Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Практическое применение и физические проблемы метода водородного отщепления ("smart-cut") 13
1.1 Метод "smart-cut" 13
1.2 Физические основы ионного отщепления 17
1.3 Состояние проблеммы и задачи исследований 42
Выводы 46
ГЛАВА 2. Методика эксперимента 47
2.1 Подготовка образцов 47
2.2 Методы оптической спектроскопии отражения и пропускания 49
2.3 Исследование структуры поверхности с помощью оптического микроскопа 61
2.4 Методика анодного окисления и стравливания для послойного анализа 63
Выводы 64
ГЛАВА 3. Формирование поверхностной структуры и отслаивание в имплантационных слоях SI:H 66
3.1 Структурные нарушения в имплантированном слое 66
3.2 Интерференция и рассеяние при блистеринге 71
3.3 Оптическая модель слоистой структуры поверхности 76
3.4 Формирование слоистой структуры при имплантации и термообработке 87
3.5 Перестройка водородных состояний 93
3.6 Развитие микроструктуры имплантированного слоя 96
Выводы 108
Глава 4. Физические механизмы водородного блистеринга и отщепления 110
4.1. Представление процессов отслаивания с позиции теории разрушения 110
4.2 Форма и ориентация газовых включений в твердом теле. (феноменологический подход) 116
4.3 Термодинамическая трансформация водородных включений в кремнии 142
4.4 Физические модели процессов отслаивания при блистеринге и отщеплении 148
Выводы 155
Заключение 157
Литература
- Физические основы ионного отщепления
- Методы оптической спектроскопии отражения и пропускания
- Методика анодного окисления и стравливания для послойного анализа
- Оптическая модель слоистой структуры поверхности
Введение к работе
Структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) являются основой современной микроэлектроники. К настоящему времени разработано и применяется большое число методов для их изготовления. Среди основных методов и типов структур следует выделить: кремний-на-сапфире (КНС), BESOI, SIMOX и Smart-Cut, а также их различные модификации.
Новым и наиболее перспективным является метод ионного отщепления ("Smart-Cut"). На сегодняшний день это единственный метод, который позволяет получать высококачественные структуры, достигая минимальной толщины поверхностного слоя (до — 100 нм). Уменьшение, за счет дополнительной обработки, толщины рабочего слоя в конечных приборных структурах до (45 -65) нм открывает возможность для перехода к совершенно новому поколению одноэлектронных приборов, качественно отличающихся от объемных приборов по своим параметрам и принципу работы.
В первоначальном варианте метод "Smart-Cut" был предложен и реализован для изготовления структур Si на Si02. В дальнейшем оказалось, что этот метод может быть распространен на значительно более широкий класс материалов, и использоваться в различных областях: для нанесения тонких оптических покрытий, пленок сверхпроводников, в микромеханике и т.д.
Развитие метода "Smart-Cut 1 привело к необходимости решения физических задач и детального исследования процессов, лежащих в его основе. Существующие представления оказываются недостаточными, так как не позволяют в полной мере воздействовать на процесс отслаивания и раскрыть потенциальные возможности метода ионного отщепления.
Общий подход исходит из аналогии с хорошо известным эффектом радиационного блистеринга. Вместе с тем, процесс ионного отщепления отличается тем, что происходит при меньших дозах облучения и требует дополнительной термообработки. Особенности такого термически стимулированного блистеринга изучены недостаточно.
-5 Согласно существующим представлениям отслаивание определяется химической природой водорода, с которой связана перестройка водородных состояний, его миграция (диффузия) и накопление внутри микрополостей (микротрещин). Предполагается, что отщепление происходит в результате роста давления газа внутри микротрещин при достижении критического значения. При этом процесс отщепления обычно описывается как механическое разрушение в рамках теории Гриффитса, на основе которой даются некоторые количественные оценки.
Однако такой подход является слишком общим и не позволяет до конца понять особенности термического блистеринга. В частности, остается невыясненным один из наиболее важных вопросов, о конкретной роли химической природы водорода в отщеплении. Выделение имплантированного в кремний гелия происходит приблизительно в тех же режимах что и водорода, но не приводит ни к термически стимулированному блистерингу, ни к отщеплению.
