Радиационные процессы в кремниевых наноструктурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Медетов Нурлан Амирович

РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ

Специальность 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Работа выполнена в НИЛ «Радиационных методов технологии и анализа» ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МИЭТ».

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный работник Высшей школы РФ Герасименко Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Мордкович Виктор Наумович заведующий лабораторией радиационно-стимулированных процессов ФГБУН «Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН»

доктор физико-математических наук Итальянцев Александр Георгиевич

начальник отдела функциональной электроники ОАО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники»

доктор физико-математических наук, профессор Тодуа Павел Андреевич научный руководитель ОАО «Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт электрофизики Уральского отделения Российский академии наук»

Защита состоится « 24 » апреля 2014 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.134.03 по присуждению ученой степени доктора наук при ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Автореферат разослан « /Г » сЛОсрр / <?г_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета --■=>

доктор физико-математических наук, профессор В.Б.Яковлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Появление и интенсивное развитие нового направления в науке и технологии, связанного с реализацией принципиально новых эффектов в наноразмерных материалах и структурах вызвали острую необходимость в поиске новых методов их формирования и исследования, которые в свою очередь, при их реализации, привели к обнаружению новых свойств и принципиальных новых явлений.

Радиационные методы воздействия, убедительно продемонстрировали свою эффективность в исследованиях, относящихся к модификации свойств материалов. Уже первые эксперименты показали, что радиационные воздействия могут вызвать в материалах изменения, не наблюдавшиеся при других видах воздействия, которые, с одной стороны, необходимо учитывать при создании и эксплуатации наноструктур, а с другой, можно целенаправленно использовать в нанотехнологиях. В связи с вышеизложенным, систематическое изучение возможностей использования радиационных методов в вышеуказанных направлениях является, на наш взгляд, актуальным и важным.

Цель диссертационной работы заключается в рассмотрении основных (наиболее значимых) радиационных эффектов, присущих как паноструктурировапным материалам, так и приборным наносистемам в целом, а также использования этих эффектов в наноэлектронике и нанофотонике. Основное внимание уделено наноразмерным приборным структурам на основе кремния с учетом специфических особенностей этого материала.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Проведен комплексный анализ радиационных методов как инструмента для формирования наноструктур на кремнии. Рассмотрено совместное применение имеющихся радиационных методов к созданию, измерению параметров и исследованию наноструктур, что дало возможность впервые обнаружить взаимосвязанные явления, вызываемые действием ионизирующих излучений (квантов и частиц), которые оказались принципиально возможными для реализации в наноструктурах с размерами ниже пороговых. В частности, на примере результатов, приведенных в работе, показано, что использование радиационных методов дало возможность реализовать явление самоорганизации, основанное на введении подвижных радиационных дефектов для формирования квантовых точек 8!Ое на кремниевой подложке, а также структурных дефектов типа {ИЗ}, что привело к созданию высокоэффективных источников люминесценции.

2. Эти явления базируются на представлениях о поведении дефектов, образующих пары Френкеля (особенностях их перемещения при взаимодействии между собой и с примесными атомами). Предложена физическая модель, основанная на поведении ближних и дальних пар Френкеля, объясняющая ряд явлений, в частности радиационную стойкость

кристаллических наноструктур, возможность формирования наноструктур путем самоорганизации структурных дефектов, причину проявления пластичности в наноструктурах с размерами ниже пороговых. Эта модель, объясняющая принципиальные особенности появления резкого увеличения радиационной стойкости наноструктур, состоит в том, что пары Френкеля с увеличенным пространственным разделением между компонентами в случае наноразмерных структур не выходят за пределы нанообъекта и, таким образом, становятся аналогом ближних пар Френкеля, аннигилирующих за счет теплового движения.

3. Показано преимущество радиационных методов при исследовании и измерении параметров наноструктур. Обоснована необходимость комплексного подхода к измерению их параметров для получения достоверной информации. Наиболее показательным примером применения радиационных методов для измерения параметров нанообъектов являются результаты использования рентгеновских методов, основанных на применении двулучевой техники и применении новых компьютерных методов обработки полученных экспериментальных информации. В частности это сделано путем применения новых алгоритмов и метода параллельной вычислений с применением графических процессоров.

4. Показана применимость методов «дефектной инженерии» для создания наноструктур. В частности, продемонстрирована возможность получения в монокристаллическом кремнии наноструктурных дефектных образований, выполняющих роль высокоэффективных центров люминесценции. Выявлены особенности формирования таких центров (линейных дефектных комплексов {113}) с помощью протонной бомбардировки при наличии центров зарождения дефектов — атомов бора.

Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:

1. Разработаны методы ионного синтеза наноструктур, в частности 81Се квантовых точек, а также собственных дефектов, обладающих квантово-размерными свойствами, которые демонстрируют возможность создания высокоэффективных излучателей, в том числе для систем оптической волоконной связи.

2. Разработаны физические основы создания радиационно-стойких приборов и систем для атомной промышленности, космических объектов и оборонной техники.

3. Разработана система измерения параметров наноструктур на базе рентгеновских методов и показана эффективность комплексного подхода к измерению таких параметров. Система измерения параметров наноструктур, основанная на применении новой техники, разработанной в Институте рентгеновской оптики и ФИАН им. Лебедева, сочетает возможность оперативного проведения измерений и обработки результатов, а также возможность использования ее без дополнительных мер радиационной защиты. Это продемонстрировано результатами проведения измерений на образцах продукции, выпускаемой заводом «Микрон».

Публикации и апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

- IV Всероссийском семинаре по Радиационной физике металлов и сплавов (г.Снежинск, Россия, 2003 г.);

- международной научно-практической конференции «Снежинск и наука 2003. Современные проблемы атомной физики и техники» (г.Снежинск, Россия, 2003 г.);

- IV международной конференции «Ядерная и радиационная физика» (г.Алматы, Республика Казахстан, 2003 г.);

- международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (г.Москва, Россия, 2003г.);

- I, III Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (г.Нижний Новгород, Россия, 2006, 2010 гг.);

- 15th, 16th, 17th International Conférence on Ion Beam Modification of Materials (Taormina, Italy, 2006 г., Dresden, Germany, 2008 г., Montréal, Canada, 2010r.);

- 6, 7, 8 международном уральском семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов» (г. Снежинск, Россия, 2005, 2007, 2009 гг.);

международном совещании «Микро- и нанотехнологии с использованием пучков ионов, ускоренных до малых и средних энергий» (г.Обнинск, РФ, 2007г.);

- международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (Зеленоград, Москва, Россия, 2008 г.);

- 13th International Conférence on Ion Sources (Gatlinburg, Tennessee, USA, 2009);

международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике». (г.Нальчик, Россия, 2009 г.);

- VII международной конференции «Кремний-2010» (г.Нижний Новгород, Россия, 2010 г.);

- международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии-2010» (г.Дивноморское, Россия, 2010 г.);

- 7-й международной научной конференции «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (г.Караганда, Республика Казахстан, 2010 г.);

XVIII Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (г.Обнинск, Россия, 2010г.);

I международной конференции «Инновационные технологии. Реальность и перспективы» (г.Курчатов, Республика Казахстан, 2010 г.);

- VIII, X международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (г.Курск, Россия, 2011 г., Алматы, Казахстан, 2013);

- VII национальной конференции "Рентгеновское, синхротронное излучения, нейтроны и электроны для исследования наносистем и наноматериалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии - 2011" (г. Москва, Россия, 2011 г.), а также на научных семинарах в Национальном

исследовательском университете «МИЭТ», Национальном исследовательском технологическом университете «МИСИС», Казахстанско-Британском техническом университете.

В ходе выполнения диссертационной работы опубликовано 57 научных работ, из них: 21 статья в рецензируемых научных журналах и изданиях, 1 монография, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 32 работы в материалах Всероссийских и международных конференций, 2 учебных пособия.

Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. Обучение в докторантуре НИУ «МИЭТ» финансировалось международной стипендией Президента Республики Казахстан «Болашак».

Личный вклад автора диссертации. В течение длительного времени, начиная с 2000 года, автор диссертации был одним из ведущих исполнителей совместной программы, выполняемой на основе договора о сотрудничестве между Московским государственным институтом электронной техники и Костанайским социально-техническим университетом. В рамках этой работы был получен ряд принципиальных результатов, развитие которых послужило основой представляемой диссертации, а также опубликовано в совместной монографии (Н.Н.Герасименко, К.К.Джаманбалин, Н.А.Медетов «Самоорганизованные наноразмерные структуры на поверхности и в объеме полупроводников»).

Самостоятельно автором сделано:

- разработана программа по исследованию радиационных эффектов в наноструктурах, прежде всего для кремниевой наноэлектроники и нанофотоники, а также для использования природных нанотрубок (хризотил-асбеста), добыча которого организована в широких масштабах в РК, однако применение его в традиционных направлениях ограничено в настоящее время его токсичностью. Сформулировано новое направление по использованию хризотил-асбеста в качестве эффективного геттера, существенно снижающие возможности отрицательного воздействия на человека;

- под руководством и при участии автора проведены исследования процессов ионного синтеза слоев и наноразмерных включений Со312, Яе^у, БЮе, в том числе направленные на выявление специфических свойств наноразмерных объектов, в частности на реализацию квантово-размерных эффектов;

- впервые показано, что собственные радиационные дефекты в кремнии служат источником интенсивной люминесценции, что может свидетельствовать о реализации в них квантово-размерных эффектов.

- автор участвовал в разработке и реализации экспериментов по адаптации применения рентгеновских методов нового поколения для анализа материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники;

- под руководством и при участии автора разработаны новые методы обработки результатов рентгеновских измерений, с применением новых алгоритмов и техники параллельных вычислений;

- совместно с другими участниками программы, разработана и апробирована программа дистанционного обучения и использования уникальной рентгеновской техники;

- автор участвовал в планировании, проведении экспериментов и обсуждении результатов по применению техники радиационных измерений параметров природных (хризотил-асбестовых) нанотрубок для разработки программы широкого использования этого материала для обеспечения нужд России и Казахстана и совместного выхода на международные рынки.

Научные положения, выносгшые на защиту:

1. Радиационные методы являются эффективным технологическим приемом для создания кремниевых наноструктур, способных проявлять новые либо улучшенные ранее известные потребительские возможности:

- с помощью ионного синтеза с использованием эффекта самоорганизации возможно создавать высокоэффективные источники люминесценции, способные работать без охлаждения (в частности излучатели на длине волны 1,54 мкм на квантовых точках SiGe);

- структурные дефекты — стержнеобразные кластеры, состоящие из междоузельных атомов кремния («rod like defects»), проявляют высокую эффективность инфракрасной люминесценции, ранее не известную для кремниевых излучателей.

Таким образом, радиационные методы показывают способность быть эффективным инструментом «дефектной инженерии».

2. Накопление радиационных дефектов приводит (при переходе к наноразмерным объектам) к принципиальному изменению свойств кристаллического кремния и проявлению новых эффектов:

- проявлению пластичности при облучении фокусированным ионным пучком;

- возможности перемещения профиля распределения внедренных примесных атомов с выходом их на облучаемую поверхность и формированию на ней упорядоченных структур.

3. Кремниевые наноструктуры проявляют экстремальную радиационную стойкость, которая наступает при уменьшении их размера ниже фиксированного порога. Величина этого порога зависит от состояния поверхности нанообъекта.

