Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ионно-пучковые методы самоформирования волнообразных наноструктур на поверхности полупроводников 11
1.1. Суб-100-нанометровая литография и самоформирование наноструктур на поверхности полупроводников 11
1.2. Ионно-пучковые методы самоформирования наноструктур 26
1.3. Волнообразный микрорельеф на поверхности арсенида галлия 32
1.4. Волнообразный микрорельеф на поверхности кремния 35
1.5. Волнообразный микрорельеф в системах 02+-Si и N2+-Si 37
1.6. Модельные представления о природе волнообразного микрорельефа, инициируемого ионной бомбардировкой,
и задачи исследования 43
Глава 2. Волнообразный рельеф на поверхности кремния, инициируемый ионами 02+ и N2+ 56
2.1. Регистрация стадий образования и дозовые зависимости морфологии и длины волны волнообразного микрорельефа 56
2.2. Энергетические, угловые и температурные зависимости глубины образования микрорельефа, взаимосвязь глубины образования и длины волны микрорельефа 67
2.3. Угловые, энергетические, дозовые и температурные зависимости морфологии, глубины формирования
и длины волны нанорельефа в системе N2+ - Si 77
2.4. Геометрия и внутреннее строение волнообразной наноструктуры в системе N2+ - Si 95
2.5. Угловые и энергетические зависимости коэффициента распыления кремния ионами N2+ 116
2.6. Факторы, влияющие на динамику процесса образования волнообразной наноструктуры в системе N2+- Si 123
Глава 3. Волнообразная наноструктура в кремнии-на-изоляторе, в аморфном кремнии и перенос волнообразного нанорельефа на поверхность различных материалов 143
3.1. Формирование кристаллических кремниевых нанопроволок в структуре кремний-на-изоляторе 144
3.2. Волнообразная наноструктура на микроучастке поверхности кремния 149
3.3. Морфология волнообразной наноструктуры и динамика ее образования в слоях аморфного кремния различного типа 152
3.4. Энергетические и угловые зависимости морфологии, длины волны и глубины формирования волнообразной наноструктуры в аморфном кремнии 157
3.5. Перенос волнообразного нанорельефа из слоя аморфного кремния на поверхность различных материалов 162
Глава 4. Модификация геометрии волнообразной наноструктуры 168
4.1. Жидкостное травление волнообразной наноструктуры 168
4.2. Плазмохимическое травление волнообразной наноструктуры 171
4.3. Двухстадийный процессе плазмохимического и жидкостного
4> травления волнообразной наноструктуры 176
Глава 5. Когерентность волнообразных наноструктур 179
5.1. Природная когерентность волнообразного нанорельефа в системе N2+-GaAs 180
5.2. Когерентность волнообразной наноструктуры, индуцированная последовательной бомбардировкой поверхности кремния ионами 02+ и N2+ 184
5.3. Когерентность волнообразной наноструктуры в системе N2+-Si, индуцированная направленной обработкой поверхности кремния 186
5.4. Когерентность волнообразной наноструктуры в системе N2+-Si, индуцированная движущимся ленточным ионным пучком 193
Глава 6. Природа волнообразной наноструктуры 205
6.1. Двухстадийность процесса образования волнообразной наноструктуры 205
6.2. Оценка роли диффузии, вязкости и упругих напряжений
в образовании волнообразной наноструктуры 208
6.3. Модель образования волнообразной наноструктуры 219
Глава 7. Потенциальные применения волнообразной наноструктуры 223
7.1. Анализ потенциальных применений волнообразной наноструктуры 224
7.2. Поляризатор оптического диапазона на основе решетки металлических нанопроволок 229
7.3. МОП-транзистор с периодически легированным каналом 233
7.3.1. Устройство МОП-транзистора с периодически легированным каналом 233
7.3.2. Формирование наномаски 236
7.3.3. Особенности формирования сверхтонких слоев кремния, легированных мышьяком 238
7.3.4. Последовательность технологических операций 244
7.3.5. Электрические характеристики транзистора 246
Выводы 255
Благодарности 258
Приложения 259
Определение зависимости угла ионной бомбардировки от угла наклона плоскости образца в РЭОС PHI 660 259
ИОС и ЭОС регистрация стадий образования волнообразного микрорельефа 261
Закономерности изменения оже-эмиссии электронов при формировании волнообразного микрорельефа 263
Список литературы 272
- Волнообразный микрорельеф на поверхности арсенида галлия
- Энергетические, угловые и температурные зависимости глубины образования микрорельефа, взаимосвязь глубины образования и длины волны микрорельефа
- Морфология волнообразной наноструктуры и динамика ее образования в слоях аморфного кремния различного типа
- Двухстадийный процессе плазмохимического и жидкостного
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время интенсивно развиваются нанотехнологии - методы формирования объектов с размерами 10-100 нм. Получение наноразмерных объектов на основе полупроводниковых материалов за счет процессов самоформирования вызывает повышенный научный и практический интерес. Несмотря на то, что кремний является базовым материалом электронной промышленности, работы по созданию на его основе наноструктур существенно менее продвинуты по сравнению с соединениями AIHBV. Так, например, к началу настоящей работы в научной печати отсутствовала информация по формированию одиночных кремниевых проволок с поперечным сечением до 10 нм. Очевидно, что в случае массивов квазиодномерных кремниевых структур ситуация еще более проблематична. Создание массивов квазиодномерных наноструктур с поперечным сечением в диапазоне 25-45 нм и с высокой плотностью элементов хотя и доступно современным методам литографии, однако является чрезвычайно дорогостоящим. Зондовая сканирующая микроскопия имеет очень низкую производительность. В настоящее время нет методов высокой производительности для создания плотных массивов линий с шириной 20 нм и менее. Альтернативный вариант решения проблемы создания массивов наноструктур на поверхности полупроводниковых материалов основывается на явлении самоорганизации, т.е. спонтанном формировании наноструктур при определенных условиях воздействия на поверхность.