Для объяснения этого факта первоначально высказывалось предположение, что зародышами микротрещин являются специфические водородные пластинчатые дефекты (ВПД или HIPs -Hydrogen Induced Platelets), которые образуются в кристаллической решетке кремния при водородном облучении. Аналогичные дефекты наблюдались и в других кристаллических полупроводниках, где также предшествовали отслаиванию. Но последующие исследования показали возможность отщепления и в некристаллических материалах, в которых подобные дефекты, даже если и существуют, то не играют значительной роли (например, в поликристаллических материалах). Есть и другие факты, не согласующиеся с первостепенной ролью ВПД в отщеплении. Поэтому, в настоящее время, основной причиной образования и докритического роста микротрещин считаются процессы коалесценции (Ostwald ripening) водородных газовых пузырьков. С этой точки зрения, возможность растворения мелких пузырьков непосредственно связана с химическими взаимодействиями водорода, определяющими образование и распад водородных включений. На основе термодинамики, исходя из соотношения между внутренним давлением и поверхностной энергией, можно понять, почему укрупняющиеся полости принимают вид микротрещин. Однако пока не дано четкого объяснения того, почему эти микротрещины ориентируются параллельно имплантированной поверхности. Кроме того, как оказалось, объяснение специфического поведения водорода в кремнии ограничивает предлагаемые модели конкретной системой (Si:H). Были обнаружены материалы, в которых отщепление может быть реализовано при имплантации гелия вместо водорода.
Ряд вопросов связан с применением механических критериев хрупкого разрушения. Во-первых, механика разрушения принципиально не затрагивает стадии зарождения и докритического роста трещин, то есть ограничивается лишь завершающей стадией разрушения. Однако, по разным данным, характер отслаивания (в частности, различия при имплантации водорода и гелия) проявляются на более ранних стадиях. Во-вторых, неровность поверхности после скола свидетельствует, что разрушение происходит по системе микротрещин, а не в результате развития отдельной трещины. В-третьих, исследования показывают, что процесс отщепления носит кинетический характер; это не согласуется с его представлением как неустойчивого роста трещины. В-четвертых, для роста микротрещины необходимо поддержание высокого внутреннего давления, то есть постоянный приток газа (водорода).
Накопление водорода внутри полостей представляет собой отдельный вопрос. Это особенно существенно при высоких плотностях, когда водород характеризуется сильно нелинейным уравнением состояния. Обычно приток водорода в полость трещины связывают с его высвобождением из водородных центров в решетке, диффузией и захватом в микрополостях. Накопление водорода в полостях экспериментально подтверждается при температурах до 450 °С. Но, при более высоких температурах, водород начинает выходить не только из внутренних полостей, но и вообще из образца через внешнюю поверхность. Однако эффективность отслаивания наоборот повышается (уменьшается энергия активации и время отщепления [1]).
Целью данной работы является исследование физических процессов отслаивания при термически стимулированном блистеринге и отщеплении, и определение возможных способов целенаправленного воздействия на эти процессы. Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
1) развитие и практическая реализация эффективных экспериментальных методик исследования тонких поверхностных (имплантационных) слоев и определения их параметров на основе оптических (спектрофотометрических) методов и послойного анализа, применяемого в сочетании с оптическими измерениями, для получения распределений параметров по глубине.
2) экспериментальное исследование закономерностей водородного радиационного и термически стимулированного блистеринга в кремнии, в частности, влияния режимов имплантации водорода и термообработки на (а) накопление поверхностных нарушений и водородных состояний в кремнии, (б) формирование макроскопической слоистой структуры поверхности, (в) параметры блистеров (высоту, диаметр и глубину залегания);
3) практическое осуществление переноса пленки кремния на опорную пластину для исследования экспериментальных структур КНИ на опытных образцах;
4) развитие феноменологического подхода для описания формы и ориентации плотных газовых включений в твердом теле, и его конкретное применение в условиях формирования водородных включений в кремнии;
5) разработка физической модели отслаивания в процессах термически стимулированного блистеринга и отщепления.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. Предложены оригинальные решения для анализа экспериментальных спектров отражения и пропускания: (а) разложение полос колебательного поглощения, с использованием сглаживающей сплайн аппроксимации для дифференцирования экспериментального спектра, выделения составляющих по второй производной спектра и оптимизации спектра совместно с его второй производной; 6) использование двухслойной модели для
-8-определения параметров поверхностной слоистой структуры путем анализа интерференционных спектров отражения и их оптимизации; (в) сочетание послойного стравливания с оптическими измерениями.
