Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Характерной особенностью базовых процессов формирования полупроводниковых структур (диффузия, имплантация, рост, окисление и т.д.) является их осуществление в приповерхностной области обрабатываемой подложки. Это обусловлено, во-первых, дальнейшей миниатюризацией формируемых структур, когда.их.свойства начинают определяться уже несколькими атомными слоями и, во-вторых, преимущественным использованием нетермических источников активации процессов формирования. структур (лазерное и ультрафиолетовое излучение, электрическое поле, ионные и электронные пучки и др.), когда энергетическое воздействие локализуется в приповерхностной области обрабатываемой подложки.
Закономерности протекания приповерхностных процессов радикально отличаются от аналогичных закономерностей в объёме твёрдой фазы. Экспериментальные трудности, возникающие . при, определении этих закономерностей, невольно усиливают значимость теоретических представлений о взаимодействии приповерхностных слоев твёрдой фазы с конденсатом, в первую очередь в газофазных (парофазных) процессах диффузии и роста. Это в значительной мере повышает роль исследований приповерхностных процессов, без знания закономерностей которых невозможно развитие и такого перспективного направления в технологии микроэлектроники как нанотехнология.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Взаимодействие приповерхностных слоев твёрдой фазы с конденсатом в процессах диффузии и роста имеет: в основном, квазихимическую природу. Многообразие видов этого взаимодействия и сложный характер каждого из них определяет потребность в количественной теории квазихимической связи в многоатомных системах.
В рамках теории хемосорбции подробно описан переход атомов примеси из газовой (паровой) фазы на поверхность полупроводника. Теория диффузии даёт детальное описание перемещения примесных атомов в его объёме. Однако в обеих теориях отсутствуют представления о промежуточной стадии массопереноса примеси в рассматриваемой двухфазной системе - о .переходе примеси с поверхности полупроводника в его приповерхностный слой. Отсюда вытекает необходимость создания описания внедрения
хемосорбированной примеси в структуру полупроводника в начальной фазе процесса диффузии.
Существующие представления о гетерогенном зародышеобразова-нии носят феноменологический характер и потому не позволяют судить о механизме формирования зародыша новой фазы, а также о его структуре. В связи с этим возникает необходимость построения теоретических представлений о структурировании зародыша на начальной стадии процесса роста.
Распространение в последнее время нетермических способов активации базовых процессов формирования полупроводниковых структур определяет необходимость расширения теоретических представлений о влиянии, в частности, постоянного электрического поля и УФ-излучения на диффузию примеси и рост плёнок. Выбор в качестве объекта исследования низкотемпературных активируемых процессов закономерен с позиции эволюции современной микроэлектроники: традиционные термические методы формирования полупроводниковых структур с их высокой энергоёмкостью и низкой избирательностью воздействия исчерпали свои возможности. Более того, в них заложен недостаток принципиального характера: размеры создаваемых полупроводниковых структур становятся сравнимыми с длиной свободного пробега теплового фонона.
Все" перечисленные аспекты представленной проблемы и определили направление исследования "Квазихимическое взаимодействие при формировании приповерхностных легированных слоев и кристаллизации плёнок в газофазных процессах диффузии и роста ", основными задачами которого являются :
1. Построение количественной теории
квазихимического взаимодействия в многоатомных системах.
2. Построение теории преддиффузионного состояния хемосорбиро-
. ванной примеси.
-
Построение теории предзародышевого состояния хемосорбированного конденсата.
-
Развитие теоретических представлений о влиянии постоянного
электрического поля на диффузию примеси в приповерхностном ' слое полупроводника.
5. Развитие теоретических представлений о влиянии УФ-излучения
на рост плёнок на поверхности полупроводника.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Для полупроводников типа А'* построена теория хемосорбционного комплекса , через формирование которого реализуются газофазные (парофазные) процессы диффузии и роста. В рамках этой теории развита стохастическая модель элементарного акта образования хемосорбционного комплекса: определены вероятность перехода атома конденсата из адсорбированного в хемосорбированное состояние, и константа скорости этого перехода как квазихимической реакции первого порядка. Построена квантовая модель квазихимической связи между атомом конденсата и атомами, составляющими поверхностный активный центр полупроводника: определена суммарная энергия связи в хемосорбционном комплексе и величина его поляризации. Сформулированы условия образования гомео- и гетерополярного хемосорбционных комплексов. Построена релаксационная модель перегрева в окрестности хемосорбционного комплекса при его образовании: рассчитаны температурное поле в области локального перегрева, а также размеры этой области и время диссипации энергии, выделяемой в элементарном акте образования хемосорбционного комплекса.
Развиты теоретические представления о формировании приповерхностных легированных слоев при газофазной (парофазной) диффузии. На основании теории хемосорбционного комплекса разработан механизм образования вакансии в окрестности гетерополярного хемосорбционного комплекса и построена квантовая модель его распада как элементарного акта перехода атома примеси из гетерополярного хемосорбционного комплекса в образовавшуюся вакансию. Создана кинетическая модель накопления атомов примеси в окрестности гетерополярного хемосорбционного комплекса, интерпретируемого как начальная стадия процесса диффузии.
Развиты теоретические представления о кристаллизации плёнок при газофазном осаждении конденсата. На основании теории хемосорбционного комплекса разработан механизм активации адатома конденсата в окрестности гомеополярного хемосорбционного комплекса и развита решёточная модель взаимодействия в системе "адатом конденсата - гомеополярный хемосорбционный комплекс". Построена квантовая модель формирования зародыша новой фазы как
элементарный акт присоединения адатома конденсата к гомеополярному хемосорбционному комплексу, интерпретируемого как начальная стадия процесса роста.