Поток низкоэнергетических ионов может выступать в качестве фактора такого воздействия, при определенных условиях приводящего к самоформированию на поверхности ряда полупроводников периодической структуры в виде волнообразного микрорельефа с субмикронным значением длины волны. Однако к началу настоящей работы представленные в литературе экспериментальные данные были крайне ограничены и не позволяли судить о степени управляемости процессом образования микрорельефа. Более того, оставался открытым вопрос о существовании волнообразного нанорельефа (ВНР) на кремнии, т.е. о
возможности достижения наномрчадеряаця/гаыигаба (10-100 нм)
БИБЛИОТЕКА \
периода структуры. Низкоэнергетичные ионные пучки представляются достаточно" привлекательным инструментом для нанотехнологии, а задача по созданию с их помощью массивов наноструктур на поверхности кремния за счет процесса самоформирования является новой и актуальной.
Успех решения проблемы определяется степенью управляемости процесса образования ВНР на кремнии. Требуется получение совокупности зависимостей процесса от основных управляющих параметров ионного воздействия: типа ионов; энергии; угла бомбардировки; температуры образца. Только при высокой степени управления процессом формирования периодических наноструктур на кремнии возможна постановка задачи по созданию массивов квазиодномерных структур (кремниевых проволок) на основе материала кремний-на-изоляторе. Одним из принципиальных условий в данном случае должен стать in situ контроль процесса.
Актуальным является не только изучение условий образования волнообразного микро- и нанорельефа, но и детальное исследование таких фундаментальных аспектов взаимодействия с поверхностью кремния низкоэнергетичных химически активных ионов как формирование модифицированного слоя и распыление. Эти процессы играют важную роль в формировании топографии поверхности
Целью работы является экспериментальное исследование процессов взаимодействия ионов кислорода и азота низких энергий с поверхностью кремния, закономерностей образования волнообразных наноструктур на поверхности кремния и на основании этого создание физических основ нелитографических ионно-пучковых методов формирования приборных наноструктур в виде плотных массивов с управляемым периодом.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие научные задачи:
- провести комплексное сравнение волнообразных наноструктур и процессов их образования на поверхности кремния на основании зависимостей динамики процессов, морфологии, и длины волны наноструктур от типа и энергии ионов, угла ионной бомбардировки и температуры кремния и определить наноструктуру, наиболее перспективную для практических применений;
изучить внутреннее строение наноструктуры на атомном уровне;
исследовать возможность формирования наноструктуры на поверхности слоев аморфного кремния;
исследовать процессы модификации геометрии наноструктуры с помощью плазмохимического и жидкостного травления;
осуществить поиск решения проблемы когерентности волнообразных наноструктур;
разработать модель явления образования волнообразного нанорельефа;
создать прототипы приборов, основанных на использовании волнообразной наноструктуры.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
-
Впервые разработан нелитографический способ формирования плотных массивов наноструктур различной геометрии, нанопроволок из кристаллического кремния и наномасок из аморфного кремния с управляемым периодом в диапазоне от 25 до 150 нм, основанный на процессе самоформирования волнообразной наноструктуры при распылении кремния ионами азота. Данный процесс может быть осуществлен на заданном микроучастке поверхности кремния. Для наномасок из аморфного кремния достигнуты поперечные размеры нанополосок и зазоров между ними равные 18 нм. Разработан способ переноса волнообразного нанорельефа из слоя аморфного кремния в слои других материалов методами ионного распыления, жидкостного или плазмохимического травления.
-
Впервые получены энергетические, угловые, температурные и дозовые зависимости морфологии, глубины формирования и длины волны волнообразного нанорельефа, инициируемого на поверхности монокристаллического и аморфного кремния бомбардировкой ионами азота, и определена область существования волнообразного нанорельефа на монокристаллическом кремнии в координатах (энергия ионов, угол бомбардировки). Установлено влияние на процесс образования волнообразного нанорельефа давления кислорода в камере образца, электронного облучения, содержания водорода в ионном пучке и шероховатости исходной поверхности.