На основе расчета и анализа спектров интерференции модельных структур, обосновано применение двухслойной оптической модели для описания поверхностной слоистой структуры, формируемой при отщеплении (блистеринге), и предложен метод реконструкции трехмерного изображения поверхности при блистеринге (восстановления рельефа вдоль выделенного направления и объемной визуализации) по микрофотографиям, получаемым с помощью оптического микроскопа.
С использованием оптических (спектрофотометрических) методов получены следующие экспериментальные результаты.
(а) Установлено, что при имплантации водорода в кремний с дозами выше критической ( 2x1016 ІҐУсм2), граница скола образуется до появления микротрещин при термообработке и проявляется в виде характерной интерференционной картины в спектре отражения.
(б) Определены основные закономерности и выделены главные отличия термически стимулированного и радиационного блистеринга (положение границы скола по глубине, формирование двойной структуры нарушений в имплантированном слое, зависимость диаметра блистеров от глубины залегания).
(в) При высокотемпературной термообработке (от 600 до 1050 °С) образцов кремния, имплантированного водородом, обнаружено образование мелкопористых областей под крышками блистеров, залегающих ниже границы скола. Это эффект объясняется особенностями поведения водорода в кремнии.
На основе термодинамических соотношений определена зависимость устойчивой формы водородных (газовых) включений в кремнии от характера взаимодействия на границе раздела и влияние боковых напряжений в имплантированном слое (двухосной нагрузки) на ориентацию несферических включений. Получена величина критического значения параметра (отношения упругой и поверхностной энергии), при котором сферическая форма газовых включений становится неустойчивой. Поскольку этот параметр можно считать определяющим в процессах термического отслаивания, основная роль водорода состоит не только в накоплении в виде газа внутри микрополостей, но и, что более важно, в уменьшении поверхностной энергии за счет захвата на их внутренних поверхностях.
5. Предложена модель для описания термически стимулированного отслаивания (при блистеринге или отщеплении), в результате термодинамической трансформации газовых включений, которая отличается от модели механического разрушения межпузырьковых перегородок при радиационном блистеринге. Она не только определяет роль химической природы водорода в кремнии, но позволяет также обосновать возможность отщепления при имплантации гелия в других материалах.
Практическая значимость работы определяется тем, что:
1. Оптические методики, разработанные в данной работе, применимы для исследования различных поверхностных слоев и тонких пленок.
2. Образование границы скола непосредственно после облучения регистрируется в виде характерной интерференционной картины в спектре отражения. На этом может быть основана методика неразрушающего контроля имплантированных пластин, для оценки возможности отщепления при последующей термообработке (в том числе, при наличии поверхностного окисла).
3. Развитые модельные представления могут быть непосредственно использованы на практике для целенаправленной оптимизации метода ионного отщепления.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Необходимым условием отщепления является образование после имплантации границы скола, предшествующей отслаиванию при термообработке. Возникающая при этом интерференция в спектре отражения количественно и качественно отличается от случая неоднородно нарушенной поверхности, когда отщепление не происходит (например, при недостаточных дозах водорода или при имплантации Не в кремний). Проявление такой интерференции на образцах непосредственно после имплантации водорода означает, что отслаивание (формирование внутренней границы скола) начинается еще до термообработки. Монотонное и плавное увеличение интенсивности интерференции с ростом температуры отжига означает, что в процессе отщепления граница скола не претерпевает качественных изменений.
2. Оптическая модель слоистой структуры поверхности, согласно которой поверхностная структура, формируемая при отслаивании, представляется в виде поверхностного слоя, отделенного от подложки внутренним слоем (плоскопараллельной трещиной) с коэффициентом преломления п — 1. Расчеты интерференционной картины при блистеринге в рамках этой модели и результаты согласования с экспериментальными спектрами показывают, что определяемые эффективные параметры поверхностной структуры хорошо совпадают с фактическими: высотой и толщиной крышек блистеров. Экстраполяция модели к начальной стадии отслаивания (до появления блистеров) позволяет определить глубину залегания границы скола (толщину отщепляемого слоя). Возможность такой экстраполяции подтверждается экспериментально тем, что толщина переносимого слоя в процессе "Smart-Cut" практически точно совпадает с первоначальной глубиной залегания границы скола.
