Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Характерной особенностью базовых процессов формирования полупроводниковых структур (диффузия, имплантация, рост, окисление и т. д. ) является их осуществление в приповерхностной области обрабатываемой подложки. Это обусловлено, во-первых, дальнейшей миниатюризацией формируемых структур, когда их свойства начинают определяться уже несколькими атомными слоями и, во-вторых, преимущественным использованием нетермических источников активации процессов формирования структур (лазерное и ультрафиолетовое излучение, электрическое поле, ионные и электронные пучки и др. ), когда энергетическое воздействие локализуется в приповерхностной области обрабатываемой подложки.
Закономерности протекания приповерхностных процессов радикально отличаются от закономерностей в объёме твёрдой фазы. Экспериментальные трудности, возникающие при определении этих закономерностей, невольно усиливают значимость теоретических представлений о взаимодействии приповерхностных слоев твердой фазы с конденсатом, в первую очередь, в газофазных (парофазных) процессах диффузии и роста. Это в значительной мере повышает роль исследований приповерхностных процессов, без знания закономерностей которых невозможно развитие и такого перспективного направления в технологии микроэлектроники как нанотехнология.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Взаимодействие приповерхностных слоев твёрдой фазы с конденсатом в процессах диффузии и роста имеет, в основном, хемосорбционную природу. Многообразие видов этого взаимодействия и сложный характер каждого из них определяют потребность в теории химической связи в многоатомных поверхностных системах.
В рамках теории хемосорбции подробно описан переход атомов примеси из газовой (паровой) фазы на поверхность полупроводника. Теория диффузии даёт детальное описание перемещения примесных атомов в его объёме. Однако в обеих теориях отсутствуют представления о промежуточной стадии массопереноса примеси в рассматриваемой двухфазной системе - о переходе примеси с поверхности полупроводника в его приповерхностный слой. Отсюда вытекает необходимость создания описания внедрения хемосорбированной примеси в структуру полупроводника в начальной фазе процесса диффузии.
Существующие представления о гетерогенном
зародышеобразовании носят феноменологический характер и потому не поззоляют судить о механизме формирования зародыша новой фазы, а также о его структуре. В связи с этим возникает необходимость построения теоретических представлений о структурировании зародыша на начальной стадии процесса роста.
Распространение в последнее время нетермических способов активации базовых процессов формирования полупроводниковых структур определяет необходимость расширения представлений о влиянии, в частности, постоянного электрического поля и УФ-излучения на диффузию примеси и рост пленок. Выбор в качестве объекта исследования низкотемпературных активируемых процессов закономерен с позиции эволюции современной микроэлектроники: традиционные термические методы формирования полупроводниковых структур с их высокой энергоемкостью и низкой избирательностью воздействия исчерпали свои возможности. Более того, в них заложен недостаток принципиального характера: размеры создаваемых полупроводниковых структур становятся сравнимыми с длиной свободного пробега теплового фонона.
Все перечисленные аспекты представленной проблемы и определили направление проведенного исследования, основными задачами которого являются.
-
Построение теории хемосорбциоиного взаимодействия в многоатомных поверхностных системах.
-
Построение теории преддиффузионного состояния хемосорбированной примеси.
-
Построение теории предростового состояния хемосорбированного конденсата.
-
Развитие представлений о влиянии постоянного электрического поля на диффузию примеси в приповерхностном слое полупроводника.
-
Развитие представлений о влиянии УФ-излучения на рост пленок на поверхности полупроводника.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Для
полупроводников построена теория хемосорбциоиного комплекса, через формирование которого реализуются газофазные (парофазные) процессы диффузии и роста. В рамках этой теории развита стохастическая модель элементарного акта образования хемосорбциоиного комплекса, определены вероятность перехода атома
конденсата из адсорбированного в хемосорбированное состояние, и константа скорости этого перехода как квазихимической реакции нулевого порядка. Построена квантовая модель химической связи между атомом конденсата и атомами, составляющими поверхностный активный центр полупроводника, определена суммарная энергия связи в хемосорбционном комплексе и величина его поляризации. Сформулированы условия образования гомео- и гетерополярного хемосорбционных комплексов. Построена релаксационная модель разогрева окрестности хемосорбционного комплекса при его образовании: рассчитаны температурное поле в области локального разогрева, а также размеры этой области и время диссипации энергии, выделяемой в элементарном акте образования хемосорбционного комплекса.