3 Измерены угловые и энергетические зависимости коэффициента распыления кремния ионами азота и угловые
зависимости состава поверхности в процессе распыления кремния ионами азота.
-
Впервые методом просвечивающей электронной микроскопии установлено внутреннее строение индивидуальных волн волнообразной наноструктуры.
-
Впервые разработаны способы и принципы аппаратуры для формирования когерентных волнообразных наноструктур различной степени когерентности. Высококогерентные структуры с качеством краев линий превосходящим литографическое формируются в определенных режимах на поверхности кремния ленточным пучком ионов азота. Наноструктуры с повышенной когерентностью относительно исходной формируются при помощи предварительной направленной обработки поверхности кремния.
-
На основе волнообразной наноструктуры разработан нелитографический способ периодического легирования канала МОП-транзистора для увеличения крутизны и тока стока транзистора.
Научно-практическая значимость результатов работы:
установленные закономерности процесса образования волнообразного нанорельефа на кремнии позволяют с высокой степенью управляемости и воспроизводимости формировать нанорельеф с требуемой геометрией волны и с заданным периодом в диапазоне от 25 до 150 нм за счет выбора основных параметров процесса - энергии ионов азота, угла бомбардировки и температуры кремния;
процесс образования волнообразного нанорельефа на кремнии, инициируемый бомбардировкой ионами азота, полностью совместим с технологией производства кремниевых интегральных схем и является устойчивым к наличию кислорода в камере образца, электронному облучению, наличию водорода в ионном потоке и шероховатости исходной поверхности, что позволяет осуществлять данный процесс в установках промышленного уровня;
плотные массивы кристаллических кремниевых нанопроволок с сечением около 10 нм могут являться базовой структурой транзисторов на квантовых проволоках и устройств оптоэлектроники;
маски из плотных массивов кремниевых нанополос с шириной в диапазоне от 10 до 75 нм могут применяться для периодического
легирования каналов пленарных кремниевых МОП-транзисторов для увеличения крутизны и тока стока (при этом тип легированных областей канала совпадает с типом легирования истока и стока); маски из когерентных массивов нанополос могут применяться для создания объемных МОП-транзисторов с каналами на основе массивов вертикальных пластин или линий, в том числе и на КНИ;
волнообразный нанорельеф, перенесенный на поверхности стекла или полиимида, может использоваться в качестве ориентирующих подложек для жидких кристаллов в жидкокристаллических экранах;
плотные массивы ленточных наноострий из кристаллического или аморфного кремния могут применяться в качестве электронных эмиттеров в вакуумных и твердотельных приборах;
изготовление поляризаторов видимого оптического диапазона, состоящих из плотных когерентных массивов металлических нанопроволок из алюминия или серебра, на основе масок из плотных массивов нанополос кремния позволит повысить качество поляризаторов за счет уменьшения периода массивов до 100 нм.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Установленные экспериментально закономерности образования волнообразного нанорельефа на поверхности монокристаллического кремния потоками ионов кислорода и азота, включающие энергетические, угловые, температурные и дозовые зависимости морфологии, глубины формирования и длины волны нанорельефа. Область существования волнообразного нанорельефа, инициируемого ионами азота, в координатах (энергия ионов, угол ионной бомбардировки). In situ регистрация стадий образования волнообразного нанорельефа по вторичной электронной и ионно-электронной эмиссии.
-
Результаты исследования внутреннего строения индивидуальных волн волнообразного нанорельефа, инициируемого ионами азота на поверхности монокристаллического кремния, методом просвечивающей электронной микроскопии.
-
Установленные экспериментально закономерности образования волнообразного нанорельефа на поверхности аморфного кремния потоком ионов азота, включающие энергетические и угловые
зависимости морфологии, глубины формирования и длины волны нанорельефа. Способ переноса волнообразного нанорельефа из слоя аморфного кремния на поверхность различных подложек.
-
Экспериментальное доказательство устойчивости процесса образования волнообразного нанорельефа на поверхности кремния потоком ионов азота к давлению кислорода в вакуумной камере, электронному облучению, содержанию водорода в ионном потоке и шероховатости исходной поверхности.
-
Формирование на основе волнообразного нанорельефа массивов периодических кремниевых наноструктур с разной геометрией поперечного сечения и способ формирования кристаллических кремниевых нанопроволок в структуре кремний-на-изоляторе на заданном микроучастке поверхности.
-
Способы формирования когерентных волнообразных наноструктур различной степени упорядоченности и принципы аппаратуры для их осуществления.
-
Способ периодического легирования канала МОП-транзистора для увеличения крутизны и тока стока.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, трех приложений и списка цитируемой литературы (287 наименований). Объем работы составляет 305 страниц, включая 108 рисунков и 6 таблиц.
