Введение к работе
Актуальность проблемы
Современная микроэлектроника выдвигает высокие требования к чистоте используемых материалов и точности контроля над составом примесей и дефектов в кремнии. Этр обуславливает высокий интерес к научным основам управления примесно- дефектным составом приповерхностных областей кремния [1,2,3], атомарным процессам формирования комплексов дефектов [4,5,6] и механизмам взаимодействия дефектов и примесей [7,8]. Примесно- дефектный состав ключевым образом определяет свойства кремния и параметры полупроводниковых приборов на его основе, что привело к широкому применению радиационных технологий в современной микроэлектронике. Особый интерес вызывает исследование роли механических деформаций кристаллической решетки в процессах дефектообразования в кремнии [7,9,10]. Наличие дефекта в кристалле означает искажение кристаллической решетки, что определяет роль деформационного взаимодействия в качестве фундаментального взаимодействия, присущего всем дефектам. Несмотря на фундаментальный характер данной проблемы, к настоящему времени не сложилось полной картины, описывающей аспекты деформационного взаимодействия дефектов и позволяющей количественно описать вклад деформаций в процессы образования дефектов. В первую очередь это касается точечных дефектов и примесей в силу трудности теоретического описания и экспериментального обнаружения смещений атомов в непосредственной близости от дефекта. Особое значение в данной ситуации приобретает получение экспериментальных свидетельств влияния деформаций на образование точечных и протяженных дефектов в кремнии и развитие модельных представлений, позволяющих описать наблюдаемые явления.
Прямым доказательством взаимодействия дефектов с полем механических напряжений может являться обнаружение средних механических напряжений в кристалле, коррелированно с концентрацией дефектов и примесей. Появление механических напряжений при образовании дефектов служит основой для проведения исследования возможности управления величинами механических напряжений в гетероструктурах при введении дефектов. Поскольку процесс комплексообразования неразрывно связан с миграционной способностью подвижных точечных дефектов, то наличие неоднородного поля деформаций может приводить к необходимости учета дрейфа дефектов в поле механических напряжений, а также избирательности встраивания
точечных дефектов вблизи напряженных границ раздела за счет различия деформационной энергии дефектов междоузелыюй и вакансионной природы. Дрейфовая компонента может играть существенную роль в процессах захвата подвижных дефектов, и, следовательно, существенным образом влиять на кинетические коэффициенты квазихимических реакций дефектов и примесей. Существенность вклада локальных деформаций вокруг дефектов в сечение захвата определяет возможность зависимости сечений захвата дефектов от величины поля интегральных механических напряжений в структуре [4]. Во внешнем поле механических напряжений может происходить изменение локальных деформаций кристалла вокруг дефекта, а значит, изменится и величина деформационной энергии взаимодействия дефектов и, как следствие, сечение захвата. Таким образом, исследование аспектов деформационного взаимодействия дефектов и примесей является необходимой и важной составляющей для целостного понимания фундаментальных процессов дефектообразования в кремнии, что обуславливает актуальность рассматриваемой проблемы. Построение модельных представлений и получение экспериментальных свидетельств деформационного взаимодействия дефектов на примере практически важных структур на основе кремния имеет, тем самым фундаментальную и прикладную ценность для развития современных представлений о процессах комплексообразования дефектов и примесей.
Целью работы являлось исследование роли механических напряжений в процессах дефектообразования при радиационно- термических обработках гетероструктур на кремнии, для чего решались следующие задачи:
-
Исследование модификации механических напряжений в пленках кремния на сапфире при генерации точечных дефектов, вводимых ионной имплантацией.
-
Исследование взаимодействия подвижных радиационных дефектов в поле механических напряжений вблизи границы раздела Si-Si02.
-
Исследование механических напряжений при формировании преципитатов кислорода в процессе термических обработок кремния.
-
Развитие количественной модели описания деформационного взаимодействия дефектов и примесей в напряженных гетероструктурах на кремнии.
Научная новизна работы.
1. На основе измерений комбинационного рассеяния света в структурах
Si-Al203 обнаружено снижение механических напряжений при ионной
имплантации и последующих термообработках с 8.3-108Н/м2 до
2.5-108Н/м2.
2. Достигнуто термостабильное до 1000С снижение механических
напряжений в структурах Si-АЬОз при ионной имплантации Аг+,
обусловленное изменением дислокационных структур на границе раздела.
3. Установлено, что уменьшение сжимающих механических напряжений
при радиационно термических обработках структур кремний на сапфире,
определяется тем, что границей раздела Si-A^C^ избирательно
геттерируются подвижные дефекты вакансионного типа, эмитированные из
областей разупорядочения.