4. Физическая модель, объясняющая радиационную стойкость кристаллических нанообъектов, базируется на особенностях поведения ближних и дальних пар Френкеля: в пределах нанообъекта любые пары Френкеля ведут себя как ближние пары, то есть демонстрируют максимальную способность к аннигиляции.

5. Наиболее эффективными методами исследования и измерения параметров наноструктур являются радиационные методы, в частности рентгеновские рефлектометрия, дифрактометрия, малоугловое рассеяние. Эти методы демонстрируют возможность экспрессной реализации, особенно с применением новых компьютерных подходов к обработке результатов измерений. Радиационные методы измерений позволяют исследовать и измерять параметры одиночных нанообъектов.

6. Адекватное и достоверное получение информации о составе, размерах и других параметрах нанообъектов требует применения комплекса методов, базирующихся на использовании взаимодополняющих приборов и устройств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, объединенных в три раздела, заключения, списка литературы из 272 наименований. Основная часть работы изложена на 304 страницах машинописного текста, содержит 112 рисунков и 22 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируется цель работы, кратко излагаются основные решаемые задачи и полученные результаты, включая научную и практическую значимость работы, выдвигаются основные научные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен роли радиационных процессов в формировании новых структур, как в процессе синтеза новых соединений, так и в процессе изменения самой структуры базового материала кремния, за счет фазового перехода монокристалл - аморфное состояние и обратно (главы 1 и 2). Сюда же относятся результаты экспериментов по изменению механических свойств кремния при радиационных и нерадиационных воздействиях (глава 3).

В первой главе представлены результаты по ионному синтезу наноструктур представляющих собой материалы, включающие атомы подложки и другие, внесенные при радиационных воздействиях. В результате получаются наноструктурированные химические соединения, в данном случае на базе кремниевой подложки (Со512, Яе^у, БЮе).

Явление формирования наноразмерных упорядоченных структур при ионном синтезе Со812 на поверхности кремниевых пластин было обнаружено нами при использовании сверхплотных пучков ионов Со+. Методами ВИМС, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифракции высокого разрешения, сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) исследовался процесс формирования слоя Со512 в зависимости от плотности тока ионов. Было установлено, что при увеличении плотности тока I до 100 мкА-см"2 возникает ряд интересных ранее не наблюдавшихся эффектов, а именно:

- профиль распределения внедренных атомов Со немонотонно сдвигается в зависимости от плотности пучка ионного тока либо от облучаемой поверхности, либо в противоположном направлении (при максимально использованной плотности тока);

- облучаемый слой в процессе бомбардировки аморфизуется (несмотря на нагрев пластины пучком до 800 °С), а затем кристаллизуется в едином процессе;

- наблюдалась корреляция между среднеквадратичной шероховатостью поверхности, вычисляемой по данным, получаемым методом СТМ, и фазами формирования слоя Со512.

Методом СТМ исследовались процессы самоорганизации приповерхностного слоя кремния, модифицированного облучением высокоэнергетическими ионами Со+.

При анализе изменения структуры поверхности в зависимости от плотности тока можно отметить следующую тенденцию. Облучение исходного кремния ионами Со+ с 1 = 5 мкА-см"2 делает поверхность более шероховатой без видимых признаков самоорганизации поверхности. При увеличении 1 от 15 до 30 мкА-см"2 поверхность становится более гладкой, и шероховатость уменьшается в 2-3 раза в сравнении с шероховатостью кремния при облучении

I =5 мкА'См"2. При этом на поверхности появляются самоподобные (квазиточечные) элементы, ориентированные друг относительно друга. Благодаря высокому подобию этих элементов, они, возможно, являются местами выхода точечных дефектов на поверхности, которые декорируются пленкой адсорбата. При дальнейшем увеличении I до ЮОмкА-см"2 самоорганизация поверхности вдоль выделенного направления сохраняется, но при этом значительно, в 20-30 раз, увеличивается шероховатость поверхности, и характерные латеральные размеры элементов поверхности увеличиваются на порядок.

Образуются вытянутые (шнурообразные) структуры. Следует отметить, что при таких плотностях ионного тока формируемая фаза Со812 выходит на поверхность и, что наиболее вероятно, участвует в образовании шнурообразных структур. СТМ-изображения поверхности, нагретой в течение 1 с и протравленной в течение 1 мин в НВР4, значительно отличаются от исходной топографии поверхности образца, полученного при плотности тока I = 100 мкА-см'2. Эта поверхность не проявляет ни самоподобных, ни самоупорядоченных структур, латеральный размер неоднородностей становится больше, чем на исходном образце. Но дальнейшее травление в течение 20 мин в НВР4 вновь выявляет самоорганизованные и самоподобные структуры, что свидетельствует о наличии таких структур в объеме.

В данном случае нами исследовался процесс накопления радиационных дефектов, принимающих участие в образовании новой фазы, причем особое внимание обращалось на скорость накопления дефектов.

При этом оказывалось, что изменение плотности пучка и соответственно скорости накопления дефектов одновременно приводило к изменению температуры имплантированного слоя. Тогда происходила конкуренция между накоплением дефектов с разной скоростью и нагревом имплантированного слоя, что приводило к трансформации дефектной структуры, а именно к частичному отжигу либо к их перестройке. Следствием конкуренции этих процессов стало проявление новых эффектов на примере образования Со512, а именно образование аморфного слоя при нагревании. В обычных процессах нагревание приводит к увеличению дозы аморфизации и, соответственно, в ряде случаев не удавалось создавать аморфный слой даже при сравнительно больших дозах. В том же случае, когда мы увеличиваем скорость накопления дефектов, то процесс увеличения температуры, а соответственно подавление процесса введения дефектов (частичный отжиг) конкурирует с процессом накопления, который увеличивает поток дефектов с увеличением плотности пучка.

Однако в дальнейшем при увеличении плотности пучка мы сталкиваемся с явлением стимулированной (под действием пучка) кристаллизации аморфизированного слоя. Этот эффект подобен проявлению эффекта больших доз и известному из литературы эффекту стимулированной кристаллизации при сочетании нагревания и облучения легкими частицами. При кристаллизации наблюдается перенос имплантированных ионов от границы раздела аморфная фаза - монокристалл к облучаемой поверхности, что, по нашему мнению, очень

напоминает процесс безтигельной зонной плавки для очистки кристалла от примеси. И тот и другой случай связаны с тем, что коэффициент сегрегации примесных атомов разный для кристаллического вещества и жидкости с одной стороны и кристаллического вещества и аморфной фазы с другой стороны.

Методом импульсной ионной имплантации сформированы структуры силицидов рения на кремнии. При этом предполагалось, что формирование силицидов будет происходить непосредственно во время облучения без последующего отжига, который будет происходить в самом процессе импульсной ионной имплантации, достаточный для фазовых превращений и образования однофазной системы ReSi2. Данные эксперименты реализованы в ИТЭФ на экспериментальной установке, в состав которой входит вакуумно-дуговой источник ионов металлов (ВДИИМ, в международной транскрипции - MEVVA), способный генерировать импульсные пучки ионов.

Использованы пластины монокристаллического Si с ориентацией (100) и (111). Проведено облучение образцов площадью 2 см2, вырезанных из стандартных кремниевых подложек, используемых в полупроводниковой промышленности. Плотность дислокаций таких пластин порядка 103 см"2. Облучение происходило в вакууме 1 • 10"6 мБар. Проводилась регулярная запись сигнала тока с усреднением по 1000 импульсов и определялась набранная доза облучения. Облучение проводилось при следующих значениях энергии пучка -6, 10, 15, 20, 30 кэВ. Для каждого значения энергии проводился набор двух величин доз - 1017 и 1018 см"2.

Для исследования экспериментальных результатов использовались методы ВИМС, рентгеновский элементный микроанализ, рентгеновская дифракция, АСМ, оже-спектроскопия. Присутствие Re в имплантированном слое фиксировалось с помощью рентгеновского микроанализатора ADAKS. При всех режимах имплантации в приповерхностном облученном слое было обнаружено присутствие атомов Re, а также атомов углерода и кислорода (загрязнения в вакуумном объеме).

Наиболее интересным результатом являются данные по фазовому анализу синтезированных пленок. Методом рентгеновской дифракции на многофункциональном рентгеновском комплексе «Х-Ray MiniLab» получены следующие результаты: в спектре кроме Si присутствуют линии соответствующие ReSi. При этом следует отметить, что хотя спектр и свидетельствует однозначно о присутствии монофазного соединения ReSi, говорить о его структурном совершенстве не приходится.

Исследования методом ВИМС проводились на масс-спектрометре вторичных ионов Cameca IMS-4f. Анализ ВИМС выявил зависимость профиля распределения элементов по глубине от режима имплантации. В частности, при энергии ионного пучка 6 кэВ и дозе 1018см"2, рений концентрировался в приповерхностном слое, распределение его было наиболее однородным и толщина пленки рения на кремнии была наибольшей и составляла порядка 200 нм.

Для определения скорости травления поверхности образца образец №1 (КДБ-10 (111), Ю18 ат/см2, 6 кэВ) был сломан в жидком азоте, после чего

методом растровой электронной микроскопии были получены изображения торца слома в обратнорассеянных и отражённых электронах. По изображению была построена зависимость распределения интенсивности сигнала от координаты вдоль нормали к поверхности образца, ширина пика на полувысоте соответствует толщине плёнки рения и равна 180 нм. На графике зависимости вторичного тока изотопов рения-187 и кремния-30 участок с момента выхода кривой сигнала тока рения на постоянную величину (4,7 мин.) до момента выхода на постоянную величину сигнала кремния (26,5 мин.) соответствует процессу травления плёнки рения. Таким образом, скорость травления составляет 8,3 нм/мин.

Для исследования топологии облученной поверхности использовался АСМ. С его помощью были получены изображения поверхности и изображения склонов кратеров, образовавшихся от ВИМС травления. На склонах были обнаружены нанообразования в виде пирамидок с линейными размерами порядка 100 нм. С помощью электронной оже-спектроскопии (ЭОС) на установке PHI-680 фирмы «Physical Electronics» проводился элементный анализ нанокластеров, полученных на стенках кратеров от ВИМС травления. Результаты анализа нанообразований показали в сформированных нанокластерах повышенное количество рения, чем в областях между нанокластерами.

Таким образом, с помощью импульсной ионной имплантации сформированы структуры RexSiy на кремнии. Результаты исследований показали, что в имплантированном слое обнаружены наноразмерные кластеры, фазовый анализ которых показал, что они являются многофазными, а профиль распределения элементов по глубине зависит от режимов имплантации.

Сформированы квантово-размерные структуры SiGe с помощью ионнного синтеза, проведен анализ состава формируемых наноразмерных неоднородностей, показана реализация в них эффектов размерного квантования на основе результатов изучения фотолюминесценции.

В работе использовался монокристаллический кремний, легированный бором с удельным сопротивлением — 1 Ом см (КДБ-1) и легированный фосфором с удельным сопротивлением — 4,5 Ом-си (КЭФ-4,5) с ориентациями (111) и (100). Для облучения использовался ионный ускоритель фирмы Бальцерс типа "Сканибал". Параметры ионных пучков, использованных в данной работе: энергия Е = 30 и 150 кэВ, дозы выбирались в пределах 10131017 см"2. Плотность ионного пучка составляла 5 мкА-см"2.

Анализ имплантированных поверхностей производился с помощью АСМ производства фирмы NT-MDT. Образцы измерялись либо непосредственно после имплантации ионов германия, либо после последующего отжига. После облучения и отжигов поверхность кремния становится шероховатой, причем размеры характерных элементов возрастают после проведенных отжигов. Размеры элементов, образующих поверхность образцов, облученных большими дозами, возрастают еще более резко, при этом упорядочение становится более явным, о чем свидетельствуют результаты Фурье-анализа.

