Введение к работе
Актуальность проблеяы.
Изменение физико-хаийческих свойств твердих тел при воздействия на них пучкон ускоренных ионов пироко используется d настоящее время в научних и практических целях. К ярккеру, одкви ка распространенных приемов в технологии микроэлектроники является воиное легирование полупроводниковых материалов, то есть введение э кристалл принесе!» путем облучения ионами принесен. Радиационные дефекты кристалллческо' структуры, нензбекно возникавшие при торногвийи ускоренных ионов в твердом теле, обычно удаляются отвягон. Однако, о последнее время ь радиационной физике твердого тела появилось новое направление, суть которого состоит не просто в удалении дефектов, а в их использовании для придания гоердону телу специфических свойств. Наиболее кардинальное изменение оизико-химических свойств кристаллов, вплоть до Фазовых превращения, наблвдаегся а условиях агрегатнаацвн радиационных дефектов при достаточно высокой плотности этих дефектов.
Особенность» метода ионной имплантации является пространственная неоднородность пересыщения кристалла радиационными дефектами вследствие немонотонного распределения потерь энергия ускоренных ноноа при их торможении о материале кипени. Неоднородность пересьнгения дефектами приводит к возникновении локальной разоооЯ неустойчивости вблизи наиболее вероятного пробега яонов. Равновесное состояние в остальных частях системы при этом сохраняется. В результате пояяляется возможность ионного синтеза многослойных структур, а которых приповерхностная пленка кристалла отделена от его основного объёма
. 4 -
слоем другого веигства. Типичным примером подобной многослойной композиций является структура "Кремний-На-Изоляторе" ( КИИ ). Скратый от поверхности нзолируюций слой синтезируется в кремнии путей его облучения ионами азота или кислорода.
Предметом исследования в области ионного синтеза в последнее вреия является проблема снииения дозы имплантируемых ионов и температуры отзгига облученной структуры. Наиболее перспективным методой, позволяющий перейти к ионному синтезу скрытых слоев другой фазы в твердых телах на относительно низких, так называемых достехионетрических дозах икплантируеиых конов, признан циклический синтез. В огон случае полная доза ионов имплантируется порциями, между которыми проводятся отжиги. Суть достехиометрического синтеза к, в частности, его циклического варианта состоит в следующем. Преципитаты новой фазы, возникающие в результате облучения кристалла ионами, разрастаются при отжиге и образует сплосной слой новое фазы за счет эффективной сегрегации внедренных в кристалл примесных атомов на поверхности преципитатов фазы. Таким образен, в достехиометрическон ионном синтезе на первый план выходит проблема диффузии примесных атомов в неоднородно пересыщенной среде со стокаки.
Сложность задачи и наличие многих параметров не позволило к настояцему времени составить полнуо физическую картину происходящих при достехиометрическон ионном ситеэе процессов. Поэтому не определены пути оптимального проведения синтеза. Более того, нет однозначного ответа на вопрос о возможности формирования многослойной структуры высокого качества, когда скрытый слой другой фазы появляется при отжиге из ансамбля преципитатов фазы. Качество многослойной структуры во многом зависит от спловности и химической однородности скрытого слоя, характера его границ раздела с кристаллом и от структурного
совершенства приповерхностной пленка исходного кристалла. легаиеа над формируемым слоем другой фазы.
Цель работы состояла а развития теоретического описания начальной стадии формирования скрытого слоя новой Фазы в твердой теле, облученной достехиометрическоЯ дозоЭ химически активні» ионов. Нз анализа теоретических результатов я сопоставления с экспериментальными данными по достехиометрическону яонноиу синтезу КНИ структур лредпологалось определить оптимальные условия формирования при отвмге скрытого, диэлектрического слоя в кремнии из системы преципитатов диэлектрической фазы.
Научная новизна работы состоит в том, что в неЯ вперед предлагается математическое описание достехиокетрического ионного синтеза скрытого слоя новоП фазы в твердом теле.
Развита теория роста ансамбля эародывей новой фазы при отниге твердого тела, облученного достехиометрическоЯ дозой химически активных по отношению к веиеству мишени ионов.
Получено приблияекное аналитическое ревенке нелинейного уравнения теории, описываюаего диффузии примесных атомов в среде с неоднородным пространственным распределением стоков.
Теория достехиометрического ионного синтеза обобщена на случаи облучения твердого тела двумя типами реактивных ионов и роста скрытого слоя фазы со сложным химическим составом.
Получено приближенное аналитическое реаен.че системы уравнений обобщенной теории в случае линейной зависимости относительных концентрации атомов примесей в молекуле сложной фазы.
