Содержание к диссертации
' СтР-
Введение _
ГЛАВА I. ИОНИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТИ
ТВЕРДОГО ТЕЛА . 0.
Введение ... 10
Физические основы метода ИС . II.
Ионизационные линии в спектрах вторичной электронной эмиссии . .. . . . 12
Глубина информативного слоя ИС 14
Сечение возбуждения остовных уровней электронным ударом 17
1.2.4.. Эффекты химического окружения ....... 22
I. Влияние плотности незанятых состояний . . . 22
2. Химические сдвиги в ионизационных спектрах 35
1.3. Выводы 39
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ . , , 42
Введение . . . ... . . . ... . . . . ... 42
Вакуумная система 43
2.2.1, Конструктивное исполнение вакуумной системы 44
2.2.2. Напуск газов и контроль выдержек ...... 47
2.3. Методики приготовления исследуемых поверх
ностей ..... 49
Приготовление поверхности кремния ..... 49
Получение пленок моноокиси кремния. .... 5g
Источники щелочных металлов ........ 54
2.3.4.. Источники ионов 0^ и N^ ........ 58
2.4. Экспериментальная установка . ........... 58
2,4.1, Измерительная камера 58
2.4.2., Электронный спектрометр 61
2.5. Выводы 64
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТОНКИХ
СЛОЕВ 5іОхи SiO, . . 68
3.1. Введение 68
, , о
Термодесорбция тонкого ( cl~I5 А) слоя 68
Фазовый состав пленок моноокиси кремния, сконденсированных при комнатной температуре 75
Изменение фазового состава пленки S'tUx при отжигах и при нанесении на нагретую
подложку ...... 79
3.5. Выводы 83
ГЛАВА 4. СОСТАВ СЛОЕВ ОКИСЛОВ, НИТРИДОВ И ОКСИНИТРЙДОВ
КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РЕАКТИВНОЙ ИОННОЙ
ИМПЛАНТАЦИЙ МЕДЛЕННЫХ ИОНОВ 0 и ]Ч. . . 84.
Введение . 84
Формирование окислов и нитридов кремния при воздействии ионов 0^ и П на о І (ЮО) 85
Электронная спектроскопия оксинитридов .... 95
Зависимость величины ионизационной потери от эффективного.заряда на атоме кремния в соединении 102
4.5. Выводы 104
ГЛАВА 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КИСЛОРОДА С ГРАНЬЮ (100) Si . 106
Введение 106
Начальные стадии взаимодействия кислорода с кремнием 106
Состав промежуточного окисла 107
Формы адсорбции кислорода и электронно-стимулированная диссоциация III
Взаимодействие кислорода с гранью (100)Si, покрытой субмонослойными слоями щелочных металлов 117
Выводы _1
ГЛАВА 6. ИНТЕНСИВНОСТЬ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЛИНИЙ, ГЛУБИНА
ИНФОРМАЦИОННОГО СЛОЯ И ОПРВДЕЇЇЕНИЕ ТОЛЩИН
СЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЙ 128
Введение 128
Интенсивность ионизационных линий от массивных мишений 128
Эффективная длина свободного пробега относительно неупругих соударений 133
Субмонослойное покрытие на массивной подложке ...136
Несплошное покрытие толщиной ) на поверхности массивной мишени 138
Применение ИС для исследования параметров слоев
на поверхности кремния 140
6. 6.1. Длина свободного пробега электрона относительно
неупругих соударений 141
6. 6.2. Толщина и сплошность слоев окисла кремния,получен
ных различными методами 145
6. 6.3. Эффективная толщина адсорбированного слоя CS на St 149
6.7. Выводы 150
Заключение 152
Литература 156
Введение к работе
Электронная структура и химический состав поверхности кремния и некоторых его соединений, таких как окислы, нитриды и оксинитриды являются определяющими для создания ряда элементов интегральной микроэлектроники, оптоэлектроники, солнечных батарей на основе кремния и его соединений, приборов эмиссионной электроники, таких как ненакаливаемые катоды на основе МДМ-структур и эффективных вторично-эмиссионных эмиттеров. Формирование слоев соединений кремния, в частности окисление монокристаллического кремния в процессе создания, например, подзатворных или туннельных слоев окисла является одним из важнейших процессов полупроводниковой технологии. Несмотря на это, ряд деталей начальных этапов роста окисных слоев, в частности, при комнатных температурах в настоящее время изучен недостаточно. Недостаточно хорошо изучены также механизмы синтеза соединений кремния при бомбардировке поверхности кремния.и соединений ионами активных газов в частности 0J и N . Изучение изменения электронной структуры и химического состава поверхности путем строго контролируемых воздействий на нее может позволить не только углубить знания об элементарных процессах на поверхности, но и позволить получить практически важные технологические решения.
При исследовании таких процессов необходимо применение методов, обеспечивающих достаточно высокую элементную чувствительность и локальность по глубине анализа. Этим требованиям отвечают методы электронной спектроскопии, например, хорошо известный метод электронной-Оже-спектроскопии. Необходимо также привлечение других методов электронной спектроскопии, среди которых в первую очередь представляют интерес сравнительно простые, дающие дополнительную информацию, методы реализуемые в аппаратурном исполне-
ний традиционных методов. Удачным примером такого метода служит ионизационная спектроскопия (ИС) полностью аппаратурно совместимая с электронной Оже-спектроскопией (ЭОС) и позволяющая более просто, чем в методе ЗОС, получать информацию о химическом состоянии поверхностных слоев. Развитие метода ионизационной спектроскопии в применении к исследованию фазового состава соединений кремния и явилось одной из задач поставленных в данной диссертации.