Развиты теоретические представления о формировании приповерхностных легированных слоев при газофазной (парофазной) диффузии. На основании теории хемосорбционного комплекса разработан механизм образования вакансии в окрестности гетерополярного хемосорбционного комплекса и построена квантовая модель его распада как элементарного акта перехода атома примеси из гетерополярного хемосорбционного комплекса в образовавшуюся вакансию. Создана кинетическая модель накопления атомов примеси в окрестности гетерополярного хемосорбционного комплекса, интерпретируемого как начальная стадия процесса диффузии.
Развиты теоретические представления о роста плёнок при газофазном осаждении конденсата. На основании теории хемосорбционного комплекса разработан механизм активации адатома конденсата в окрестности гомеополярного хемосорбционного комплекса и развита решёточная модель взаимодействия в системе "адатом конденсата - гомеополярный хемосорбционный комплекс". Построена квантовая модель формирования зародыша новой фазы как элементарный акт присоединения адатома конденсата к гомеополярному хемосорбционному комплексу, интерпретируемого как начальная стадия процесса роста.
Развиты представления о влиянии постоянного электрического поля на диффузию примеси в приповерхносном слое полупроводника. Представлены механизмы активации электрическим полем адсорбции и гетерогенной диссоциации молекул примеси. На основании теории хемосорбционного комплекса построена квантовая модель образования гетерополярного хемосорбционного комплекса в электрическом поле. Создана нелинейная модель диффузии примеси в приповерхностном
слое полупроводника при воздействии электрического ПОЛЯ.
Развиты представления о влиянии УФ-излучения на рост пленок на поверхности полупроводника. Предложены механизмы активации УФ-излучением адсорбции и гетерогенной диссоциации молекул конденсата. На основании теории хемосорбционного комплекса создана динамическая модель образования гомеополярного хемосорбционного комплекса при воздействии излучения. Построена релаксационная модель формирования и роста пленки конденсата под влиянием излучения.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Теория хемосорбционного комплекса, через образование и последующий распад которого осуществляется внедрение примеси в полупроводник, а через образование и последующий рост - зародышеобразование на его поверхности, позволяет с единых позиций дать количественное описание начальной стадии газофазных (парофазных) процессов диффузии и роста. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и оптимизации этих технологических процессов, предсказании параметров формируемых структур.
Созданная теория предлагает формулировку количественных критериев возможности реализации того или иного из рассматриваемых процессов и их интенсивности в зависимости от характера хемосорбционного взаимодействия конденсата с поверхностью полупроводника. Применение этих критериев обеспечит целенаправленный поиск и выбор наиболее благоприятных по отношению к полупроводникам реагентов в процессах диффузии и роста.
Построенная теория дает возможность развить существующие представления о механизме взаимодействия активирующего воздействия нетермической природы (электрическое поле или УФ-излучение) с материалом подложки, что предполагает обоснованную оценку параметров этого воздействия.
Изложенные в диссертации теория, модели и методы решения могут использоваться в соответсвующих разделах физико-химических основах современной технологии микроэлектроники и физической химии поверхности твердого тела.
Основные результаты диссертационной работы получены автором при выполнении научно-исследовательских работ в рамках
Общегосударственной программы РАН по теме: «Математическое моделирование процессов технологии полупроводниковых структур», в рамках программы Грантов по направлению «Фундаментальные проблемы микроэлектроники», а также хоздоговорных и госбюджетных работ, проводимых кафедрой микроэлектроники и технологии БИС Таганрогского государственного радиотехнического университета.
Результаты диссертации внедрены в технологическом процессе изготовления твердотельных сенсоров ионизирующего излучения на основе обратносмещенного р-п-перехода в НИИ микроэлектронных вычислительных структур при ТРТУ и в технологическом процессе анодного окисления кремния и нитрида кремния в НКБ «Миус» при ТРТУ.
