Модификация структурных характеристик поверхности (001) кремния в микроэлектронной технологии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Максимова Тетяна Іванівна

УДК 621.539.211

МОДИФІКАЦІЯ СТРУКТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНІ (001) КРЕМНІЮ В МІКРОЕЛЕКТРОНШЙ ТЕХНОЛОГІЇ

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Одеса - 2000

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Криворізькому державному педагогічному університе-Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук, професор

Соловков Володимир Миколайович, завідуючи

кафедрою інформатики та прикладної математик

Криворізького державного педагогічного університету. Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Новіков Віталій Володимирович, завідуючи

кафедрою вищої математики № 1 Одеського державног політехнічного університету; доктор фізико-математичних наук, професор Гохман Олександр Рафаїлович, професор кафедр загальної фізики Південноукраїнського педагогічног університету ім. К.Д. Ушинського.

Провідна установа - Інститут фізики напівпровідників НАН України, відділ фізичних основ інтегральної мікроелектроніки.

Захист відбудеться “26” жовтня 2000 р. о 1452 годині на засідані

спеціалізованої вченої ради Д 41.052.06 в Одеському державном

політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державног політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “ 2 V’ 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Т.М. Зеленцова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Подальша мікромініатюризація електронної техніки, виробництва приладів на рівні наношарів обумовлюють необхідність ретельного врахування впливу поверхневих ефектів на параметри транзисторів, мікросхем тощо.

В останні роки в мікроелектронних технологіях перевага віддається використанню поверхні (001) Бі. Це обумовлено меншою висотою сходинок на поверхні (001) Б і при порівнянні, наприклад, із природною поверхнею сколу (111) Бі (висоти моноатомних сходинок на гранях (111) і (001) відносяться як 3.1350 / 1.3575 '). Має місце відповідне зменшення густини поверхневих станів при переході від орієнтації (111) до (001).

Одержання технологічної (001) поверхні Бі є важливим етапом виробництва мікроелектронних приладів. (001) Бі не являється поверхнею сколу або природного росту кристалу. Її ідеальній структурі відповідають два обірвані зв'язки на кожний поверхневий атом, замість одного зв’язку, як на інших поверхнях Бі.

Розгляд існуючих даних про перебудову приповерхневих атомних шарів (001) Бі виявляє певну невідповідність між експериментальними та теоретичними результатами. Одна з причин цих розходжень пов’язана з надмірною ідеалізацією моделей поверхні в теоретичних розрахунках.

Для формування (001) поверхні Бі застосовується різка злитків Бі, одержаних, головним чином, за технологією Чохральского. Процес різки викликає підвищення температури поверхневих шарів і приводить до появи структурних дефектів. Для їх усунення використовують цикли “іонне бомбардування - відпал”. Температура відпалу становить 1000 — 1200 К. При опроміненні найчастіше використовують іони Аг+ з енергіями від одиниць та десятків кеВ.

Технологія виготовлення багатьох структур мікроелектроніки

1 Hahn P.O., Henzler M. The Si - SiC>2 interface: correlation of atomic structure and electrical properties // J. Vac. Sci. and Technol.A. - 1984. - V.2, N 2. - C. 574- 583.

передбачає створення на поверхні Бі окислу відповідної якості та товщини. Характеристики окисних шарів обумовлюються мікроструктурою поверхневих шарів Бі.

У розрахунках параметрів поверхні (001) Б і не враховується її .релаксація в достатньо великому об’ємі (розрахунки аЬ іпкіо). В інших випадках використовуються алгоритми молекулярної динаміки, в яких реальні умови формування поверхні (001) Б і враховуються не повністю. Це призводить до неточної інформації про реальну релаксацію поверхні і дає завищенні оцінки ступеня симетрії поверхні (001) Б і в теоретичних результатах. Виникає потреба в більш ретельному дослідженні впливу температурних умов і радіаційної обробки на релаксацію поверхні (001) Бі.