Формирование несимметричной картины на Фурье-изображении свидетельствует о существовании выделенного направления расположения наноэлементов. Полученные значения размеров элементов, образующих структуру на поверхности свидетельствуют о том, что сформированная структура пространственно-упорядоченных элементов имеет размеры в нанометровом диапазоне. Рассчитано среднее значение шероховатости Яа, которые описывают морфологию поверхности по формуле:

где Nx, Ny — число точек вдоль осей X и Y, Zy — общий перепад высот.

Полученные АСМ-изображения структуры SiGe практически совпадают с теми, что демонстрируют образование наноостровков Ge при нанесении слоя Ge на поверхность Si с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии или химического осаждения. Для получения дополнительных деталей о свойствах поверхности использовался фазовый анализ.

После травления с помощью АСМ был обнаружен микрорельеф поверхности, проявившийся в силу селективности травления Si и Ge. Так как Ge в данных условиях травится медленней, чем Si, изначально можно предположить, что состав островков более обогащен Ge, чем окружающая их матрица. Травление проведено 33% раствором КОН в течение 25 сек. при 100 °С, что позволило стравить приповерхностный слой оксида кремния и кремния до уровня с максимальным содержанием германия.

Проведенная с целью уточнения пространственного распределения внедренных ионов Ge проверка с помощью ВИМС показала, что после имплантации и отжигов внедренные атомы Ge распределяются по глубине в соответствии с известными представлениями и совпадают с расчетом, проведенным по программе SRIM.

Доказательством неоднородного распределения атомов германия с концентрацией их в области квантовых точек послужили результаты по исследованию структур с помощью АСМ в режиме, определяющем рельеф поверхности, а также в режиме измерения емкостной моды. Практическое совпадение флюктуаций при измерении емкости и определения рельефа послужили начальным доказательством неоднородного распределения внедренных атомов германия.

Исследование химического состава кластеров методом электронной Оже-спектроскопии высокого пространственного разрешения пучка ~14 нм показало, что исследуемые куполообразные области соответствуют областям с повышенным содержанием германия, состав которых отличается на 10-15 ат. % от состава вне исследуемых структур. Для образца с дозой 1-Ю17 см"2 концентрация Ge в обогащенной зоне составляет 30,6 % (ат.), а вне - 20,7 % (ат.), что соответствует твердому раствору состава Si0 7Geo з> а вне - Si0 8Ge0 2-

0)

Поскольку размеры наблюдаемых неоднородностей соответствуют размерам объектов, проявляющих квантово-размерные эффекты, исследовалось проявление таких эффектов на описываемых структурах. С этой целью были проанализированы спектры комбинационного рассеяния света (КРС). Облучение проводилось аргоновым лазером с длиной волны 457,9 и 514,5 нм. Метод КРС показал, что твердый раствор SiGe после отжига представляет собой кристаллическую модификацию, т. е. полностью отсутствует аморфная фаза. Об этом свидетельствует отсутствие пиков на частотах 270 см"' (Ge-Ge), 370 см"1 (Si-Ge) и 480 см"1 (Si-Si), которые соответствуют продольным оптическим фононам (LO) в аморфном материале.

Присутствие на спектре КРС дополнительных пиков в областях Si-Si (495 см"1) и Ge-Ge (250 и 295 см"1) связей, характерных для колебаний в квантовых точках, наряду с пиками, присущими твердым растворам Si-Ge (420 см"1 для Si-Ge), свидетельствует о пространственном ограничении основных мод оптических фононов.

Однозначным доказательством проявления эффекта размерного квантования являются результаты исследования фотолюминесценции (ФЛ) на имплантированных структурах SiGe (рис.1). Из представленных на рисунке данных следует, что на структурах с наноразмерными кластерами, обогащенными атомами Ge наблюдается интенсивная ФЛ вплоть до комнатных температур, что свидетельствует о реализации эффекта размерного квантования. Следует подчеркнуть, что наилучшие результаты в этом направлении получены на структурах с наибольшей степенью упорядоченности наноразмерных кластеров.

Рис.1. Изображение излучающих областей образца.

С помощью фрактального и Фурье анализов исследованы упорядоченные и неупорядоченные структуры SiGe и CoSi2, наблюдаемые на АСМ и СТМ изображениях. Установлена взаимосвязь между фрактальным размером и степенью упорядоченности поверхности, а также показана корреляция фрактального анализа и Фурье-анализа, по которому можно судить о наличии выделенного направления в поверхностных структурах.

Также показано, что фрактальная размерность не зависит от размеров скана, перепада высот и шероховатости, она является самостоятельной величиной, которая позволяет судить о структуре поверхности, особенностях деталей шероховатости. С помощью фрактального анализа удается зафиксировать упорядоченность и в тех случаях, когда различить существование заметной упорядоченности другими методами, в частности путем визуального наблюдения не удается.

Проведено компьютерное моделирование двумерных систем с элементами разной формы и разной степенью их упорядоченности. На базе такого представления была разработана компьютерная модель, суть которой заключается в определении фрактальной размерности системы двумерных объектов, расположенных с заданным процентом упорядочения, и отслеживании динамики её изменения при варьировании геометрического местоположения объектов в системе. Анализ описанных результатов, разумеется, не дает возможности получить абсолютные значения фрактальной размерности для каждого соотношения порядок - беспорядок данной системы. Однако он с успехом может использоваться при сравнительных измерениях, когда для данной исследуемой системы выбирается эталонный образец, отличающийся высокой степенью упорядоченности.

Таким образом, если во всех рассмотренных выше Случаях мы имеем дело с радиационным формированием новых фаз соединений и их кластеризацию с образованием наноразмерных включений на примере CoSi2, RexSiy, SiGe. Данные процессы сопровождаются тем, что в имплантированный слой и пограничные ему слои подложки вводятся упругие напряжения, релаксация которых приводит к формированию кластеров, как структур, обладающих меньшей поверхностной энергией, при этом само перемещение связано со стимулированной поверхностной диффузией. То во второй главе мы рассматриваем создание наноразмерных структур радиационными методами в процессе изменения самой структуры базового материала кремния, за счет фазового перехода монокристалл - аморфное состояние и обратно.

Вторая глава посвящена получению наноструктурированных материалов на базе собственно монокристаллического кремния, при радиационной обработке которого возникают дефектные комплексы, способные играть роль функциональных наноструктур, либо направленно изменять топологию на таких структурах.

Для развития направления дефектной инженерии, ставящей перед собой целью создание функциональных электронных приборов путем использования структурных дефектов, на наш взгляд особо привлекательным являются стержнеобразные дефекты (СД) — протяженные дефектные комплексы,

формирующиеся в плоскостях {113}. Внимание к ним обусловлено тем, что их присутствие было связано с появлением интенсивной ФЛ, присутствующей вплоть до комнатных температур. Представления о квантово-размерной природе ФЛ (квантовые проволоки) показаны в первых экспериментах по наблюдению такого излучения [1]. Наши исследования этого эффекта на образцах, облученных протонами показали, что возникновение интенсивной ФЛ связано непосредственно с формированием СД.

Суть их состоит в следующем. При однократном облучении протонами с-Si (ионы Н2+, Е = 150 кэВ, Тобл = 500°С, j = 1мА/см2, D = 1*1017 см"2) наблюдается ФЛ в ИК области спектра на длине волны 1390 нм. ФЛ наблюдалась только на образцах, легированных бором (КДБ-10) и не наблюдалась полностью во всем исследованном температурном диапазоне (9 -300 К) на образцах, легированных фосфором (КЭФ-4).

Другие особенности ФЛ были выявлены на образцах, подвергнутых двойному облучению. Условия облучения: Т0бл = 500°С; 1 — Е = 150 кэВ, j = 5 мА/см2, ил = 55 мин, D = 1*1017 см"2; 2 - Н2+, Е = 150 кэВ, j = 1 мА/см2, = 6 ч. 37 мин, D = 1*1017 см"2. Температуру задавали путем нагрева кристаллодержателя. При заданных параметрах пучка облучение не приводило к существенному возрастанию температуры образца.

В спектре ФЛ ярко выражены несколько полос, в том числе полоса 1390 нм и полоса 1300 нм. При однократном облучении собственная полоса излучения (-1100 нм) существенно меньше по интенсивности, чем после двойного облучения. Это может свидетельствовать о том, что при однократном облучении вводятся в значительной концентрации центры безызлучательной рекомбинации, которые при двойном облучении исчезают.

В дальнейшем были проведены эксперименты по исследованию структуры поперечных срезов образцов с помощью сканирующей ПЭМ. Сравнение изображений для КДБ и КЭФ образцов (первый демонстрирует интенсивное излучение, на втором оно отсутствует), показало, что на тех и других образцах явно выражена резкая граница, отделяющая нарушенный слой от основной подложки. Толщина основного нарушенного слоя составляет -780 нм для обоих образцов. Эта полоса соответствует пробегу протонов с использованной энергией. Эффект отслаивания нарушенного слоя выражен одинаково для КЭФ и КДБ образцов. Основные отличия образца КДБ: контраст нарушенного слоя более неоднородный; глубина распространения и количество протяженных дефектов в нижележащем кристаллическом слое выше; ярче выражен второй дефектный слой на глубине порядка 1,8 мкм.

На ПЭМ изображении образцов проявляются дефекты. Микродифракция обнаруженных дефектов показывает, что их структура может трактоваться как гексагональная. В этой связи можно напомнить, что гексагональная структура не впервые наблюдается на Si, подвергнутого интенсивным воздействиям. В частности, такая же структура наблюдалась на фронте кристаллизации аморфизированного ионной бомбардировкой слоя Si при его рекристаллизации в процессе непрерывного облучения («эффект больших доз») [2].

Мы рассматриваем физическую причину возникновения интенсивной ФЛ на Si, облученного протонами, с позиции рассмотрения особенностей взаимодействия внедренных атомов водорода с атомами бомбардируемой матрицы, то есть с атомами Si. Эти особенности, по нашему мнению, сводятся к следующему:

1) Атомы водорода образуют химические связи с атомами Si, причем как с оборванными связями на атомах, остающихся в положении равновесия в узлах кристаллической решетки, так и с выбитыми атомами, т.е. с междоузельными атомами Siin. В первом случае наблюдается декорирование известных вакансионных дефектов, в частности дивакансий, что наблюдается по уменьшению интенсивности полосы в спектре ИК поглощения облученного кремния на длине волны 1,6 мкм. [3]. Такое же декорирование обнаружено при отжиге вводимых ионной бомбардировкой в кремний многовакансионных комплексов (FF-центров).

Декорированные многовакансионные дефекты могут быть восстановлены дополнительным облучением протонами в таких режимах облучения, когда VV-центры самой протонной бомбардировкой не вводятся [4]. Иными словами, сформированные в исходных образцах при бомбардировке ионами В+ и более тяжелыми ионами многовакансионные комплексы при первом облучении протонами декорируются атомами водорода и выпадают из наблюдения, однако при повторном облучении протонами при комнатной температуре вакансионные комплексы проявляются вновь [5].