Теоретически показано, что изменение характера потерь энергия ускоренных ионов в неоднородной среде с включениями более плотной, чем исходная матрица, фазы приводит н изменению скованности
- 6 -пространственного распределения пробегов ионов в сторону положительных значения.
Научная и практическая значииость
Многие современные проблема радиационного материаловедения сводятся к изучении эволюции во временя прк различных внешних условиях твердых растворов, харангеркзуеных сильным и сукествекно неоднородным пересьщениек. Рааангие в работе теоретические представления позволили получить количественные характеристики распада твердого раствора атоков примесей в кремнии, в результате которого образуется ансакбль преципитатов новой химической фаза Определена соотношения иекау плотностью преципитатов фазы к началу термообработки облученного ионами креяния, температурой отшга, диффузионной поязисностыо атомэп прннесей в крекнии для оптимального формирования сплошного, скрытого диэлектрического слоя. Полученные результаты по кинетике роста систены преципитатов фази могут быть использованы при развитии нового катода ионного синтеза, в котором имплантация будет совнекена в одной процессе с кратковременный, напрякер, кипуяьснын отаигок. Кроме того, в работе на основе математического моделирования явлений, значительно ухудааюцих качество КНИ структур, определены оптимальные условия синтеза.
Полученньге в диссертации аналитические решения уравнений теории позволяют создать аффективные програниы для компьютерного моделирования раднационно-стимулированных фазовых превращения в твердых телах. Появилась возмоиность прогнозирования поведения многокомпонентных растворов, полученных имплантацией в твердые тела нескольких ТИПОВ ИОНОВ.
Положаивд выносимые на задіггу:
і. Предложенная феноменологическая "диффузионно-стоковая" теория,
в основе которой леват представления о диффузии л стоке имплантированных в матрицу кипеня атомов, позволяет количественно описать рост скрытого слоя новой фазы.
-
"Диффузионно-стоковая" модель обобщена на случая описания роста скрытого слоя фазы со слогяын химический составом при отжиге кремния, облученного ионами аэота и кислорода.
-
Рост скрытого диэлектрического слоя в кремнии, облученное достехиометрической дозой ионов азота или кислорода, происходит в основной за первые минуты длящегося обычно несколько часов отжига при температуре иоо - ігоо "с.
4. Пространственное положение слоя преципитатов диэлектрячесно.:
фазы в приповерхностной области структуры " Кремний - На
Изоляторе" и сам факт его наличия зависит от среднего размера
зародышей диэлектрической фазы в кремнии, из которых при
отжиге формируется скрытый изолируспий слой.
5. Увеличение объеиноИ доли новой фазы за счет повторявдихся
отжигов при циклическом ионном синтезе структур "Кремний - На-
- Изоляторе" способствует формировании резкоп границы раздела
скрытого изолирующего слоя с кремнием вследствие изменения
характера потерь энергии ускоренных ионов в неоднородной
твердом теле.
Апрооацпя работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следуваих конференциях : 14-м Всесоюзном семинаре по радиационной физике полупроводников (Новосибирск, 1989) , 2-й Всесоюзной конференции по ионно-лучевой модификации материалов (Каунас, 1989) і з-м Межцународнои совещании по геттерированию и инкенерии дефектов в технологии полупроводников (Гарзау, 1989); з-й Международной
конференция по кодификации материалов энергетическими импульсами и
пучками частиц (Дрезден, 1989); 8-й международной конференции по
технологии ионной имплантации (Гилфорд,1990); з-й Всесокзной
нонференщпі по ионно-лучеЕой модификации полупроводников н других
материалов шшроэлектрошшя (Новосибирск, 1991); і-и Одесском
Международном семинаре по компьютерному моделировании электронных и атомных процессов в твердых телвх (Одесса, 19S2); 9-й Международной конференции по технологии ионной ш.тлантацин (Флорида,1992); на фгаїгческігх семинарах ИПТМ РАН. <Н1 им П. Н. Лебедева РАН, ТТУ.
Публикации
Основной материал диосерпгашсі опубликован в четырех статьях к советских (одна статья) и эарубевных (три статьи) научных журналах і см. список в конце автореферата). Кроме того, на момент написания диссертации, две статьи находятся о издательств сурналов и одна в редакции журнала.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа начинается с аннотации и введения за которыми следуют пять глав с основным содержанием работы, раздел с полученными результатами, выводы. В конце диссертации приводится список цитируемой литературы и семь приложений с математическими выкладками. Каждая глава начинается с аннотации и заканчивается краткими выводами. Математические формулы номеруются по главам. Рисунки и графики помещены в тексте по ходу изложения материала. Всего в раооге 162 страницы мамшописного текста, гз рисунка ( из них 22 рисунка в тексте и і рисунок в приложении) и список гаггературы из 15G наименований.