3. Принципиальное отличие между радиационным и термически стимулированным водородным блистерингом в кремнии, установленное на основе экспериментальных данных и состоящее в различной глубине залегания границы отслаивания в этих процессах. Это качественно небольшое отличие определяет различные механизмы отслаивания.
4. Применение феноменологического подхода для определения энергетически наиболее выгодной формы и ориентации газовых (жидкофазных) включений в сплошной упругой среде, в условиях действия двухосной нагрузки. В его основе лежат термодинамические соотношения, учитывающие: специфику поведения газа как упругого тела, уравнение состояния реального (плотного) газа, влияние химически активного газа на поверхностную энергию на границе раздела фаз, а также действие боковых напряжений в имплантированном слое. Общий подход может использоваться для различных газовых включений в твердом теле, в данной работе он применяется для анализа водородных включений в кремнии. 5. Физическая модель отслаивания при термически стимулированном блистеринге (отщеплении), определяющая различные механизмы отслаивания при радиационном и термическом блистеринге. Работа состоит из следующих частей.
Глава 1, представляет собой анализ литературных данных, на основе которого изложено современное состояние проблемы и определено место данной работы среди основных направлений исследований.
В Главе 2. описаны способы подготовки образцов для исследований и экспериментальные методики, используемые для решения поставленных задач.
Основу экспериментальных исследований в данной работе составляют измерения методами оптической спектрофотометрии спектров относительного отражения и пропускания в области от ближнего УФ (0.2 мкм) до края ИК (25 мкм) диапазона. Разработанные методики анализа спектров в различных диапазонах позволяют получать обширную информацию о нарушениях кристаллической структуры решетки, слоистой структуре поверхности и состояниях внедренного водорода.
Изменение морфологии поверхности в различных процессах обработки образцов исследовалось с помощью оптического микроскопа. Для количественной оценки микронеровности (шероховатости) поверхности использовалась также величина относительного рассеяния, наблюдаемого на краю коротковолнового диапазона в спектрах отражения.
Для изучения распределений исследуемых параметров по глубине использовалась методика анодного окисления в сочетании с химическим травлением для удаления поверхностного окисла.
В Главе 3, представлены результаты экспериментальных исследований и описаны основные наблюдаемые закономерности накопления нарушений при имплантации водорода в кремний и развития поверхностной структуры в различных режимах водородного облучения кремния и последующей термообработки.
Глава 4 посвящена теоретическому анализу процессов отслаивания при термически стимулированном блистеринге и отщеплении, и их сравнению с аналогичными процессами при радиационном блистеринге. Описан феноменологический подход для определения формы газовых включений в твердом теле и рассмотрено его применение для водородных включений в кремнии.
На основе полученных результатов предложена физическая модель термически стимулированного отслаивания в кремнии в результате термодинамической трансформации водородных включений. Эта модель позволяет объяснить роль химической природы водорода и особенности термического блистеринга по сравнению с радиационным. Предложенная модель объясняет возможность отслаивания в немонокристаллических материалах и, по крайней мере, качественно определяет условия, при которых для отщепления может использоваться имплантация не водорода, а гелия. В общем случае термодинамическая трансформация, приводящая к отщеплению, происходит в результате уменьшения поверхностной энергии на границе включение-матрица. Это уменьшение может быть связано не только с образованием поверхностных Si-Н связей, но и с перестройкой кристаллической структуры самой матрицы, имеющей полиморфные модификации.
В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в данной работе.
Физические основы ионного отщепления
На завершающей стадии производится тонкая полировка, необходимая для устранения остающихся после расщепления поверхностных неровностей, а также для доводки приборного слоя до требуемой толщины.
