Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к проблеме взаимодействия пучков заряженных частиц и ионизирующих излучений с твердыми телами связан с обнаружением ряда новых эффектов при их взаимодействиях с ориентированными и неориентированными кристаллами. К наиболее известным относятся эффекты каналирования ионов и излучения релятивистских каналированных лептонов, а в последнее время - эффект каналирования рентгеновских квантов в микрокапиллярах. Эти достижения, в частности, легли в основу создания капиллярной тех=-нологии для рентгеновской и нейтронной оптики скользящего отражения. В то же время интенсивно развиваются и традиционные направления, связанные с использованием ионных пучков для имплантации, определением профиля радиационных нарушений, возникающих при ионном легировании, диагностикой местоположения примесных атомов в кристаллической решетке и т.д.
Среди известных методов внедрения примесных атомов внутрь твердого тела ионное легирование (ионная имплантация) является одним из наиболее универсальных. Он имеет ряд важных преимуществ перед другими: процесс внедрения происходит при достаточно низких температурах, что существенно при последующем отжиге образца; позволяет вводить в образцы дозированное количество любой примеси, гарантируя чистоту процесса легирования; изменяя угол падения пучка, можно регулировать глубину залегания внедренных атомов и т.д. Это позволяет создавать сложные и в то же время компактные электронные устройства и полупроводниковые структуры, получение которых другими способами практически невозможно. В последнее время ионная имплантация нашла новые перспективные направления. Так, например, с ее помощью можно изменять магнитные свойства и синтезировать новые сверхпроводящие материалы, управлять работой выхода, адгезией и трением, и т.д.
Концентрация и местоположение примесных атомов в кристаллической решетке оказывают существенное влияние на электрические, оптические и механические свойства полупроводников. Взаимодействуя с атомами мишени, внедряемые в кристаллическую решетку ионы создают дефекты, что позволяет целенаправленно изменять характеристики полупроводниковых структур. Поэтому принципиально важно знать местоположение и профиль распределения дефектов. Этим обусловлено интенсивное развитие лучевых методов определения местоположения дефектов и внедренных атомов.
Наиболее эффективным при определении положения атомов примесей в кристаллической решетке является метод, основанный на особенностях направленного движения заряженных частиц вдоль плотноупакованных атомных рядов и плоскостей - метод каналирования. Он позволяет получить количественные сведения о местоположении атомов при концентрациях вплоть до сотых долей атомного процента, тогда как рентгеноструктурный анализ, методы внутреннего трения, электронного парамагнитного резонанса, нейтронографии эффективны лишь при достаточно большой дозе облучения, и при этом они (за исключением нейтронографии) дают, как правило, косвенные сведения.
РОС. национальная! %
ЬИ.-ПЬПЕКА С.іістерб>рг ЖОбРК
Необходимую информацию о местоположении и концентрации внедренных атомов можно получить, зная выход ядерных реакций и пространственное распределение потока каналированных частиц в кристаллической решетке. Аналитически рассчитать пространственное распределение потока практически невозможно, поэтому разработка численных методов его вычисления является задачей первостепенной важности.
В экспериментальном плане эти же задачи можно решать, используя метод обратного рассеяния. Подавление обратного рассеяния на атомах, находящихся в узлах решетки (почти на два порядка) позволяет отделить друг от друга рассеяние на несмещенных и смещенных из-за радиационных нарушений атомах. Эксперименты по обратному рассеянию дают возможность выявить, являются ли примесные атомы замещающими, или же они занимают междоузелыше положения, а также достаточно точно определить местоположение как внедренных атомов, так и атомов матрицы, смещенных в междоузельные положения под действием излучения. Выход обратного рассеяния из-за деканалирования, вызванного рассеянием на смещенных атомах решетки, перекрывается с выходом, вызванным обратным рассеянием на несмещенных атомах. Следовательно, рассеяние частиц обусловлено не только смещенными атомами или примесями, внедренными в междоузлия, но также рассеянием на электронах и, в особенности, на ионах решетки, отклоненных из положения равновесия вследствие тепловых колебаний. Это приводит к различным вкладам в деканалирование первичного пучка.
В связи с этим оптимальный выбор условий проведения экспериментов и технологических режимов с использованием пучков ускоренных ионов невозможен без детальных сведений об основных характеристиках их взаимодействия с кристаллами. В частности, для успешного применения метода обратного рассеяния легких ионов необходимы точные данные по пространственному распределению потока, деканалированию частиц вследствие многократного рассеяния на электронах и тепловых колебаниях и кратного - на смещенных и внедренных атомах. Эти процессы приводят к сильной зависимости выхода различных реакций от глубины проникновения частиц в кристалл, при этом очень важную роль в соответствующих ориентационных эффектах играет глубина, на которой частица выходит из канала - длина деканалирования.
