Введение к работе
Актуальностьтемы. Развитие современной науки и техники во все возрастающей степени определяется развитием электроники. Используемые во всех сферах народного хозяйства приборы, датчики, накопители и преобразователи информации, вычислительные системы, создаваемые в микроэлектронике на основе полупроводниковых материалов, обеспечивают предъявляемые современной экономикой требования по надежности, габаритам, энергетическим затратам.
Характерной чертой полупроводниковых материалов является их структурная чувствительность. Именно поэтому этапы развития твердотельной электроники соответствуют этапам развития исследований влияния структуры полупроводников на свойства приборов.
Дефекты кристаллической структуры полупроводниковых материалов возникают как в процессах роста и синтеза, так и в результате технологических воздействий. Повышение роли исследований структурных несовершенств полупроводниковых материалов обусловлено:
возрастанием требований к контролю структурного совершенства , предъявляемых разработкой приборов и устройств субмикронного масштаба;
интенсификацией воздействия и использованием новых технологий (ионное легирование, лазерный отжиг);
тенденцией использования неравновесных структур (резкие р-п переходы, сверхрешетки, гетеропереходы).
Теоретические представления при этом играют важну» роль в понимании причин возникновения дефектов, их характеристик, а также позволяют понять механизм их взаимодействия, приводящий к формированию композиционной и структурной неоднородностей полупроводниковых материалов. Без знания закономерностей этих процессов невозможно описание эволюции дефектной структуры и решения такого центрального вопроса, как целенаправленное и контролируемое использование фундаментальных пределов технологических воздействий.
Цель работы. Основные технологические процессы (рост, диффузия, имплантация, окисление, различные типы отжигов и т.д.) приводят к образованию не отдельных дефектов, а макроскопической системы, в которой они распределены неоднородно. При этом энергия полупроводникового материала включает в себя как существенную
часть, энергию системы дефектов. Отсюда вытекает необходимость п.-строения описания систем с неоднородным распределением дефектов, учитывающего их взаимодействие.
По мере дальнейшей миниатюризации полупроводниковых структур их свойства все в большей степени определяются несколькими атомными слоями, которые формируют внутренние и внешние границы. Осмысление экспериментальных результатов, возможность их целенаправленного использования приводит к необходимости расширения теоретических представлений об объемных дефектах кристаллов, которые "вынесенные" на поверхность, представляют элементы поверхности (атомные ступени, границы раздела поверхностных фаз), а их взаимодействие определяет протекание процессов ее перестройки.
Еще один аспект поверхности проявляется в том, что даже при изучении объемной дефектной структуры методами электронной микроскопии они расположены вблизи поверхности исследовательских образцов, что существенно влияет на особенности изображений, отражая наличие упругого взаимодействия этих дефектов с поверхностью. Эти особенности поведения дефектов и определили направление исследования "Исследование влияния упругого взаимодействия на формирование дефектных структур и примесных неоднородностей в полупроводниковых материалах", основными задачами которого являются:
-
Необходимость развития теории, описывающей энергию примесных растворов с учетом их неоднородного распределения.
-
Необходимость учета взаимодействия примесь-примесь и примесь-дислокация при описании формировения примесных неоднородностей на дислокациях.
-
Учет влияния внешней поверхности на упругие поля и элект-ронномикроскопический контраст наклонных дислокаций.
-
Учет влияния анизотропии кристалла на формирование примесных неоднородностей.
-
Необходимость развития теоретического описания упругих полей и упругого взаимодействия элементов структуры поверхности.
-
Учет влияния упругого взаимодействия эчементов структуры на процессы перестройки поверхности.
Научная новизна результатов работы. Построена термодинамическая теория неоднородных твердых растворов, обладающих концентрационным расширением. В рамках этой теории, впервые непротиворечивым образом, установлено влияние на энергию системы разных типов концентрационных неоднородностей, выявлено и рассчитано влияние упругих концентрационных полей на процесс диффузии, а также объяснен парадокс энергии неоднородных твердых растворов.
Развита новая модель упругой атмосферы примесных атомов вблизи дислокации, учитывающая основные физические характеристики реальной атмосферы: увеличение полного числа атомов и их перераспределение вблизи ядра дислокации, а также влияние термодинамических свойств примесного раствора. Показано, что формирование атмосферы может контролироваться методами дифракционной электронной микроскопии.