Актуальність теми. При радіаційній обробці поверхні Бі, приповерхневі атоми одержують енергії, які значно перевищують поріг пружного дефектоутворення Еі в Бі. Тому, наприклад, поруч з очисткою мають місце процеси дефектоутворення в глибоких шарах, які погіршують параметри матеріалу. Вибір енергії іонного пучка — одна з важливих задач технології. В роботі досліджено вплив низькоенергетичної радіації, використання якої може оптимізувати процес радіаційної обробки поверхні і зменшити ймовірність утворення нових дефектів.

Теоретичні дослідження модифікації поверхневої структури Бі внаслідок теплового та радіаційного впливу важливі для розвитку сучасних уявлень про реальну структуру поверхні (001) Бі, вирішення практичних проблем стабілізації та відновлення структури поверхневих шарів (001) Бі, покращення характеристик електронної апаратури.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з держбюджетною науково-дослідною роботою “Дослідження структурної моделі фотопровідності напівпровідників” (№ державної реєстрації 0199Ш00429) відповідно до програми науково-дослідних робіт Міністерства освіти України “Нові речовини і матеріали” та за держбюджетною науково-дослідною роботою “Структурні особливості поверхні тетраедричних напівпровідників та механізми їх модифікації під впливом іонізуючого опромінення” (№

з

державної реєстрації 010011002927) відповідно до програми науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники та рідини”.

При виконанні науково-дослідної роботи роль автора дисертації полягає у вивченні структурних характеристик поверхонь тетраедричних напівпровідників, дослідженні фізичних процесів дефектоутворення на поверхні (001) Бі, виявленні механізмів модифікації поверхні Б і під дією низькоенергетичної радіації.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи - установлення фізичних механізмів релаксації поверхні (001) Бі залежно від умов температурної та радіаційної обробки; оптимізація технології застосування низькоенергетичних частинок для стабілізації і відновлення структури поверхневих шарів Бі.

Для досягнення цієї мети були вирішені такі задачі:

- дослідити атомну структуру релаксованої поверхні (001) Бі шляхом комп’ютерного моделювання з використанням модифікованого алгоритму молекулярної динаміки;

- отримати залежність структури релаксованих поверхневих атомних шарів кремнію від температури формування поверхні (001) Бі;

- встановити особливості високотемпературної релаксації поверхневої області Бі і окремо кожного поверхневого шару;

- виявити специфіку виникнення дімерної структури поверхневих атомних шарів в умовах їх релаксації при підвищених температурах;

- дослідити можливість використання радіаційної обробки поверхні (001) Бі частинками в області енергій, близьких до порога пружного дефектоутворення, з метою впорядкування поверхневих шарів Бі й прискорення їх релаксації.

Об’єкт дослідження - структура поверхні (001) Бі.

Предмет дослідження - фізичні процеси формування поверхневої (001) структури Бі.

Методи дослідження - комп’ютерне моделювання методом молекулярної динаміки атомної структури Бі та її радіаційної обробки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

вперше: "..:.

1) одержана залежність атомної структури поверхні (001) Бі від температурних умов її релаксації; високотемпературний режим формування поверхні є одною з причин виникнення дефектних атомних конфігурацій і обірваних зв’язків в поверхневих шарах Бі;

2) показано, що поверхневі атомні шари (001) Бі при температурах, вищих за 900 К, являють собою квазірозупорядковану фазу з дефектними атомними конфігураціями, розірваними та напруженими зв’язками, глибина якої досягає 4-5 атомних шарів;

3) встановлена буферна роль третього атомного шару, що внаслідок високотемпературної релаксації (001) поверхні Бі здійснює взаємодію між поверхнею та об’ємом;

4) показано, що при релаксації поверхні (001) Бі в умовах температур, вищих 900 К, дімери виникають не лише на поверхні, айв нижчих шарах області розупорядкування;

5) доведена доцільність низькоенергетичної радіаційної обробки поверхні Бі частинками допорогових енергій для поліпшення структури поверхневих шарів Бі та прискорення процесів релаксації. Оптимальним є радіаційний вплив, в результаті якого атомам приповерхневих шарів Бі передається енергія поблизу порога пружного зміщення атомів Е^

Практичне значення одержаних результатів полягає:

- в можливості керувати структурними характеристиками реальної поверхні (001) Бі шляхом використання відповідних температурних режимів;

- в передбаченні механізмів квазіхімічних реакцій на поверхні (001) Бі на основі виявлення спектра електронних та атомарних дефектів в релаксованих поверхневих шарах Бі;

- в можливості використання допорогового радіаційного опромінення для стабілізації і поліпшення структури поверхневих атомних шарів (001) Бі;

- в виявленні оптимальних умов радіаційної обробки поверхневих шарів (001)- Si; з метою їх відновлення та усунення, неоднорідності структури.

