Введение к работе
Актуальность проблемы. Ионно-пучковые я лазерно-пучковые мето-і ;ы получает все боЛее широкое распространение для получения необ-
содимых свойств металлов и полупроводниковых материалов. Так, ион-.
іая имплантация является одним из важнейших направлений развития
:ехнологин микроэлектроники, с которым связывается уменьшение
иола технологических операций, высокая степень надежности выход1-
іюс параметров после кадцой из операций,- максимальная степень ав-,
?оматизации процессов, доведенная до уровня так называемой "без-'
идной" технологии и, как следствие, высокие уровень выхода ГОД- ;
«пс изделий. Неотъемлемым этапом.в этой цепочке является отжиг
;труктурных нарушений, сопрововдаїоцих ионную имплантации. Широ-
:ое развитие в настоящее время получили различные методы термичес»
toro отжига, импульсного отжига. Среди-них особое место, занимает
(мпульсный лазерный отжиг, на который возлагалось много надежц
звиду локальности воздействия, высокой степени контролируемости
пространственных, временных,. мМцностннх, оптических и других важ-
гых характеристик импульсного воздействия.
Большинство экспериментальных и теоретических исследований,
іроведенннх к настоящему времени по проблемам ионного и лазерного
юздействия на полупроводники, относится к кремнию, как лидирую-
(ему материалу электроники. В данной диссертации рассмотрение ог^
шипивается полупроводниковыми соединениями группы А В и SiC- .
іто большой ;шасс достаточно широко используемых й весьма перспек-
'ивнюс материалов. Наиболее, популярным из них является арсенид;.
аллия, обладаний весьма бгагоприятиым сочетанием свойств. На
то основе можно изготовлять микроволновые диоды-варакторы, тран-
исторн, диоды излучв.тельные, пере клочащие, туннельные, иняек-
ционные лазеры, солнечные оатарви, "евЧ-приборы, параметрические усилители.- Цнтегральные схєш на основе JhAt имеот большое преимущество во сравнение с .кремниевыми в двух областях: в СВЧ-технике и оптической электронике. Большой интерес представляют . электролтачинесцентнне свойства: />-л переходов широкозонннх материалов &Q.P и' SiC , Низковольтные точечные источники света в зависимости от характера примесей могут излучать в зеленой, желтой, оранжевой и красной, а на основе SiC и . в фиолетовой областях спектра.
Воздействие излучения как ионного, так и лазерного на соединения обладает более богатым спектром эффектов, чем намоноатои-' ные полупроводники. Исследованы же эти эффекты недостаточно полно. В частности в полупроводниковых соединениях сравнительно слабо изучены: -
Механизмы генерации и взаимодействия структурна дефектов, процесс формирования разупоркдоченного слоя при ионном и лазерном воздействии;
Пространственная локализация внедренной примеси и ее взаимодействие с дефектами;
Трансформация дефектов при термическом и лазерном воздействии, условия отжига дефектов, перераспределение примесных атомов при таких воздействиях.
Исследования по этим направлениям весьма актуальны и для формирования физической картины ионных и лазерних зоздейсгвий и для технологических'применений ионных и лазерных пучков. Возможности в исследовании структурных и композиционных перестроек в кристаллах значительно растишлись с возникновением и развитием
ядернофизических методов. К таким методикам относится резерфор- г.
довское обратное рассеяние (POP) и POP в сочетании с каяалирова-
нием ионов (РОРКИ). Метод» POP и РОРКИ обладает рядом несомненных-
достоинств, среда которых на первое место ыояно бьшо бы ваделить
возможность получать количественную информацюо, одновременно, о
массовом и структурном распределениях по глубине образца, не раз
рушая при этом образец. Уникальны возможности метода РОРКИ в пла
не локализации примесных атомов в решетке кристалла; Результаты,;
полученные в диссертации, преимущественно были получены методами
POP и РОРКЧ. '-.
