Введение к работе
Актуальность работы. Ионно-лучевая модификация является аффективным средством создания на поверхности твердого тела новых структур с комплексом ценных: свойств, что позволяет не только экономить дорогостоящие материалы, но и увеличивать срок службы различных технических устройств, уменьшать их размеры. С этим и связано значительное возрастание интереса к' исследованию явлений, происходящих на поверхности и вблизи нее в твердых телах под влиянием внешних воздействий различного типа. При этом особый интерес представляет исследование кремния и арсенида галия, легированных ионами активных элементов (Ва*, К4,. Na+, Cs+h др.), в связи с широкий диапазоном применения этих полупроводников, а также спецификой изменений свойств их поверхности: образование» химических соединений, изменением величин потенциального барьера и параметров энергетических зон.
Для изучения этих свойств весьма эффективными казались методы вторично-эмиссионной спектроскопии (БЭС). С их помощью исследованы изменения состава', структуры и свойств поверхности Si и GaAs, легированных ионами щелочных, и щелочно-земельных металлов. Получены важные сведения о вторично-эмиссионных свойствах поверхности, о химических соединениях, образующихся между атомами матрицы и легирующего элемента и о степени разупорядоче-ния приповерхностного слоя.
Однако, в этих исследованиях практически не использованы методы фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС), дифракция быстрых электронов (ДБЭ), вторично-ионная масс-спектроскопия (ВИШ), оптическое профилирование, позволяющие получить наиболее прямые сведения а состоянии и свойствах поверхности ионно-легированных материалов. Поэтому, большинство полученных результатов по диагностике и контролю поверхности ионно-легированных образцов имели, в основном, качественный характер. Е частности, не были проведены целенаправленные исследования, позволяющие оценить широкие возможности использования ионной имплантации при создании приборов и элементов функциональной электроники; не определены такие важнейший характерне тиші, как доля атомов легирующей примеси, входящих в химическую связь, степень ценности этой связи и величина переносимого заряда мевду атомами; не исследованы и конкретные параметры энергетических egh полупроводников при ион-
ном легировании. ,
Решение вышеперечисленных задач является актуальной проблемой, имеющей важное значение как для расширения области применения низкоэнергетической ионной имплантации при производстве приборов микроэлектроники,' включая интегральные микросхемы и элементы памяти, так и для определения фазовой и электронной структуры ионно-легированных слоев, выявления природы и механизмов кинетики образования новых фаз.
Целью диссертационной работы являлось создание экспериментального прибора и развитие электронных методик для комплексной диагностики поверхности ионно-модифицированных кристаллов 51, БаАз, а также выработка практических рекомендаций по использованию ионной имплантации для создания материалов и приборов микроэлектроники.
Задачи исследований:
конструирование и изготовление сверхвысоковакуумной- установки, позволяющей исследовать состояние поверхности нонно-легированных полупроводников комплексом аффективных.электронных методов;
усовершенствование методики определение параметров энергетических зон и кристаллической решетки'поверхности сложного состава;
разработка способа количественной оценки концентрации примесных атомов, входящих в химическую связь с атомами матрицы;
разработка метода определения связи между, изменениями структуры спектра плотности электронных состояний, составом и кристаллической структурой приповерхностного слоя S1 и GaAs;
выяснение возможностей создания ионной имплантацией многокомпонентных структур и барьерных слоев, необходимых для совершенствования технологии создания приборов микроэлектроники на основе изучения влияния температурного отжига на состав и структуру ионно-легированных образцов.