Внедрены и использованы следующие результаты:
метод оценки глубины и степени неоднородности приповерхностных легированных слоев в полупроводниках при их формировании в условиях постоянного электрического поля;
метод оценки поверхностного потенциала полупроводника при адсорбции полярных молекул примеси в условиях постоянного электрического поля;
методика расчета константы хемосорбции примеси при легировании полупроводниковых материалов;
методика расчета кинетики роста диэлектрических пленок на полупроводниковых подложках при активирующем воздействии УФ-излучения;
методика расчета кинетики разложения кремнийорганических соединений на поверхности полупроводниковой подложки под влиянием УФ-излучения;
методика расчета распределения температуры по толщине анодных оксидных пленок в процессе электролитического анодирования полупроводников.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа помимо введения, представляющего ее общую характеристику, содержит пять глав, которые посвящены изложению результатов теоретического и экспериментального исследований по теме диссертации, а также список литературы, из 102 наименований. Полный объем составляет 166 стр., в том числе 8 таблиц и 26 рисунков.
Во второй главе для полупроводников построена теория хемосорбционного комплекса, через образование которого и
последующий распад или последующий рост, осуществляются внедрение примеси в полупроводник или зародышеобразование на его поверхности соответственно. На ее основе проведен расчет вероятности образования хемосорбционного комплекса, состоящего из адатома конденсата и атомов поверхностного активного центра, а также константы скорости образования этого комплекса как квазихимической реакции нулевого порядка.
Проведен квантовохимическии расчет суммарной энергии связи ' в хемосорбционном комплексе, а также величины его поляризации, проявляющейся при формировании этой квазихимической структуры. Как следствие теоретических представлений о поляризации хемосорбционного комплекса сформулированны условия образования гомео- и гетерополярного комплексов в зависимости от ее величины. В заключительной части второй главы определена величина разогрева окрестности хемосорбционного комплекса, возникающего вследствие локального выделения энергии при его образовании, а также размеры области разогрева и время релаксации избыточной теплоты в приповерхностном слое полупроводника.
Исследованию формирования приповерхностчых легированных слоев при газофазной (парофазной) диффузии примеси посвящена третья глава. На основе теоретического описания, построенного во второй главе, разработан механизм образования вакансии в окрестности гетерополярного хемосорбционного комплекса, и проведён квантовохимическии расчёт вероятности и энергии активации перехода атома примеси, из этого комплекса в образованную вакансию. В рамках кинетического подхода описана эволюция накопления примеси в окрестности гетерополярного хемосорбционного комплекса, рассматриваемого как начальная фаза процесса диффузии.
В четвёртой главе диссертации представлены результаты исследований роста пленок при газофазном (парофазном) осаждении конденсата. В первой части этой главы описан механизм активации адатома конденсата в окрестности гомеополярного хемосорбционного комплекса, основанный на теоретических представлениях, изложенных во второй главе. В следующей части главы 4 определён потенциал взаимодействия адатома конденсата с этим комплексом, и проведён квантовохимическии расчёт вероятности присоединения адатома конденсата к гомеополярному хемосорбционному комплексу, интерпретируемого как элементарный акт образования зародыша новой фазы. На основании этих представлений описана эволюция формирования зародыша новой фазы, рассматриваемого как начальная
стадия процесса роста.
Пятая и шестая главы посвящены исследованию влияния нетермических источников активации на газофазные (парофазные) процессы диффузии примеси и роста плёнок. В пятой главе представлен механизм активации постоянным электрическим полем адсорбции молекул примеси и их гетерогенной диссоциации. На основании теории хемосорбционного комплекса проведён квантовохимический расчёт его образования в условиях электрического поля. В заключительной части этой главы в соответствии с этими представлениями описана диффузия примеси в приповерхностном слое полупроводника, находящегося в постоянном электрическом поле, и проведена оценка адекватности построенного описания с помощью полученных экспериментальных данных.
Шестая, заключительная глава содержит описание механизма активации УФ-излучением гетерогенной диссоциации молекул конденсата. На основании теории хемосорбционного комплекса дано описание его формирования и роста пленки конденсата при УФ-излучении, и дана оценка адекватности построенного описания с использованием полученных экспериментальных данных.
