Введение к работе
Актуальность темы. Субмикронный характер современной технологии интегральных микросхем требует подробного анализ» природы дефектов, возникающих при внешних воздействиях да. кристалл, таких, например, как ионная имплантация, термические отжиг, облучение и др- В частности, при использовании иогно-лучевой технологии требуется детальное исследование физических и химических процессов, происходящих в припозерхностных слоях твердых тел, т.к. сравнительно небольшое изменение количественного состава и химического состояния атомов, ионно-анедренных в кристалл, оказывает определяющее влияние на свойства полупроводникоа
Интенсивное развитие и применение в последние годы получили такие методы исследования приповерхностных слоев твердых тел, как Оже-электронная спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, вторичная ионная масс-спектроскопия, ионный микроанализ, обратное' рассеяние ионов и другие. В большинстве из перечисленных методов при количественном и качественном определении лримесного состава поверхностных слоев, также как и в ряде технологических операций при изготовлен..и полупроводниковых элементов и структур, проводится обработка поверхности исследуемых объектов, которая, как правило, осуществляется травлением поверхности ионами благородных газоа Процесс ионного травления поверхностных слоев сопровождается интенсивным дефектообразовакием, в том числе и с участием атомов благородных газов. При этом атомы благородных газов взаимодействуют с имеющимиг-ч в кристалле дефектами и примесями и могут образовывать с ними комплексы. В последнее время установлено, что такое взаимодействие может сильно влиять на физические, электрические, оптические и др. свойства полупроводниковых материалов и приборов. Показано, например, что имплантация аг на в кремний оказывает существенное влияние на профиль распределения и электрическую активацию легирующих гоимесных атомов (мышьяк, бор, фосфор), при этом создается возможность управления этими характеристиками в требуемом диапазоне. Полагают, что влияние имплантированного аргона не следует сводить к простому процессу аморфизации кремния, т.е. физика механизма, ответственного за данное явление
в настоящий момент не совсем ясна.
В последние годы квантовохимическими методами были проведены расчеты комплексов с атомами благородных газов, ионно-ьнедрелных в коаалентные кристаллы (кремний и алмаз) и сделано предположение о возможности образования химических связей между атомами благородных газов и атомами кристаллической матрицы с возникновением обобщенных электронных волновых функций. Однако для этих расчетов использовались полуампирические квантово-химические методы, которые далеки от универсальности и позволяют получить разумную точность в описании лиши отдельных езоііств, а исполькоьчшис: принципиально различных параметризаций существенно затрудняет сопоставление расчетов разных авторов и нередко приводит к их противоречивости. Поэтому при теоретическом рассмотрении данного вопроса следует применять достаточно корректные квантово-химические методы, в частности al) initio расчеты в расширенных базисах с включением оценки анергии корреляции.
Цель настоящей работы заключается в определении электронной и геометрической структуры комплексов, включающих атомы благородных газов в кремнии и алмазе с использованием иолуэмпирическиА и неэмпирических квантовохимичеекмх методов расчета.
Научная новизна результатов:
В диссертационной работе впервые:
- рассчитана алектрокная структура и определены параметры
молекулярных систем Х-Ве-О (Х=Не, Ne, Аг) и обоснована
примеї имость базисов STO-3G, 3-21G для квантово-химических
кластерных расчетов комплексов с благородными газами в
полупроводниковых кристаллах;
рассчитаны основные микроскопические характеристики дефектов с благородными газами в кремнии и алмазе (равновесная геометрия атомов, входящих в состав дефекта, положение энергетических уровней в запрещенной зоне и т.д.) с использованием неэмпирических и полуэмпирических квантово-химических методов. Показано, что при локализации атомов благородных газов в кристаллической решетке возможно перекрытие их электронных орбкталей с соответствующими орбшалями атомов матрицы, в частности кремния или углерода;
- показано, что с увеличением жесткости кристаллического
окружения, т.е. при переходе от кремния к алмазу, мли при увеличении атомной массы благородных газов в структуре определенных дефоктаз увеличивается степень перекрытия их волноиых функций С ВОЛНОВЫМИ функциями атомов кристаллической матрицы.
Практическая значимость работы. Разработано и апробирована- квантозо-химическая методика расчета электронной и геометрической структуры дефектов с атом ими благородных газов в полупроводниковых кристаллах. Рассчшины основные параметры дефектов, содержащих атомы благородных газов и предложены модели их стабильных конфигураций в кристаллах кремния и алмаза. Основные результаты работы включены в отчет по теме "Исследование влияния услошй облучения и отжига на сзойстпа кремния, арсенида гиллия и структур на их основе" (тема выполнилась в рамках НИР по Республиканской научно-технической программе я области фундаментальных исследований "Кристалл" и 1ОГ*3-108Э г.г., гооу дарственный регистрационный иог/ер 0186 0043 172) и теме "Исследование взаимодействия радиационных и термических дефектов в кремнии, арсеииде галлия и р-п-структурах" (тема выполнялась о рамісах НИР по Республиканской научно-технической программе в 1990-1994 г.г., государственный регистрационный номер 199 42 746 от г.).
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Методика и обоснование кваитово-химических методоз расчета электронной и геометрической структуры дефектов с благородными газами в ковалентаых кристаллах.
-
Модели комплексов, содержащих атомы благородных гаяов в кремнии и алмазе.
-
Механизм образования устойчивых комплексов п зависимое ги от химической индивидуальности примесных элементов и жесткости кристаллической матрицы.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XIII Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1988), на V Всесоюзной школе "Физико-химические основы електронного материаловедения" (Новосибирск, 1980), иа Всесоюзном семинаре "Моделирование на ЭВМ структурных дефектов в кристаллах" (Ленинград, 1988), на Всесоюзном координационном совещании по квантовой химии (Вильнюс, 19Г.9), на Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов" (Каунас, 1989), на Четырнадцатом Всесоюзном совещании по теории
полупроводникои (Донецк, 1989), на девятой Всесоюзной конференции "Взаимодействий атомных частиц с твердым телом" (МИФИ, 1Р8У), на Конференции по квантовой химии твердого тела (Рига, І9Р0)..
Публикация. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи и в тезисов докладов.
Все основные результаты исследований , изложенные а диссертации, получены лично автором под руководством к. ф.-м. наук, ст н. с. Мудрого А.В. и к х. п., ст. н. с. Зеленкопского В.М.. которые осуществляли планирование работы и принимали участие в обсуждении результатов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы четырех глае, основных выводов и списка цитируемой литературы.
Материал диссертации' изложен на 97 страницах машинописного текста к включает 20 рисунков, 20 таблиц и библиографи/о из 81 наименования.