Объектами исследования Еыбраны монокристаллы Si , GaAs и аморфные образцы S1. Имплантация производилась ионами Ba+,Na'*,K'*' и Сз+ с энергией Е0 =0,5 * 5 клВ и доэой D = 10н * 5-Ю17 см"2 . Выбор образцов обусловлен не только широким использованием этих материалов в различных областях электронного приборостроения, но и конкретными задачами, решаемыми в данной работе.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
реализованы в едином экспериментальном приборе электронные методы анализа поверхности и развиты методшш исследования с их помощью характеристик ионно-шплангированных полупроводниковых материалов;
определены оптимальные режимы ионной имплантации и отжига для создания конкретных многокомпонентных систем с перестраиваемой постоянной решетки, гетеро- и барьерных структур и омических контактов;
предложена оргинальная методика построения энергетической зонной диаграммы, позволяющая получать более глубокие сведения об электронной структуре поверхности ионно-имплантированных полупроводников;
исследовано влияние образования новых соединений и изменения кристаллической структуры поверхности на величины загиба вон, положения уровня Ферми и других параметров зонной структуры поверхности Si и GaAs, что весьма важно для разработки научных основ создания новых гетероструктурных пленок;
предложена методика оценки доли атомов легирующей примеси, образующих химическую связь с атомами матрицы; определены степень ионности связи 1, величины переносимого варяда q и типы химических связей образующихся соединений на поверхности полупроводников, легированных ионной имплантацией, что имеет важное значение для развития технологий материалов микроэлектроники;
для выяснения возможности создания ионной имплантацией эпитаксиальных пленок и переходных слоев сложного состава, изучено изменение фазовой структуры и параметров решетки поверхности монс.'фиеталлических образцов при ее амортизации ионным облучением и при кристаллизации термическим прогревом;
установлены основные физические факторы, приводящие к уменьшению диффузионной глубины инородных примесей в кремнии, подвергнутом ионной имплантации, что рекомендовано использовать в технологических процессах.
На защиту выносится следующее положения:
интегральные электронные методики и экспериментальный прибор для изучения и контроля электронных свойств и структуры по-верлности ионно-легированшх систем путем совместного анализа энергетических спектров фото- и упругоотраженных электронов;
экспериментально определенные значении важнейших характеристик поверхности новых материалов микроэлектроники: параыет-
- 6 -роЕ энергетических гон и кристаллической решетки, степени ион-ности связи, величины переносимого заряда, доли легирующей примеси, входящей в химическую связь с атомами матрицы;
установленная связь между изменениями фазового состава, -кристаллической структуры и распределением плотности электронных состояний приповерхностного слоя 51 и GaAs в процессе их ионной имплантации и последующего отжига;
научно обоснованные результаты о возможности создания ионной имплантацией переходных слоев с переменной концентрацией активного длемента, диффузионных барьеров и омических контактов на поверхности полупроводниковых материалов. В частности, показано, что из границе SI - BaSl создается гетеропереход первого рода.
Научная и практическая ценность работы. Совместное использование электронных методов ФЭС и ВЭС и предложении: на их основе усовершенствованных методик анализа и контроля поверхности материалов позволяет получить нову» информацию о количественном составе, электронной и кристаллической структуре поверхности ион-v.D-легированных материалов, что также существенно'расширяет аналитические возможности и повышает информативность электронной диагностики поверхности, осуществляемой In situ.
Полученные результаты имеют важное значение для целенаправленной ионной модификации и аналига свойств поверхности материалов и рекомендуется использовать их при создании барьерных слоев, омических контактов и новых тонкопленочных структур, необходимых для приборов микроэлектроники. Эти данные представляют интерес также и для развития теории взаимодействия заряженных частиц с " твердым телом и диффузии инородных примесей в материалы. Отдельные результаты работы используются в ЦНИТИ, НИИ физических проблем (г.Москва), ПО "Фоток" (г. Ташкент).
Опытная экспериментальная установка может послужить в качестве базовой при создании установок для получения новых тон-коплэночных многокомпонентных систем с применением ионной технологии. В настоящее время она используются также и в учебном процессе для обучения студентов современным методам электронной диагностики поверхности материалов.
Апробация работы.' Основные результаты диссертации докладывались на XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Киев, 1987; Ленинград, 1990); Всесоюзных конференциях по ионно-лучевой модификации материалов (Черноголовка, 1987; Ново-
- 7 -сибирск, 1991); Ш Всесоюзной конференции по физике окисних пленок (Петрозаводск, 1991); Республиканской научно-практической конференции молодых ученых (Ташкент, 1991); X и XI Всесоюзных конференциях по взаимодействии ионов с поверхностью (Москва, 1991, 1993); VI і Всесоюзном симпозиуме по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности (Ташкент, 1990); I Всесоюзном симпозиуме " Методы дифракции электронов в исследовании структуры вещества " (Звенигород, 1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и сйьеы диссертации. Диссертация состоит из введения, пати глав, закдючзния и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, в том числе 122 страницы машинописного текста, 38 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 107 наименований.
Автор выражает благодарность научному консультанту работы -д.ф.-м.н.,прсф.Нормурадову М.Т.
Похожие диссертации на Разработка и применение электронно-спектроскопических методик для анализа поверхности многокомпонентных систем, созданных ионной имплантацией