Впервые исследованы энергетические характеристики упругого взаимодействия дислокаций с примесными атомами в анизотропном кубическом кристалле. Установлено существование преимущественных ориентации дислокаций, обусловленных эффектом анизотропии взаимодействия дислокация-примесь, а также рассчитаны зоны существования ориентации <Ю0> и (112 У для краевых дислокаций с векторами Бюргерса 1/2 < П0> и І/З <Ш> в кремнии в широком диапазоне изменения температуры, концентрации примеси и размерного несоответствия атомов примеси и матрицы. .
На основании этих данных объяснено экспериментально наблюдаемое изменение огранки шестиугольной петли Франка при высокотемпературном отжиге легированного сурьмой кремния.
Впервые получены упругие поля межзеренной V100} границы вращения в анизотропных кристаллах с г.ц.к. решеткой с малым и большим угловым несоответствием. Установлено наличие ди-латационных полей таких границ. Тем самым предсказана возможность формирования примесных атмосфер на таких границах.
Впервые исследованы упругие поля, энергетические и силовые характеристики упругого взаимодействия точечных дефектов Ha<100> свободной поверхности анизотропного кубического кристалла. Показано, что упругая анизотропия приводит к существованию преимущественных ориентации взаимного расположения поверхностных дефектов, в для кристаллов с отношением анизотропии А 2 к инверсии знака взаимодействия.
Не основе учета анергии взаимодействия с точечными и линейными поверхностными дефектами построена модель структурного превращения 7x7 ^і ІхІ на ступенчатой поверхности кремния.
Установлены причини неустойчивости структуры ступеней поверхности полупроводников. Основным фактором неустойчивости структуры ступеней является электрическое дипольное взаимодействие ступеней. Упругое взаимодействие и энтропийный фактор стабилизируют эквидистантное расположение ступеней. Построена модель перестройки структуры между ступенями І їі 2 и 1^3 межплоскостных расстояний, которая объясняет наблюдаемые экспериментально особенности перестройки ступеней для поверхностей указанного типа.
С целью описания особенностей полей деформаций и напряжений дислокаций пересекающих свободную поверхность под произвольным углом развит новый подход к решении задачи. Впервые проведен анэлиз распределения упругих полей для различных типов дислокаций, на основании которого предсказаны особенности теоретических электронных микрофотографий дислокаций, обусловленные типом дислокаций, ориентацией вектора Бюргерсо и дислокационной линии, дифракционными условиями.
Научная_и_пактитеская_иенность_2аботы. Структурные изменения системы дефектов в кристаллах твердых растворов на основе кремния исследовались в диссертации, как правило, в условиях близких к технологическим, что в принципе, позволяет использовать полученные результаты и выводы при разработке и оптимизации режимов в технологических процессах получения полупроводниковых приборов.
В настоящее время представления о концентрационных напряжениях, возникающих при образовании примесных неоднородностей, широко используются для обработки экспериментальных данных и прогнозирования структурных перестроек при таких технологических воздействиях как термообработки, диффузии, имплантация. Развитая теория и решение на ее основе задач формирования примесных атмосфер создает основу непротиворечивого и последовательного количественного описания твердых растворов реальных кристаллов с учетом их термодинамических свойств.
Последовательный теоретический расчет электронных микрофотографий дислокаиий с учетом формирования примесных атмосфер и свободной поверхности стимулировал создание новых методик исследования реальных структур дефектов методами электронной микроскопии.
Построенные модели структурных превращений на ступенчатой поверхности (III) кремния на основе учета упругого взаимодействия элементов структуры дефектов создают возможность предсказания и управления формированием структуры с заданными параметрами, а также могут быть использованы для задач формирования других систем дефектов поверхности, взаимодействующих посредством упругих полей.
Изложенные в диссертации теория, модели, методы решения и полученные результаты могут использоваться в соответствующих разделах физики твердого тела и физических основах современной технологии полупроводников, посвященных формированию дефектных структур реального кристалла.
Разработанные комплекты программ с применением ЭВМ позволяют использовать результаты работы при оптимизации режимов отжига и внутреннего геттерирования в кремнии на некоторых предприятиях Минэлектронпрома.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа, помимо введения и главы, представляющей ее общую характеристику, содержит шесть глав, которые посвящены изложении результатов теоретического исследования по теме диссертации, а также два приложения и списка литературы, содержащего 163 наименований. Полный объем составляет 282 стр., а том числе 4 таблицы и 63 рисунка.