Особистий внесок здобувана. Всі результати, що становлять основний зміст дисертації, автор отримав самостійно, а саме:

- одержано закономірності релаксації поверхні (001) Si в діапазоні температур від 200 до 1200 К;

- встановлена залежність глибини розповсюдження структурних перетворень і їх фізичних характеристик від температури релаксації поверхні (001) Si;

- виявлені особливості структурних характеристик релаксованої (001) поверхні Si окремо для кожного поверхневого атомного шару;

- одержано просторові характеристики дімерів в релаксованих поверхневих атомних шарах Si;

- досліджено вплив низькоенергетичної радіації на структуру поверхні (001) Si;

Апробація результатів дисертації. Всі основні результати досліджень, які ввійшли до дисертації, докладені й обговорені на конференціях і семінарах:

- The Second Intern. Workshop. New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering (NDTCS-98). (Санкт-Петербург, Росія, 1998).

- Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми електронної промисловості у перехідний період” (Луганськ, 1998).

- I, II Всеукраїнська конференція "Комп'ютерне моделювання і інформаційні технології в природничих науках" (Кривий Ріг, 1999, 2000).

- The Third Intern. Workshop. New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering (NDTCS-99). (Санкт-Петербург, Росія, 1999).

- International Conference “Advanced Materials” (Київ, 1999).

- The 9th Israel materials engineering conference (IMEC - 9) (Haifa, Israel,

1999). ' •

- NATO Advanced Study Institute: Functional gradient materials and surface layers, prepared by fine particles technology (Київ, 2000).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в чотирьох статтях в фахових наукових виданнях, 2 роботах в збірниках наукових праць, додатково висвітлені в 3 матеріалах наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та чотирьох додатків. Обсяг дисертації - 149 с., включаючи 24 с. ілюстрацій, список використаних літературних джерел містить 166 найменувань цитованої літератури на 16 с., додатків -8 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ .

У вступі дається загальна характеристика роботи. Описані актуальність, мета, основні завдання та наукова новизна і практичне значення досліджень. Сформульовано основні положення, що винесені на захист.

У першому розділі приведено огляд сучасних уявлень про структуру та фізичні властивості поверхні (001) Si. Проаналізовано результати застосування радіаційної обробки цієї поверхні. Обгрунтовано вибір напрямків і методів досліджень.

Відмічено, що в найбільшій мірі експериментальним даним відповідає дімерна модель реконструкції поверхні (001) Si. В той же час має місце певна невідповідність між сучасними експериментальними даними і теоретичним описом структури поверхневих атомних шарів Si. Аналіз літературних даних свідчить, що в теоретичних дослідженнях поверхні (001) Si не завжди враховуються умови її формування і не виявляються структурні особливості, що залежать від цих умов.

Процес формування технологічної поверхні (001) Si потребує використання спеціальних методів її обробки. Наприклад, для травлення та

очищення поверхні Бі застосовується чергування циклів “іонне бомбардування - відпал”. Актуальним питанням є з'ясування особливостей впливу температурних умов і умов радіаційної обробки на структурні характеристики поверхні Бі.

Аналіз стану питання щодо теоретичного опису реальної структури (001) поверхні показав, що для наближення теоретичних моделей до запитів технології мікроелектроніки треба використовувати методи розрахунків, які здатні виявити широкий спектр дефектів та простежити температурні залежності параметрів мікроструктури поверхневих шарів Бі.

Проведено аналіз експериментальних даних і теоретичних розрахунків аморфних або невпорядкованих структур, які виникають в поверхневих шарах Бі під впливом радіації та показана доцільність дослідження низькоенергетичної обробки поверхні (001) Бі для впорядкування дефектних поверхневих шарів.

