Введение к работе
Актуальность темы
Исследование физических и физико-химических свойств поверхности твердого тела является актуальным научным направлением. Важное место в таких исследованиях занимает изучение поверхности полупроводников и, естественно, кремния, как одного из основных материалов микроэлектроники. Как показывает анализ, количество публикаций в области физики поверхности, посвященных исследованию поверхностных фаз (ПФ) на кремнии продолжает увеличиваться год от года. Среди них все чаще и чаще появляются работы, в которых изучаются ПФ, сформированные при участии двух (или более) адсорбатов, то есть при коадсорбции ' атомов. Остановимся более подробно на причинах такого, все более возрастающего интереса, к этой теме.
Во-первых, количество практических приложений явлений, происходящих на поверхности, увеличивается с каждым годом. Вся современная микроэлектроника в значительной степени опирается на процессы, происходящие на поверхности полупроводников (МДП транзисторы). Переход к созданию сверхбольших интегральных схем сопряжен с резким увеличением числа отдельных элементов на кристалле и уменьшением размеров этих элементов. Если в настоящее время размер элементов сверхбольших интегральных схем составляет порядка 1 мкм, то задачей ближайшего будущего является переход к наноэлектронике с размером отдельных элементов исчисляемых уже не в микронах, а в сотнях нанометров. Это требует всестороннего исследования процессов в слоях, толщина которых составляет десятки и единицы нанометров. Понятно, что при таких размерах элементах чрезвычайно возрастает важность исследования процессов на поверхности. Уже в настоящее время решение задачи уменьшения размеров полупроводниковых приборов привело к появлению таких направлений, как нанотехнология и наноэлектроника.
По-видимому, одним из возможных способов получения микроэлектронных структур нанометрического масштаба может быть использование коадсорбции атомов на поверхности, т. е. использование взаимодействия атомов Двух или нескольких типов для создания "самоорганизующихся" структур на поверхности и для управления механизмом роста пленок. В настоящее время известно, что адсорбция на поверхности приводит к формированию поверхностных фаз, которые по сути представляют собой особую приповерхностную область твердого тела со своей электронной и кристаллической структурой, электронными свойствами и областями температурной и концентрационной стабильности. При коадсорбции, в зависимости от соотношений энергий взаимодействия адсорбатов с подложкой и Друг с другом также происходит формирование поверхностных фаз либо отдельных адсорбатов, либо их совместных, т. е. трехкомпонентных поверхностных фаз. Естественно, что выбор адсорбатов при коадсорбции определяет поведение системы.
Одним из примеров использования коадсорбции для управления механизмом роста пленок является использование так называемых сурфактантов. Сурфактанты
'под коадсорбцией здесь и далее мы будем понимать адсорбцию двух (или более) чужеродных атомов на поверхности подложки вне зависимости от того, каким образом оба адсорбата оказались на ней последовательно (один за другим), одновременно или в виде некоторого соединения
(surfactant), т.е. поверхностно-активные частицы (surface active species) используют в последнее время для получения однородных слоев при низкой температуре подложки. По сути своей сурфактанты - это ПФ, образованные такими атомами, которые оказывают влияние на механизм роста пленки. Было замечено, что сурфактанты уменьшают поверхностную энергию подложки, подавляют трехмерное зародышеобразование и усиливают поверхностную диффузию атомов растущей пленки. В качестве сурфак-тантов для улучшения качества роста пленок Si на Si(lll) были использованы Sb, As, Ga, Au, Ge, и РЬ. В качестве посредника для улучшения качества пленок используется водород. Предварительная адсорбция водорода улучшает эпитаксию Ag на Si(lll) и Si(100), Fe на Si(lll) и Си на Si(100). Другим примеров может служить "самоорганизация" атомов при коадсорбции. Как показали исследования взаимодействие атомарного водорода с ПФ металлов на поверхности Si(lll) приводит к агломерации пленок металла и изменению структуры поверхности. Отжиг такой поверхности приводит к десорбции водорода, распаду островков и формированию исходной ПФ металла с исходной структурой.