2) Междоузельные атомы Siin (компоненты образованных при облучении пар Френкеля) также образуют химические соединения с атомами водорода, которые проявляются в виде резонансных полос в спектре инфракрасного поглощения облученного протонами кремния в диапазоне длин волн 4,5 — 5,5 мкм. Спектральное распределение этих полос может быть сопоставлено со спектральными полосами ИК поглощения газообразных силанов [6]. По-видимому, эти соединения отвечают, главным образом, за реализацию эффекта скалывания (smart-cut effect), первое наблюдение которого представлено в работе [7].

3) Здесь же отметим, что эффект скалывания наблюдается только при ионном внедрении атомов водорода (гелия), но не наблюдается при внедрении ионов кислорода и азота, т.е. при образовании захороненных слоев оксида и нитрида кремния. По-видимому, это связано с тем, что в этом случае не образуется газообразных компонентов, которые могут собираться в области максимальных напряжений и способствовать откалыванию пластины.

В заключение отметим, что облучение протонами или ионами молекулярного водорода является, по нашему мнению, наилучшим способом введения СД, с появлением которых связана интенсивная ФЛ на образцах. Утверждать однозначно, что источниками ФЛ являются СД можно только с учетом, что их генерация на образцах содержащих атомы бора является достоверным фактом. Однако обращает на себя внимание тот факт, что при образовании таких дефектов вплоть до момента скалывания приводит к выделению других дефектных комплексов, в ряде случаях демонстрирующих

гексагональную структуру. Это позволяет рассматривать такие дефектные включения в качестве источников интенсивной ФЛ, с учетом того, что в этом случае (для гексагональной фазы кремния) может реализоваться иная энергетическая зонная структура кремния и, возможно, прямые излучательные переходы.

Несомненно, что дальнейшие работы по использованию стержнеобразных дефектов для формирования интенсивных источников излучения на кремнии наиболее эффективны при использовании протонного (Н2) облучении. Однако сам механизм формирования излучающих центров, их природа и оптимальные условия их формирования подлежат дополнительному изучению.

В этой главе мы продемонстрировали возможность формирования структурных дефектов, в частности протяженных дефектов, формирующихся в плоскостях {113}. Данные междоузельные комплексы, как выяснилось из нашей работы, могут демонстрировать не только характерные особенности, связанные с динамикой формирования структурных дефектов, но и в силу геометрических размеров, как было показано, могут играть роль квантово-размерных структур. Учитывая их устойчивость и проявленные свойства, по нашему мнению, их можно использовать в дефектной инженерии. Следующая глава посвящена другому аспекту развития дефектной инженерии за счет изменения механических свойств при накоплении радиационных и нерадиационных дефектов.

В третьей главе приводятся результаты экспериментов по изменению механических свойств материалов при радиационных воздействиях на примере наблюдения пластичности кремния при аморфизации под действием фокусированного ионного пучка (ФИП), а также при нерадиационных воздействиях, а именно химическом воздействии, на примере рассмотрения дефектообразования при формировании пористого кремния.

ФИП широко применяется в технологии твердотельной микроэлектроники, в частности, с его помощью проводится формирование профилей на поверхности путем вытравливания канавок, цилиндрических отверстий, а также для подготовки образцов при исследовании структуры с помощью ПЭМ. При этом принято считать, что при травлении форма стенок вытравливаемого профиля сохраняется абсолютно гладкой. Нами обнаружено, что в зависимости от условий эксперимента, на поверхности цилиндров формируются кольцеобразные наплывы, расположенные друг от друга на одинаковых расстояниях.

Исследование проводилось на установке FEI Quanta 200 3D. Значение энергии ионов варьировалось от 5 до 30 кэВ, тока пучка от 1 до 20 нА. Травление образца проводилось в двух режимах: сканированием ионным пучком по выбранной области с заданным временем его нахождения в каждой точке скана (от 1 до 50 мкс.), а также в неподвижном положении пучка на поверхности образца. В работе использовались образцы Si с ориентацией (111) и (100), но зависимость наблюдаемых явлений от ориентации образца не наблюдалась. Во время травления все образцы располагались перпендикулярно

к ионному пучку. Диаметр зонда фиксирован и составляет - 2,75 мкм.

Во время исследования зафиксирована зависимость процесса формирования периодических структур при ионном травлении от плотности тока ионного пучка. При плотности тока ионного пучка 1=2,16 мкА/см наблюдаются ярко выраженные наплывы на стенках цилиндра (рис. 2), а при .1=1,07 мкА/см2 образование наплывов отсутствует. Представленные результаты показывают, что увеличение плотности пучка приводит к формированию периодического рельефа на поверхности стенок вытравливаемого цилиндра.

Рис.2 СЭМ-изображение образующегося цилиндра

Также нами наблюдалась зависимость процесса формирования периодических структур при ионном травлении от частоты сканирования, при этом площадь, глубина и общее время травления оставалось постоянным. Представленные результаты показывают, что при уменьшении частоты сканирования рельеф на стенках вытравливаемого цилиндра исчезает, причем этот процесс наиболее заметен для областей, расположенных глубже от облучаемой поверхности. При большей частоте сканирования подобная закономерность проявляется так, что у облучаемой поверхности формируемый рельеф проявляется более четко.

Наибольший интерес представляют результаты исследования профиля травления при воздействии пучка на образец без сканирования, то есть при постоянном воздействии пучка в точке. В этом случае наблюдается немонотонный характер возникновения наплывов на стенках вытравливаемого цилиндра. При начальном времени травления (1=5с.) рельеф отсутствует. С увеличением времени травления периодические структуры начинают

проявляться, при этом вначале структуры формируются с одной стороны (1=20с.), затем происходит формирование структур по всей поверхности цилиндра (1=100с.). При дальнейшем увеличении времени травления (1=3б0с.) рельеф исчезает, что аналогично исчезновению профиля при травлении по области с малой частотой сканирования.

Сопоставив наблюдаемые нами явления и возможности их объяснения с известными из публикаций в мировой литературе результатами и их интерпретацией, мы попытались объяснить всю совокупность наблюдаемых нами экспериментальных особенностей следующим образом.

В ситуации травления неподвижным пучком можно привести описание эффекта исчезновения наплывов, опираясь на явление радиационной пластичности, как причину их появления. Данный процесс можно разделить на два этапа: формирование рельефа и сглаживание. Во время первого этапа идёт процесс радиационной текучести под ионным пучком, за счёт генерации дефектов на стенках вытравливаемого профиля, в результате которого образуются ступеньки на стенках цилиндра. Второй этап - это сглаживание полученного рельефа под действием того же ионного пучка за счёт воздействия на образовавшиеся структуры в результате чего поверхность выравнивается. Цикл повторяется снова до тех пор, пока граница профиля не сместится за границы воздействия пучка.

Наблюдаемое нами формирование рельефа и его последующее исчезновение, при воздействии сканирующим ФИП, можно объяснить следующим образом. В этом случае обработки наблюдается формирование периодической структуры на стенках вытравливаемого цилиндра за счет проявления эффекта пластического течения. При этом следует учесть, что при формировании цилиндра сам по себе пучок падает на стенки цилиндра под малым углом. Уменьшение частоты сканирования во время травления цилиндра приводит к сглаживанию рельефа, который остаётся только вблизи поверхности. Это происходит за счет увеличения времени непрерывного воздействия ионного пучка (а значит генерации радиационных дефектов) в каждой точке вытравливаемого профиля.

Также мы приводим результаты работ при нерадиационных воздействиях, а именно химическом воздействии, на примере рассмотрения дефектообразования при формировании пористого кремния. Общностью данных процессов является, на наш взгляд, сходство в процессах дефектообразования, которые приводят к существенному изменению механических свойств. Данное сходство проявляется в накоплении идентичных структурных дефектов, как при радиационных воздействиях, так и при химических воздействиях. Если в первом случае происходит накопление структурных дефектов вплоть до аморфизации, что ведет к появлению пластичности, то во втором случае накопление дефектов приводит к формированию трещин.

В физике и технологии приборов на основе кремния можно выделить два основных направления, связанных с изучением и использованием как радиационных, так и нерадиационных эффектов, приводящих к

макроскопическому изменению структуры. С одной стороны, речь идет о технологии SMART CUT, с другой - процессы формирования пористого кремния и технологические процессы на его основе. Нам представляется, что оба этих явления объединяет фундаментальная основа, состоящая в том, что оба этих явления связаны с генерацией точечных структурных дефектов, то есть с образованием пары Френкеля (ПФ).

На основе рассмотренных фактов сделан вывод, что образование трещин при электрохимическом травлении Si и эффекты отслаивания тонких слоев Si при радиационном (протонном) воздействии имеет одинаковую природу. Она определяется накоплением межузельных атомов материала матрицы за счет объединения Sim и возникновением напряжения в области максимальной их концентрации (максимум профиля распределения дефектов при внедрении протонов). Разрастающиеся междоузельные комплексные дефекты становятся источниками напряжений, приводящих к образованию трещин, которые, в свою очередь, вызывают отслаивание тонких слоев пластин с идеальной гладкой поверхностью. Накопление Siin в локальной области определяется условием возникновения близких ПФ - Siln и V, когда возможно их пространственно-временное разделение и возникновение упруго-деформационного поля. Эти процессы зависят от условий эксперимента, в которых проявляется многообразие действующих факторов и параметров, начиная от влияния атомной шероховатости поверхности реального кристалла и упруго-деформационных сил, возникающих при этом, до дефектно-деформационного механизма упорядочения дефектов.

Таким образом, в первом разделе мы рассмотрели возможности использования радиационных процессов с точки зрения управления потоком радиационных дефектов в ходе их накопления. Рассмотрели участие в процессах переноса вещества, участие в процессах синтеза новых веществ, либо синтеза новых фаз, либо в виде формирования структурных объединений (дефектные кластеры), которые способны играть роль активных и пассивных элементов электронных приборных структур. Также мы показали возможность радиационных процессов в управлении механическими свойствами приборных структур. В совокупности эти процессы объединяются в направление дефектная инженерия.

Во втором разделе (главы 4 и 5) мы рассматриваем обратную сторону процесса накопления дефектов, их участие в формировании приборных структур, а именно возможность управления процессом накопления дефектов, которые играют отрицательную роль, приводя к деградации приборных свойств. А именно, мы хотим обратить внимание на возможности подавления процесса накопления дефектов. Обнаружены и систематизированы возможности подавления радиационной деградации как с точки зрения разупорядочения самой кристаллической решетки, так и за счет ухудшения приборных (функциональных) свойств создаваемых приборов. То есть речь пойдет о радиационной стойкости наноструктур.

В четвертой главе рассмотрены теоретические аспекты проявления нанокристаллическими структурами свойства радиационной стойкости.

Проведен сравнительный аналитический обзор, обобщающий факт повышенной радиационной стойкости, обнаруженной на различных материалах, посвященный проблеме радиационной стойкости наноразмерных материалов с учетом двух позиций:

- стойкость по отношению к нарушению кристаллической структуры материала, то есть стойкость по отношению к изменению структуры под действием радиации;

- а с другой стороны, стойкость по отношению к изменению функциональных параметров материала.

Показаны и обсуждены случаи, когда результаты одних экспериментов противоречат другим результатам, полученных в близких или (на первый взгляд) аналогичных условиях.

Подробные исследования свойства повышенной радиационной стойкости наноструктурированных показали, что для реализации данного явления у нанообъектов необходимо снижение размера нанообъекта ниже определенного размерного порога. Только при выполнении этого условия эффект повышения радиационной стойкости будет наблюдаться.

Построена модель, объясняющая причины повышенной радиационной стойкости таких материалов и учитывающей роль границы раздела нанокристаллит — интерфейс - внешная среда. Это модельное представление потребовало выяснения роли ближних ПФ (рис. 3).

