Введение к работе
Актуальность теми.Актуальной задачей полупроводниковой электроники является поиск новых материалов, пригодных для создания на их основе быстродействующих, мощных, высокотемпературных и радиа-ционно-стойких приборов. Алмаз, имеющий большое значение ширины запрещенной зоны (5.49 эВ), обладающий высокой теплопроводностью и устойчивостью к внешним воздействиям, как нельзя лучше подходит для этих целей.
Одна из главных задач, которые предстоит решить при производстве приборов на основе алмаза, касается разработки методов контролируемого примесного легирования этого материала. В столь плотной кристаллической решетке обеспечить введение примеси с поверхности на необходимую глубину может ионная имплантация и, в частности, высокознергетичная ионная имплантация. В связи с этим исследование свойств ионно-имплантированных слоев алмаза является актуальной задачей.
Особый интерес представляет собой исследование влияния термического отжига на имплантированный алмаз, поскольку отжиг является составной частью технологического процесса производства полупроводниковых приборов и необходим для восстановления нарушенной облучением кристаллической структуры, а также для перевода примеси в электрически активное состояние. Происходящая при отжиге алмаза трансформация радиационных дефектов сопровождается их диффузией. Изучение этого вопроса также представляется весьма актуль-ным.
Целью работы являлось установление методами катодолюминесцен-ции основных закономерностей формирования дефектно-примесной структуры алмаза в процессе имплантации высокознергетичных ионов малых и средних масс и последующей ее модификации в ходе термического и термобарического отжига.
Работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Белорусского государственного университета по теме "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро-и оптоэлектроники", а также по теме "Разработка физических основ высокоэнергетичной ионно-лучевой технологии для создания заглубленных и многослойных структур в полупроводниках" (Республиканская научно-техническая программа "Информатика"), гос. per. N19941333.
Научная новизна полученных в работе результатов заключается в
- г -
следующем:
впервые методом катодолюминесценции исследованы процессы дефек-тообразования в алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами В и Ni, и получен ряд новых результатов в области радиационной физики полупроводников, развита концепция низкоразмерных элементов и структур.
впервые установлена диффузионная природа появления радиационных дефектов в алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами, на глубинах, значительно превышающих средний проективный пробег ионов.
показано, что процессы, сопровождающие электронное и ядерное торможение высокоэнергетичных ионов бора в алмазе, различным образом влияют на формирование собственных и примесных дефектов.
впервые предложено объяснение причины появления в спектре катодолюминесценции облученного высокоэнергетичными ионами никеля алмаза центра с длиной волны бёсфононной линии 638 нм, обычно регистрируемого только в спектрах фотолюминесценции. Предполагается, что эта особенность обусловлена искривлением энергетических зон в алмазе под влиянием специфического дефектного окружения, создаваемого при облучении в слое доминирующего электронного торможения.
впервые с помощью методов теории кристаллического поля установлена атомная структура и схема оптических переходов на центре с длиной волны бёсфононной линии 484 нм в алмазе.
впервые исследована диффузия имплантированного никеля в алмазе при высоких температурах отжига. Проведена оценка коэффициента диффузии никеля для температур 1700 и 2200С, предложен механизм диффузии.
обоснована возможность применения математического аппарата теории многокомпонентной диффузии для описания параллельного смещения профиля имплантированных с высокой энергией атомов азота в алмазе при термическом отжиге.
.установлено, что средний проективный пробег в алмазе ионов никеля и ионов углерода с энергией порядка 6 МэВ/а.е.м. хорошо соответствует теоретически рассчитанному по программе TRIM-90, тогда как для ионов никеля и ионов бора с энергией порядка 1 МэВ/а.е.м. такое соответствие не наблюдается. Это объясняется тем, что движение в твердом теле иона, обладающего энергией, значительно превышающей величину 1 МэВ/а.е.м., хорошо поддается математическому описанию, поскольку нет необходимости учета процес-
- З -сов перезарядки иона, сложным образом влияющих на его тормозные потери.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные в работе результаты по исследованию закономерностей формирования дефектно-примесной структуры алмаза в процессе имплантации высокоэнергетичных ионов и последующей модификации этой структуры в ходе отжига могут найти применение при разработке методов контролируемого примесного легирования алмаза, включая процесс ускоренного легирования посредством диффузии по трекам. Они могут быть полезными также для развития технологии каталитического синтеза алмаза. Модернизированные методы плазменного травления могут быть использованы для оптимизации технологических приемов контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и оптоэлектроники.
Положения, выносимис па защиту:
Установленные закономерности формирования и катодолюминесцент-ные свойства дефектного слоя алмаза, созданного высокоэнергетич-ным . облучением ионами малых и средних масс, учитывающие диффузию примеси и радиационных дефектов.
Модель никелесодержащего люминесцентного центра в алмазе с длиной волны бесфононной линии 484 нм в виде одиночного замещающего атома никеля и схема оптических переходов на нем, соответствующая структуре спектра данного центра.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 2-й Межреспубликанской школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы спектроскопии , лазерной физики и физики плазмы" (Минск,1989г.), Конференции молодых ученых и представителей НТТМ "Актуальные вопросы прикладной физики" (Ташкент, 1989г.), X Международной конференции по технологии ионной имплантации (Катания,1994г.), Международной конференции по радиационным эффектам в изоляторах (Веймар,1991г.), II Европейской конференции по алмазу и алмазо-подобным покрытиям (Ницца, 1991г.), I Международном семинаре по алмазным пленкам (Улан-Удэ,1991г.), VII Международной конференции "Алмаз-92" (Хайдельберг, 1992г. ) , IX Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов (Канберра,1995г.), Международной конференции "Алмаз в электронике" (Москва,1992г.).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 11 опубликованных научных работах.
> 4 -Структура и объем работы. Диссертация состоит из' введения, общей характеристики работы, трех глав, основных выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 160 страниц, она включает 32 иллюстрации. Список использованных источников включает в себя 164 наименования.