Во-вторых, исследования на поверхности имеют фундаментальный научный характер. Несмотря на то, что поверхностные фазы обладают своими собственными свойствами, отличными от объемных, многие физические понятия и представления, введенные для объемных фаз, весьма близки к понятиям и представлениям, используемым для поверхностных фаз. Таким образом, как и для традиционного материаловедения "объемных" материалов, можно говорить о "двумерном" материаловедении. Здесь, также как и в трехмерном случае, можно говорить об образовании "двумерных" сплавов, соединений, их фазовой диаграмме и структуре. Сказанное выше можно проиллюстрировать на примерах развития традиционного материаловедения объемных материалов и "двумерного" материаловедения, т. е. исследования поверхностных фаз. Начальным этапом материаловедения объемных материалов было исследование чистых веществ их кристаллической структуры, физико-химических свойств. Следующим этапом было исследование соединений их диаграммы состояний, кристаллической структуры и свойств. Естественно, что основой исследования соединений были знания структуры и свойств чистых веществ. Аналогично и в случае двумерного материаловедения: на начальном этапе развития исследование ПФ чистых материалов и ПФ образованных одним адсорбатом составляли основной предмет исследования, то, в настоящее время, происходит переход к исследованию поверхностных соединений и сплавов, которые образуются при коадсорбции. При этом происходит и дальнейшее углубление и расширение представлений и знаний о структуре и свойствах ПФ образованных одним адсорбатом. Так, например, при исследовании коадсорбции появляется возможность оценить относительную стабильность ПФ образованных одним адсорбатом. Как показали наши исследования возможно оценить степень реконструкции подложки при взаимодействии ПФ металлов на кремнии с атомарным водородом. В заключении раздела отметим, что коадсорбция атомов открывает новые возможности в области "двумерного материаловедения" твердых тел, такие как:
повышение стабильности ПФ, образованных различными атомами,
формирование ПФ с новыми свойствами,
управление механизмом роста пленок и создание новых полупроводниковых микроструктур,
лучшее понимание структуры и свойств двухкомпонентных ПФ.
Цель работы
Весь комплекс выполненных исследований был направлен на изучение процессов на поверхности кремния при коадсорбции атомов с учетом формирования ПФ. Необходимо подчеркнуть, что такое изучение преследовало две цели:
установление общих закономерностей атомных процессов при коадсорбции чужеродных атомов Двух различных типов на атомарно-чистой поверхности кремния,
получение конкретной количественной информации о формировании двумерных ПФ (сплавов, соединений) при коадсорбции атомов двух типов
Естественно, что фундаментом таких исследований являются, с одной стороны, знания о структуре и свойствах моноадсорбатных ПФ и, с другой стороны, знания о структуре и свойствах соответствующих объемных соединений. Конечно, ни то и ни другое не позволяет однозначно предсказать структуру и свойства соответствующей трехкомпонентной ПФ. Исследование коадсорбции элементов моноадсорбатные системы которых хорошо изучены, является более предпочтительным. Поэтому в настоящей работе были выбраны такие адсорбаты, как Н, Ag, Au, Al и N, постоянно вызывающие большой интерес исследователей.
Оправданность и важность такой постановки проблемы связана с нескольким аспектами:
-
Значительный интерес для физики поверхности представляет выяснение влияния формирующихся ПФ на процессы на поверхности при коадсорбции и общих закономерностей такого влияния. Здесь открываются возможности управления процессами формирования межфазных границ, контроля процессов диффузии, эпитаксии и т.д.
-
Изучение процессов коадсорбции позволит классифицировать все возможные процессы на поверхности. Основные из них: формирование новых двумерных сплавов и соединений, вытеснение одной ПФ другой, замещение атомов одного типа атомами другого типа ("смена партнера").