У другому розділі описана методика розрахунків характеристик поверхні Бі, в основу яких був покладений метод молекулярної динаміки.

Метод дає змогу проводити вільну релаксацію великих систем без будь-яких штучних припущень щодо можливих зміщень атомів на поверхні.

У методі молекулярної динаміки рух атомів описується рівняннями руху класичної динаміки із заданим потенціалом міжатомної взаємодії. Задача є повністю визначеною, якщо відомі положення атомів і їх швидкості у початковий момент. Інтегрування диференційних рівнянь здійснювалось за алгоритмом Верлета:

гп = гпА + Ы й”'1 + РпА

Ч ' І І л 1 І 9

2т

й“=ог,+ ^№" + РГ1).

2т

де і - номер атому, п - номер кроку інтегрування, гі - радіус-вектор г'-го

атому, бі - швидкість г-го атому, і*) - сила, що діє на і-й атом, Лґ -величина кроку інтегрування, т - маса атому.

Алгоритм Верлета характеризується підвищеною стійкістю і швидкістю релаксації системи, що є суттєвим фактором при моделюванні радіаційного впливу на поверхню кристалу на протязі значного проміжку часу. •

Введення температури здійснювалось шляхом завдання швидкостей атомів за розподілом Максвела-Больцмана. Розподіл швидкостей задається вже на початковому кроці, що є суттєвою особливістю алгоритму при дослідженні впливу температури формування на структурні характеристики поверхні.

В алгоритм молекулярної динаміки внесені вдосконалення, які дозволили більш коректно враховувати характерні особливості хімічного зв'язку тетраедричних напівпровідників. У разі центральносиметричних сил наявність зв'язку між двома атомами визначається лише відстанню між ними. Оскільки розглядаються тетраедричні структури, то кожний атом зв’язується з чотирма найближчими сусідами.

Існуючі розрахунки з перших принципів свідчать про те, що в алмазоподібних напівпровідниках суттєвий зв’язок виникає між взаємно найближчими атомами на відстані 0,8<і0 < <1 < 1,5с?о, де <з?о - міжатомна відстань ідеальної гратки. Тому зв’язок в нашому алгоритмі вважається встановленим лише при виконанні цих умов. На рис. 1 представлена ситуація з виникненням ненасичених зв’язків.

На рис. 1а) атоми 1 і 2 є взаємно найближчими сусідами, тобто обидва атоми містять один одного в четвірках найближчих сусідів. В результаті обміну електронами між цими атомами виникає ковалентний зв’язок. У випадку, показаному на рис. 16), атом 1 не має в числі своїх найближчих сусідів атома 2, і тому в цьому вузлі виникає один обірваний зв’язок. Таким же чином можливо виникнення двох, трьох обірваних зв’язків, а також міжвузлових атомів.

Рис. 1 Встановлення наявності зв’язків між атомами: зв’язок між атомами 1,2 (а) - існує, (б) - відсутній.

В розрахунках використовується потенціал Стілінджера-Вебера. Функціональна форма потенціалу представляє суперпозицію парної радіальної і потрійної кутової компонент:

«W = ZV2(ty)+ £Уз(Г/»Г/»Г*)>

i,j i,j,k

де v2, v3 — відповідно радіальна і кутова компоненти, які дорівнюють: V2(ty)= A(Brfp -1 )gr(rv),

v3(n’rj>rk) = Щ,гік,ві) + И(ГЛ, rjk,0j) + h{rki,rkj,9k),

1 2

Krу, rik ,0,) = Xgy {r{j )gr (rik ) (cos 9jlk + -) ,

I gr (г) = ехр[у(г -а)1], г <а (г)~ 0, г > а '

де Гу — відстань між атомами і та _/.

У випадку Бі А = 7.049556277, В = 0.602245584, Р = 4, Л = 21.0, а= 1.8, 7=1.2, У2, Vз масштабуються на є- 1.79549 еВ і 6~ 2.0951 А.

Функціональна форма потенціалів дає можливість з достатньою точністю враховувати важливі ефекти, включаючи взаємодію атомів,

розрив та виникнення хімічних зв’язків, спотворення зр2-, $рг-

гібридизації, які виникають на поверхні (001) Бі.

