
-u-
