Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Полупроводниковые, диэлектрические и металлические пленки широко используются в технологии производства микроминиатюрных полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС).
Пленочные материалы должны удовлетворять довольно жестким требованиям. Так, толщина пленки должна Сыть однородна в каждом приборе и на всех подложках, обрабатываемых во время одного технологического шила. Структура и состав пленки должны быть полностью контролируемы и воспроизводимы, а методы осаждения и легирования пленок должны обеспечивать возможность автоматизации и быть достаточно дешевыми.
Надежность и стабильность работы пленочных структур во времени в значительной мере определяются реальной структурой материала, свойства которого для пленок часто оказываются ухудшенными по сравнению с массивными материалами. Основной причиной ухудшения, как правило, является сильная нераЕНовесйЪсть состояния, появляющаяся в процессе роста и обусловленная различными дефектами структуры (границами зерен, вакансиями, дислокациями, комплексами дефектов и др.)
Следует 'подчеркнуть особую роль субструктурного состояния (размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) и микронапряжений. є). Субструктура является ключом к пониманию многих структурно-чувствительных свойств твердых тел, в том числе и в тонкопленочном исполнении. Такое представление тесно связано с тем, что эти свойства непосредственно определяются ггриродой и характером межатомного взаимодействия. Если говорить э модифицировании свойств пленок, то в последние годы значитель-
-J-
ный прогресс, достигнут, например, в технологии производства приборов электронной техники благодаря применению метода ионной имплантации. Ионная имплантация обладает широкими возможностями при легировании материалов, а также при создании их различных композиций с новыми, подчас ранее неизвестными свойствами -электрическими, магнитными и др.
Поскольку ионная имплантация сопровождается образованием большого количества радиационных дефектов, то следует ожидать, что благодаря этому и, прежде всего, благодаря росту числа дислокаций с дозой облучения и их объединения в дислокационные стенки, будет видоизменяться субструктура имплантированного материала, а, следовательно, и его структурно-чувствительные свойства.
Отсутствие работ по влиянию ионного облучения насубструктуру поликристаллических пленок и связи "субструктуры со свойствами, необходимость разработки методов контролируемого изменения свойств и усовершенствования методов исследования, а также нестабильностью этих свойств во времени и непосредственно в процессе эксплуатации, обуславливают актуальность темы данной диссертационной работы как в научном, так и практическом плане.
ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ било проведение теоретических и экспериментальных исследований изменений субструктурного состояния и свойств (электрических, магнитных, механических) тонких поликристаллических пленок металлов Al,Fe,Nl,Co (с чисто металлическим типом связи) и поликремния ( с чисто ковалентним ТИПОМ связи) при облучении ионами Аг+, Р+, Ne+, N+ с энергией 40 кэВ и в широком интервале доз (Ю13-1017 см_г).
Выбор объектов исследований не случаен, поскольку было интересно выявить закономерности можду изменениями параметров суСструктурн (L іі є) при ионном облучении, с иг.моненичм типа хи-
мической связи. То, что в качества одного из объектов исследования выбран поликремний, обусловлено, с одной стороны, тем, что он является типичным представителем материалов с чисто ковалентним типом связи, а с другой - поликристаллические пленки кремния в последнее ,время приобретают все Солее важное значение в микроэлектрошшх и микромехвнических устройствах. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.
-
Впервые проведено систематическое исследоваїш. субструктурного состояния (L и є) поликристаллических пленок ряда металлов и кремния при ионной имплантации и его связи о электрическими, магнитными и мехашггескими свойствами.
-
Установлено, что изменение свойств (удельного сопротивления р, коэрцитивной силы Не, микротвердости Нв, коэффициента трения |і), размеров областей когерентного рассеяния L, и микронапряжений є в пленках Fe, N1, а также в прокатанных фо-льгах пермаллоя немонотонно зависит от дозы ионного облучения. Характерным является наличие взаимной коррелляции между р,Нс,Нв,ц. Такое поведение всех рассматриваемых свойств зависит от одной и той же величины, а именно - амплитуда рельефа упругих напряжений (АРУН), связанных со структурными неоднородностями. Определяющим фактором, ведущим к изменению структурных неоднородностей, является радиационное дефектообразование.
3. Обнаружено, что уже при сравнительно малых дозах облуче
ния (Ю1Э-1015см~г) наблюдаются существенные изменения
структурно-чувствительных свойств металлов. Проявление этого эф
фекта связано с тем, что в пленках металлов коїщентрация
структурных несовершенств (границ зерен и блоков мозаики, дисло
каций, дефектов упаковки и др.) очень велика по сравнению с мас
сивными обрчзцзми, где этот эффект "малых доз" отсутствует.
-
Обнаружен эффект дальнодействия в фольгах тарма&юя, который интерпретируется на основе модели, опирающейся на представление о влиянии возбуждаемых ионами упругих волн.
