Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования методов синтеза диэлектрических слоев при помощи ионной имплантации. Задача получения приповерхностных и, в особенности, захороненных изолирующих слоев является насущной проблемой микроэлектроники. В частности, поиск новых способов формирования структур "кремний на изоляторе" (КНИ-структур), или усовершенствования уже известных активно ведется как у нас в стране, так и за рубежом. Данная работа вносит свой вклад в исследование эффекта дальнодействия (ЭД) - одной из наиболее дискутируемых проблем ионной имплантации, а также предлагает качественную модель этого эффекта. Тем самым демонстрируется возможность использовать ЭД как способ модификации свойств материалов с улучшением диэлектрических характеристик встроенных в кристалл кремния слоев S13N4, SiOi-
Целью данной работы является исследование дальнодействующего влияния ионно-лучевой обработки на синтез диэлектрических слоев нитрида кремния в предварительно обогащенных азотом также ионно-лучевым методом кристаллов кремния. Данные, представленные в диссертации, относятся к синтезу скрытых и приповерхностных слоев нитрида кремния. Выбор нитрида кремния в таких экспериментах с двойным облучением обусловлен тем, что экспериментальное определение его свойств не вызывает больших проблем, в литературе подробно описаны способы ионно-лучевого синтеза Si3N4 и сформулированы трудности его получения - проблема кристаллизации при постим-плантационном отжиге, образование пузырьков азота в слое, проявление азотом донорных свойств. При успешном развитии исследований открывается перспектива практического использования результатов в технологии получения КНИ-структур. Такие систематические исследования с применением комплекса методов оптической спектроскопии, электрофизических методов, зондовой микроскопии были также направлены на дальнейшее прояснение природы ЭД и эффективности его применения для управляемого влияния на твердотельные реакции взаимодействия азота с кремнием. Планировались аналогичные эксперименты по синтезу фазы S1O2 в слоях кремния, предварительно насыщенных кислородом с помощью ионного облучения.
Научная новизна заключается в следующем. Впервые:
Получены данные по стимулированию реакции ионного синтеза скрытых и приповерхностных слоев аморфной фазы нитрида кремния с помощью эффекта дальнодействия при ионной имплантации.
Исследованы дозовые зависимости наблюдаемых изменений усиления оптического поглощения в ИК-области и удельного сопротивления синтезируемых слоев, связанные с формированием фазы S13N4.
Исследована дозовая зависимость процессов зарождения, роста, коапесцен-ции и микровзрывах блистеров аргона в кремнии с образованием кратеров диаметром порядка 1 мкм.
Полученные результаты улучшения диэлектрических качеств слоев Si
связываются с блистерованием нерабочей поверхности образцов кремния, облучаемой ионами аргона с дозами, превышающими 1017 см"2. Предложена оригинальная физическая модель спонтанного формирования ударно-акустической волны, вызывающей наблюдаемые изменения в синтезируемых изолирующих слоях на большом расстоянии от зоны торможения ионов аргона.
Практическая значимость
Имеется перспектива создания альтернативного метода получения и улучшения свойств ионно-синтезированных диэлектрических слоев Si3N4 и БіОг в кремнии. Этот метод может позволить избежать основной трудности при синтезе диэлектрических слоев - длительного высокотемпературного постимплан-тационного отжига, который приводит к кристаллизации получаемого диэлектрика.
Метод с применением двойной ионной имплантации может использоваться для создания структур типа "кремний на изоляторе".
Имеются предпосылки для распространения метода для формирования других диэлектрических фаз в полупроводниковых кристаллах.
Основные положения, выносимые на защиту
Методами ИК-спектроскопии и электрофизических измерений установлено, что дальнодействующее ионное облучение аргоном Аг+ с Е=40 кэВ, Т=500С, Ф >10,7см'2 монокристаллов кремния, предварительно обогащенных азотом или кислородом, стимулирует синтез диэлектрических фаз в кремнии. При этом улучшаются изолирующие свойства синтезируемых диэлектрических слоев.
Эффекты стимулирования синтеза диэлектрических слоев имеют пороговый эффект по дозам облучения аргоном, составляющий Ф=10п см"2, который проявляется как в оптических, так и в электрических свойствах синтезируемых слоев.
Облучение аргоном поверхности кремния с различными дозами приводит к зарождению и росту блистеров, начиная с Фаг~Ю'6 см'2, их последующей коалесценции и микровзрывам с образованием кратеров диаметром около 1 мкм при Фдг-Ю17 см"2.
Спонтанно-акустическая модель ЭД, объясняющая ряд экспериментальных закономерностей проявления ЭД, в частности,' наличие пороговых эффектов по дозе и энергии. Согласно этой модели, в результате спонтанного взрыва блистеров в облучаемом кристалле возникают акустические волны
давления, ответственные за стимулирование ионного синтеза на границе раздела "кремний-нитрид кремния". Апробация работы Основные результаты диссертации отражены в публикациях [1-19]. Результаты проведенных исследований докладывались на конференции "ВНКСФ-3" (Екатеринбург, 1995 г.), "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" (Нижний Новгород, 1996 г.), конференции E-MRS, 1996 Spring meeting, (Страсбург, 1996), конференции "XVI Научные чтения имени академика Н.В.Белова", (Нижний Новгород, 1997 г.), II, III и IV Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 1994 г., 1996 г., 1998 г.), VIII Межнациональном совещание "Радиационная физика твердого тела" (Украина, Севастополь, 1998 г.), международной конференции "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 1998 г.), 11th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM98), (Amsterdam, 1998), конференции "Структура и свойства твердых тел", (Нижний Новгород, 1999 г.), Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" ВИП-14, (Звенигород, 1999 г.), Всероссийском совещании "Зондо-вая микроскопия - 99", "Зондовая микроскопия - 2000", (Нижний Новгород, 1999 г., 2000 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния ("Кремний-2000"), а также на ежегодных сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 1996-1999 гг.).
Диссертационная работа выполнялась при поддержке следующих грантов и целевых программ:
Грант Минобразования РФ Конкурсного центра по фундаментальному естествознанию, тема НҐ-109 по НИЧ ИНГУ, 1995-1996 гг.;
Федеральная целевая программа "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.", Учебно-научный центр "Физика и химия твердого тела" (проект № 0541), тема НИЧ ННГУН-231;
Грант Минобразования РФ Конкурсного центра по исследованиям в области ядерной физики и физики пучков ионизирующих излучений, тема НГ-172 по НИЧ ННГУ, 1998-2000 гг (грант №97-12-9.2^1).
Программа Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий", раздел "Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении", тема Н-223 по НИЧ ННГУ, 2000 г. (проект №01.12.01.15).
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем
диссертации составляет 140 страниц машинописного текста, включая 46 рисунков и 2 таблицы. Список литературы состоит из 119 наименований.