Важными достоинствами метода ионного отщепления, по сравнению с другими методами изготовления структур КНИ, являются: - высокое качество и уникальные параметры структур (приборного слоя, изолятора и границ раздела). Высокое качество приборного слоя обеспечивается небольшими дозами легких ионов и низкими температурами облучения. Изолирующий слой и его границы обладают качеством термического окисла. Получаемые толщины приборного слоя: от 100 нм вплоть до физического предела для объемного материала ( 10 - 20 нм); - контролируемая и однородная толщина поверхностного слоя, задаваемая энергией имплантации (типичное значение 200 - 400 нм); - относительно невысокая температура процессов на различных стадиях изготовления структур (уменьшается загрязнение и термическое воздействие на свойства исходного материала); - отсутствие жестких ограничений, связанных с совместимостью различных материалов переносимых пленок и подложек; - реальная возможность применения ионного отщепления для создания многослойных структур и трехмерных ИС с совмещением различных материалов; - снижение экономических затрат, за счет применения стандартного оборудования, экономии энергоресурсов и уменьшения отходов кремния.
Ионная имплантация является ключевой составляющей метода "Smart-Cut" и предназначена для предварительного создания внутренней границы скола, по которой происходит отщепление. Эта граница залегает приблизительно на глубине проникновения ионов водорода в имплантированной пластине ( Rp). Таким образом, толщина отделяемого слоя может регулироваться изменением энергии ионов водорода.
Теоретическая оценка профилей распределения внедренных атомов и нарушений при имплантации основана на классической теории торможения ускоренных частиц в твердом теле [11]. Водород является легким ионом, поэтому основная часть энергетических потерь приходится на неупругое (электронное) торможение и нагрев мишени. Только незначительная часть энергии ионов ( 2 - 4 %) расходуется на ядерные взаимодействия, приводящие к смещению атомов и созданию дефектов (нарушений) решетки. Профиль нарушений определяется величиной упругих потерь на единице длины пробега (кэВ/см). Распределение первичных дефектов по глубине выражается в единицах см"1. Для оценки полного числа первичных смещенных атомов (вакансий) обычно используется соотношение Кинчина-Пиза [12,11,13]: определяющее среднее число смещений (пар Френкеля) Nd, создаваемых одним падающим ионом с энергией Е. При имплантации водорода в кремний: Е„ Q.02E [14], Е - энергия, выделенная в упругих соударениях, Ed 20 эВ - энергия смещения атома кремния из узла решетки. При оценке фактического числа вакансий из ( 3) необходимо учитывать, что в процессах рекомбинации выживает не более нескольких процентов первичных дефектов ( 5%).
Для определения глубины проникновения и количественного описания профилей распределений внедренных атомов и нарушений используется два основных подхода: (1) решение уравнения переноса Больцмана (численное или методом моментов распределений) и (2) статистическое моделирование методом Монте-Карло (программа TRIM - TRansport of Ions in Matter, и другие). Важно подчеркнуть, что ни в одном, ни в другом случае не учитываются вторичные процессы аннигиляции и перераспределения первичных дефектов и внедренных атомов. Из сравнения параметров распределений, рассчитанных различными методами (Рис. 2, а) следует, что по глубине проникновения атомов (Rp) они неплохо согласуются между собой, но по положениям максимумов нарушений (Ro) могут отличаться до 20%. Следует также обратить внимание на то, что из-за значительной асимметрии профилей легких ионов (в частности, водорода) их средний проецированный пробег Rp заметно отличается от положения максимума распределения Rpm (то же относится и к средней глубине RD и максимуму
Методы оптической спектроскопии отражения и пропускания
Для исследований использовались исходные пластины кремния диаметром 100 мм и толщиной 350 мкм), электронного и дырочного типа с удельным сопротивлением от 10 до 40 Ом-см, ориентации (100) и (111). Для изучения роли поверхностного слоя SiCb на исходных пластинах наращивался термический окисел толщиной 1000 А. Для проведения последующих измерений пластины после имплантации разрезались на отдельный образцы размером (1 х2) см .
Имплантация
Имплантации водорода производилась на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-4/17 [105, 106]. Облучение проводилось ионами атомарного (Н4) и молекулярного (4) водорода с энергиями от 6.5 до 40 кэВ/атом при плотности тока от 1 до 25 мкА/см в дозовом диапазоне от 5 10 до 8 10 ион/см . Образцы крепились на охлаждаемые кассеты путем механического прижима. Давление остаточного газа в камере приемника при облучении не превышало Ю"5 - 10 Па. В зависимости от плотности ионного тока, энергии ионов, времени облучения и способа охлаждения происходил нагрев имплантируемых образцов за счет выделения мощности падающего ионного пучка на мишени. Температура образцов при различных условиях облучения составляла от 50 С (при минимальной плотности тока 1 мкА/см2) до 350 С.