. Цель*> работы является,исследование структурных и композицион
ных перестроек, возниката^их в полупроводниковых соединениях групг-
и SiC при ионном й лазерном воздействии, исследовАнме
пространственной Локализаций внедренных атомов, структурних
нарушений в решетке кристаллов, формирование аморфних приповерх
ностных слоев. В задачу входило также исследование трансформации
цефеютов и поведения примесных атомов в образцах при термическом
х лазерном отжиге. Одновременно ставилась; задача совервенствова-*-
гая метода РОРКИ для структурных н композиционных исследований
кристаллов. . '
Научная новизна работы. Впервые детально исследован как экспе
риментально, так и теоретически, эффект взаимной экранировки
цепочек fllOj в кристаллах, Приводя^» к асимметрии выхода
рассеянных частиц при симметричных отклонениях оси fllOj 'от на-,
травления пучка в плоскости, (ПО). Установлена область наблюдения
этого эффекта. Исследованы осцилляции выхода POP,- затухатецие с
глубиной рассеяния. л"
Разработан кетод исследования пространственной локализации
ft С
примесных атомов в решетке соединений А В , основанный на эффект взаимной экранировки цепочек [ПОJ . Метод имеет ряд преимутцес по сравнению с традиционными методиками и впервые реализован для локализации имплантированных атомов Jh- , Sa , Sf в faP и faJh .;;
Впервые детально исследован процесс формирования структурного слоя в SIC- при воздействий ионов щ.+ и »ж/ ? широком диапазоне флуэнсов ионов методом Р0РЮІ. Исследовано изменение слс евой концентрации структурных дефектов, относительного выхода в минимуме спектра за пиком дефектов, повреащающей спорности ионов в oiC , а .также толщины разупорядоченного слоя StO с ростом фяуанса ионов fu- и \№ . Получены критические значения флуэнсов, соответствующе образованию аморфного слоя zSi.0-Показано, что повреждающая способность ионов в Si-C- не является константой.! Она максимальна при флуэнсах в области перехода в аморфное состояние, где она превышает величину, предсказываемую теорией линейных каскадов в несколько раз.
УЬтіЛовлено, что возможность восстановления резупорядоченного слоя SiC путем кратковременного высокотемпературного отжига (КВТ зависит от флуэнса т имплантированных ионов. При имплантации о флуэнсами меньше критического (Ф < $с) происходит практически полное восстановление структуры разупорядоченного слоя. Ари Ф ? Ф КВТО приводит либо к уменьшению толщины аморфияовашого слоя, либ к рекристаллизации с большой концентрацией остаточных дефектов. Аналогичные дозовые зависимости остаточных концентраций дефектов наблюдались и при "горячей" имплантации. Проанализирован тип оста точных дефектов. Обнаружено, что структурные перестройки при КВТО
а также при "горячей" имплантации приводят к доминирование про- .. тяженних де^ктов^ Исследовано перераспределение примесных атомов при КВТО. Обнаружено, что если концентрация примесных атомов не превышает предел равновесной растворимости в кристалле і^і<Л^), то профиль практически не изменяется при КВТО. Если же /V/ ?/Vy то КВТО приводит к перераспределению примесных атомов и уменьшении слоевой концентраций (к испаренип) примеси.
Впервые исследовано воздействие импульсов эксимерного лазера
на имплантированные и ЯеишлантированныЯ дарбнд кремния. Установ
лено, что это воздействие не приводит к восстановление структури
раэупорядоченного слоя. 'Наоборот, при достаточно болывой плотное-
ги энергии импульса генерируется дополнительные дефекты. Лнтенсиз-
іоо цефе.гтообразованиэ происходит и в . неимплаитированном образце
SiC при плотности энергии ЛЗ W>0.5/Wc»a.
Впервые было показано, что воздействие мойного лазерного им-
іульса приводит к плавление приповерхностного слоя облучаемого
.'частка поверхности карбида кремния. Обнаружено, что при плотнос
ти энергии ЛВ V/A 1,4 Дж/сьг стехнодатричесжй состав'припо-
юрхностиом слое нарушается таким, образом, что поверхность обо
жается кремнием п таслородом. '.
Исследована зависимости структурных и композиционных наруше-:ий в кристаллах А"Б от плотности энергии 20-30 не импульсов HcnvfipHoro (в fa,P ) и рубинового ibfaJj, I/lP, I/uAf} лаэе-oi!. Обнаружена ьеррелкция структурных и композиционных нарушений одно Л сторони, и плотности давления настгце.нннх паро? при тек-ературе плавления, с другой стороны.