Волнообразный микрорельеф на поверхности арсенида галлия
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Установленные экспериментально закономерности образования волнообразного нанорельефа на поверхности монокристаллического кремния потоками ионов кислорода и азота, включающие энергетические, угловые, температурные и дозовые зависимости морфологии, глубины формирования и длины волны нанорельефа. Область существования волнообразного нанорельефа, инициируемого ионами азота, в координатах (энергия ионов, угол ионной бомбардировки). In situ регистрация стадий образования волнообразного нанорельефа по вторичной электронной и ионно-электронной эмиссии. 2. Результаты исследования внутреннего строения индивидуальных волн волнообразного нанорельефа, инициируемого ионами азота на поверхности монокристаллического кремния, методом просвечивающей электронной микроскопии. 3. Установленные экспериментально закономерности образования волнообразного нанорельефа на поверхности аморфного кремния потоком ионов азота, включающие энергетические и угловые зависимости морфологии, глубины формирования и длины волны нанорельефа. Способ переноса волнообразного нанорельефа из слоя аморфного кремния на поверхность различных подложек. 4. Экспериментальное доказательство устойчивости процесса образования волнообразного нанорельефа на поверхности кремния потоком ионов азота к давлению кислорода в вакуумной камере, электронному облучению, содержанию водорода в ионном потоке и шероховатости исходной поверхности. 5. Формирование на основе волнообразного нанорельефа массивов периодических кремниевых наноструктур с разной геометрией поперечного сечения и способ формирования кристаллических кремниевых нанопроволок в структуре кремний-на-изоляторе на заданном микроучастке поверхности. 6. Способы формирования когерентных волнообразных наноструктур различной степени упорядоченности и принципы аппаратуры для их осуществления. 7. Способ периодического легирования канала МОП-транзистора для увеличения крутизны и тока стока.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
1. Впервые разработан нелитографический способ формирования плотных массивов наноструктур различной геометрии, нанопроволок из кристаллического кремния и наномасок из аморфного кремния с управляемым периодом в диапазоне от 25 до 150 нм, основанный на процессе самоформирования волнообразной наноструктуры при распылении кремния ионами азота. Данный процесс может быть осуществлен на заданном микроучастке поверхности кремния. Для наномасок из аморфного кремния достигнуты поперечные размеры нанополосок и зазоров между ними равные 18 нм. Разработан способ переноса волнообразного нанорельефа из слоя аморфного кремния в слои других материалов методами ионного распыления, жидкостного или плазмохимического травления.
2. Впервые получены энергетические, угловые, температурные и дозовые зависимости морфологии, глубины формирования и длины волны волнообразного нанорельефа, инициируемого на поверхности монокристаллического и аморфного кремния бомбардировкой ионами азота, и определена область существования волнообразного нанорельефа на монокристаллическом кремнии в координатах (энергия ионов, угол бомбардировки). Установлено влияние на процесс образования волнообразного нанорельефа давления кислорода в камере образца, электронного облучения, содержания водорода в ионном пучке и шероховатости исходной поверхности. 3. Измерены угловые и энергетические зависимости коэффициента распыления кремния ионами азота и угловые зависимости состава поверхности в процессе распыления кремния ионами азота.
4. Впервые методом просвечивающей электронной микроскопии установлено внутреннее строение индивидуальных волн волнообразной наноструктуры.
5. Впервые разработаны способы и принципы аппаратуры для формирования когерентных волнообразных наноструктур различной степени когерентности. Высококогерентные структуры с качеством краев линий превосходящим литографическое формируются в определенных режимах на поверхности кремния ленточным пучком ионов азота. Наноструктуры с повышенной когерентностью относительно исходной формируются при помощи предварительной направленной обработки поверхности кремния.
6. На основе волнообразной наноструктуры разработан нелитографический способ периодического легирования канала МОП-транзистора для увеличения крутизны и тока стока транзистора.
Научно-практическая значимость результатов работы: - установленные закономерности процесса образования волнообразного нанорельефа на кремнии позволяют с высокой степенью управляемости и воспроизводимости формировать нанорельеф с требуемой геометрией волны и с заданным периодом в диапазоне от 25 до 150 нм за счет выбора основных параметров процесса - энергии ионов азота, угла бомбардировки и температуры кремния;
Энергетические, угловые и температурные зависимости глубины образования микрорельефа, взаимосвязь глубины образования и длины волны микрорельефа
Важным этапом эволюции представлений о природе BMP стало включение в модель такого явления как релаксация топографических неоднородностей, обусловленная индуцированной ионным пучком вязкостью приповерхностного слоя твердого тела. Поводом для этого послужили работы [123-127], где проявление вязких свойств поверхностных слоев Si и SiC 2 наблюдалось экспериментально для высокоэнергетичных пучков ионов ( 100 кэВ, 1 МэВ). Данное явление находит проявление и в случае ионов низких энергий ( 1 кэВ), чему служат примером работы [133, 134]. После введения слагаемого, ответственного за релаксацию через вязкость г], в выражение для константы Rq, оно приняло вид [133, 134]: Rq = -Fq+Sq2-Dq4, (1.9) где F=y/rj. Fq - константа скорости релаксации топографических неоднородностей посредством вязких потоков, инициируемых ионной бомбардировкой. Как из знака у первого и третьего членов выражения (1.9), так и из общих физических соображений следует, что вязкость и поверхностная диффузия приводят к сглаживанию топографических неоднородностей поверхности. Движущей силой этих процессов является минимизация свободной энергии поверхности у. Различие между ними заключается в следующем. Коротковолновые структуры на поверхности релаксируют более быстро за счет диффузии, а в случае длинноволновых образований более эффективно действует вязкость. Согласно выражению (1.9) только процесс распыления обеспечивает рост топографии. Таким образом, следуя вышеизложенному, порожденная ионной бомбардировкой структура является продуктом соревнования между развитием топографии за счет распыления как стохастического, так и зависящего от локальной кривизны поверхности, с одной стороны, и процессами сглаживания поверхности в виде поверхностной диффузии и вязких потоков, с другой стороны.