У третьому розділі приведені результати дослідження впливу температурних умов на формування поверхні (001) Бі для знаходження шляхів модифікації її структурних характеристик. Розглянуто реконструкцію поверхні в умовах, що відповідають технологічним процесам мікроелектроніки.

В роботі досліджено структурні характеристики поверхні (001) Бі при температурах релаксації від 200 К до 1200 К.

При низькотемпературній релаксації системи спостерігається дімерна реконструкція поверхні (рис. 2), яка відповідає теоретичним моделям \ Атоми верхнього шару зміщуються один до одного, доки не виявляються в положенні найближчих сусідів і утворюють новий дімерний зв’язок. Таким чином, в дімерній реконструкції відбувається насичення одного з двох обірваних зв’язків поверхневого атома. Суттєві зміщення атомів, які викликають зміни трансляційної симетрії поверхні, характерні лише для атомів верхнього шару.

Має місце виникнення як симетричних (коли два атоми дімеру знаходяться на одному рівні), так і асиметричних дімерів. Кути нахилу

1 Chadi D.J. Dimer configurations at Si surface // Phys. Rev. Lett. -1979. - V. 43. - С. 1145-

1153.

дімерів до площини (001)1 повороту дімерів відносно ідеального напрямку [011] не перевищують 10 а,.середнє значення кутів нахилу дорівнює б,:

Інша ситуація виникає при релаксації (001) Бі в умовах високих температур (рис. 3). Починаючи з температури релаксації Тр = 900 К поряд зі зміною дімерної реконструкції виникає розупорядкування структури, яке досягає 4-5 поверхневих атомних шарів. Наступне охолодження до температур 300 К викликає деяку симетризацію структури, але не зменшує глибину розповсюдження дефектів. Кути відхилень дімерів від ідеального напрямку досягають 20-25°, їх середнє значення становить 6-8°. Ці дані добре узгоджуються з результатами експериментальних досліджень поверхні (001) Бі

Результати дослідження виявили, що високі температури формування якісно змінюють релаксацію поверхні (001) Бі. Головний результат полягає у виникненні квазірозупорядкованої фази, яка охоплює 4-5 поверхневі атомні шари Бі.

Наявність квазірозупорядкованої фази в поверхневих шарах поверхні (001) Бі відображає крива радіального розподілу атомів (рис. 4). В умовах технологічних температур в поверхневих шарах Бі виникають аномальні п-членні кільця, змінюється просторовий розподіл обірваних зв’язків. Статистика п-членних кілець урізноманітнюється. Розупорядкована область містить атомні кільця з п від 3 до 8, серед яких переважають полігони з п = 6, характерні для об’єму Бі.

Значні зміщення атомів охоплюють три приповерхневі атомні шари, атоми четвертого шару в основному вже не виходять з вузлових положень, але в цьому шарі спостерігаються дефекти обірваних і повернутих зв’язків. Третій шар є сильно деформованим, для нього характерне насичення зв’язків, що дозволяє виділити буферну роль третього шару в забезпеченні взаємодії розупорядкованої поверхні і об’єму.

1 Srivastava G.P. Theory of semiconductor surface reconstruction. II Rep.Prog.Phys. -1997. -V. 60.N5.-C. 561-613.

Рис. 2 Реконструкція поверхні (001) Бі при Тр = 300 К.

Рис. З Реконструкція поверхні (001) Бі при Тр = 1200 К, після зниження температури до 300 К.

В процесі високотемпературної релаксації з виникненням обірваних зв’язків в нижчих шарах кількість таких зв’язків у першому шарі Бі зменшується. Якщо у випадку ідеальної дімерної реконструкції на поверхневий атом припадає по одному ненасиченому зв’язку, то тепер кількість обірваних зв’язків верхнього шару зменшується вдвічі.

8(г)

Рис. 4 Крива радіального розподілу атомів чотирьох поверхневих атомних шарів (001) Бі.