Проведено систематическое исследование лазерно-ішдуцироваиного f.'i«!-.TC'i6p830PtHi!.-i я (f&df я fctP п зависимости от ориен-
тации поверхности кристаллов,впервые методом Р0РКИ показано, что
структурние нарушения в 6йЛ$ после облучения импульсами (tu*
20 но) рубинового лазера максимальны при ориентации поверхности ;
параллельно (III) и минимальны при ориентации (100), \ . І
Впервые обнаружено, что облучение поверхности AirP импульсами
неполярнаованного излучения экеимерного лазера приводит в иенотсК
рнх случаях к образований поверхностной структуры типа регулярно
расположенных пятен, ямок, точек, либо в виде линейных волн, Об
наружены и исследованы отклонения от стехиометрии fy*P как внут
ри особенностей (пятен), так и между ними, t ...
Научная и практическая значимость работы. Детально наследован,, эффект взаимной экранировки цепочек <110>s э структурах А В , об--иаружекы затухающие с глубиной осцилляции в спектрах Р0?к обусдову ленные фокусированными последовательными столкновениями частиц с идентичными цепочками fllOj в соседних плоскостях (110). Эти эффекты обогащает представление о движении потока частиц в режиме ось-плоскостного перехода при каналировании. На базе этих эффектов разработан метод асимметрии для определения местоположения примесных атомов в кристаллах А В . Этот метод используется для локализации пространственного распределения примесных атомов н кх перестройки в соединениях
В диссертации исследовано пространственное распределение имплантированных атомов Jf , Srt vi Si в foP и f&Jfo. Эти результаты представляет ценность, поскольку' они получены методом асимметрии, являющийся прямым методом исследования локализации ' примесных атомов. Данные по локализации In , Si в &Рк &фи, по «07 в аЛ?, в частности, использованы в качестве опорных для идентификации линия в Мессбаузровских спектрах в данной скатемв (г.ВаЛвр и др., '1983). Данные по Sn в 6&Р представляет ин-
?
герєс в плане поведения аморфной примеси при больших дозах им- . тлантации.; ..;'
В диссертации представлены результати исследования ИВ на крис
таллы шйрокощелового полупроводникового соединения1 $С в мо
дификации 6Н, облада-пщего рядом весьма интересных, с точки зрения
юлупроводниковой электроники и оптоэлектроники, физических свойств,
'езультаты исследоваиия дефектообразоЕвния при ИВ ионов &t и т,*
«oryt быть использованы для развития представлений о механизмах
генерации структурных дефектов и формирования разупорпдоченных
їлоев в полупроводниковых соединениях на различных этапах накопле-
ІИЛ флуэнса ионов, для оптимизаций режимов ионной имплантации при/
издании нужных полупроводниковых свойств. ' і
Результати по исследование КВТО, "горячей" имплантации и да- ернэго воздействия на имплантированные и раэупорядоченнче слои
SlC могут бить использованы для развития представлений о транс-
ормации, структурных перестройках дефектов в указанных процессах,
также при разработке технологических режимов модификаций электро-
иэических свойств ІС . I
Исследование структурных и композиционных нарушений а припо-эрхнсстном слое полупроводниковых кристаллов Группы Д3В5 (&iPt (Lfo , 'ІлР и faJf ) и Sit ори воздействия лазерных кч-Шэсов с длительность"!) 20-100 нс Привела к обнаружение ряда . )вых эффектов. Эти эффекты могут послужить основой для развития гаичее.тах представлений о процессах, приэодяава к дефектообразо-1НИТ) в полупроводниковых соединениях при лазерном воздействии. ' юме того, материалы, представленные в диссертации могут быть ,: пользованы для разработки технологических режимов модификации бктро;|яэических спойств соединений А%^ и
Научные положения и результаты, вшосимые на защиту:
-
Результати экспериментального и теоретического исследования .эффекта бз&имной экранировки цепочек «Ш0> в кристаллах AJB .