Рис 3. Модель радиационной стойкости наноструктур, а - образование дальней и ближней ПФ в монокристаллическом 81. Ъ - радиационное воздействие на нанокристаллит кремния. Пунктирной линией показана граница нанокристаллита.

При рассмотрении представленной модели учитывается, что при описании процессов накопления радиационных дефектов постоянно обращается внимание на то, что экспериментально исследуемые дефекты, так или иначе, являются следствием образования дальних ПФ. В этом случае формирование такой пары обычно связывают с краудионным механизмом. В случае если энергия, передаваемая выбиваемому из узла решетки атому мала,

Блкжвяя пара Френкеля

rJ

то образуются ближние ПФ, которые, как правило, аннигилируют за очень малый промежуток времени.

Рассмотрение структурной радиационной стойкости нанокристаллов связано с увеличением роли ближних ПФ. Для нанокристаллов, размер которых не превышает нескольких постоянных решетки, процесс образования ПФ сводится к тому, что ближние ПФ остаются в пределах самого нанокристалла, а формирование дальних пар, происходит так, что краудионное распространение образовавшегося междоузлия очень быстро останавливается на границе нанокристалла и краудион перестает существовать.

Дальнейшее поведение выбитого атома может быть рассмотрено с учетом трех возможностей. Первая, если атом проникает через поверхность нанокристалла и покидает его. Вероятность такого исхода, по нашему мнению, достаточно мала, поскольку при этом нужно рассматривать процессы, связанные с работой выхода частицы из материала. Вторая и третья возможности связаны либо с накоплением атомов на границе нанокристалла, либо с их отражением от границы. Однако и в том, и в другом случаях междоузельный атом, сохраняющий возможности теплового движения вблизи «родной» вакансии, с достаточной вероятностью аннигилирует (рис. 3). Таким образом, структурная радиационная стойкость нанокристаллов определяется тем, что большинство образующихся при радиационном воздействии ПФ ведут себя как ближние пары, аннигилируют и не участвуют в изменении как структурных, так и других свойств наноматериала.

Таким образом, использование явления радиационной стойкости наноструктурированных материалов, требующего обязательного дальнейшего исследования и осмысления, уже сейчас представляется достаточно перспективным и научно обоснованным фундаментом для реализации нового поколения радиационно-стойких материалов, компонентов и устройств электронной техники.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям радиационной стойкости наноструктур на примере пористого кремния (рог-Ъ\). Одним из наиболее распространенных методов получения наноразмерных кремниевых структур является формирование слоя рог-5\ электрохимическим травлением поверхности монокристаллического 81.

Оптические и электронные свойства рог-Ъ! значительно зависят от размера, пористости и морфологии непротравленных участков (кремниевых наноструктур). Толщина пленки рог-Ъ'\ возрастает с увеличением времени травления, а также с увеличением плотности тока травления образца. Пористость слоя зависит от типа проводимости и уровня легирования исходной пластины монокристаллического кремния, а также от концентрации НР в электролите и плотности тока при анодировании при электрохимическом травлении. Поскольку пористый кремний обладает развитой удельной поверхностью, достигающей в пределе величины 800 м2/см3, его физические свойства в значительной степени зависят от состояния поверхности.

Исходный материал исследования - пластины КДБ-12(100) с двухсторонней полировкой. Двухсторонняя полировка необходима для

последующего исследования образцов методом ИК-спектроскопии. Пористые слои приготовлялись в электрохимической ячейке с электролитом НР(49%):С2Н5ОН при заданных плотностях тока и временах травления. Далее проводилась промывка образцов в дистиллированной воде и сушка в течение 5 минут. Специально подготовлен окисленный образец рог-§\ (нанокристаллиты в аморфной матрице БЮг). С его помощью исследовалось влияние внешней фазы БЮг непосредственно на радиационную стойкость кристаллитов кремния.

В целях определения эффекта повышенной радиационной стойкости рог-должен содержать размеры пор (стенок) нанометрового диапазона, т.е. он должен быть нанопористым. Для определения размера пор в рог-§ 1 нами использовался рентгеновский метод - малоугловое рентгеновское рассеяние (МУРР). Так как метод МУРР является просвечивающим методом, а для длины волны ЛСиКа = 1,54А средняя длина затухания в кремнии ~70мкм, изготовлены пластины 51 с вытравленными окошками 1x1 см до толщин ~50мкм.

Рентгеновские измерения проводились на многофункциональном рентгеновском комплексе «Х-Яау МШЬаЬ». При измерении снималась зависимость интенсивности рассеянного излучения (/) от угла поворота детектора (2в). Затем производилась нормировка интенсивности на 1 и строились зависимости от <р2 (здесь <р - это 29 в радианах). На полученных графиках выделялись прямолинейные участки, высчитывались их угловые коэффициенты (а) и по формуле (длина волны X = 1,54 А)

= 0,64^ (2)

высчитывался так называемый радиус инерции, из которого, в зависимости от выбранной модели (модель шаров), высчитывался размер пор.

Результаты измерений показали, что рассеяние идет на двух характерных размерах, причем первый участок соответствует более крупным частицам (больше угол наклона), а второй - более мелкими. Один участок соответствует рассеянию на стенках между порами, а другой - на порах. Все данные по размерам кристаллитов в образцах представлены ниже в таблице 1.

Таблица 1. Технологические параметры образцов рог-Б'1

Номер Концентрации Ток травл., Время травл., Средний размер

образца НР(49%):С2Н5ОН мА мин. кристаллитов, нм

1 1:1 10 5 11±1

2 2:1 40 5 46±2

3 2:1 60 5 63±3

10, затем 5 —

4 2:1 60 окисление в 72±3

парах воды

Достоверность результатов измерения с помощью МУРР проверялась на калиброванной структуре рог-АЬОз. Были получены те же размеры пористых ячеек в рог-А1203, что и при измерении с помощью АСМ и СЭМ. Данные по размерам нанокристаллитов рог-Б1 были уточнены с помощью метода рентгеновской дифрактометрии.

Подготовленные образцы нанопористого кремния были подвергнуты облучению. Облучение проводилось на линии стандартного микроэлектронного техпроцесса ОАО «НИИМЭ и «Микрон». Для облучения образцов был выбран фосфор. Это частица средней массы, и в отличие от легких ионов она не создает дополнительный дефектный слой у поверхности образца. Доза аморфизации кремния по фосфору составляет ЗхЮ14 см"2. Для того чтобы заведомо не достичь полной аморфизации образцов, были выбраны следующие режимы облучения: энергия - 80 кэВ; доза — ЗхЮ13 см"2. Для исключения вредного влияния окисления рог-§\ на воздухе облучение и исследование образцов проводилось в первые сутки после получения структуры рог-§\.

С целью исследования деградации структуры образцов рог-Ч\ после облучения, определения наличия и характера аморфизации, а также наличия и величины упругих напряжений в решетке проводился рентгеноструктурный анализ. Из анализа дифрактограмм рог-81 со средними размерами кристаллитов ~ 10 им следует, что после облучения структура практически не деградировала: незначительно уменьшилась интенсивность пика рог-81(004), увеличилась его полуширина, максимум пика сместился вправо. Небольшое смещение дифракционного пика вправо говорит о том, что могла произойти некоторая релаксация напряжений в структуре во время облучения. Практически не изменился дифракционный пик от с-Бь Проецированный пробег ионов фосфора с энергией 80 кэВ не превышает 0,2 мкм, что заведомо меньше толщины пленки пористого кремния.

Дифрактограмма образца с размерами кристаллитов Б! ~ 40 нм показала, что достаточно сильно уменьшилась интенсивность пика рог-51(004), увеличилась его полуширина, максимум пика сместился вправо. Налицо ослабление сигнала от кристаллической структуры образца, что связано с ее деградацией во время облучения. Практически та же картина наблюдается для образца с размерами кристаллитов 81 ~ 60 нм. На дифрактограмме образца окисленного рог-§\ дифракционный пик от рог-Б1 полностью пропал, что говорит о том, что пленка рог-Чэ'х полностью аморфизировалась.

Таким образом, при переходе к размерам нанокристаллитов 51 порядка 10-20 нм происходит существенное увеличение их радиационной стойкости, а окисленнный рог-$\ обладает меньшей радиационной стойкостью.

В дальнейшем проводилась инфракрасная спектроскопия (ИК) облученных образцов рог-?>\ на инфракрасном двулучевом спектрофотометре БРЕСОЯТ Ж, работающем в диапазоне 2-25 мкм (5000-400 см"1). В одну кювету вставляется чистая пластина в другую - образец с пленкой рог-$\. Таким образом, измерение спектра поглощения проходит в режиме сравнения.

Анализ спектров образца с размерами кристаллитов ~ 10 нм показал, что мощность линий поглощения после облучения практически не изменилась, что

говорит о том, что структура практически не деградировала. На спектре образца с размером кристаллитов ~ 40 нм отмечается заметное снижение мощности линий поглощения Б^Н. Примерно такая же картина наблюдается для образца с размерами кристаллитов кремния ~ 60 нм. На спектре образца окисленного рог-5\ линии поглощения БЬН после облучения отсутствуют вообще.

Проведенный анализ показывает, что после облучения образцов их структура деградирует (разрушаются связи БьН и другие), однако наблюдается закономерность, что деградация минимальна при размере кристаллитов не более 10-20 нм. Кроме того, образец с окисленным рог-§\ так же, как для рентгеноструктурного анализа, обнаружил наименьшую радиационную стойкость из всей серии образцов.

Таким образом, результаты исследований, по нашему мнению, убедительно демонстрируют, что размерный порог радиационной стойкости для нанокристаллического 81 находится в области менее 40 нм. Более точные значения предполагается получить путем дополнительного сужения этого размерного диапазона. Также экспериментально показано, что окисление поверхности наноразмерных кристаллитов кремния приводит к уменьшению их радиационной стойкости.

Радиационные процессы в технологии кремниевой наноэлектроники могут подразделяться с общих позиций на две составляющие: формирование наноструктур с помощью радиационных процессов и измерение их параметров с использованием радиационных методов. Первую составляющую мы рассмотрели в первых двух разделах диссертации. В дальнейшем мы рассматриваем вторую составляющую.

Третий раздел содержит результаты, посвященные развитию метрической компоненты радиационной технологии на базе комплекса рентгеновских методов, которые либо отдельно, либо в сочетании с другими методами дают возможность оперативного контроля технологического процесса как в конце всей технологической цепочки, так и пооперационном. Причем следует отметить, что хоть нами и демонстрируется эффективность рентгеновских методов, как одного из подходов к измерению параметров наноструктур, они отнюдь не закрывают полностью проблему измерения параметров наноструктур. Мы только демонстрируем новые подходы к применению радиационных методов, при этом показываем, что для получения адекватных достоверных сведений от измерений необходим комплексный подход, то есть применение взаимодополняющих методов исследования.

В шестой главе изложены идейные основы, технические решения и результаты применения радиационных методов для измерения параметров наноструктур. В понятие измерение параметров мы включаем не только измерение размеров структуры, но и такие сопутствующие понятия как шероховатость границ раздела, фазовый и элементный состав структуры. Причем речь идет не только о прямом наблюдении этих параметров, оценке погрешности их измерении, но также и использованию радиационных методов в качестве косвенных, однако применяемых в метрических целях.

