Введение к работе
- з -
, ,_-.
Актуальность работы. За последние годы некристаллические полупроводники, благодаря своим уникальным свойствам, стали базой многих устройств и приборов. Наиболее важным и перспективным среди них является аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H). Объем производства приборов на его основе, среди которых: электрофотографические слои, солнечные элементы, матрицы тонкопленочных транзисторов, значительно превышает производство других материалов этого класса. Однако, для разработки новых устройств на основе a-Si:H и других неупорядоченных полупроводников: атомных сверхрешеток, многослойных гетероструктур, необходимо решение ряда проблем технологий, среди которых наиболее важными являются:
аномально высокая чувствительность структуры, и как следствие свойств материала, к технологическим условиям. Это, с одной стороны, приводит к слабой воспроизводимости характеристик получаемых слоев, а с другой стороны, делает невозможным определение собственных свойств a-Si:H;
метастабильность структуры и характеристик a-Si:H, которая ограничивает возможности эксплуатации приборов на его основе, вызывает серьезные проблемы при использовании таких методов как диффузия, высокотемпературный отжиг дефектов, определяет чувствительность материала к внешним воздействиям;
несовершенны алгоритмы оптимизации технологических режимов: нахождение оптимальной области в пространстве технологических параметров часто осуществляется путем простого перебора всех возможных вариантов режима, т.е. является следствием случайного эксперимента.
Эти проблемы связаны между собой и обусловлены тем, что до сих пор остаются не ясны закономерности формирования и последующей эволюции структуры a-Si:H. Это выражается в отсутствии способов описания взаимосвязи между структурой, физико-химическими свойствами материалов и условиями их роста. Прежде всего, это относится к различным структурным неоднородностям, которые присутствуют даже в пленках "приборного" качества, и оказывают решающее влияние на стабильность их характеристик. Следует отметить, что аналогичная ситуация характерна для многих некристаллических материалов.
Сложность положения усугубляется тем, что возможности существуют подходов к анализу свойств неупорядоченных полупроводников, основные пог жения которых опираются на представления о гомогенной, случайной структуре решающей роли ближнего и среднего порядков в формировании физическ свойств материалов, весьма ограничены, а ряд проблем фундаментального > рактера до сих пор не решен. Это требует построения новых моделей аморфні структуры. Одним из возможных направлений является использование идей те рии нелинейных процессов. Это связано с тем, что вещество, находящееся процессе формирования твердотельной структуры, имеет свойства характерні для неравновесных, самоорганизующихся систем. Такой подход открывает нові возможности в моделировании структуры аморфных материалов, процессов роста и управления ими.
Проблемы воспроизводимого получения материалов с однородной струкі рой важны и для технологий кристаллов. В частности, разнообразные структу ные неоднородности возникают во многих кристаллических материалах. Оі влияют на структурно-чувствительные свойства, кинетику фазовых и структурні превращений, диффузионные процессы и часто ухудшают практически важні характеристики материалов.
Таким образом, указанные проблемы, обладают большой общностью обусловливают необходимость развития представлений о закономерностях фс мирования структуры некристаллических полупроводников, и особенно структу ных неоднородностей. Конечным итогом должна стать разработка технолога позволяющих эффективно управлять ростом материалов с заданной структуре а также профаммировать синтез новых материалов с уникальными свойствами
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование закон мерностей формирования структуры и термодинамических свойств некристалг ческих полупроводников и разработка принципов построения технологическ систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданными свойсте ми.
Поставленная цель вызывала необходимость решения следующих задач:
исследовать: структуру, термодинамические, электрофизические, оптические свойства пленок a-Si:H и их зависимость от технологических факторов, термообработок, примесей;
рассмотреть процесс роста пленок a-Si:H с термодинамических позиций и определить закономерности формирования структуры неупорядоченных материалов;
разработать: методологический подход к изучению структурных особенностей некристаллических полупроводников, способы определения инвариантных характеристик динамики формирования их структуры и идентификации в ней порядка;
выявить причины неудовлетворительной воспроизводимости структуры и свойств некристаллических полупроводников, разработать инвариантные относительно различных технологий критерии воспроизводимости и определить способы ее улучшения;
определить принципы моделирования структуры некристаллических материалов и эффективного управления процессами ее формирования.
Научная новизна.
Совокупность результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, может быть представлена как новое перспективное направление: порядок в структуре неупорядоченных и кристаллических полупроводников с точки зрения теории сложных нелинейных систем
Научная новизна состоит в следующем:
- исследованы термодинамические характеристики a-Si:H и влияние на них
технологических параметров, примесей кислорода и азота, термообработок, об
работок потоком ионов;
- впервые, методом дифференциального термического анализа (ДТА), об
наружена низкотемпературная (до 400С) экзотермическая релаксация в аморф
ном кремнии (а-Зі),получаемом распылением;
- обнаружены структурные особенности в a-Si:H в виде правильных спира
лей, окружностей с характерными размерами до 100 мкм;
- технологии получения твердотельных материалов рассмотрены с позиці
теории самоорганизации и системного анализа на примере процесса роста a-Si в тлеющем разряде. Предложена модель роста a-Si:H в тлеющем разряде, рамках которой показано, что в процессе синтеза возможно возникновение ра личных, в том числе и периодических режимов;
экспериментально доказано, что структура поверхности a-Si:H и некоторі других материалов представляет собой "замороженный" динамический хаос;
теоретически доказано, что системы, у которых пространственная стр> тура может быть описана как "замороженный" динамический хаос, были сформ рованы на стадии пространственно-временного хаоса;
установлена взаимосвязь между характеристикам структуры материалов инвариантными параметрами динамики ее формирования;
впервые предложена модель роста, которая для одного вещества одн временно описывает структуры с различной степенью упорядочения: кристал аморфное состояние, различные структурные особенности аморфной матрицы.