-
Метод исследования пространственной локализации примесных
"і Я атомов в решетке соединений А В , основанный на эффекте взаимной
экранировок цепочек
3. Результаты исследование процесса формирования структурно-
дефектного слоя в SlC при ИВ «*с и fa . Вывод о доминируй
щем гомогенном механизме дефектообразования в vlC при ИВ ?Л
и ш. и важной роли в формировании раэупорядочоиного слоя про- {
тяженных дефектов де коалирующего типа. Вывод об уменьшении кри
тической плотности энергии с толщиной раз упорядоченного слоя.
-
Результаты исследования структурных перестроек дефектов.в SLC , перераспределения имплантированной примеси при КВТО, "горячей" имплантации и воздействии наносекунд-ных импульсов экснмерного лазера. Вывод о зависимости степени восстановления кристаллической структуры образцов SiC- , имплантированных ионами <ЛС и & путем КВТО или при "горячей" имплантации от флуэнса ионов.
-
Вывод о .плавлении приповерхностного слоя облучаемого участка поверхности SIC при воздействии импульсами эксимерного ла-вера в нормальных внешних атмосферных условиях.
5. Результати по исследование структурных и стехиометричес-ких нарушений в А В и SiC в зависимости от плотности энергии лазерных импульсов с длительностью 20-30 не. Пороговые значения плотности энергии ЛВ для интенсивного дефегтообразосания в ука- занных соединениях. Корреляция иещу величиной структурной раз-
упорядоченности в соединениях и плотность1*) давления насыщенных
паров при температуре плавления.
-
Результаты по исследование зависимости структурного раз-упорядочения при:Ш от кристаллографической ориентации поверхности образца. Результаты по йселедованіт поверхностных структур, образующихся на поверхности &І-Р при воздействии импульсов эк-симерного лазера.
-
Вывод о доминировании термического механизма дефектообразо-вания в полупроводниковых соединениях при плотности энергии ЛВ, бяизкой илч п.ревьша'ощей энергии плавления приповерхностного слоя, и о конкуренции атермичеіских процессов при малой плотности энергии импульсов.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на IX (Лион, Франция, 1981 г.), XI (Вашингтон, США, 1935 г.), ХП (Окаяма, Япония, 1967 г.), Ж(Орхус, Дания, 1939 г.) Международных конференциях по атомным столкновениям в твердых телах, УП (Вильнюс, 1983 г.) и IX.(Люблин, Польша, 1988 г.) Международных конференциях "Ионная ишлантвция а полу-, проводниках, и других материалах", Международной конференции по модификации материалов с помощью ионных пучков (Токио, Япония, 1938 г.), на I (Новосибирск, 1937 г.), П (Окаяма, Япония, 1986 г.) и Ш (Ташкент, I98S г.) Советско-японских симпозиумах по физике взаимодействия заряженных частиц с твердым телом, ХП (1933 г.), Ш (1984 г.), ХУ (1985 г.), Ш (1335 г.), ХУЛ (1987 г.), ОТ (1983 г.) Всесоюзних совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (г.Москва), на ХП (г.Москва, 1985 г.) Всесоюзной /:сн$еренции по когерентной и нелинейной оптике, на 3-ей к 4-эй отраслевых конференциях "Псочмвленная технология к обору-
дованяе ионной имплантации" (Таллин, 1984 г. и Нальчик, 1988 г.),
на Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии ионных ,
кристаллов (Рига, I9B6 г.)-, на 23-ем Всесоюзном семинаре по мо
делированию на ЭВМ радиационных к других дефектов в кристаллах
(Одесса, IS85 г.), на Всесоюзном семинаре по взаимодействиям
ионных пучков с атомами и поверхность»!.твердого тела (Новгород, ;
1986 г,), на Всесоюзной конференции "йонно-лучевая кодификация
,водифИ(сацця материалов" (Каунас, 1989 г.), на ХІУ семинаре * ,
"Радиационная физика полупроводников" (Новосибирск, 1989 г.). і
Публикации:" По теме диссертации опубликовано 36 научных работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация ишгет общий объем !
303 стр., содержит 122 рисунка и V таблиц. Список литературы
содержит 314 наиыенований. " _ ',