-,А

Наявність розупорядкованої фази у випадку високотемпературної релаксації (001) поверхні Бі дозволяє пояснити експериментальні дані по

формуванню межі поділу Бі - БіОг , а також значення енергії активації дифузії домішок’в поверхневих шарах Бі2. '

В четвертому розділі розглядається вплив низькоенергетичної радіації на (001) поверхню Бі. Метою дослідження було виявлення умов і енергії бомбардування поверхні Бі, що сприяють формуванню найбільш упорядкованих структур з мінімальною концентрацією дефектів. При моделюванні радіаційної дії атомам передавався імпульс, що відповідає певній енергії і густині потоку. Глибина дії радіації відповідає довжинам пробігу іонів інертних газів у Бі залежно від енергії частинок.

Порівняння результатів моделювання радіаційного впливу на поверхню Бі енергіями 1, 10, 20, ЗО, 40, 50 еВ дозволило одержати енергетичні залежності ефекту відновлення структури поверхневих шарів Бі.

АЕ, еВ/ат

Рис. 5 Енергетична релаксація в приповерхневій області Бі в залежності від енергії, яка передається атому при радіаційній обробці (001) поверхні Бі.

1 Yang D., Li L., Ma X., Fan R., Que D., Moeller H.J. Oxygen-related centers in multicrystalline silicon // Solar energy materials & Solar cells. - N 62. - 2000. - C. 37-42.

2 Абдулаев Г.Б., Джафаров Т.Д. Атомная диффузия в полупроводниковых структурах. -М.: Атомиздат, 1980. - 280 с.

Допорогова радіаційна обробка приводила до покращення структурних і енергетичних характеристик (001) поверхні Бі (рис. 5).

Найбільший ефект упорядкування (001) поверхні Бі досягається при енергіях, близьких до порога пружного дефектоутворення. Так структури з мінімальною енергією формуються внаслідок передачі атомам енергій, що відповідають порогу дефектоутворення ~30 еВ в кристалографічному напрямку <001>. Величина енергетичного виграшу досягає 0,2 еВ/атом.

Починаючи з енергій, близьких до радіаційного порога дефектоутворення, спостерігається прискорення швидкості додаткової радіаційно-стимульованої релаксації системи (рис. 6), але при енергіях, які перевищують поріг радіаційного дефектоутворення, поруч з цим ідуть процеси утворення нових дефектів в області розупорядкування, а також на ділянках, де зберігалась кристалічна структура.

Іь/і

Рис. 6 Залежність прискорення релаксації поверхні Бі від енергії, яка передається атому при радіаційному впливі. / - час релаксації без бомбардування, 4 - час релаксації при радіаційному впливі.

Бомбардування поверхні Бі в процесі формування Бі шарів відповідає епітаксіальному нарощуванню за допомогою іонних та молекулярних пучків. В цьому випадку мають місце інші закономірності

залежності параметрів плівок Бі від енергій частинок і виникають нерітзноважні структури, які доцільновпорядковувати за допомогою допорогового випромінювання з урахуванням радіаційно-стимульованих процесів, що розглядались вище.

. ОСНОВШ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В роботі одержано принципово нові результати щодо атомної структури і фізичних процесів в приповерхневих шарах Бі. Це дозволило розробити фізичні моделі (001) поверхні Бі, які характеризуються кращим узгодженням з відомими експериментальними даними.

1. Вперше у методі молекулярної динаміки проведено коректування потенціалу з врахуванням специфіки хімічного зв’язку тетраедричних напівпровідників. Це значно розширило можливості комп’ютерного моделювання атомних процесів в ковалентних структурах.

2. Вперше встановлено, що при температурах релаксації поверхні (001) Бі, які перевищують 900 К, утворюється квазірозупорядкована фаза, яка охоплює 4-5 поверхневі атомні шари. Таким чином, всі поверхневі процеси і хімічні реакції, які використовуються в напівпровідниковій технології при підвищених температурах, залежать від характеру квазірозупорядкованої фази.

3. В розупорядкованій фазі змінюються просторові і геометричні характеристики дімерів. Дімери спостерігаються не лише на поверхні, а й в усій області розупорядкування. Виникають п-членні атомні кільця з п від 3 до 8, серед яких переважають кільця з п = 6, які характерні для об’єму Бі. Одержані дані вдосконалюють існуючі моделі, щодо механізмів утворення розупорядкованих фаз алмазоподібних напівпровідників.