с позиций нелинейной динамики исследована природа невоспроизвод мости структуры материалов. Разработаны динамические критерии воспроизв димости и предложены способы их экспериментального определения;
на примере a-Si:H и a-Si доказано, что при условии равенства среди эффективных энергий, энтропия аморфного состояния меньше энтропии кр статического Si. На основании этого результата рассмотрены особенности эв люции структуры неупорядоченных материалов;
разработана методология построения систем для воспроизводимого ві ращивания материалов с заданной структурой, основанная на принципе соотве ствия управляющих параметров внутренним свойствам вещества.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
- выявлено влияние технологических факторов: температуры подлож*
мощности разряда, давления в камере, отжига, добавления примесей N2 и N;
на стабильность свойств a-Si:H. С этих позиций определены оптимальные те
нологические режимы, которые используются при получении элементов памяі
спектрально-чувствительных датчиков света на основе a-Si:H;
разработаны, изготовлены и испытаны однократнопрограммируемые элементы памяти на основе a-Si:H (А.с.№ 1664085).
разработаны способы идентификации порядка в структуре поверхности аморфных и кристаллических материалов;
разработаны способы определения динамики роста материалов in situ и по характеристикам сформированной структуры;
разработаны инвариантные критерии воспроизводимости, позволяющие оценивать влияние на воспроизводимость различных факторов и определять способы ее улучшения. Предложены способы экспериментального определения степени воспроизводимости;
разработаны принципы построения технологических систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданными свойствами, основанные на соответствии управляющих параметров технологического процесса динамике процессов формирования структуры.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Релаксационные процессы в a-Si:H, проявляющиеся в экзотермических пиках в спектре ДТА, неравновесными эффектами на кривых температурной зависимости темновой и фотопроводимости, определяются структурно-химической неоднородностью материала.
-
Релаксационные процессы в a-Si:H до 200С обусловлены взаимодействием молекулярного водорода со слабыми Si-Si связями.
-
Структурные неоднородности в a-Si:H, аномальная зависимость термодинамических и электрофизических характеристик, в том числе и параметров ВАХ слоев a-Si:H в сильных электрических полях, от технологических факторов, примесей, неудовлетворительная воспроизводимость характеристик материала обусловлены неустойчивым характером процессов роста, определяемым хаотической динамикой.
-
Структура поверхности a-Si:H и некоторых других материалов представляет собой "замороженный" динамический хаос.
-
Тип и инварианты динамики процессов роста некоторых материалов могут быть определены по структуре их поверхности или объема.
-
Системы, для которых пространственное распределение может быт описано как "замороженный" динамический хаос, были сформированы на стгди пространственно-временного хаоса.
-
Энтропия аморфного кремния меньше энтропии кристаллического г»р условии равенства средних эффективных энергий.
-
Принципы построения технологических систем для воспроизводимог выращивания материалов с заданными свойствами, основанные на соответстви управляющих воздействий внутренним динамическим процессам формировани структуры.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международны конференциях: по аморфным и жидким полупроводникам (Эйшвипл, США, 1989 международного исследовательского общества материалов (Сан-Франциске США, 1996,1997,1998), по аморфным полупроводникам (Гармиш-Партенкирхеь ФРГ, 1991), по теории и технологии материалов на основе кремния (Сан-Диегс США, 1998), "Некристаллические полупроводники-90" (Ужгород, 1989), по злеї тротехническим материалам и компонентам (Алушта, 1995), "Критерии самоо? ганизации в физических, химических и биологических системах" (Суздалі 1995), "Математика, компьютер, образование" (Дубна, 1996, 1997), "Тонкие пле* ки в электронике" (Харьков, 1997), на Всесоюзном научно-техническом совещани "Пути совершенствования технологии полупроводниковых и диэлектрических м< териалов" (Одесса, 1988), IV и V Всесоюзных конференциях "Термодинамика материаловедение полупроводников (Москва, 1989, 1997), III Всесоюзной конф< ренции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Иване Франковск, 1990), конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводник» вых приборов и интегральных схем" (Махачкала, 1990), 111 Всесоюзной конф< ренции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых прі боров" (Кишинев, 1991), Всероссийской научно-технической конференци "Электроника и информатика-95" (Москва, 1995), научно-практичесхой конфереї ции "Человек, экология, здоровье" (Рязань, 1997), 1-ой Всесоюзной конференци "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэле
троники" ( Ленинград, 1989), на школе передового опыта ВДНХ СССР "Применение халькогенидных стеклообразных полупроводников в электрофотографии* (Москва, 1988), на научных семинарах: Института общей и неорганической химии им.Курнакова Н.С. РАН "Средний порядок, кластеры, самоорганизация" (Москва, 1989), РГРТА (1997), МЭИ (1997), МИЗТ (1997), Института прикладной математики им. Л.М.Келдыша РАН (1997).
Публикации.
По материалам, изложенным в диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе: 28 статей в международных и российских академических журналах и сборниках, 29 докладов и тезисов докладов опубликованных, в трудах международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, 1 свидетельство на изобретение.
Объем и структура диссертации.