Из уравнения (1.4) и выражения (1.5) для Rq видно, что если Rq положительная величина, то амплитуда Фурье компоненты с определенным волновым вектором q будет возрастать экспоненциально. В противном случае (Rq 0) амплитуда достигает стационарного значения \a/Rq\. Максимальное значение Rq будет определять преимущественный волновой вектор q BMP. Из уравнения (1.4) следует и другое важное в отношении динамики развития BMP положение. Если изначальная поверхность гладкая \h0(q)\ = 0, то даже при большом значении Rq , \h(q,t)f первоначально нарастает линейно во времени подобно чисто стохастическому процессу. Топографические неоднородности \ho(q)\ выступают в качестве "ускорителя" роста BMP.
Достаточно наглядно действие релаксации топографии за счет вязких свойств приповерхностного слоя продемонстрировано для систем Н+, Не+, Xe+-Si02 в исследовании [133]. Наиболее впечатляющим примером, в котором представлено проявление всех трех указанных выше факторов развития BMP, по-видимому, является работа [134]. Авторы на полуколичественном уровне логично обосновали поведение топографии в системе Xe+-Ge в различных температурных режимах при ионной бомбардировке.
Более подробного рассмотрения заслуживает работа [133], в которой развита модель [132] с учетом релаксации амплитуд волн за счет вязкости облучаемого ионами Хе+, Не+ и Н+ слоя Si02 при энергиях ионов порядка 1 кэВ и предприняты количественные тесты модели. Волны формировались при облучении Si02 ионами Хе+, но при дальнейшем облучении сформированного рельефа ионами Не+ и Н+ амплитуда волн экспоненциально спадала с ростом дозы облучения. Коэффициенты распыления составляли 5 молекул SiC 2 на ион Хе+ и 0,1 молекулы Si02 на ион Не+ или Н+ при 1 кэВ и угле бомбардировки 0=55. Вязкость для случая Не+ оказалась в семь раз больше, чем для случая Хе+ [133]. Этого оказалось достаточно для того, чтобы согласно модели эффект вязкости по убыванию амплитуд волн преобладал над эффектом роста амплитуд за счет распыления, однако на опыте волны при бомбардировке Хе наблюдались. Авторы [133] сделали вывод о том, что для низких энергий ионов не справедливы выполненные экстраполяции, и вязкость в случае Хе+ все же достаточна для формирования волн. Напротив, если считать, что и при малых энергиях ионов вязкость обратно пропорциональна интенсивности ядерных потерь энергии иона в соответствии с работой [127], то вязкость для Не+ более чем на порядок превышает вязкость для Хе+, и факт формирования волн при облучении SiC 2 Хе+ еще более противоречит модели [133]. Данное несоответствие указывает на то, что введение вязкости в распылительные модели приводит к противоречиям, которые ставят под сомнение адекватность распылительных моделей для описания явления образования BMP. Критерии справедливости той или иной модели в настоящее время еще не могут быть однозначно установлены, и требуются дополнительные исследования по определению параметров материалов в условиях их ионного облучения.
Компьютерному моделированию процессов распыления и миграции возбужденных ионной бомбардировкой атомов поверхности при развитии регулярного рельефа с заданной длиной волны 10 нм посвящен ряд публикаций в отечественной литературе [135-138]. Отмечается роль не только распыления, но и перепыления материала со смежных склонов волн в самоорганизации волнообразного рельефа с указанным размером периода. Дополнительный учет перепыления, с одной стороны, приводит к некоторому движению волн, а, с другой стороны, обеспечивает восстановление регулярности структуры в случае ее нарушения. Возможность устойчивой самоорганизации крайне важна в плане когерентности структуры.