-
Установлено, что ионная имплантация пленок поликремния (без отжига) приводит к изменению уровня микродеформаций, не из-меняя среднего размера блоков мозаики, т.к. в отличие от метал-лов в пленках поликремния не происходит пластической деформации' при облученииі
-
Установлено, что изменение электрических свойств пленок поликремния при ионном облучении обусловлено изменением концентрации оборванных связей и вависит как от дефектообразувдей способности ионов, так и от их химической активности. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ.
1. Полученные в работе результаты дают возможность выделить
основные процессы, ответственные за изменение свойств и
субструктуры поликристаллических материалов при ионном облуче
нии: образование примесно-дефектных комплексов, релаксация
'упругих напряжений под влиянием сегрегации подвижных точечных дефектов. Контролируемое управление указанными процессами позволяет в широких пределах регулировать направление'и масштаб модификации свойств пленок и фольг, а также приповерхностных и объемных свойств массивных материалов.
2. Обнаруженный эффект дальнодействия для фольг
представляет не только научный интерес, но и имеет большое
практическое значение, так как, по-существу, лежит в основе ме
тода модификации эксплуатационных свойств инструментальных и
конструкционных материалов путем облучения иошшми пучками отно
сительно небольшой мощности.
3. Обсуждаемый в работе эффект малых доз при ионном облучо-
-//-
ний тонких металлических пленок и анализ результатов по изучении этого эффекта позволяют выбрать оптимальные режимы облучения для эффективного управления магнитными, электрическими и механическими свойствами.
4. Результаты по изменению субструктуры и электрических свойств пленок поликремния после ионной имплантации (без отжига) могут быть использованы при создании слоев с высогапл удельным сопротивлением. Такие слои могут найти применение, например, в качестве резисторов, работающих при комнатной и более низкой температуре.
На завету выносятся следующие основные положения:
1. При облучении поликристаллических пленок металлов (Fe,
Ni, Со, А1) ионами средних энергий в широком интервале доз
(1013-101Т см~г) субструктура пленок существенно. изменяется,
причемдозовая зависимость размеров ОКР. и микродеформаций носит
немонотонный характер. Изменения в пленках во время облучения
связаны, во-первых, с изменением химического состава в
результате поступления легирующей примеси и, во-вторых, с
образованием и накоплением дефектов структуры. Взаимодействие
мевду этими процессами и определяет конечное структурное и физи
ческое состояние пленок.
2. Немонотонный характер дозовых зависимостей свойств
(механических, электрических, - магнитных) пленок и фольг.
определяется неоднородностью потенциального рельефа поля упругих
напряжений на мевоскопическом (надатомном) уровне,
определяющего барьеры, связанные с упругими полями протяженных
дефектов -г дислокаций, границ блоков мозаики и границ зерен. Ве
личина амплитуды потенциального рельефа и ее изменение с дозой
определяется точечными радиационными дефектами и их взаимодейст-
виєм с протяженными дефектами.
3.Характер изменения субструкгурного состояния (L и є) тонких металлических пленок с дозой облучения качественно совпадает о таковым для массивных металлических образцов при изменении степени деформации. Такое совпадение указывает на одинаковую природу субструктурных превращений, связанных с образованием точечных и протяженных дефектов (петли дислокаций, дислокации, дислокационные стенки).
А. Ионная имплантация пленок поликремния приводит к изменению уровня микродеформаций (є), не изменяя среднего размера блоков мозаики (L). Изменение электрических свойств пленок поликремния обусловлено изменением концентрации оборванных связей и зависит как от дефектообразующей способности ионов, так и от их химической активности.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на XVI Всесоюзном совещании "Взаимодействие заряженных частиц с кристаллами" (Москва,1986), I Всесоюзной конференции "Прикладная рентгенография металлов" (Ленинград, 1986), VII Всесоюзной кон-ференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Москва, 1987), I Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов" (Черноголовка, 1987), Международной конференции "Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы" (Польша, 1988), I Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1988), XVII Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1988), II Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов" (Каунас,1989), XVIII Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва,1989), IV Всесоюзно» конференции "Сверхплас-
тичность металлов" (Уфа, 1989), Всесоюзном научно-техничпском семинаре "Низкотемпературные процессы в электронике" (Ижевск, 1990), IV Международной конференции "Взаимодействие излучения с твердыми телами" (Эльбрус, 1990).
Основные результаты диссертации опубликованы в 16 работах.
Работа проведена в рэмках тем "Дамба-РВО" и "Вар-РВО", выполненных по постановлению директивных органов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списке цитируемой литературы и двух приложений, содержащих программы расчета пробегов ионов и определения параметров электропроводности поликристаллического кремния. Работа изложена на 214 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков, 8 таблиц. Список литературы содержит 151 наименование.