4. Определено, что относительное уменьшение концентрации
радиационных дефектов (дивакансия, вакансия -кислород) в кремнии
пропорционально величине растягивающих механических напряжений,
наблюдаемым вблизи границы раздела Si-Si02, с коэффициентом
пропорциональности 0.55-10'8 м2/Н.
-
Показано, что формирование кислородных преципитатов приводит к возникновению в кремнии средних механических напряжений до 0.6-108НУм2, определяемых локальной концентрацией преципитатов в области измерения.
-
Разработана модель, включающая представление о локальном тензоре, определяющем деформации вокруг взаимодействующих дефектов. На ее основе проведено количественное описание обнаруженных эффектов: появление средних механических напряжений, релаксация и компенсация механических напряжений в напряженных гетероструктурах, вклад деформаций в кинетические коэффициенты взаимодействия точечных дефектов, дрейф дефектов в поле механических напряжений.
-
Получено аналитическое решение задачи о распределении механических напряжений в гетероструктурах с неоднородным распределением дефектов на основе приближения "тонкой пластинки".
Практическая значимость работы
1.Развит метод комбинационного рассеяния света применительно к регистрации распределения механических напряжений по глубине в неоднородных структурах, содержащих дефекты.
2.На основе полученных результатов разработана методика снижения
механических напряжений в гетероструктурах, заключающаяся в их
компенсации радиационными дефектами.
3.Полученные данные по зависимости дефектообразования от
механических напряжений являются необходимыми при прогнозировании
изменений свойств гетероструктур при радиационио-термических
процессах.
Положения, выносимые на защиту.
1.Уменьшение механических напряжений в структурах S1-AI2O3 при радиационно термических обработках обусловлено селективным геттерированием вакансионных дефектов границей раздела.
2.Формирование кислородных преципитатов обуславливает появление в кремнии растягивающих механических напряжений, определяемых локальной концентрацией преципитатов. При увеличении размера кислородных преципитатов релаксационные процессы, связанные с генерацией междоузельных атомов кремния и образованием дислокационных структур, приводят к снижению средних механических напряжений.
З.При радиационных воздействиях растягивающие механические напряжения снижают эффективность образования вакансионных комплексов вблизи границы раздела SiC^-Si, что обусловлено увеличением вероятности аннигиляции пар Френкеля в области неустойчивости.
4. Представление о локальном тензоре напряжений вокруг дефектов позволяет описать дрейф дефектов в поле механических напряжений, рассчитать распределение механических напряжений в зависимости от распределения дефектов, оценить вклад деформационного взаимодействия дефектов в константы реакций между ними, объяснить зависимость эффективности введения дефектов от знака и величины механических напряжений.
Апробация работы
Основные результаты, полученные в работе, были представлены и обсуждены на Республиканских семинарах (Киев, 1988,1989), Всесоюзном совещании "Радиационная физика полупроводников" (Новосибирск, 1991), на международных конференциях: "Геттерирование и инженерия дефектов
в полупроводниковой технологии" (Франкфурт-Одер, 1991,1997); "Наука и технология управления дефектами в полупроводниках" (Иокогама, 1989); "Технология ионной имплантации" (Суррей, 1990); "Тенденции и новые приложения тонких пленок" (Страсбург, 1990); "Электронные материалы" (Страсбург, 1992); "Модификация материалов ионными пучками" (Гейдельберг, 1992); "Рамановская спектроскопия" (Вюрцбург, 1992); "Твердотельных приборов и материалов" (Токио, 1992), "Физика полупроводниковых приборов", (Нью Дели, 1993); на международных конференциях Общества материаловедения (Сан-Франциско, 1992,1993) в толі числе Европейского (Страсбург, 1993, 1995, 1997). Результаты работы апробировались на конкурсах научных работ Института физики полупроводников, конкурсе для молодых ученых Сибирского Отделения имени выдающихся ученых: премия по физике им. Л.В.Киренского за цикл работ "Исследование методом Рамановской спектроскопии роли механических напряжений в процессах дефектообразования и зародышеобразования в кремнии" (1995г.); других конкурсах: государственная стипендия для молодых ученых РФ (1994-1996гг.), грант РФФИ 96-01-05770 ведущим ученым в рамках государственной программы поддержки ведущих научных направлений РФ (1996г.).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, приложения, выводов, заключения и библиографического списка из 131 наименования. Содержит 192 страницы текста, 41 рисунок на 41 странице, 15 таблиц.