В отношении проверки моделей формирования волн особого внимания заслуживает работа [82], где впервые исследовалось явление формирования BMP. При облучении поверхности стекла с сильно развитой микротопографией наблюдалась интерференция волн, показанная на Рис. 1.2. Подобную интерференцию можно объяснить следующим образом. Волны зарождаются на участках поверхности, различно наклоненных к ионному потоку. В месте пересечения волновых фронтов, направленных навстречу друг другу под углом, формируется картина интерференции, которая проявляется при дальнейшем распылении. Попытки объяснения наблюдаемой интерференции волн могут инициировать развитие модели вязкоупругого течения [100, 120] или привести к чисто гидродинамическим моделям образования BMP, которые рассматривают модифицированный слой как Ньютоновскую жидкость. Модель, основанная на упругих напряжениях [117], также может приводить к интерференции волн, потому
Морфология волнообразной наноструктуры и динамика ее образования в слоях аморфного кремния различного типа
При вакуумном отжиге ВНР с меньшим периодом было обнаружено, что волна имеет не треугольную форму, а гребнеобразную. В качестве примера на Рис. 2.34 представлены ПЭМ-изображения поперечного сечения ВНР с А,=70 нм. Однако, как хорошо видно на представленном изображении, внутреннее строение гребнеобразной волны аналогично строению волны треугольной. Гребнеобразная волна состоит из тех же слоев аморфного нитрида кремния, имеющих атомно резкую границу с кристаллическим кремнием. Трансформация геометрии отдельной волны в условиях вакуумного отжига, по-видимому, связана с процессами "активного" окисления [166]. Известно, что в условиях вакуума при высоких температурах отжига в присутствии кислорода кремний способен образовывать летучее соединение SiO. Как было показано выше, склоны волн, подвергающиеся бомбардировке при углах близких к скользящим, не содержат явно выраженного маскирующего слоя нитрида кремния. Более того, с уменьшением А. толщина сформированного на данном склоне слоя пропорционально уменьшается. Следовательно, при нагреве происходит удаление кремния с этих участков ВНР через образование SiO.
Таким образом, методом ПЭМ была установлена точная форма и внутреннее строение волны на атомном уровне для ВНР в системе N2+-Si. Обнаружено наличие атомно резких границ между внутренними слоями ВНР. Показано влияние отжига на геометрию и внутреннее строение ВНР.
Из изложенного выше следует, что для ВНР геометрия индивидуальной волны не является тривиальным фактом, а отличие угла 81 от нуля не поддается простому объяснению. Учитывая важную роль процесса распыления в формировании топографии поверхности, актуальной экспериментальной задачей является детальное изучение угловой зависимости распыления для системы N2+-Si.
Исследования угловых и энергетических зависимостей коэффициента распыления кремния ионами азота, выполненные в настоящей работе, явились логическим продолжением работ [143, 167], результаты которых заслуживают особого внимания и излагаются ниже.
Эксперименты по распылению Si (100) материала кремний-на-изоляторе (КНИ) и Si (100) КЭФ 4.5 пучком ионов N2+ с энергией 9 кэВ были выполнены на установке РЭОС PHI 660. Коэффициент распыления определялся по измерению объема распыленного материала [168]: где е - заряд ионов, N - плотность атомов мишени, S и d - площадь и глубина кратера распыления, / - ток первичных ионов, t - время распыления. При измерении коэффициентов распыления необходимо было исключить влияние формирования топографии в виде ВНР во время распыления. Толщина слоя кремния в структуре КНИ составляла 193+3 нм, что меньше глубины образования ВНР Dm для углов бомбардировки 0 42 (см. Рис. 2.7). Ионная бомбардировка прекращалась точно в момент окончания распыления слоя кремния в КНИ по сигналам оже-электронов Si(KLL) и O(KLL). Хорошая фокусировка пучка (диаметр 20 мкм) позволяла получать кратеры распыления с достаточно резкими границами, а использование прибора в режиме РЭМ - регистрировать форму кратеров. Измерения глубин кратеров распыления в КНИ не требовалось. Для углов бомбардировки 9 42 проводилось распыление Si (100) КЭФ 4.5 и измерялись глубины кратеров распыления на профилометре Talystep в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Типичные размеры кратеров составляли S 100x100 мкм2, а глубины 40 нм d Dm(0) для 0 42 согласно данным на Рис. 2.7. Измерение глубин
В специальных экспериментах было установлено, что распыление выходит на стационарный режим на пренебрежимо малой глубине. Основная погрешность в определении коэффициента распыления связана с определением объема кратеров и нестабильностью тока ионного пучка, что в сумме не превышало 10%.
