Введение к работе
Актуальность проблемы, основная цель н задачи исследования.
Широкое использование ионной имплантации и других типов облучения в современной полупроводниковой технологии, как способов для модификации характеристик кристалла, обуславливает необходимость всестороннего изучения проявления такого воздействия в полупроводниках.
Процесс внедрения ускоренных частиц в кристаллическую мишень сопровождается появлением радиационных дефектов, концентрация которнх на порядки величины превышает количество бомбардирующих частиц, а их природа зависит от условий облучения (например, для ионов - от массы иона, дозы, энергии, температуры облучения и т.п.).
Спектр радиационных нарушений исключительно широк: от простейших пар Френкеля, т. е. вакансий и мехдоузельных атомов матрицы, до полностью аморфизованных областей. Естественно возникает вопрос: нельзя ли найти достаточно универсалышй подход к анализу .поведения радиационных нарушений, чтобы спланировало и эффективно управлять свойствами облучаемых кристаллов на стадии взаимодействия с внешним пучком? Основная трудность, возникающая при поиске практического ответа на поставленный вопрос, связана с тем, что универсальный метод, применяемый при изучении эволюции систем в условиях равновесия, не может быть автоматически перенесен на наш случай, так как основные принципы, заключенные в классическом представлении (выбор в пользу структуры с наивысшей энтропией; эволюция по пути, определенном минимизацией потенциала свободной энергии Гиббса или Гельмгольца), не соответствуют тем, на которых должно строиться описание процессов в открытых, сильнонеравновесных системах, где проявляются существенно нелинейные свойства и сильны флуктуации. Именно такая ситуация и реализуется, когда мы имеем дело с неравновесными (в частности, радиационными) дефектами в полупроводниках, возникающими в результате действия внешних потоков энвргиии и вещества.
В случае активного обмена объекта с окружением процессы релаксации могут принимать существенно иной по сравнению с равновесными системами характер. Могут возникать временные, пространственные, а также . пространственно - временные структуры,
стохастическое поведение (типа турбулентности) и т.п. Указанные особенности, как правило, связаны с потерей устойчивости состояний, которая инициируется флуктуациями и изменениями внутренних параметров и внешних полей. Такие примеры хорошо известны в химии , биологии, кибернетике, физике и даже в социологии и лингвистике. Причем, особенности поведения этих систем гораздо богаче, чем в равновесии, т. к. шире набор критических точек, ответственных за проявление того или иного типа неустойчивости и значит шире возможности для технолога, который может использовать результаты теории.
Как правило, характер перехода в то или иное новое состояние в таких системах обладает многими особенностями, присущими равновесным фазовым переходам первого, либо второго рода. Физической же причиной реализации неравновесных фазовых переходов является возможность коллективного поведения взаимодействующих частиц, составляющих неравновесный объект исследования. Это создает предпосылки для организации в системе обратных связей, что в совокупности с флуктуациями и приводит к потере стабильности и переходу в новое, уже устойчивое состояние.
Существует целый ряд существенных причин, которые обсуждаются в первой Главе данной диссертационной работы, ставящих явления в системе дефектов полупроводника в неравновесных условиях в один ряд с другим-і объектами, находящимися далеко от термодинамического равновесия. "Коллективными частицами" в этом случае являются точечные дефекты - вакансии, междоузельные (собственные и примесные) атомы, комплексы дефектов и т.п.. Они интенсивно взаимодействуют между собой, и характер их взаимодействия "упраьляется" внешним источником, нвпример, пучком ионизирующего облучения, а также состоянием свободной поверхности и другими внутренними параметрами, какими, как температура, наличие (и тип) исходной примеси и ее концентрация, плотность дислокаций в кристалле и т.д..
Эти обстоятельства позволяют предположить, что научная идеология и методы, используемые для анализа явлений в других неравновесных системах (биологических, химических, физических), окажутся эффективными и в деле исследования процессов в радиационной физике полупроводников и задачах, связанных с изучением поведения неравновесных дефектов. .-,'
Наиболее интересной в этом смысле является проблема амортизации полупроводников при ионной имплантации, так как, с одной стороны, аморфизация является "апофеозом" эволюции радиационных дефектов полупроводника при бомбардировке заряженными ионами, а с другой стороны этот феномен тесно смыкается с такими явлениями, как ионно-стимулированннй синтез, ионно-индуцированная рекристаллизация аморфизованных слоев полупроводника. Значение исследований этих процессов очевидно как с фундаментальной, так и с практической точки зрения современной технологии микроэлектроники.
До начала исследований, основные результаты которых излокены в представленной диссертации, приемлемого подхода, способного описать, проанализировать и спрогнозировать большинство из известных особенностей эволюции радиационных дефектов в полупроводниках типа кремния, включая явление ионно-индущфованной амортизации, с позиции единой
научной идеологии, не было.
Все перечисленное и послужило основанием для проведения исследований, основной целью которых являлось теоретическое и в ряде случаев экспериментальное исследование процессов эволюции дефектов структуры полупроводников типа кремния в неравновесных условиях, с выявлением особенностей, обусловленных нелинейным взаимодействием этих дефектов, а также построение последовательной теории вморфизации влмазоподобных полупроводников при облучении в сочетания с апробацией ряда базистых предпосылок теории экспериментальными методами.
для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) Обоснование методологии и научной идеологии описания эволюции дефектов полупроводников типа кремния в неравновесных условиях с синергетических позиций. Z) Предложение конкретных схем взаимодействия дефектов, протекающих в реальных условиях и ответственных за формирование тех или иных конечных примесно-дефектных распределений в облучаемых полупроводниках, а также при других способах создания неравновесных условий.
