Введение к работе
Актуальность темы. В результате развития технологии изготовления интегральных схем (ИС) в ближайшее время планируется разработка ИС с количеством транзисторных структур до 40 млн., а в перспективе - до 1.4 млрд. штук, что соответствует минимальному размеру элементов порядка 0.15 мкм и 0.05 мкм соответственно. Для формирования элементов с размерами такого порядка перспективной является иоішо-лучеїзая обработка полупроводниковых материалов в технологии ИС. Использование ионных пучков позволяет осуществлять легирование полупроводников методом ионной имплантации и имплантации атомов отдачи, стимулировать процессы взаимопроникновения атомов при обработке многослойных структур и процессы диффузии атомов, ионное травление и очистку поверхности полупроводников;, ионно-ассистированное нанесение тошагх пленок и ношго-лучевуто литографию. По мере уменьшения размеров активных элементов ИС процессы иоыно-лучевой обработки полупроводниковых кристаллов становятся все более чувствительными к изменению технологических параметров. Достигнут тот уровень, при котором чисто экспериментальный подход к оптимизации технологии ИС стал совершенно неприемлем. Ужесточение требований к технологическим допускам, требует лучшее понимание физики процессов ионно-лучевой обработки и также количественного описания влияния технологических параметров на результаты процессов, чтобы минимизировать роль статистических флуктуации.
Одним из основных радиационных эффектов при облучении материалов является процесс торможения ускоренных частиц в веществе, обуславливающий в свою очередь, процессы дефектообра-зования и миграции выбитых атомов мшнени. Радиационное воздействие оказывает влияние на протекание диффузионных процессов в твердом теле. С характером протекания вышеизложенных процессов связано целенаправленное изменение свойств материалов. Деградация материалов в условиях облучения также связана с протеканием диффузионных процессов.
Степень освоения радиационных методов обработки материалов в мнкроэлектронкой технологии и металлургии определяется пониманием физической сзтцности процессов, имеющих место при
взаимодействии ускоренных частиц с кристаллами с одной стороны и наличием достаточно адекватного математическою описания к методов моделирования процессов миграции с другой стороны.
Теоретическому исследованию миграции атомов в твердом геле при радиационных воздействиях, уделяется достаточно много внимания. Однако, используемые при этом методы и приближения не позволяют описать взаимосвязь диффузионных процессов в зависимости от энергии и типа ускоренных частиц. Поэтому одной из основных задач является не только количественное описание процессов миграции, но и формулировка теоретических методов. позволяющих описать эти процессы с единой позиции.
В настоящей диссертационной работе рассматривается теория .миграции атомов в условиях облучения. Процедура вывода кинетических уравнений, списывающих миграции, позволяет определить границы применимости разработанных математических моделей. Полученные расчетные соотношения позволяют оценить эффективность стимулирования миграции в условиях облучения как легкими так и тяжелыми частицами в широком диапазоне энергий. Рассмотрено также влияние вторичных процессов (каскады соударений, ионизация, возникновение упругих волн) на миграцию атомов.
Цель работы. Разработка модели, описывающей миграцию атомов примеси, обусловленную процессами упругой передачи энергии от ускоренных частиц при ионно-лучевой обработке полупроводниковых материалов. Разработка единого подхода к описанию диффузионных процессов в твердых телах при радиационном воздействии.
Основные задачи работы
-
Разработка теоретических методов, позволяющих описывать миграцию атомоз примеси, обусловленную процессами упругого рассеяния на них налетающих частиц с учеюм действия первичного и каскадных потоков.
-
Изучение физических процессов, механизмов и кинетики миграции атомов при ионно-лучевой обработке полупроводниковых материалов.
3. Разработка методов расчета распределения концентрации атомов по глубине при имплантации методом атомов отдачи п при ионно-лучевом перемешивании..
Научная новизна.
с использованием метода функции Грина и теории линейного отклика разработана модель, основанная на выведеных кинетических уравнениях, описывающих процесс миграции атомов вследствие процессов упругого взаимодействия с налетающими частицами. Полученные уравнения описывают процесс миграции в случае облучения частицами разных сортов в широком диапазоне энергий. Рассмотрены методы решения кинетических уравнений;
с использованием многогруппового приближения получены аналитические решения уравнений переноса, описывающие функцию распределения потоков налетающих частиц и каскадных атомов по энергиям, глз^бине и углам вылета;
получены соотношения для расчета коэффициентов сноса и диффузии с учетом действия первичного, каскадного и вторичных процессов (ионизация, возникновение упругих волн) имеющих место при облучении твердых тел. Рассмотрена кинетика процессов миграции в зависимости от режимов облучения;
получены соотношения для расчета распределения атомов отдачи при элементарном акте взаимодействия с низкоэнергетическими ионами и при их миграции в многокомпонентных материалах с неоднородным составом;
получены выражения для расчета распределения концентрации атомов по глубине при имплантации методом атомов отдачи и при ионно-лучевом перемешивании;
разработана модель, описывающая процесс иошю-лучевого перемешивания в двухслойной системе с ннтерметаллидом:-предложен механизм, ограничивающий предельную растворимость атомов при ионно-лучевом перемешивании и при ионной имплантации с высокими дозами облучения;
показано влияние зависимости коэффициента диффузии от пространственных координат на фордгу концентрационного профиля распределения атомов.
Основные положения, выносимые на защиту.