4. Дослідження високотемпературної релаксації поверхні (001) Бі дозволяє виділити роль окремих приповерхневих шарів у стабілізації структури. У третьому атомному шарі спостерігається найменша кількість дефектів зв'язків. В той же час він виявляється найбільш

деформованим, що приводить до висновку відносно буферної ролі цього шару, який здійснює взаємодію між поверхнею та об’ємом. Цей висновок вносить нові уявлення щодо фізичних механізмів формування вільної поверхні (001) Si.

5. Розупорядкована область містить обірвані зв’язки. Виявлено вузли, які мають більш ніж один обірваний зв’язок. Одержані результати дозволяють з’ясувати механізми формування шарів напівізолюючого полікристалічного легованого киснем кремнію (SIPOS) та межі поділу Si-Si02.

6. Для впорядкування поверхневих шарів Si, усунення неоднорідності їх структури доцільно застосовувати допорогову радіаційну обробку поверхні (001) Si. Прискорення процесів релаксації і створення найбільш енергетично вигідних конфігурацій відбувається при застосуванні енергій радіаційного впливу, близьких до порога дефектоутворення в Si.

7. Радіаційна обробка (001) поверхні Si може бути більш ефективною при використанні імпульсного режиму опромінення. Врахування знайдених енергій і умов використання допорогової радіації, що сприяють найбільшому впорядкуванню приповерхневих шарів, дозволяє удосконалити технологію радіаційної обробки поверхні (001) Si з метою стабілізації й поліпшення її структури.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Максимова Т.И. Компьютерное моделирование радиационно-стимулированной стабилизации (001) Si поверхности // Фотоэлектроника. - 1998. - № 8. - С. 96-99.

2. Jacobs P.W., Kiv А.Е., Solovjev V.N., Maximova T.I. Radiation-stimulated processes in Si surface layers // Computer Modelling & New Technologies. -

1999.-№3.-C. 15-19.

3. Kiv A.E., Maximova T.I., Solovjev V.N. Microstructure of the relaxed (001) Si surface // Semicond. Phys., Quantum Electronics & Optoelectronics. -

2000. - V. З, № 2. - С. 157-160.

4. Максимова Т.І. Реконструкція і радіаційна-стимульована стабілізація (001) Si поверхні // Укр. фіз. журн. - 2000. - Т. 45, № 8. - С. 994-997.

5. Максимова Т.И., Семериков С.А., Соловьев В.Н. О физической природе метастабильных свойств аморфных полупроводников // 36. наук. пр. Східноукр. держ. університету - Луганськ. - 1998. - С. 104-109.

6. Максимова Т.И. Моделирование поверхности (001) кремния методом молекулярной динамики с использованием эмпирических потенциалов // Комп’ютерне моделювання та інформаційні технології в природничих науках: 36. наук. пр. - Кривий Ріг. - 1999. - С. 12-21.

7. Kiv А.Е., Maximova Т.I., Soloviev V.N. Microstructure of the relaxed Si (001) surface // International conference “Advaced materials”: Functional materials for information recording and radiation monitoring. - Kiev. - 1999. -C. 11.

8. Kiv A.E., Maximova T.I., Soloviev V.N. Dimer structure of the relaxed Si (001) surface // The 9th Israel Materials Engineering Conference IMEC-9. -Haifa.-1999.-C. 18.

9. Kiv A.E., Maximova T.I., Soloviev V.N. Ion stimulated relaxation of silicon surface layers // NATO-ASI: Functional gradient materials and surface layers, prepared by fine particles technology. - Kiev. - 2000. - C. LI 6.

Максимова T.I. Модифікація структурних характеристик поверхні (001) Si в мікроелектронній технології. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук 01.04.01 - фізика приладів, елементів, систем. -Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 2000.

У дисертації методом молекулярної динаміки досліджено вплив температури формування поверхні і низькоенергетичної радіаційної дії на структурні характеристики поверхневих шарів Si. Одержано нові дані щодо впливу температури формування поверхні (001) на особливості релаксації Si. Показана доцільність використання допорогової радіаційної обробки (001) Si для стабілізації і відновлення структури поверхневих

шарів поверхні (001) Si, виявлені оптимальні умови радіаційного впливу.