-
Проведенные исследования позволят получить конкретную информацию о кинетике формирования, структуре и составе межфазных границ, структуре и свойствах ПФ, диаграмм состояния, а также выяснить характер поверхностных процессов, происходящих при коадсорбции
-
Получение результатов по влиянию формирования ПФ при коадсорбции на процессы на поверхности кремния представляют значительный интерес для практических приложений как в области уже существующей технологии полупроводниковых приборов, так и для нанотехнологии. Проведение таких исследований
позволило бы ответить на ряд вопросов, возникающих при использовании тонкопленочных структур: об их температурной и концентрационной устойчивости, диффузионном размытии, механизме роста, пассивирующих свойствах и т.д.
Постановка задачи
Исследования, составившие содержание данной работы, посвященные перечисленным выше аспектам проблемы определения общих закономерностей атомных процессов при коадсорбции атомов на атомно-чистой поверхности кремния, подразумевает постановку следующих задач:
-
Развитие методов экспериментального исследования ПФ и поверхностных процессов.
-
Построение фазовых диаграмм (диаграмм состояния) различных систем адсор-бат/кремний, которые представляют собой геометрическое изображение областей существования равновесных ПФ при разных значениях концентраций ад-сорбатов и температуры.
-
Исследование общих закономерностей влияния ПФ на характер атомных процессов при коадсорбции (диффузии, десорбции и т.д.).
-
Определение механизмов роста тонких пленок (в том числе эпитаксиальных), выяснение состава пленок, кинетики роста, и роли формирующихся поверхностных фаз.
Научная новизна
Работа содержит новые экспериментальные и методические результаты, наиболее важными из которых являются:
способ неразрушающего контроля толщин тонких пленок на поверхности кремния с помощью спектроскопии характеристических потерь энергии электронами;
исследование закономерностей взаимодействия атомарного водорода и аммиака с поверхостными фазами AI и Ag на поверхности Si(lll);
количественные характеристики взаимодействия атомарного водорода с ПФ Ag на Si(lll);
исследование закономерностей формирования двумерных сплавов и их структуры в системе Al/Au/Si(lll), построение диаграммы ПФ существующих в этой системе;
исследование формирования двумерных химических соединений и их структуры в системе Al/Si(lll)8x8-N;
исследование закономерностей формирования поверхностных фаз в системе N-Si(lll) и N-Si(llO) при термическом взаимодействии NH3 с кремнием;
исследование кинетики и механизма электронно - стимулированной нитриди-зации Si(100) в атмосфере NH3;
Научная и практическая ценность работы
Научная и практическая ценность работы определяется получением новой информации о закономерностях взаимодействия коадсорбированных атомов на поверхности кремния. Исследования по формированию трехкомпонентных ПФ на кремнии, попытка классификации процессов коадсорбции, представляют значительный интерес для физики поверхности, так как понимание взаимодействий "адсорбат-подложка" и "адсорбат-адсорбат" и механизма формирования сверхтонких элмтаксиальных пленок на кремнии позволит создавать слои с заранее заданными свойствами.
Агломерация ПФ AI и Ag на поверхности Si(lll) и изменение структуры поверхности при взаимодействии с атомарным водородом представляет интерес для создания "самоорганизующихся структур". В этом направлении исследовано взаимодействие атомов золота и алюминия на чистой поверхности кремния (111) и получен ряд новых трехкомпонентных ПФ, которые не формируются в моноадсорбатных системах Al/Si(lll) и Au/Si(lll).
Разработан способ создания поверхностной структуры Si(lll)lxl с помощью коадсорбции атомов металла и атомарного водорода.
Выращенная тонкая эпитаксиальная пленка нитрида алюминия (AIN) на кремнии представляет собой новый перспективный материал для микроэлектроники.
Разработан способ низкотемпературной нитридизации поверхности кремния в атмосфере аммиака при облучении поверхности электронами.