- на основе системы уравнений Больцмана с использованием
метода функции Грина выведено кинетическое уравнение, оиисы-
вагощее процесс миграции атомов отдачи. Для решения уравнения предложены приближение однократного взаимодействия, диффузионное и итерированное диффузионное приближение;
в случае, когда энергия, переданная от налетающих частиц атомам примеси, выше барьера миграции, значение коэффициента диффузии рассчитывается с учетом распределения пробегов атомов при элементарном акте взаимодействия, энергетического спектра налетающих частиц и вероятности передачи энергии. Вклад в стимулирование миграции обуславливается как первичным потоком ионов, так и вторичным потоком атомов мишени, образовавшегося в результате каскадных процессов. Эффективность стимулирования миграции возрастает с увеличением массы и энергии налетающих частиц. При облучении частицами массой меньшей чем атомы мишени обусловлена каскадными процессами;
в случае, когда энергия, переданная атомам примеси, ниже порога миграции, имеет место увеличение частоты диффузионных перескоков вследствие отклонения функции распределения атомов от равновесной. Примесному атому энергия передается как непосредственно от налетающих частиц, так и посредством возбуждения окружающих атомов;
процесс имплантации атомов отдачи описывается кинетическим уравнением, которое может быть решено с использованием приближения однократного взаимодействия и итерированного приближения Фоккера-Планка. При небольших дозах облучения двухслойных систем процесс описывается в приближении однократного взаимодействия налетающих ионов с атомами отдачи. С увеличением дозы облучения при описании процесса необходимо учитывать миграцию внедренных атомов отдачи вследствие последующих столкновений с налетающими частицами;
процесс иошю-лучевого перемешивания описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений диффузионного типа. Концентрационная зависимость коэффициента диффузии связана с миграцией атомов в неоднородных мишенях при элементарном акте их взаимодействия с налетающими ионами. Пределы растворимости и истощения атомов при перемешивании связаны с концентрационной зависимостью коэффициентов диффузии, возникновением упругих напряжений;
в процессе ионного перемешивания в системе,, имеющей фазу интерметаллида, рост интерметаллического слоя обусловлен протеканием диффузионным механизмом взаимопроникновения атомов. Процессы баллистического перемешивания приводят к размытию границы раздела фаз;
при радиационно-стимулированной диффузии в диффузионной зоне можно выделить две области: эффективная область ускорения диффузии и область термодиффузии. Глубина области ускорения диффузии зависит от коэффициентов ускоренной диффузии и диффузионной длины радиационных дефектов.
Рассмотренные в диссертации приоритетные научные результаты, которые составили основу положений, выносимых на защит}7, привели к созданию нового научного направления - теории миграции атомов в твердом теле под действием облучения. Представленный автором единый подход к описанию миграции атомов в твердом теле заключается в том, что элементарный перескок атома независимо от механизма миграция осуществляется в результате флуктуации его энергии вследствие взаимодействия с внешними воздействиями. Методика вывода кинетического уравнения, описывающего процесс позволяет подучить уравнения, пределы их применимости и соотношения для расчета кинетических коэффициентов и может быть использована для описания процессов миграции атомов в условиях различного типа внешних воздействий.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты можно использовать при моделировании процессов ионной имплантации, имплантация атомов отдачи и ионно-лучевого перемешивания и при разработке систем автоматизированного проектирования процессов легирования полупроводников с использованием ионных лучков.
Результаты теоретического анализа процессов, имеющих место при облучении твердых тел позволяют глубже понять механизмы миграции атомов и представляют собой дальнейшее развитие радиационной физики твердого тела. Результаты и методы решения задач о миграции атомов под действием облучения позволяют решать широкий круг научных и практических вопросов в области физики твердого тела и материаловедения.
Полученные в работе кинетические сравнения и предложенные методы его решения позволяют решать широкий круг вопросов, связанных с описанием кинетики миграции атомов под действием облучения, распределения концентрации атомов при имплантации методом атомов отдачи, ионно-яучевого перемешивания и радиационной деградации материалов.
Результаты решения уравнений переноса с использованием метода групп позволяют рассчитывать распределение потоков ускоренных частиц по энергиям, глубине и зтлам вылета.
Разработан простой метод определения функции распределения пробегов ионов при их имплантации в многокомпонентные мишени с неоднородным составом.
Разработанные методы расчета и математические модели внедрены на предприятиях: ОКБ КП Азербайджанского национального аэрокосмического агенства, г. Баку, ФГУП ТНИИС. г. Таганрог, НИИ МВС, г. Таганрог. Результаты работы нашли отражение в лекционных курсах "Физика твердого тела", "Физико-химические процессы в технологии электронных средств".
Личный вклад автора.
Диссертация является итогом самостоятельной работы автора, результаты получены лично им и также в соавторстве с сотрудниками. Автору принадлежат определение направления исследований, постановка задач, выбор методов их решения. Вывод и обоснования принадлежат лично автору. Соавторы участвовали в совместной постановке ряда задач и обсуждении полученных результатов.
Апробация работы.
Результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ТРТИ (г. Таганрог, 1980 - 2000 гг.), на 10 Всесоюзной конференции по микроэлектронике, на VII Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (г. Минск 1984 г.), на Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (г. Москва 1987, 1993, 1995, 1999, 2000 гг.), на Международных научно-технических конференциях "Аісп'альньїе проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", (г. Геленджик 1995, 1999, 2000 гг.) на научных семинарах кафедры МЭТБИС ТРТУ, отдела ядер-
ной физики НИИ Физики РГУ, Горьковского института физико-технических исследований при Горьковском. госуниверситете (г. Нижний Новгород 1984).
Основные результаты диссертации оггубликованы в 41 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
