Введение к работе
Актуальность темы. Перспектива использования высокоэнергетичной ионной имплантации (ВИИ) в будущих промышленных технологиях определяется ее способностью введения легирующей примеси на большую глубину. В принципе это позволяет решить задачу создания трехмерных полупроводниковых структур, а также получить предельную плотность элементов электронной схемы в объеме полупроводникового кристалла.
В уже проведенных работах в данном направлении исследовались, главным образом, традиционный кремний и арсенид галлия и, в основном, методами, которые не дают достаточной информации о характеристиках имплантированных слоев и не всегда позволяют контролировать отдельные типы дефектов и примесей. Это существенно сдерживает использование основного преимущества ВИИ — формирование заглубленных легированных слоев, и, соответственно, разработку новых технологических приемов, принципиально недостижимых при имплантации ионами с энергиями килоэлектронвольтового диапазона.
Алмаз, являясь модельным полупроводниковым кристаллом, позволяет распространять полученные сведения и на другие полупроводники, например, типа А4 и А3В5. Исследование эффектов ВИИ на примере алмаза весьма перспективно и в практическом плане, так как он обладает уникальными физическими параметрами — высокой теплопроводностью, прочностью, химической стойкостью и др. Это обусловливает возможность его использования для создания эффективных приборов нового типа с уникальными свойствами.
Кремний в настоящее время все еще остается наиболее используемым в микроэлектронике и самым изученным полупроводником и, кроме того, имеет аналогичную алмазу структуру кристаллической решетки. Это позволяет при сопоставлении свойств ионно-облученных областей кремния и алмаза получить дополнительную информацию для определения механизмов образования структурных нарушений.
Целью работы являлось установление закономерностей формирования и особенностей дефектной структуры алмаза и кремния при высокоэнергетичном ионном облучении. В данной работе в качестве основного метода исследований радиационных структурных нарушений использован метод электронного
парамагнитного резонанса.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Белорусского государственного университета по теме "Исследование физических свойств квазиодномерных дефектных структур, созданных в полупроводниках высокоэнергетичнои ионной имплантацией" по программе Минобразования Беларуси "Низкоразмерные системы", а также в рамках темы "Разработка физических принципов создания низкоразмерных элементов оптоэлектроники на основе алмаза", финансирумой Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— впервые методом ЭПР исследованы процессы
дефектообразования в алмазе и кремнии, облученных
высокоэнергетичными ионами Ni и Хе, и получен ряд новых
результатов в области радиационной физики полупроводников,
развития методов радиоспектроскопических исследований и
концепции низкоразмерных элементов и структур;
впервые на основании изучения парамагнитных свойств алмаза, облученного высокоэнергетичными ионами Ni, показано, что в процессе облучения формируются одномерные модифицированные трекоподобные структуры, резонансное поглощение в которых обусловлено солитонами;
развит метод ЭПР для исследования спектральных характеристик и пространственного распределения парамагнитных центров (ПЦ) по глубине ионно-облученного слоя алмаза и кремния с целью установления закономерностей формирования и особенностей дефектной структуры, формируемой при облучении ионами высоких энергий;
впервые с помощью компьютерной обработки спектров ЭПР получены данные по изменению функции формы сигнала при послойном удалении облученной ионами Ni области алмаза, а также спектры, характеризующие каждый удаленный слой ионно-облученной области;
развита модель трека в алмазе, облученном ионами высоких энергий, как одномерного низкоразмерного элемента в матрице твердого тела;
установлено, что средний проективный пробег высокоэнергетичных ионов Ni в алмазе, так же как и ионов Ni и Хе в кремнии, совпадает с теоретически рассчитанным по программе TRIM-90. Среднеквадратичное отклонение величин пробегов,
определенное на основании полученного экспериментально распределения по глубине радиационных дефектов, в несколько раз превышает рассчитанное значение;
предложен метод определения профиля концентрации "подвижных" ПЦ, обусловленных квазичастицами — солитонами, основанный на изучении профиля ширины линии. Разработка такого методического подхода обусловлена необходимостью обязательного учета формы линии в случае определения концентрации ПЦ путем сравнения с концентрацией эталона;
показано, что в кремнии при высокоэнергетичном ионном облучении образование точечных дефектов происходит за счет упругих соударений тормозящихся ионов и атомов мишени. Электронное торможение, обусловливая сильную ионизацию кристаллической решетки, стимулирует дефектообразование за счет упругих соударений, таким образом, способствуя образованию протяженных дефектных областей, и оказывает влияние на механизмы релаксации первичной дефектной структуры, образующейся в процессе облучения;
исследована кинетика накопления ПЦ в процессе имплантации в кремний ионов № с энергией 6 МэВ. Показано, что при температуре облучения 400 К существует протяженный дозовый интервал (ниже дозы аморфизации слоя), в пределах которого общее количество парамагнитных радиационных дефектов не меняется. Данные результаты интерпретируются в рамках модели аннигиляции междоузельных комплексов и дивакансий в пределах этого интервала;
на примере исследований алмаза, синтезированного из изотопа углерода 13С, показана высокая информативность метода ЭПР. Установлено, что в алмазе параметры линии ЭПР сильно локализованных точечных дефектов (Р1-центр) могут изменяться на три порядка величины в зависимости от изотопного состава решетки, что в кремнии, например, не наблюдается. Предложен механизм уширения линий ПЦ Р1 как результат сверхтонкого взаимодействия с ядрами С13.
Практическая значимость диссертапионной работы заключается в том, что полученные в работе результаты о закономерностях формирования дефектной структуры алмаза и кремния при ВИИ могут найти применение в твердотельной полупроводниковой электронике при разработке новых технологий создания заглубленных легированных структур, элементов трехмерной электроники и изменении физических свойств твердых
тел контролируемым образом, а также в развитии неразрушающего метода контроля параметров оптоэлектронных приборов на алмазе, созданных методами ионной имплантации. Положения, выносимые на защиту:
установленные закономерности формирования радиационных дефектов в ионно-облученном слое алмаза и кремния с превалирующим электронным торможением ионов и легированном слое с доминирующим ядерным торможением, а также установленные парамагнитные свойства дефектной структуры, включая формирование солитонов в алмазе и трансформацию характеристик спектральных линий в кремнии по глубине облученного слоя, при высокоэнергетичном ионном облучении;
модель трека в облученном высокоэнергетичными ионами алмазе как одномерного низкоразмерного элемента в матрице твердого тела.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции по проблемам применения алмаза в электронике (Москва, 1992г.), VII Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов IBMM (Хайдельберг, 1992г.), XVII Международной конференции "Nuclear Tracks in Solids" (Дубна, 1994г.), научно-практической конференции "Метрология-94" (Минск, 1994г.), X Международной конференции по технологии ионной имплантации (Катания, 1994г.), Международной конференции "Nanomeeting-95" (Минск, 1995г.), Ежегодной конференции немецкого физического общества (Берлин, 1995г., Регензбург, 1996г.), IX Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов IBMM (Канберра, 1995г.), III Международном симпозиуме "Высокоэнергетичные ионы в твердых телах" SHIM (Каен, 1995г.), Международной конференции по ионно-лучевым технологиям ВТ-95 (Дубна, 1995г.), межгосударственной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1995г.), III Международном симпозиуме по алмазным пленкам ISDF-3 (Санкт-Петербург, 1996г.).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 10 опубликованных научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, основных выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 157 страниц, в том числе 58 иллюстраций и 2 таблицы. Список использованных источников включает в себя 168 наименований.