На Рис. 2.35 представлена зависимость коэффициента распыления Si от угла 0 (кривая 1), нормированная на коэффициент распыления при 9 = 0, значение которого составило Y = 0.27 ± 0.02 атомов/N. Это значение практически совпадает с данными (Y = 0.26 атомов/N), приведенными в [169]. Особенностью полученной зависимости Y(9) является резкое увеличение коэффициента распыления при углах 0 30. При изменении 0 от 0 до 65 коэффициент распыления возрастает почти в 10 раз. Полученная кривая Y(0) качественно совпадает с аналогичной 10 зависимостью коэффициента распыления Si ионами Ог+. В работах [ПО, 170, 171] показано, что Y(9) аномально резко возрастает, начиная с 9 15 (кривая 2, Рис. 2.35). Такое поведение Y(9) отличается от случаев распыления полупроводниковых материалов инертными ионами. Результаты работы [172], в которой кремний облучался ионам Со, Аи и Ge с энергией 35-70 кэВ, показывают, что зависимость Y(9) хорошо описывается функцией cos n(9) с п = 2-2.5. Такое же поведение Y(9) установлено при распылении соединений А3В5 и твердых растворов AlxGa!_xAs ионами Аг+ с энергией 2-14 кэВ [73, 74], что хорошо согласуется с предсказаниями теории распыления Зигмунда [130, 173], в которой зависимость Y(9) cos"n(9) отражает возрастание плотности энергии, выделяемой вблизи поверхности при увеличении угла падения ионов.
Основным отличием при распылении кремния ионами азота и кислорода, по сравнению с ионами инертных газов, является то, что приповерхностный слой Si, в котором протекают каскады соударений, приводящие к распылению атомов, представляет собой химические соединения кремния с азотом и кислородом, соответственно. Состав слоя при заданной энергии пучка зависит от угла бомбардировки. В случае облучения Si кислородом вблизи поверхности образуется сплошная пленка Si02 при 0 9 15. При дальнейшем увеличении 9 поверхность становится частично окисленной и при 9 60 кислород практически отсутствует [174]. Как показано в 2.4 при бомбардировке Si ионами N2+ в диапазоне 0 9 34 концентрация азота на поверхности близка к ее значению в Si3N4 (с некоторым содержанием сверхстехиометрического азота), а при 9 34 резко уменьшается (см. Рис. 2.27). Результаты исследования с помощью ИФС, изложенные в 2.4, показали, что фазовый состав приповерхностного слоя при 9 30 представляет собой пленку Si3N4, а при 9 30- смесь кластеров Si и Si3N4. Таким образом, явно просматривается корреляция между составом поверхности и угловой зависимостью коэффициента распыления.
Наличие указанной корреляции позволяет понять поведение угловой зависимости коэффициента распыления кремния ионами химически активных газов. Одним из параметров, который определяет процесс распыления, является энергия связи атомов на поверхности Ев пропорциональная энергии связи атомов в твердом теле. Последняя величина существенно отличается для Si, Si3N4 и Si02: энергии связи атомов Si-N и Si—О в соединениях и Si-Si в кремнии составляют 3.4, 4.4 и 2.3 эВ, соответственно [175]. Состав поверхности, сформированный ионной бомбардировкой при различных углах бомбардировки, будет определять значение средней энергии связи Ев (EBSiSsi + EBcSc), где EBsi и ЕВс - энергии связи атомов на поверхности Si и соединения, a Ssi и Sc - относительные плошали на поверхности, занимаемые Si и соединением. При 0 60 концентрация имплантированных химически активных ионов низка (см. Рис. 2.27), и можно считать, что распыляется поверхность Si инертными ионами с массой, соответствующей N2 или 02. При 0 0Кр = 35 для ионов N2+ и 15 для 02+ приповерхностный слой представляет собой нитрид или оксид кремния. При этом после достижения стационарного режима, когда каждый распыленный имплантированный атом замещается падающим ионом, реализуется случай распыления Si3N4 или Si02 ионами, которые представляются инертными. Поскольку Y 1/Ев, то коэффициент распыления соединений будет ниже, чем кремния. Подтверждением этому являются результаты работы [176], где методом ВИМС-ВАМС исследовалось распыление Si ионами Аг+ при напуске кислорода в камеру образца. Показано, что при увеличении давления 02 выход нейтральных атомов Si уменьшается, что авторами связывается с формированием на поверхности островков Si02.
Двухстадийный процессе плазмохимического и жидкостного
Дальнейшее заглубление сопровождается морфологическими изменениями, степень проявления которых зависит от материала. В случае фианита (Y-Zr-O) наблюдается уменьшение амплитуды волны без изменения X. На Рис. 3.11 представлена серия РЭМ-изображений, демонстрирующая эволюцию волнообразного рельефа по мере прохождения плёнки фианита. Уже на глубине в 50 нм становится заметным уменьшение амплитуды, и на границе данного слоя с подложкой Si рельеф слабо выражен (Рис. 3.11 а, б, соответственно). Происходит как бы стирание ВНР по мере прохождения слоя фианита, что может объясняться меньшим значением его скорости распыления по сравнению с a-Si. Следует отметить, что дальнейшее ионное распыление после прохождения границы Y-Zr-0/Si приводит к ускоренному развитию ВНР на поверхности c-Si. Сформированная на границе Y-Zr-0/Si малоамплитудная шероховатость вызывает ускоренное развитие ВНР в c-Si (Рис. 3.11 в).