Термообработка
Отжиг образцов производился на воздухе в термической печи, которая представляла собой кварцевую трубку (диаметром 60 мм и длиной 800 мм) с нихромовым нагревателем, помещенную в термоизолированный корпус. Образцы размещались в предварительно прогретой до требуемой температуры кварцевой лодочке, вводимой в рабочую зону печи. Нагрев осуществлялся преимущественно за счет радиационного теплообмена. Кварцевая лодочка предварительно прогревалась до требуемой температуры. Температура измерялась -откалиброванной хромель-аллюмел иевой термопарой. Кривые нагрева записывались на графопостроителе.
Термообработка производилась в температурном диапазоне от -250 С до 1150 С в течение 30 мин. Время нагрева образцов в зависимости от температуры отжига составляло от 2 до 6 мин. При температурах выше 600 С становилось заметным окисление поверхности. Толщина термического окисла определялась при оптических измерениях, а его нарастание учитывалось при анализе экспериментальных результатов. 2.1.3 Связывание и отщепление
Для практического осуществления переноса пленки методом водородного отщепления и получения экспериментальных структур КНИ в настоящей работе использовались специальные методы связывания пластин после имплантации. Связывание производилось на воздухе, непосредственно после жидкостной химической обработки и сушки пластин в центрифуге. В этих случаях операция сращивания выполнялась вручную. Кроме того, связывание выполняли в вакууме при остаточном давлении 10 Па в рабочей камере установки ВУП-5. Соединение в вакууме обеспечивает минимум плотности молекул газов и воды на стыкуемых поверхностях и в микрополостях, образующихся вследствие неплоскостности пластин. Наличие и размеры микрополостей оценивались визуально по характерному контрасту, возникающему на внешних поверхностях структуры, получающейся в результате стыковки. Полости четко обнаруживались также сканирующим рентгеновским дифрактометром.
Отщепление производилось путем быстрого нагрева ( 50 С/мин.) состыкованной структуры в диффузионной печи СДО. Такая скорость нагрева достигалась быстрым введением лодочки со структурами в горячую зону печи, имеющую температуру 450 С. На получившейся таким образом структуре измерялась шероховатость внешней поверхности приборного слоя, которая составляла — 3 нм. На краю ступеньки отщепленного слоя измерена толщина приборного слоя, которая составляла 0.3 мкм в соответствии с расчетом.
Основу экспериментальных исследований в данной работе составляли оптические методики измерения и анализа спектров пропускания и отражения (Рис. 6). Достоинством оптических методов является то, что они, являясь неразрушающими, обладают высокой чувствительностью и более доступны по сравнению с другими (ядерно-физическими) методами исследования поверхности. Применяемые в широком спектральном диапазоне (в данном случае, от 0.2 до 25 мкм) оптические методы весьма информативны, и позволяют получать следующие основные параметры и характеристики имплантированных слоев: структурные нарушения кристаллической решетки кремния; макроскопические параметры поверхностной слоистой структуры; неровность (микрошероховатость) облученной поверхности; состояния внедренного водорода. В сочетании с послойным стравливанием они дают профили перечисленных параметров по глубине. 2.2.1 Методики оптического отражения
Спектры относительного отражения в диапазоне (0.2 - 2.5) мкм измерялись в неполяризованном свете на стандартном спектрофотометре СФ-20 по двухлучевой схеме, с помощью специально разработанной и изготовленной приставки на отражение (Рис. 7, а).
Приставка была рассчитана так, чтобы угол падения света на образец составлял ф — 14. Это позволяет при количественном анализе спектров пренебрегать различием в отражении s- и р-поляризованных компонент и рассматривать отражение как в случае нормального падения (Рис. 7, б). Для измерения относительного отражения по 2-х лучевой схеме, вторая такая же приставка с опорным образцом помещалась в канал сравнения спектрофотометра.
Методика анодного окисления и стравливания для послойного анализа
Выбор и применение оптических методик, основанных на спектрофотометрических измерениях отражения и пропускания, дает возможность всестороннего исследования закономерностей отслаивания и определения основных параметров имплантированных водородом слоев кремния.