При рассмотрении радиационных методов для измерения параметров мы сделали основной упор на применение рентгеновских методов, поскольку эти методы обладают рядом преимуществ. Во-первых, они являются неразрушающими, широко распространенными, и в то же время позволяющими получать информацию об измеряемых параметрах в комплексе с одной стороны, а с другой - постоянно совершенствовать методику, как измерений, так и обработки получаемых результатов.

В главе приводятся результаты исследований на базе многофункционального рентгеновского комплекса «Х-Яау МЫЬаЬ», функционирующего в НИУ «МИЭТ», охватывающих ряд областей науки и технологий, среди которых исследование элементов микроэлектроники, исследование многослойных структур, процессов ионной имплантации. Прибор разработан в ФИАН им. П.Н. Лебедева и ООО «Институт рентгеновской оптики». Программное обеспечение для обработки данных относительной двухволновой рентгеновской рефлектометрии разработано в МИЭТ. В данной измерительной системе используются методики рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа, определения механических напряжений, малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, рефлектометрии. Возможно также проведение рентгенофлуоресцентного анализа и спектрометрических измерений.

Показано, что открытая конструктивная схема прибора и доступ к дистанционному управлению создают новые возможности для подготовки специалистов и более эффективного использования уникального и дорогостоящего оборудования путем использования Интернета и удаленного доступа.

Рассмотрено применение рентгеновских методов анализа для решения прикладных задач микро- и наноэлектроники. Приведены результаты измерений относительной двухволновой рентгеновской рефлектометрии, которые могут служить эффективным методом контроля параметров, как имплантированных слоев, так и пленок формирующихся на их поверхности.

По представленным результатам дифрактометрических измерений можно сделать вывод о том, что возможности рентгеновских исследовательских методик информативны и позволяют определить ряд важных параметров структур. Это касается фазового состава, величины механических напряжений, а также размеров поликристаллических объектов. Многофункциональный рентгеновский комплекс «Х-Яау МЫЬаЬ» позволяет проводить комплексные исследования структуры, фазового и элементного состава образцов в составе единого исследовательского цикла. Наиболее ценной особенностью работы с исследовательскими методиками, доступными для комплекса, является их взаимодополняемость, т.е. возможность подтверждения достоверности полученных результатов посредством различных независимых методик без привлечения другого исследовательского оборудования.

Рассмотрен метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР), позволяющий исследовать такие характеристики нанодисперсных систем как размер, форма, концентрация диспергированных частиц. С помощью этого

метода можно изучать дисперсные системы, в которых характерные размеры неоднородностей лежат в диапазоне 10-104 А.

При обобщении результатов проведенных измерений сформулирован вывод о том, что использование полного комплекса рентгеновских методик открывает новые возможности для точного измерения параметров наноразмерных структур, а также представляет возможности для проведения систематических измерений в условиях научных лабораторий и производств и увеличивает возможности для подготовки специалистов, в том числе за счет использования удаленного доступа для обучения и проведения измерений.

При рассмотрении всей совокупности наноструктурированных материалов особый интерес представляют природные материалы, получение которых в ряде случаев существенно дешевле, чем искусственный синтез таких материалов, а с другой стороны оказывается, что использование природных материалов открывает принципиально новые возможности для развития наноиндустрии.

Одним из таких природных наноструктурированных материалов является хризотиловый асбест, который до недавнего времени рассматривался только с позиции использования его как строительного материала. Открытие принципиально новых свойств наноматериалов и бурное развитие промышленности их применения в различных направлениях позволило сформулировать новые возможности для применения асбеста, поскольку оказалось, что этот материал обладает свойствами наноструктуры, то есть само волокно хризотил асбеста является нанотрубкой.

В рамках исследований подготовлена и опробована система экспериментальных методов исследования хризотилового асбеста, среди которых особую роль играют рентгеновские методы, такие как рентгендифракционный анализ, рентгеновская флюоресценция и малоугловое рассеяние. Методика основана на использовании многофункционального рентгеновского комбайна. В качестве примера показано проведенное исследование состава образца асбеста А-4-30, которое показало наличие в образце наноразмерных объектов. Согласно полученным данным характерный размер рассеивающих объектов 20-30 нм.

В главе предложен подход к измерению параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники, заключающийся в комплексном использовании взаимодополняющих методов измерений. Приведены результаты работ по исследованию технологических параметров многослойных диффузионно-барьерных структур TiN/Ti на кремниевых подложках, а также по исследованию свойств наноструктурированных многослойных пленок Sn02, полученных золь-гель методом.

Диффузионно-барьерные структуры (ДБС) TiN/Ti в современной КМОП-технологии используются для предотвращения паразитной диффузии в слоях многоуровневой металлизации. В настоящей работе в рамках отладки технологического процесса и организации необходимого метрологического контроля исследовались образцы ДБС TiN/Ti/Si02 на кремнии, изготовленные на производственной линии 180 nm микроэлектронной фабрики ОАО «Завод

«Микрон». Технологически заданные толщины слоев в структуре составляли для Ti — 5 nm, TiN — 10 nm, Si02 - 15 nm.

Проведенные исследования продемонстрировали совместную обработку результатов независимых методов, которые в отдельности друг от друга не позволяют получить полную достоверную информацию. Так, в рассмотренном случае послеоперационного контроля методом спектральной эллипсометрии технологических параметров диффузионно-барьерных структур TiN/Ti проведены взаимодополняющие исследования при помощи рентгеновской рефлектометрии, просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии. При этом необходимая информация для модификации дисперсионных моделей оптических коэффициентов отражения и поглощения спектральной эллипсометрии получена из результатов обработки относительной рентгеновской рефлектрометрии (для расчета которой использованы данные ПЭМ) и подтверждена с помощью АСМ.

Другим примером комплексного сочетания метрики наноразмерных элементов является исследование свойств наноструктурированных многослойных пленок Sn02, полученных золь-гель методом на стеклянной подложке. Поверхность Sn02 обладает высокими абсорбционными свойствами и реакционной способностью, вследствие этого селективно чувствительна к присутствию в окружающей атмосфере токсичных газов, органических и некоторых биологических молекул. Этим обусловлено широкое применение тонких пленок Sn02 в качестве чувствительных слоев сенсоров токсичных и взрывоопасных газов.

В результате реализации разработанных технологических этапов синтеза, а также стратегии контроля параметров синтезированных тонких пленок Sn02 на основе поэтапного применения комплекса исследовательских методик, получены наноструктурированные, прозрачные и газочувствительные пленки.

Наряду с этим, для достижения поставленных целей разработан комплекс методик по контролю параметров и свойств наноструктурированных многослойных пленок Sn02, обеспечивающий возможность оценки влияния термической и плазменной обработок на их структуру, оптические и электрофизические свойства, а также исследования их газочувствительных характеристик.

Оптические параметры пленок оценивали из спектров пропускания, измеренных на двулучевых спектрофотометрах СФ-256 УВИ (190 — 1200 нм) и СФ-256 (1100 - 2500 нм), структуру осажденных пленок изучали методом рентгеновской дифракции с использованием узкоколлимированного (0,05x1,5 мм") монохроматического (СиКа) пучка рентгеновских лучей, направленного под углом 5° к поверхности образца, исследование топографии пленок проводили на атомно-силовом микроскопе JSPM-5200, JEOL (Япония) полуконтактным методом, электрические характеристики и газочувствительность изучали при различных концентрациях газов в диапазоне температур от комнатной до 300°С на экспериментальной установке, позволяющей контролировать температуру подложки с точностью ±1°С.

Таким образом, применение комплекса измерительных методик на разных этапах реализации технологического процесса позволило в конечном итоге получить желаемые параметры структуры и показать, что они напрямую связаны с формированием наноразмерных включений при синтезе всего объекта.

Полученные результаты, по нашему мнению, являются характерным примером необходимости совершенствования методологии метрологического контроля сложных наноразмерных структур и объектов. Сформулированное заключение, в итоге, указывает на необходимость создания стандартов не только для отдельных методик диагностики микро- и наноструктур и материалов, но и стандартов комплексного применения различных методов в целом.

Седьмая глава посвящена результатам работ по преодолению одной из серьезных трудностей в применении рентгеновских методов (ограничивающей их широкое распространение), касающейся сложности интерпретации экспериментальных данных, связанных с решением обратных рентгеновских задач.

Относительная рентгеновская рефлектометрия является косвенным методом исследования параметров многослойных структур, который не позволяет напрямую определить искомые параметры. После получения рентгеновской рефлектограммы необходимо провести сложную обработку экспериментальных данных с целью решения обратной задачи для определения параметров исследуемых структур. Данная задача имеет неустойчивые решения и относится к классу некорректно поставленных задач. Тем не менее, она может быть сведена к условно корректной устойчивой задаче [8] за счет согласования гладкости решения с погрешностью исходных данных.

Для определения различий между исходной и подбираемой рефлектограммой в данной работе мы определяем функцию ошибки следующим образом:

здесь: I — номер точки; п - общее число точек на рефлектограмме; ^ - значение

интенсивности в точке 1 для подбираемой кривой; значение интенсивности в точке 1 для эталонной кривой.

Поиск глобального минимума нелинейных функций представляет известную проблему. Проанализировав ряд эволюционных алгоритмов, мы остановились на успешно используемом в последнее время алгоритме поиска — так называемом генетическом алгоритме (вА). Впоследствии, с целью оптимизации схемы поиска и повышения производительности нами были проведены исследования эффективности применяемых алгоритмов и

(3)

разработан комбинированный алгоритм, который лег в основу компьютерной программы обработки рентгеновских рефлектограмм.

Исследования эффективности применения вА показали, что данный алгоритм хорошо справляется с поставленной задачей лишь для-небольшого количества слоев (< 3). Для повышения эффективности использования вА осуществлялась настройка параметров классического ОА. Переменными настройками ОА являлись: диапазон поиска решений и количество итераций.

Уменьшение величины диапазона поиска решения до определенного предела позволяло значительно увеличить эффективность работы алгоритма, однако, при чрезмерном уменьшении области поиска, ошибка резко возрастала, независимо от количества слоев. Последнее, очевидно, объясняется тем, что истинное решение оказывается за пределами слишком узкого диапазона ограничений параметров. Увеличение количества итераций способствует уменьшению ошибки до пределов, определяемых погрешностями эксперимента. Наибольшее число слоев, при котором удается получать устойчивые решения не превышает 5. Это позволяет считать целесообразными попытки дальнейшей модификации и оптимизация СА, поиск других алгоритмов. Важной может оказаться также роль уточнения теории.

Была исследована возможность использования так называемого «алгоритма пчел». Результаты расчетов показали более высокую эффективность данного алгоритма по сравнению с ОА для 4 и более слоев, однако время расчета одного цикла алгоритма в 2 раза больше чем для вА. В связи с этим нами была поставлена задача его дальнейшего усовершенствования.

Был разработан комбинированный алгоритм, суть которого заключалась в многократном применении 10 циклов алгоритма пчёл и 10 циклов модифицированного нами ОА. В этом случае функцию ошибки удаётся уменьшить до необходимого уровня примерно на 200-й итерации.

Объясняется этот эффект тем, что алгоритм пчёл позволяет более полно исследовать весь интересующий нас диапазон на предмет наличия экстремумов, а затем сконцентрировать решения в их непосредственной близости, тем самым уменьшив область поиска. Генетический алгоритм, в свою очередь, может быстрее найти решение в уменьшенной области. Также алгоритм пчёл на каждой итерации совмещает центр диапазона поиска с координатами локального экстремума, что уменьшает вероятность выхода решения из поля поиска.

Таким образом, предложенный комбинированный алгоритм позволяет уменьшить количество итераций, что на порядок сокращает машинное время расчётов.