В целом решение соответствующих задач актуально для ионной имплантации, физики каналирования и излучения при каналировании, а также для создания радиационно-стойких полупроводниковых структур.
Целью работы является дальнейшее развитие теории каналирования и метода обратного рассеяния легких ионов для повышения точности получаемой информации о радиационных нарушениях в кристаллах; установление особенностей эффектов каналирования и излучения релятивистских частиц в толстых кристаллах различного химического состава; исследование влияния радиации на полупроводниковые материалы и структуры с целью повышения их радиационной стойкости.
В соответствии с указанной целью в диссертации ставились следующие основные задачи:
-
Разработать численный метод исследования динамики заряженных частиц в режиме каналирования, основанный на непрерывной модели потенциалов атомных цепочек и плоскостей.
-
Численно исследовать деканалирование на совершенном и радиаци-онно-поврежденном кристалле, и на этой основе усовершенствовать методику обработки экспериментальных спектров обратного рассеяния.
-
Развить физическую модель и разработать алгоритм расчета эволюции энергетического распределения пучка релятивистских частиц при плоскостном каналировании в толстых кристаллах, учитывающие особенности непрерывных потенциалов и излучения релятивистских электронов и позитронов при каналировании в одно - и многокомпонентных кристаллах.
-
Установить взаимосвязь изменения электрофизических параметров структур металл - диэлектрик - полупроводник с зарядовым состоянием физических областей исследуемых структур и определить пути совершенствования и оптимизации конструкции биполярных полупроводниковых структур с целью повышения их радиационной стойкости.
-
Выявить особенности механических и электрофизических свойств облученных пленочных материалов и эффективность использования ионной имплантации для управления электрофизическими свойствами тонкопленочных гетерокомпозиций.
Научная новизна. Построена физическая модель и разработан оригинальный компьютерный метод исследования прохождения заряженных частиц через кристаллы в условиях каналирования, вошедший в литературу под названием метода «укрупненных столкновений». Он основан на учете корреляций столкновений частицы с атомами в узлах кристаллической решетки. Суть его состоит в вычислении траектории частицы в суммарном непрерывном потенциале атомных цепочек и плоскостей с учетом многократного рассеяния на электронах и тепловых колебаниях ядер без использования приближения статистического равновесия, существенно ограничивающего возможности аналитической теории.
Предложены эффективные методы моделирования динамики релятивистских электронов и позитронов, позволяющие проследить эволюцию пучка в ориентированных толстых кристаллах и выяснить особенности излучения при каналировании в кристаллах различного химического состава.
Разработана модель деканалирования ионов в совершенных и радиационно поврежденных кристаллах, учитывающая многократное рассеяние на электронах, тепловых колебаниях, а также однократное рассеяние частиц на большие углы дефектами, занимающими в кристаллической решетке определенные положения.
Установлены новые физико-химические возможности управления свойствами тонких пленок полупроводников (в частности кремния) и границ раздела гетерокомпозиций на его основе.
Практическая значимость. Разработанный метод исследования прохождения заряженных частиц через кристаллы в режиме каналирования обеспечивает возможность определения пространственного распределения потока частиц на небольших глубинах проникновения и функции деканалирования ионов на примесях и дефектах в зависимости от их местоположения в решетке и глубины залегания. Использование полученных в работе параметров распределения потока и функции деканалирования дает возможность значительно сократить объем экспериментальных исследований при разработке субмикронной технологии производства приборов микроэлектроники. Разработанная модель деканалирования может быть использована для повышения эффективности и точности метода обратного рассеяния. Это дает возможность целенаправленно изменять свойства тонких слоев в необходимом направлении, а также прогнозировать возможные изменения свойств кристаллов и сплавов, находящихся под воздействием ионизирующего излучения.
Установленные теоретические и экспериментальные закономерности изменения свойств тонких полупроводниковых пленок кремния, соединений InP, GaAs и параметров гетерокомпозиций на их основе открывают дополнительные пути их применения при разработке новых и оптимизации существующих технологических процессов при создании изделий микроэлектроники, а также устройств преобразования энергии с улучшенными характеристиками.
Конкретные результаты исследования нашли следующие применения:
-
Разработана ионно-плазменная технология вскрытия контактных площадок при минимальном (<0.1 мкм) отклонении линейных размеров в межслойном диэлектрике толщиной до 0.4 мкм при создании структур с использованием оксида кремния и аморфного кремния. Результаты внедрены в СКБ «Элькор» (г. Нальчик).