Основными достоинствами оптических методов являются: высокая чувствительность, доступность оборудования, возможность неразрушающего контроля. Главной проблемой является обычно косвенный характер измерений для определения физических параметров и, как следствие, неоднозначность интерпретации экспериментальных спектров. С этим связана необходимость привлечения результатов независимых экспериментов и выбора оптической модели, на основе которой производится решение обратной задачи (восстановления спектра по заданным параметрам оптической структуры и согласования расчетных и экспериментальных спектров).
Набор оптических методик: спектрофотометрические измерения в сочетании с исследованием морфологии поверхности с помощью оптического микроскопа и измерением распределений исследуемых параметров по глубине при послойном стравливании позволяет получить необходимые данные для решения задачи поставленной в данной работе. Определяемые параметры позволяют характеризовать процессы, начиная с малых доз облучения ( 1х1015 РҐУсм2): от введения структурных нарушений решетки после имплантации,
-65 появления и развития макроскопической слоистой структуры при отслаивании в результате термообработки, до формирования блистеров, увеличения неровности поверхности и рассеяния при блистеринге.
Для практической реализации и максимального использования потенциальных возможностей оптических методик были проведены следующие работы.
(1) Сконструирована и изготовлена приставка для измерения отражения к стандартному спектрофотометру СФ-20.
(2) Разработана методика исследования полос колебательного поглощения водорода в кремнии путем разложения сложных полос на отдельные составляющие, с использованием сглаживающей сплайн-аппроксимации и анализа второй производной спектра. Составлена оригинальная компьютерная программа для обработки экспериментальных спектров.
(3) Развиты методики анализа спектров отражения: - для определения нарушений решетки по интенсивности полос в ближнем УФ диапазоне в области межзонных переходов в кремнии. - для определения параметров поверхностной слоистой структуры по интерференционной картине (в видимой области спектра). Составлена компьютерная программа для расчета и оптимизации интерференционных спектров отражения в многослойных поверхностных структурах.
(4) На базе оптического микроскопа, видеокамеры и компьютера собрана установка для исследования морфологии поверхности, позволяющая наблюдать поверхностные объекты с минимальным размером до 0.3 мкм.
(5) Реализована методика послойного анализа для определения распределений исследуемых параметров по глубине.
Облучение образцов монокристаллического кремния ионами водорода приводит к образованию поверхностных структурных нарушений. Дозовая зависимость поверхностных нарушений в диапазоне 2x1015 - 5x1017 HVCM2 исследовалась на образцах кремния, имплантированных ионами водорода с энергиями 20 и 40 кэВ/атом при плотности ионного тока — 2 и 1 мкА/см2, соответственно. В этих режимах обеспечивался одинаковый нагрев образцов за счет мощности ионного пучка 40 мВт/см2 до температуры не более 50 - 100 С.
Степень нарушения кристаллической структуры определялась по интенсивности полосы Я37о 370 нм в области межзонных переходов в спектрах отражения. Другие полосы (Х.22о 220 нм и Х115 275 нм) из-за меньшей глубины проникновения света и рассеяния оказались менее чувствительными к радиационным нарушениям при имплантации водорода.
Изменения в спектрах отражения (Рис. 14, а) из-за радиационных нарушений проявляются начиная с дозы --2-101 Н+/см2, и в диапазоне (2-10 5 — 1-Ю17) HVCM2 описываются линейной зависимостью (AR/R)S70 (Рис. 14, б), ожидаемой до выхода на насыщение. Так как (AR/R) « (АЯ/Я)шорф, 10% при аморфизации, то имплантированный слой кремния сохраняет хотя и нарушенную, но кристаллическую структуру. Отклонение от линейной зависимости для водорода связано с началом радиационного блистеринга при дозе 2x1017 см"2, в отличие от ионов больших масс, когда отклонение наступает при достижении порога аморфизации [110].
Оптическая модель слоистой структуры поверхности
О формировании слоистой структуры на облученной поверхности свидетельствует образование интерференционной картины в спектрах отражения. Образование блистеров при термообработке или при высоких дозах облучения позволяет использовать его схематическое представление для описания слоистой структуры. Отсутствие качественных изменений интерференционной картины на различных стадиях термообработки от имплантации до появления и развития блистеров [124] позволяет экстраполировать эту модель к началу отслаивания, когда блистеры на поверхности еще не проявляются.