Применение предварительного преобразования экспериментальных данных помогает устранить ряд недостатков в численном определении параметров многослойных структур, в частности позволяет более эффективно решить проблему уменьшения шумов в области больших углов, а также добиться более точного совмещения угловых координат максимумов и

минимумов расчётных и экспериментальных рефлектограмм. Это позволяет повысить точность определения извлекаемых параметров.

Следующим этапом совершенствования технологии компьютерной обработки получаемых экспериментальных результатов посредством увеличения производительности вычислений стало применение новейшей технологии проведения параллельных вычислений на графических процессорах (GPU) по технологии CUD А.

В настоящее время развитие параллельных вычислительных технологий достигло значительного прогресса. Уже в течение нескольких лет GPU используются для неграфических вычислений, выполняя на них сложные математические расчеты. Универсальные устройства с многоядерными процессорами для параллельных векторных вычислений, используемых в 3D-графике, достигают высокой пиковой производительности, которая центральным процессорам компьютера (CPU) не под силу. Это связано с тем, что GPU состоят из множества мультипроцессоров, которые управляют высокоскоростной памятью, что делает их использование эффективным как для графических, так и для неграфических вычислений. Применение GPU позволяет значительно ускорить расчеты на обычных персональных компьютерах за счет использования общей памяти и значительного параллелизма.

В качестве сравнения производительности проводились вычисления по интерпретации экспериментальных данных, полученных методом относительной двухволновой рентгеновской рефлектометрии, на базе GPU по технологии CUDA и расчет тех же экспериментальных данных с использованием CPU.

Для проведения математических расчетов использовалась следующая модель видеокарты: NVidia GeForce 9600 GT. Число одновременно обрабатываемых потоков составляет 128, максимальное количество потоков может составлять 512. Эта видеокарта обладает 64 процессорами с частотой 1625 МГц и 1024 Mb памяти частотой 1800 МГц. В качестве центрального процессора использовался Intel Core 2 Quad 9300 с четырьмя ядрами, частотой 2,5 GHz каждое с кэшем первого уровня 64Кб на каждое ядро процессора и 6 Мб общего кэша второго уровня.

На рисунке 4 представлены временные графики расчета на CPU Intel Core 2 Quad 9300 и GPU NVidia GeForce 9600 GT по математической модели для многослойной структуры, состоящей из 10 слоев.

Из данных, представленных на рисунке 4 видно, что максимальное увеличение производительности достигается при количестве экспериментальных точек более 100 000 и составляет 30 раз. При количестве угловых точек, равным 1000 время обработки результатов на GPU составляет 1 мс., а на CPU 3 мс., т.е. время вычислений сокращается в 3 раза.

С увеличением количества параметров в вычислительной модели время обсчета на CPU растет линейно, а на GPU нелинейно, что свидетельствует об увеличении эффективности использования графических процессоров для расчёта моделей с большим количеством параметров. Это свойство может быть

использовано в дальнейшем для ещё большего увеличения производительности вычислений на GPU.

ЮООО -г-----:-----:—•—""у- 1" ■ f'TT f'T—-----г——Т"......}. t , i Г.ГГГ-------------т----Т-----!

юоо f-:;;;":;..rt:-8" мГ'Г'-'-'Г^/тгггТ^■'■—"*'" v| 'i-"v,,;|:\:'''t[1 ¡•f'S'l,—"."у;.1., Лт-т-^&Щ

Время I ' .....*' j 1 ; ........ j..... : | : ;'.'!................;

обработки, мс

i i • ! I JT\ ! i

1 i I ЖТ I HI I

100 ; j ' ir ..... ' ' GPU 10c.«oee

: ............? I ...j......Щ |...... jprj Т., - -8 t",',{ ..>..„.., i......... i ....".'.'.". | —&—CPU lO слоев

1......... !' !........: r t-H -i'-b^............v i.......i.....H jii........

r vpf

......I.........ГШЩ.................I.......Iff

10 fc=............--H--.....|—I—H-H-att—fc=......fc

E ripg^:. : i : : ' . ....! , у;

i /* 1 ' ITj ' ¡1 X i-jrT U , i i..' j

ЮОО 10000 130>000

Количество угловых точек

Рис. 4. Время обработки входного массива данных от количества угловых точек.

Также нужно иметь в виду, что в настоящее время графические процессоры являются оптимальной по соотношению цена-производительность параллельной архитектурой с общей памятью [9]. При своей относительно невысокой стоимости по вычислительным мощностям они сравнимы с более дорогими небольшими кластерами, реализованными на центральных процессорах. Данный факт увеличивает перспективность использования технологии С1ЮА в решении задач по интерпретации результатов относительной двухволновой рентгеновской рефлектометрии наноструктур.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что применение радиационных методов, в частности ионной имплантации и ионного синтеза, может быть использовано для создания наноразмерных и, в частности, квантово-размерных структур на кремнии, что продемонстрировано на формировании квантово-размерных структур в системе кремний-германий, которые проявили свойства квантовых ям, что выразилось в получении на таких структурах интенсивной люминесценции в широком диапазоне температур.

2. При комплексном исследовании процессов синтеза силицидов с помощью ионной имплантации обнаружены новые эффекты:

- несмотря на существенный разогрев имплантируемой пластины (порядка 800 °С при 1=100 мкА/см2), происходит аморфизация имплантируемого слоя с последующей кристаллизацией;

- профиль распределения имплантированной примеси зависит от плотности ионного тока: с ростом плотности тока (до 15 мкА/см2) максимум распределения сдвигается вглубь кристалла от облучаемой поверхности, а при дальнейшем повышении плотности тока наблюдается сдвиг этого максимума в противоположном направлении, так, что при максимальной плотности (] порядка 100 мкА/см2) тока профиль распределения выходит на облучаемую поверхность;

- свойства имплантированного слоя и прилежащих областей кристалла немонотонно зависят от плотности тока ионного пучка.

Все эти явления подробно исследованы при внедрении в кремний ионов кобальта.

3. Для анализа наноразмерных структур, сформированных с помощью ионного синтеза, впервые применены в совокупности методы фрактального анализа и Фурье-трансформации. Сравнение результатов анализов с помощью Фурье-трансформации и измерение средней фрактальной размерности привело к заключению, что эти методы коррелируют при обнаружении фактора упорядоченности, в том числе на структурах, где такую упорядоченность визуально установить невозможно. Проанализированы возможности использования фрактального анализа для характеризации упорядоченных и неупорядоченных структур. Предложена модель для обоснования применимости фрактального анализа в оценки степени упорядоченности массива наноразмерных элементов.

4. При использовании процесса ионного внедрения, где доминирует генерация точечных дефектов и реализуется интенсивное взаимодействие внедренных атомов с ними (протонная бомбардировка) формируются протяженные собственные дефекты (дефекты {113}), которые демонстрируют свойства квантово-размерных структур (квантовых проволок), что проявляется в виде интенсивной люминесценции вплоть до комнатных температур.

5. С помощью ионного синтеза были сформированы наноразмерные структуры на кремнии при внедрении ионов рения с использованием импульсного ионного внедрения. Наноразмерные структуры формировались

собственно в процессе внедрения ионов без дополнительной тепловой обработки (отжига).

6. Показано что использование интенсивных ионных пучков при внедрении ионов приводит к реализации ранее неизвестных эффектов:

- при внедрении интенсивных ионных пучков в области внедрения наблюдается сдвиг границы раздела «монокристалл» - «аморфное состояние» в направлении облучаемой поверхности кристалла с полным выходом на эту поверхность внедряемых ионов. При этом наблюдается образование на этой поверхности упорядоченных линейчатых систем, представляющих собой химическое соединение внедренных ионов с атомами кремния.

- этот эффект напоминает ранее обнаруженный «эффект больших доз» (ЭБД) [2]. Однако, более подробное исследование ЭБД и сравнение его с описанным в диссертации явлением показало, что оба эти эффекта несмотря на внешнее сходство различаются тем, что в случае ЭБД решающую роль играют легирующие примеси, а в исследованном нами явлении основную роль играет процесс накопления точечных дефектов при использовании сверхбольших плотностей тока облучающих ионов.

7. Рассмотрение с единых позиций трансформации первичных радиационных дефектов (пар Френкеля) позволило выявить основные причины и дать непротиворечивые объяснения наблюдаемым эффектам:

- проявлению пластичности при облучении кремния интенсивными пучками ионов (травление фокусированным ионным пучком, облучение поверхности интенсивными пучками ионов под малыми углами с образованием на поверхности периодических структур);

- формирование зеркальных поверхностей при скалывании пластин в технологии SMURT CUT;

- формирование трещин при создании пористого кремния электрохимическим методом.

8. Обнаружено и исследовано единое для кристаллических материалов свойство наноразмерных структур - резкое увеличение радиационной стойкости. Объединены, проанализированы имеющиеся в литературе результаты и получены собственные, подтверждающие эту закономерность. Выявлены причины присутствующих в литературе противоречий по этому вопросу. Показано, что проявление радиационной стойкости связано с переходом структур через пороговый размерный барьер.

9. Предложена модель радиационной стойкости по неизменности структуры нанокристаллических материалов, основанная на рассмотрении роли ближних пар Френкеля. Показано, что модель может быть детализирована с учетом изменения состояния поверхности наноразмерных объектов, что приводит в отдельных случаях к возможности разделения компонентов пары Френкеля за счет существования на поверхности полей напряжений.

10. Проведено рассмотрение возможности применения радиационных методов для исследования и измерения параметров наноструктур. Показано, что разработанные методы рентгеновского анализа отвечают основным требованиям таких измерений и, в частности, позволяют решать следующие задачи:

- измерять параметры многослойных наноструктур, а именно толщину в пределах 100- 1 А;

- шероховатость пограничных и приповерхностных областей с точностью lA;

- фазовый и элементный анализ с точностью порядка 1%;

- разброс состава и геометрических параметров по толщине пленки и поверхности с точностью порядка 1%;

- однородность топологического рисунка на поверхности с точностью не хуже 5%;

- определять границы раздела аморфных (аморфизированных) и кристаллических слоев, а также разупорядоченность слоев и их плотность после технологических обработок.

Обоснован, сформулирован и проверен на изделиях микроэлектроники принцип измерения параметров наноструктур, основанный на применении взаимодополняющих методик.

11. С учетом потребностей реальной технологии микро- и наноэлектроники, а также возможностей обучения персонала без специальных требований по безопасности разработаны методы экспрессной компьютерной обработки результатов измерений с применением новых алгоритмов и технологии параллельных вычислений (технология CUD А).

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A.. Самоорганизованные наноразмерные структуры на поверхности и в объеме полупроводников — Алматы. - Издательство «LEM». - 2002. - 192с.

2. Герасименко H.H., Двуреченский A.B., Романов С.И., Смирнов Л.С. Об эффектах при больших дозах, внедренных в полупроводник ионов. // ФТП. -1973.-Т. 7.-С. 2195-2199.

3. Герасименко H.H., Тыныштыкбаев К.Б. Образование радиационных дефектов в кремнии, содержащем атомы водорода // ФТП. — 1980. — Т. 14, №.9.-С. 1673-1676.

4. Физические процессы в облученных полупроводниках. Под ред. Смирнова Л .С. - Новосибирск. - Наука. - 1977. - 218 с.

5. Вихрев Б.И., Герасименко H.H., Двуреченский A.B., Смирнов Л.С. Взаимодействие в кремнии атомов водорода с дефектами, внедренными ионной бомбардировкой // ФТП. - 1974. - Т. 8 - №7. - С. 1345-1348.