Ключові слова: поверхня (001) Si, молекулярна динаміка,

модифікація структурних характеристик, низькоенергетичний радіаційний вплив, порогова енергія.

Maximova Т.І. Modification of structural descriptions of (001) Si surface in microelectronic technology. - Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of candidate by speciality

01.04.01 - physics of devices, elements and systems. - Odessa State Polytechnic University, Odessa, 2000.

The processes of the temperature surface formation and low-energy radiation effects in Si (001) surface layers were investigated by computer simulation method. The method of molecular dynamics with empirical potentials was used. The microstructure of relaxed Si surface layers was studied. It was established the formation a quasidisordered phase with different structural peculiarities at high temperatures in comparison with volume structure. The main features in this phase are abnormal atomic polygons, dangling bonds and an arising of dimers in four surface layers. The subthreshold radiation in order to defect islands recover was explored.

Keywords: Si (001) surface, molecular dynamics method, modification oi structural descriptions, low-energy radiation effects, threshold energy.

Максимова Т.И. Модификация структурных характеристик поверхности (001) кремния в микроэлектронной технологии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов, систем. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 2000.

Технология приготовления приборов на уровне нанослоев требует тщательного исследования влияния поверхностных эффектов га параметры транзисторов, микросхем и т. д. В диссертации методом компьютерного моделирования исследована возможность модификации

структурных характеристик поверхности (001) Бй

Приготовление ^технологической поверхности (001) 51 предполагает высокотемпературные условия релаксации поверхностных слоев. Резка слитков Б1, получаемых главным образом по технологии Чохральского, приводит к повышению температуры поверхностных слоев и появлению механических повреждений. Для их устранения используют чередующиеся циклы «радиационная обработка — отжиг». Температура отжига составляет 1000 - 1200 К. Технология приготовления многих микроэлектронных приборов предполагает создание на поверхности окисла

соответствующего качества и толщины. Характеристики окисных слоев обусловлены микроструктурой поверхностных слоев Бь

В качестве факторов, влияющих на характеристики поверхности, рассматриваются температура релаксации и условия радиационной обработки поверхности. Полученные результаты позволяют учитывать реальную структуру поверхности (001) Б1 при прогнозировании свойств электронных приборов и управлении ними.

В модели применяется метод молекулярной динамики. Расчетная ячейка включает 1152 атома. Вводятся периодические граничные условия в двух направлениях. Используется потенциал Стиллинджера-Вебера. Введение температуры производится путем задания начальных скоростей, соответствующих распределению Максвелла-Больцмана. В алгоритм включена процедура пересвязывания атомов с учетом природы связи в алмазоподобных полупроводниках.

Высокие температуры релаксации Тр (начиная с 900 К) приводят к возникновению квазиразупорядоченной фазы. Глубина ее распространения достигает 4-5 приповерхностных слоев. Разупорядоченная область содержит аномальные атомные кольца и оборванные связи. Димеры наблюдаются во всей квазиразупорядоченной области. Основные смещения атомов, нарушающие трансляционную симметрию, характерны для трех верхних приповерхностных слоев, в 4-м - 5-м атомных слоях сохраняется симметрия 1x1, но имеют место дефекты повернутых и оборванных связей.

Образование квазиразупорядоченной фазы в условиях высоких Тр позволяет объяснить экспериментально наблюдаемые свойства границы раздела Бі-БіОг и изменение характеристик диффузионных процессов в приповерхностных слоях (001) Бі.

Исследование низкоэнергетических радиационных эффектов показывает целесообразность использования частиц допороговых энергий для улучшения структуры и устранения неоднородности поверхностных атомных слоев. Установлено, что наиболее эффективной является импульсная радиационная обработка поверхности. Образование наиболее энергетически выгодных конфигураций наблюдается при энергиях радиации, близких к порогу упругого дефектообразования. При этом происходит ускорение времени релаксации поверхности и уменьшается дефектообразование в глубоких слоях Бі.

Ключевые слова: поверхность (001) Бі, молекулярная динамика, модификация структурных характеристик, низкоэнергетическое радиационное воздействие, пороговая энергия.