3) Проведение экспериментальных исследований In situ, процессов
амортизации кремния для тяжелых и легких бомбардиру гадах частиц и
выявление общих закономерностей, необходимых для построения физико
-математической модели вморфизации.
4) Построение структурной ("механической") модели вморфизации полу
проводников с участием точечных радиационных дефектов.
-
Создание теории и математической модели описания кинетических фазових переходов, происходящих в процессе ионной амортизации -- кристаллизации алмазоподобных полупроводников.
-
Теоретическое рассмотрение ряда критических явлений формирования сложных структур в системе "дефекты + примесь полупроводника", обусловленных иными, нежели облучение, способами создания неравновесных условий.
Научная новизна. В данной работе впервые проведено последовательное теоретическое исследование неравновесных процессов в примесно-дефектной подсистеме полупроводников при различных режимов возбуждения с позиций теорий устойчивости и кинетических фазових переходов. Осуществление такого подхода позволило решить комплекс проблем, связанных с образованием временных и пространственно-временных структур дефектов и примеси в полупроводниках типа кремния, которые на были решены в рамках существующих традиционных подходов. . Проведены экспериментальные исследования In situ процессов амортизации кремния для широкого спектра ионов, энергий внедрения и плотностей ионного тока. Обнаружены эффекты, в частности эффект скорости набора дозы для тяжелых ионов (Аг+, Хе+), позволяющие сделать выводы о природе ионно-индударованной аморфизации алмазоподобных полупроводников. Впервые предлагается и анализируется теория и физико-математическая модель аморфизации-кристаллизации полупроводников при ионной имплантации. Данная модель качественно' и количественно описывает наиболее полный набор особенностей, присущих явлению аморфизации. В том числе она включает в себя такие предельные проявления механизма, как преимущестивенно гомогенное или преимущественно гетерогенное образование нового (аморфного) состояния.
Основная практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
1). Создан теоретический фундамент оптимизации, прогнозирования и "конструирования" примесно-дєфектішх распределений,включая немонотонные, периодические структуры, путем анализа и варьирования комбинаций контролируемых внешних уровней возбуждения и внутренних параметров системы, т.е. осуществлен вклад в развитие инженерш дефектов в полупроводниковой технологии. В случае кремния все предлагаемые схемы взаимодействия дефектов и примеси, а также полученные критерии реализаций различных, состояний могут быть
оценены количественно.
2. Разработанная модель ионно-индуцированной аморфизации-крис-таллизации может служить основой анализа и расчета этого технологически важного для микроэлектроники процесса. Модель позволяет предсказывать и описывать поведение системы радиационных нарушений при облучении полупроводников типа Si как легкими, так и тяжелыми ионами.
На защиту выносится следующее:
1. Обоснование и теоретическое развитие проблемы неустойчивых
динамических состояний в системе точечных дефектов при неравновесных
условиях.Научная идеология, базирующаяся на. теории критических
явлений в применении к описанию поведения радиационных дефектов
полупроводника при облучении и других способах создания
неравновесности.
2. Результаты кинетического подхода с позиций теории
устойчивости ц неравновесных фазовых переходов к конкретным схемам
взаимодействия и структурным перестройкам в примесно-дефектной
подсистеме полупроводника при облучении.
3. Модель "осциллятора" точечных дефектов при аннигиляции
дефектов на примесных центрах, позволяющая последовательно объяснить
эксперкментальнше результаты, не нашедшие понимания в рамках
традиционных подходов, а также дающие возможность прогнозировать и
управлять эволюцией примесно - дефектных распределений путем
определения критических внешних и внутренних параметров системы.
Результаты применения модели "осциллятора" дефектов к проблеме формирования неоднородных распределений дефектов . и примеси при образовании свирль - дефектов в кремнии и германии.
Модель, описывающая' особенности поведения водорода в легированном кремнии при термической диффузии.
-
Результаты экспериментальных исследований "in altu" процессов амортизации кремния для широкого набора ионов различных масс, позволяющие выявить основные закономерности кинетических фазовых переходов, протекающих при аморфизации полупроводников.
-
Модель атомного механизма амортизации-кристаллизации элементарных полупроводников с участием собственных и примесных точечных дефектов.
G. Теория и физико-математическая модель кинетических фазовых переходов при ионно-индуцированной аморфизацин-криоталлизащш голу-
проводников типа SI и результаты ее анализа.
Структура работы. Диссертация содержит 235 страниц машинописного текста, 35 рисунков, I таблицу, список литературы из 212 наименований и состоит из Введения, пяти Глав, Заключения и двух Приложений.
Аппробация работы. Результаты работы докладывались на 13 всероссийских и международных конференциях, симпозиумах и семинарах. На 7 из них (Ташкент, 1984; Суздаль, 1985; Новосибирск, 1986; Черноголовка, 1988; Albany (США), 1988; Plymouth (США), 1988; Yokohama (Япония), 1989) результаты излагались в форме приглашенного доклада. Основные итоги работы излагаются в двух лэкциошшых спецкурсах МИЭТ для аспирантов по специальности . 01.04.10. Аналогичные курсы прочитаны (два семестра) в Нью-йоркском Университете в Олбени, США. Опубликована одна монография. Неоднакратно делались доклады на научных семинарах институтов: МИЭТ, ФИАН, ИПТМ, ИФП, СО РАН, ИФТТ, НИИМЭ.
Похожие диссертации на Явления неустойчивости и неравновесные фазовые переходы в системе дефектов полупроводников