В первой главе на основании обзора литературных данных изложены физические основы ИС и ее места среди других методов диагностики поверхности.
Исследование физических свойств поверхности методами электронной спектроскопии сопряжено с рядом экспериментальных задач, в ходе решения которых был сконструирован и изготовлен сверхвысоковакуумный электронный спектрометр. Обоснование выбора конструкции,, описание и характеристики вакуумной системы, энергоанализатора и измерительного, тракта электронного спектрометра приведено во 2-й главе диссертации. Здесь же описаны и обоснованы методы получения и контроля состава поверхности объектов исследования.
Третья глава посвящена применению метода ионизационной спектроскопии для исследования процессов термодесорбции тонких слоев Ъ\\}^ » а также фазового состава поверхности напыленных пленок моноокиси кремния при различных температурах подложки. Постановка подобного рода исследований диктовалась необходимостью расширения круга соединений кремния изученных методами ионизационной спектроскопии. Что касается пленок Si и , то в литературе отсутствовали работы по исследованию фазового состава, выполненные с помощью современных методов диагностики поверхности, за исключением [i] , где исследования были проведены методом
Оже-спектроскопии. Результаты исследований, изложенные в этой главе, позволили сделать.вывод о большей информативности метода ионизационной спектроскопии при исследовании фазового состава соединений кремния, по сравнению с ЭОС.
Синтез соединений кремния при низких температурах привлекает внимание исследователей возможностью сведения к минимуму термических воздействий, ухудшающих характеристики электронных приборов из-за перераспределения примесей. Одним из таких методов может быть имплантация, ионов активных газов OjT и Ng, в кремний или его соединения. Кроме того, методы послойного анализа поверхностей с помощью электронной Оже-спектроскопии или вторичной-ионной мвсс-спектрометрии часто используют бомбардировку ионами активных газов. Сведений же об изменении фазового состава, поверхности кремния и его соединений.при ионной бомбардировке, полученных современными методами диагностики поверхности, в литературе мало. Поэтому четвертая глава диссертации посвящена исследованию фазового состава слоев окислов, нитридов и оксинитридов кремния, полученных методом реактивной ионной имплантации.
В,пятой главе исследуется взаимодействие молекулярного кислорода с атомно чистой и покрытой субмоноатомными слоями щелочных, металлов гранью (100) Si.. В этой главе экспериментально исследуются характер адсорбции кислорода, и фазовый состав окислов, образующихся на начальных этапах окисление поверхности кремния.
В шестой главе исследуется интенсивность ионизационных линий и глубина информативного слоя ИС. На основании простых моделей получены выражения, позволившие определить толщины и сплошности исследуемых слоев.
Научная новизна работы, определяемая впервые полученными экспериментальными результатами, заключается в следующем:
Установлена корреляция между величиной ионизационной потери и величиной энергии связи 2р электронов кремния в таких соединениях как окислы, нитриды и оксинитриды.
Экспериментально исследовано влияние субмоноатомных слоев щелочных металлов не кинетику образования окислов кремния при комнатных температурах. Установлено, что центрами адсорбции кислорода и образования окисных фаз являются атомы щелочных металлов.
Экспериментально установлен факт образования оксинитридов при реактивной ионной имплантации молекулярных, ионов 0 и N малых энергий в О^Щ и 5і0^ соответственно. Обнаружено различие в кинетике образования оксинитрида при бомбардировке Si^A ионами - ионами
4> Определена энергетическая зависимость средней длины свободного пробега.электронов без.потери энергии в двуокиси кремния в диапазоне энергий 120-320 эв.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
развит метод ионизационной спектроскопии для соединений кремния, позволяющий в едином аппаратурном комплексе с методом ЭОС существенно расширить информацию о составе, его изменении по глубине и электронной структуре соединений кремния по сравнению с методом ЭОС;
предложена, методика определения толщины и сплошности сверхтонких слоев, пригодная для контроля параметров поверхности в ходе физического эксперимента и для контроля технологических процессов изготовления приборов микроэлектроники;
разработана методика количественного определения содержания кислорода и азота в оксинитридах кремния по величине ионизационной потери Д.E.l,« кремния;
-получены результаты, существенные для понимания механизмов начальных стадий образования слоев соединений кремния на кремнии в процессе окисления и реактивной ионной имплантации.
Основные результаты, выносимые на защиту:
Энергетическое положение и форма линий ионизационных потерь связанных с возбуждением 2р уровней кремния в соединениях зависит от химического окружения атомов кремния. При этом величина ионизационной потери Л L [_2, з в кРемнии линейно зависит от эффективного заряда на атоме и і
Глубина анализируемого слоя в методе ионизационной спектроскопии может быть,изменена путем изменения энергии первичного
пучка электронов.
Фазовый состав пленок Sill нанесенных термическим испарением: 3; , SiO и $.0*
На поверхности (100) pi , покрытой субмоноатомной пленкой щелочного металла ( Net , К. , С& ) при выдержках в кислороде меньших 1СГ3торр.сек (I03L.) образуется силикатная окисная фаза. Термодесорбция щелочного металла приводит к образованию слоя. Siug, толщиной 4ф1 А, сплошность которого определяется степенью покрытия щелочным металлом.
При воздействии на..оШ2 ионами NJ и на S'^Nl ионами
„ О J образуются оксинитриды кремния, относительное содержание кислорода и азота в которых, может быть определено по величине ионизаронной потери ДЕ 1г Ъ аТ0М0Б кремния.
Похожие диссертации на Исследование элементного и химического состава поверхности кремния и его соединений методами электронной спектроскопии