-
Разработан технологический маршрут изготовления биполярных транзисторных п-р-п - структур с самосовмещенными активными элементами при использовании слоя микро - и поликристаллического кремния в качестве резистора и ионно-стимулированного размерного травления, что обеспечивает повышенную селективность травления и минимальное отклонение (<0.1мкм). Результаты внедрены в СКБ «Элькор».
Полученные экспериментальные и теоретические результаты используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам специальностей: 010400 - физика; 200100 -микроэлектроника и твердотельная электроника; 014100 - микроэлектроника и полупроводниковые приборы и направлений 510400 - физика; 550700 -электроника и микроэлектроника; 552800 - информатика и вычислительная техника в Кабардино-Балкарском государственном университете.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теория эффекта каналирования на малых глубинах, позволяющая определить глубину установления статистического равновесия и функцшо распределения частиц в зависимости от их энергии, угла влета, начальной угловой расходимости пучка, глубины проникновения и т.д.
-
Модель деканалирования ионов в радиационно поврежденных кристаллах, учитывающая малоугловое многократное и однократное рассеяние на примесных и смещенных атомах.
-
Оригинальный метод обработки спектров обратного рассеяния протонов и альфа-частиц, позволяющий получить более корректную информацию о распределении примесей на основе экспериментальных данных по обратному рассеянию легких ионов.
-
Модификация метода «укрупненных столкновений» для исследования динамики и излучения релятивистских частиц в толстых ориентированных кристаллах, и на этой основе - анализ особенностей излучения электронов и позитронов при плоскостном каналировании в ионных кристаллах. В частности, установлено, что спектры излучения релятивистских электронов в каналах, образованных плоскостями с разным знаком заряда ионов, могут иметь два или один более широкий максимум.
-
Результаты экспериментального исследования диэлектрических пленок с пониженной чувствительностью к воздействию радиации; новые технологические маршруты получения биполярных полупроводниковых структур, обладающих повышенной радиационной стойкостью.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных итоговых конференциях по физике межфазных явлений, физике поверхности и проблемам микроэлектроники (г. Нальчик, 1976-2001 гг.); 6-9 Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с монокристаллами (г. Москва, 1975-1978 гг.); 16 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (г. Махачкала, 1976 г.); 1-4 Всесоюзных конференциях по излучению релятивистских частиц в кристаллах (п. Терскол, 1981-1990 гг.); 5-й Всесоюзной школе по взаимодействию ядерных излучений с веществом (г. Звенигород, 1989 г.); Объединенных научно-технических конференциях СКБ ПО «Элькор» и КБГУ (г. Нальчик, 1991-2001 гг.); 5,6 Межотраслевых семинарах «Проблемы создания полупроводниковых приборов» (г. Москва, 1991, 1994 гг.); Всесоюзной конференции «Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твердыми телами» (г. Нальчик, 1995 г.); 5-9 Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, 1996-2000 гг.); 1-й Всероссийской научно-технической конференции «Крем-ний-96» (г. Москва, 1996 г.); Международном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (г. Москва, 1998-2001 гг.); 8-12 Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (г. Москва, 1998-2002 гг.); Международной конферен-
ции по рентгеновской и нейтронной капиллярной оптике (г. Звенигород, 2001г.); 14 Международном симпозиуме «Тонкие пленки электроники и опто-электроники» (г. Харьков, 2002 г,); а также на научных семинарах Кабардино-Балкарского госуниверситета, Российского научного центра «Курчатовский институт» (г. Москва), НИИЯФ МГУ (г. Москва), Института физики Ростовского госуниверситета (г. Ростов-на-Дону), НИИПФП им. А.Н.Севченко Белорусского госуниверситета (г. Минск).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 52 научные работы, из которых 37, приведенных в автореферате, отражают основные результаты диссертации.
Личный вклад автора. Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающей полученные лично им результаты, а также в соавторстве с сотрудниками Российского научного центра «Курчатовский институт», КБГУ и СКБ «Элькор». В цитируемых автором работах ему принадлежит выбор основных направлений и методов решения задач, трактовка и обобщение полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, шесть глав, заключение, выводы и список цитированной литературы из 280 наименований, включая 291 страницу машинописного текста, 77 рисунков и 14 таблиц.
Похожие диссертации на Особенности взаимодействий заряженных частиц и ионизирующих излучений с ориентированными кристаллами и полупроводниковыми структурами