С точки зрения согласованности коэффициентов распыления достаточно оптимистичной представляется ситуация в случае структуры a-Si/стекло. Действительно, анализ РЭМ-изображений показал отсутствие каких-либо существенных изменений в морфологии ВНР при заглублении в стекло вплоть до глубин около 0,32 мкм. Аналогичная картина наблюдается при распылении слоя Si02 в структуре Si02/Si. Изменение ВНР начинает проявляться с глубины 0,3 мкм и выражается как в морфологии, так и в увеличении длины волны.
Для полиимида результат оказался отличным от прогнозируемого. Несмотря на возросшее значение относительной скорости распыления по сравнению с
165 оксидом кремния, эволюция морфологии ВНР хотя и происходит, но выражена слабо и наблюдается только при глубинах распыления полиимида свыше 0,5 мкм без изменений X. Из исследованных материалов полиимид оказался наиболее благоприятным для переноса ВНР.
Установлено, что в отличие от системы 02+-GaAs [91] при распылении GaAs ионами N2+ с энергией Е=8 кэВ под углом 0=45 развитие волнообразного рельефа не происходит вплоть до глубин свыше 30 мкм. Поэтому целесообразно переносить нанорельеф в GaAs с аморфного кремния. При переносе ВНР с аморфного кремния в GaAs эволюция рельефа оказалась аналогичной случаю фианита. Происходит уменьшение амплитуды нанорельефа без изменения X. При этом слабо выраженный волнообразный рельеф сохраняется вплоть до глубин распыления свыше 1 мкм. Таким образом, среди рассмотренных здесь материалов эволюция морфологии нанорельефа в слоях с наименьшей (фианит) и наибольшей (GaAs) скоростями распыления оказалась схожей.
Полученные результаты позволяют сделать следующее заключение. При переходе из слоя a-Si в нижележащий слой ВНР переносится без изменений формы на глубину близкую к амплитуде волны. Дальнейшая эволюция амплитуды ВНР определяется кроме распыления, по-видимому, воздействием факторов, инициированных ионной бомбардировкой и сглаживающих топографию -поверхностной диффузии и вязкого течения модифицированного слоя. Факт постоянства длины волны при переносе топографии в подложку за счет распыления в плане природы образования ВНР ставит под вопрос роль распыления и этих факторов в задании периода нанорельефа.
Перенос ВНР в тонкие пленки металлов приводит к формированию массивов металлических нанопроволок. В настоящей работе продемонстрирован пример формирования серебряных нанопроволок на стекле. Исходной структурой для осуществления процесса служила стеклянная подложка, на которую последовательно были нанесены слои серебра 40 нм и a-Si 300 нм при помощи магнетронного распыления соответствующих мишеней. Процесс формирования ВНР в слое a-Si проводился при Е=5 кэВ, 0=45. Момент окончания процесса ионной бомбардировки устанавливался на основании измерений момента времени, отвечающего касанию впадин волн ВНР пленки серебра, который регистрировался по сигналу оже-электронов серебра, и того факта, что скорость распыления пленки серебра в два раза выше, чем скорости распыления a-Si и стекла. РЭМ-изображение массива серебряных нанопроволок на стекле показан на Рис. 3. 12. Во вторичной электронной эмиссии нанопроволоки выглядят светлыми, а стекло темным. Поперечный размер нанопроволок составляет около 50 нм. Аналогичным способом были получены массивы нанопроволок из золота и никеля на стекле.
Таким образом, продемонстрирован достаточно эффективный способ создания ВНР на поверхности материалов, на которых он не образуется. Существование ВНР теперь не ограничено только кремнием. Он может быть создан на поверхности различных материалов путем его переноса из слоя a-Si в нижележащий слой за счет ионного распыления.
По результатам экспериментальных исследований, представленным в 3 главе, можно сделать следующие выводы.
Впервые на основе волнообразного нанорельефа разработан нелитографический способ формирования плотных планарных массивов протяженных наноструктур с управляемым периодом до 20 нм. В структуре КНИ сформирован плотный массив кристаллических кремниевых нанопроволок. Показано, что данный процесс может быть осуществлен локально на заданном микроучастке поверхности структуры КНИ.
Впервые в широком диапазоне изменения параметров получены энергетические, угловые, и дозовые зависимости морфологии, глубины формирования и длины волны волнообразного нанорельефа, инициируемого бомбардировкой ионами азота, на поверхности аморфного кремния. Определена область существования волнообразного нанорельефа в координатах (энергия ионов, угол бомбардировки).
Разработан способ переноса волнообразного нанорельефа из слоя аморфного кремния в слои других материалов методами ионного распыления, жидкостного или плазмохимического травления. Продемонстрировано формирование волнообразного нанорельефа на поверхности подложек из диоксида кремния, полиимида, фианита, стекла, арсенида галлия и ряда металлов посредством его переноса из слоя аморфного кремния в подложки за счет ионного распыления.