Разработан метод низкотемпературной очистки поверхности кремния от тонких слоев нитрида кремния.
Предложен и реализован новый способ неразрушающего контроля толщин тонких пленок на поверхности кремния с помощью метода СХПЭЭ.
Защищаемые положения
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Процессы при коадсорбции атомов на монокристаллической подложке определяются ПФ формирующимися в соответствии с диаграммой состояния При этом характер протекания атомных процессов при коадсорбции атомов на поверхности и формирование ПФ зависит от относительных скоростей адсорбции, десорбции и поверхностной диффузии Двух адсорбатов.
-
В случае отсутствия в системе лодложка-эдсорбаты устойчивой трехкомлонент-ной ПФ в зависимости от относительной энергии взаимодействия атомов, формирующих поверхностные фазы, коадсорбция приводит к смене одной поверхностной фазы другой, т.е. формированию энергетически более выгодной поверхностной фазы при данной температуре и концентрации адсорбата. Такой процесс наблюдается при взаимодействии атомарного водорода с поверхностными фазами AI и Ag.
-
Формирование новых трехкомпонентных ПФ, со структурой, отличной от структур, которые образуются в моноадсорбатных системах, происходит при коад-сорбция атомов А| и Аи на поверхности Si(lll). В этом случае оба адсорбата имеют близкие энергии взаимодействия с подложкой.
-
В ситуации, когда энергия взаимодействия адсорбатов друг с другом велика по сравнению с энергиями взаимодействия адатомов с подложкой, при коадсорб-ции реализуется механизм "смены партнера". Так при напылении AI на ПФ Si(lll)8x8-N и последующем отжиге происходит разрыв связей Si—N и образование химических связей AI-N с образованием двумерной эпитаксиальной пленки с ПФ AIN.
-
При адсорбции соединений на поверхности процесс диссоциации (термический или электронно - стимулированный) приводит к образованию ПФ. Так при термическом или электронном воздействии на поверхности кремния в атмосфере аммиака происходит формирование ПФ Si—N. Механизм роста слоев определяется возможностью формирования ПФ при данных условиях.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Всесоюзной конференции по использованию современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле (г.Хабаровск, 1981), XVIII, XIX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (г.Москва, 1981; г.Ташкент, 1984; г.Ленинград, 1990), 7 Международной конференции по ионной имплантации в полупроводниках и других материалах (г.Вильнюс, 1983), Всесоюзном симпозиуме по физике поверхности твердых тел (г.Киев, 1983), VI Всесоюзном симпозиуме по вторичной электронной и фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твердых теп (г.Рязань, 1986), Всесоюзной конференции по диагностике поверхности (г.Каунас, 1986), II и VI Международных конференциях по структуре поверхности (г.Амстердам, 1987; г.Шанхай, 1993), 1-ой Всесоюзной конференции по физическим и физико-химическим основам микроэлектроники (г.Вильнюс, 1987), III Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких ппенок (г.Ивано-Франковск, 1990), XIII Американской конференции по росту кристаллов (г.Вэйл, США, 1990), I и II Российско-Японском семинаре по поверхности полупроводников (г.Владивосток, 1993; г.Осака, Япония, 1995), 1-й и 11-й Международных конференциях по физике низкоразмерных структур (г.Черноголовка, 1993, г.Дубна, 1995) III Международном симпозиуме по эпитаксии атомных слоев и поверхностным процессам (г.Сендай, Япония, 1994), 14-ой Европейской конференции по физике поверхности (г. Лейпциг, Германия, 1994), На семинарах Университета г.Осака, (г.Осака, Япония, 1992, 1995); Института электроники (г.Хамаматцу, Япония, 1992); Университета Васеда (г.Токио, 1995).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано около 54 печатных работ основные 24 из которых опубликованы в конце автореферата.
Структура и объем диссертации