Макроскопическая модель блистера (Рис. 23, а) может быть схематически представлена в виде тонкого поверхностного слоя кремния, отделенного от подложки газонаполненной полостью (микротрещиной с показателем преломления N = 1). Исходя из соотношения размеров блистера (d w0) можно пренебречь кривизной поверхностного слоя. Обычно диаметр блистеров более чем на порядок превышают их высоту (w xd 10нмх2 мкм [71]).
Тогда для анализа интерференционной картины, наблюдаемой при блистеринге, может быть предложена простая модель двухслойной поверхностной структуры (Рис. 23, б). По микрофотографиям поверхности определяется полная площадь, занимаемая блистерами, с учетом которой дается оценка абсолютного значения w.
Искомыми параметрами в этой модели являются толщина поверхностного слоя / и эффективная толщина газовой прослойки (средняя высота блистеров) w, которые получаются путем согласования экспериментальных и расчетных интерференционных спектров. При небольшом разбросе блистеров по глубине залегания, эффективные параметры модельной структуры (t, w) достаточно хорошо совпадают с параметрами отдельных блистеров. Подтверждением адекватности модели является хорошее согласование экспериментальных и расчетных спектров при оптимизации.
Схематическое изображение блистера и (б) оптическая модель слоистой структуры, используемая для расчета интерференционных спектров отражения от поверхности кремния при блистеринге.
В качестве исходного приближения при согласовании для оценки величины t может использоваться условие интерференции в свободной пленке [111]: где и %2 - длины волн, отвечающие соседним интерференционным минимумам (максимумам) в спектре отражения; щ и п2 - показатели преломления пленки на соответствующих длинах волн. Однако, положения интерференционных полос при отражении от слоистой структуры заметно отличаются от случая свободной пленки. Поэтому, приближение свободной пленки является слишком грубым и приводит к значительному отклонению от фактической толщины поверхностного слоя [111, 124].
Основными приближениями предлагаемой модели, наиболее существенными с точки зрения ее практического применения, являются:
1) пренебрежение кривизной крышек блистеров.
2) вклад в интерференцию дает только часть поверхности, занимаемая блистерами. Это существенно влияет на амплитуду интерференционных полос, но не влияет на положения максимумов и минимумов и расстояние между ними, определяющие толщины слоев в исследуемой структуре. Соответствующие поправки могут быть введены с учетом площади, занимаемой блистерами.
3) погрешность может быть связана с разбросом блистеров по глубине -залегания. В случае значительного разброса происходит размывание интерференционных полос и становится невозможным согласование спектров при оптимизации.
4) в расчете принимается, что оптические параметры поверхностного слоя совпадают с оптическими параметрами чистого кремния, показатель преломления газовой прослойки 7V=1. Это оправдано при имплантации водорода, который не вносит существенных нарушений в решетке Si и является непоглощающим газом в исследуемой области спектра.
Таким образом, используемые приближения являются достаточно общими и вполне приемлемы для проводимых в данной работе оценок параметров блистеров. 3.3.2 Модельные расчеты
На Рис. 24 (а, б) приведены модельные расчетные спектры относительного отражения в структуре Si(0/ra3(w)/Si, а на Рис. 25 (а, б) - результаты их анализа.
Важно отметить, что увеличение толщины зазора (w) приводит к росту амплитуды интерференционной картины, в то время как с изменением толщины поверхностного слоя (0 происходит ее сжатие и смещение полос по X. При этом, в первом случае, практически не меняется положение полос, а во втором, остается постоянной их амплитуда.
При малых значениях w амплитуда интерференции увеличивается пропорционально толщине трещины (высоте блистера) (Рис. 25, б). Но при увеличении w свыше 10% толщины поверхностного слоя (f) наблюдается отклонение от линейной зависимости. Это сразу же проявляется на интерференционных спектрах (Рис. 24, б). Форма полос искажается: максимумы становятся более широкими, чем минимумы. При дальнейшем увеличении w возникают особенности, связанные с набегом фазы. Таким образом, по виду (симметрии) интерференционной картины можно определять в линейной или нелинейной области происходит ее развитие и оценивать степень деформации поверхностного слоя. Значения w превышающие 10% в Si (хрупком материале) маловероятны, так как крышки блистеров раньше разрушаются из-за изгиба.