Развиты теоретические представления о влиянии постоянного электрического поля на диффузию примеси в приповерхносном слое полупроводника типа A'V. Разработаны механизмы активации электрическим полем адсорбции и гетерогенной диссоциации молекул примеси. На основании теории хемосорбционного комплекса построена квантовая модель образования гетерополярного хемосорбционного комплекса в электрическом поле. Создана нелинейная модель диффузии примеси в приповерхностном слое полупроводника при воздействии электрического поля.
Развиты теоретические представления о влиянии УФ-излучения на рост плёнок на поверхности полупроводника типа А'Ч Разработаны механизмы активации УФ-излучением адсорбции и гетерогенной диссоциаций молекул конденсата. На основании теории хемосорбционного комплекса создана динамическая модель образования гомеополярного хемосорбционного комплекса при воздействии излучения. Построена релаксационная модель формирования и роста плёнки конденсата под влиянием излучения.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Теория хемосорбционного комплекса, через образование и последующий распад которого осуществляется внедрение примеси в полупроводник, а через образование и последующий рост - зародышеобразование на его поверхности, позволяет с единых позиций дать количественное описание начальной стадии газофазных (парофазных) процессов диффузии и роста. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и оптимизации этих технологических процессов, предсказании параметров формируемых структур.
Созданная теория допускает формулировку количественных критериев возможности реализации того или иного из рассматрииваемых процессов и их интенсивности в зависимости от характера квазихимического взаимодействия конденсата с поверхностью полупроводника. Применение этих критериев обеспечит целенаправленный поиск и выбор наиболее* благоприятных по отношению к полупроводникам типа A'V реагентов в процессах диффузии и роста.
Построенная теория даёт возможность развить существующие представления о механизме взаимодействия активирующего воздействия нетермической природы (электрическое поле или УФ-излучение) с материалом подложки, что предполагает обоснованную оценку параметров этого воздействия.
Изложенные в диссертации теория, модели и методы решения могут использоваться в соответсвующих разделах физической химии поверхности твёрдого тела и физико-химических основах современной технологии микроэлектроники.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа, помимо введения, представляющего её общую характеристику, содержит пять глав, которые посвящены изложению результатов теоретического исследования по теме диссертации, а также список литературы, из 102 наименований. Полный объём составляет 166 стр., в том числе 8 таблиц и 26 рисунков.
Во второй главе для полупроводников типа AN построена теория хемосорбционного комплекса, через образование которого и последующий распад или последующий рост, осуществляются внедрение примеси в полупроводник или зародышеобразование на его поверхности соответственно. На её основе проведён расчёт вероятности образования хемосорбционного комплекса, состоящего из адатома конденсата и атомов поверхностного активного центра, а также константы скорости образования этого - комплекса как квазихимической реакции нулевого порядка.
Проведён квантовохимический расчёт суммарной энергии связи в хемосорбционном комплексе, а также величины его поляризации, проявляющейся при формировании этой квазихимической структуры. Как следствие теоретических представлений о поляризации хемосорбционного комплекса сформулированны условия образования гомео- и гетерополярного комплексов в зависимости от её величины. В заключительной части второй главы определена величина перегрева в. окрестности хемосорбционного комплекса, возникающего вследствие локального выделения энергии при его образовании,, а также размеры области перегрева и время релаксации избыточной теплоты в приповерхностном слое полупроводника.
Исследованию формирования приповерхностных легированных слоев при газофазной (парофазнои) диффузии примеси посвящена
третья глава. На основе теоретического описания, построенного во второй главе, разработан механизм образования вакансии в окрестности гетерополярного хемосорбционного комплекса, и проведён квантовохимический расчёт вероятности и энергии активации перехода атома примеси из этого комплекса в образованную вакансию. В рамках синергетического подхода описана эволюция накопления примеси в области гетерополярного хемосорбционного комплекса, рассматриваемого как начальная фаза процесса диффузии.
В четвёртой главе диссертации представлены результаты
исследований кристаллизации плёнок при газофазном (парофазном)
осаждении конденсата. В первой части этой главы описан механизм
активации адатома конденсата в окрестности гомеополярного
хемосорбционного комплекса, основанный на теоретических
представлениях, изложенных во второй главе. В следующей части главы
4 определён потенциал взаимодействия адатома конденсата с этим
комплексом, и проведён квантовохимический расчёт вероятности
присоединения адатома конденсата к гомеополярному
хемосорбционному комплексу, интерпретируемого как элементарный акт образования зародыша (элементарной ячейки) новой фазы. На основании этих представлений описана эволюция формирования элементарной ячейки новой фазы, рассматриваемого как начальная стадия процесса роста.
Пятая и шестая главы посвящены исследованию влияния нетермических источников активации на газофазные (парофазные) процессы диффузии примеси и роста плёнок. В пятой главе представлен механизм активации постоянным электрическим полем адсорбции молекул примеси и их гетерогенной диссоциации. На основании теории хемосорбционного комплекса проведён квантовохимический расчёт его образования в условиях электрического поля. В заключительной части этой главы в соответствии с этими представлениями описана диффузия примеси в приповерхностном слое полупроводника, находящегося в постоянном электрическом поле, и проведена оценка адекватности построенного описания.
Шестая, заключительная глава содержит описание механизмов активации УФ-излучением адсорбции и гетерогенной диссоциации молекул конденсата. На основании теории хемосорбционного комплекса
дано описание его формирования и роста плёнки конденсата при УФ-излучении, и проведена оценка адекватности построенногоописания.