6. Мудрый A.B., Патук А.И., Ларионова Т.П., Емцев В.В., Давыдов В.Ю., Оганесян Г., Ульяшин А.Г., Джоб Р., Фарнер В.Р. Люминесценция пленок кремния на сапфире, облученных высокоэнергетическими частицами // Труды четвертой международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом». - 3-5 октября 2001. — Минск. - С.189.

7. Gerasimenko N.N., Rolle М., Cheng Li-Jen, Lee Y.H., Corelli J.C., Corbett J.W. Infrared Absorption of Silicon Irradiated by Protons // Phys. stat. sol. (b). - 1978. -V. 90.-P. 689-695.

8. Тихонов A.H., Арсенин ВЛ. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979, 288 с.

9. Боярченков A.C., Поташников С.И. Использование графических процессоров и технологии CUDA для задач молекулярной динамики // Вычислительные методы и программирование. - 2009. - Т. 10. - С. 9-23.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Самоорганизованные наноразмерные структуры на поверхности и в объеме полупроводников. -Алматы: Издательство «LEM». - 2002. - 192 с.

2. Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Формирование нитридных слоев в различных материалах с помощью ионного синтеза // Сборник научных трудов «Проблемы науки России и Казахстана на стыке тысячелетия». -Челябинск. - 2002. - С.36-42.

3. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Классификация гетероструктур и механизмы самоорганизации // Вестник Костанайской социальной академии. — 2003. — №4. — С.113-117.

4. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Физические основы радиационной стойкости приборов и интегральных схем на кремнии // Докл. межд. науч.-практ. конф. «Снежинск и наука 2003. Современные проблемы атомной науки и техники». — Снежинск, Россия. — 2003. — С.233.

5. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Самоорганизация в облученных материалах // Докл. IV межд. конф. «Ядерная и радиационная физика». - Алматы, Казахстан. - 2003. - С. 213-214.

6. Апрелов С.А., Гайдуков Т.И., Герасименко Н.Н., Ланцова О.Ю., Павлюченко О.Н., Медетов Н.А. Фрактальный анализ самоорганизованных наноструктур в облученных полупроводниках // Докл. межд. междисципл. симпоз. «Фракталы и прикладная синергетика». — Москва, Россия. — 2003. — С.302-303.

7. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия // Научный журнал Министерства образования и науки Республики Казахстан «Поиск. Серия естественно-техническая». —2004. — №1. — С. 190-195

8. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Образование собственных нанокристаллов в монокристаллическом кремнии // Вестник Казахского национального технического университета. — 2003. - № 3-4. — С.287-289

9. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Научный журнал Министерства образования и науки Республики Казахстан «Поиск. Серия естественно-техническая». — 2004. - №4. - С. 156-162

10. Апрелов С.А., Гайдуков Г.Н., Герасименко Н.Н., Медетов Н.А. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Известия вузов. Электроника. — 2005. — №2. - С.25-31.

11. Герасименко Н.Н., Медетов Н.А., Джаманбалин К.К. Наноструктуры, формируемые ионными пучками // I Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации». — Нижний Новгород, Россия — 2006.

12. Aprelov S.A., Gerasimenko N.N., Medetov N.A. Fractal analysis of self-organized structures in implanted semiconductors // Abstracts of 15th

International Conference on Ion Beam Modification of Materials. - Taormina, Italy. - 2006.

13. Aprelov S.A., Gerasimenko N.N., Medetov N.A.. Why the F+ Ion implantation can stop boron diffusion in Si? // Abstracts of 15th International Conference on Ion Beam Modification of Materials. — Taormina, Italy. - 2006.

14. Aprelov S.A., Gerasimenko N.N., Medetov N.A. Fractal analysis of self-organized structures in implanted semiconductors // Тезисы докл. 6 межд. уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов». — Снежинск, Россия. - 2005. — С.116.

15. Герасименко Н.Н., Путиев И.Т., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Физические основы радиационной технологии полупроводников. Учебное пособие. — Костанай, Казахстан, — 2003. - 272 с.

16. Герасименко Н.Н., Медетов Н.А. Ионная имплантация для создания наноразмерных структур // Тезисы докл. межд. совещания «Микро и нанотехнологии с использованием пучков ионов, ускоренных до малых и средних энергий». - Обнинск, Россия. - 2007.

17.Герасименко Н.Н., Медетов Н.А. Ионная имплантация для создания наноразмерных структур // Тезисы докл. 7 межд. уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов». — Снежинск, Россия - 2007. -С.126-127.

18. Gerasimenko N., Smirnov D., Medetov N. Radiation Hardness of Semiconductor Nanostructures // Abstracts of 16th International Conference on Ion Beam Modification of Materials. - Dresden, Germany. - 2008. - P.202.

19. Смирнов Д.И., Герасименко Н.Н., Медетов Н.А. Радиационная стойкость наноструктур // Межд. науч.-техн. конф. «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» - Зеленоград, Москва, Россия. - 2008.

20. Seleznev D., Kropachev G., Gerasimenko N., Kozlov A., Kuibeda R., Petrenko S., Kulevoy T., Zaporazhan O., Medetov N. ITEP MEVVA Ion Beam for Rhenium Silicide Production // Abstracts 13th International Conference on Ion Sources. - Gatlinburg, Tennessee, USA. - 2009. - P.161

21. Герасименко H.H., Смирнов Д.И., Медетов Н.А. Радиационная стойкость наноструктур // Тезисы докл. 8 межд. уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов». — Снежинск, Россия. — 2009. — С.72-73.

22. Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И., Медетов Н.А., Мамайкин А.В. Радиационная стойкость наноструктур // Материалы межд. науч.-техн. конф. «Микро- и нанотехнологии в электронике». — Нальчик, Россия. — 2009. — С.15

23.Kulevoy T., Gerasimenko N., Seleznev D., Kropachev G., Kozlov A., Kuibeda R., Yakushin P., Petrenko S., Medetov N., Zaporozhan O. ITEP MEVVA ion beam for rhenium silicide production // Review of Scientific Instruments. - 2010. -V.81. — 02B905

24. Карташов Д.А., Герасименко Н.Н., Медетов Н.А., Турьянский А.Г., Цехош В.И. Эффективность генетического алгоритма при анализе данных рентгеновской рефлектометрии // Известия вузов. Электроника. — №3(83). — 2010 — С.74-78. Kartashov D.A., Gerasimenko N.N., Medetov N.A., Tur'yansky

A.G., Tsekhosh V.I. Performance of the Genetic Algorithm in X-ray Reflectometry Data Analysis // Russian Microelectronics. - 2011. - V. 40. - № 7. -P. 526-528.

25. Герасименко H.H., Смирнов Д.И., Медетов H.A., Мамайкин А.В. Радиационная стойкость наноструктур // Тезисы докл. VII межд. конф. «Кремний - 2010». - Нижний Новгород, Россия. - 2010. - С.134.

26. Герасименко Н.Н., Кулевой Т.В., Запорожан О.А., Медетов Н.А., Якушин П.Е. Ионный синтез силицидов рения // Тезисы докл. VII межд. конф. «Кремний - 2010». - Нижний Новгород, Россия. - 2010. - С.173.

27. Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И., Медетов Н.А., Мамайкин А.В. Рентгеновские методы исследования микро- и наноэлектронных структур на основе кремния // Тезисы докл. VII межд. конф. «Кремний - 2010». — Нижний Новгород, Россия. — 2010. - С.221.

28. Герасименко Н.Н., Карташов Д.А., Медетов Н.А., Орлов P.C. Программа расчета рентгеновских рефлектограмм на видеокартах NVidia с технологией CUDA // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615187. Российская Федерация. Заявка №2010613431. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.08.2010.

29. Герасименко Н.Н., Чамов А.А., Медетов Н.А., Ханин В.А.. Особенности формирования рельефа при травлении кремния фокусированным ионным пучком // Письма в ЖТФ. - 2010 - Т.36. - №21. - С.38-45. Gerasimenko N.N., Chamov А.А., Medetov N.A., and Khanin V.A. Specific Features of Relief Formation on Silicon Etched by a Focused Ion Beam. // Technical Physics Letters.

- 2010. - V.36. - №.11. - P. 991-993.

30. Герасименко H.H., Медетов H.A., Смирнов Д.И., Мамайкин А.В. Радиационная стойкость наноструктур // Труды межд. науч.-техн. конф. и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии-2010». Часть 1. -Дивноморское, Россия. — 2010. - С.253-254

31.Герасименко Н.Н., Карташов Д.А., Медетов Н.А., Орлов P.C. Компьютерные методы обработки результатов рентгеновских измерений параметров наноструктур // Труды межд. науч.-техн. конф. и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии-2010». Часть 2. - Дивноморское, Россия. - 2010.

- С.242-244

32.Gerasimenko N., Kulevoy T., Yakushin P., Seleznev D., Medetov N., Zaporozhan O. Silicide formation by pulse high Current Rhenium Ion Beam // Abstracts of 17th International Conference on Ion Beam Modification of Materials. -Montreal, Canada - 2010. - P.59.

33. A.Chamov, N.Gerasimenko, V.Khanin, N.Medetov. Formation of periodical relief during FIB processing of Si // Abstracts of 17th International Conference on Ion Beam Modification of Materials. - Montreal, Canada - 2010. - P.86.

34.Карташов Д.А., Медетов H.A., Смирнов Д.И., Орлов P.C., Иващенко О.В. Повышение эффективности вычислений результатов двухволновой рентгеновской рефлектометрии многослойных структур при использовании графических процессоров и технологии CUDA // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2010. - № 40 (www.mai.ru/science/trudy/)

35.Gerasimenko N.N., Kartashov D.A., Medetov N.A. Genetic algorithm, bees algorithm and extended bees algorithm efficiency comparison for X-ray reflectogram decoding application // Eurasian Physical Technical Journal. — 2010. -V.7.-№.l(13).-P. 51-55.

36.Герасименко H.H., Медетов H.A., Чамов A.A., Ханин В.А. Особенности формирования рельефа при травлении кремния фокусированным ионным пучком // Материалы 7-й межд. науч. конф. «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент». — Караганда, Казахстан. — 2010. — С.103-107.

37.Карташов Д.А., Медетов H.A., Смирнов Д.И., Орлов P.C. Обработка результатов рентгеновской рефлектометрии многослойных структур с реализацией параллельных вычислений на графических процессорах // Материалы 7-й межд. науч. конф. «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент». - Караганда, Казахстан. - 2010. - С.131-136.

38.Герасименко H.H., Чамов A.A., Медетов H.A., Ханин В.А. Образование периодического рельефа при травлении кремния фокусированным ионным пучком // Тезисы докл. III Всеросс. конф. «Физические и физико-химические основы ионной имплантации». — Нижний Новгород, Россия. — 2010. — С. 9899

39.Герасименко H.H., Кулевой Т.В., Якушин П.Е., Селезнев Д.Н., Медетов H.A., Запорожан O.A. Формирование силицида рения импульсным ионным пучком высокой плотности // Тезисы докл. III Всеросс. конф. «Физические и физико-химические основы ионной имплантации». - Нижний Новгород, Россия, - 2010.-С. 100-101

40.Герасименко H.H., Смирнов Д.И., Медетов H.A. Возможности исследования имплантированных структур на многофункциональном рентгеновском комплексе «X-ray MiniLab» // Тезисы докл. III Всеросс. конф. «Физические и физико-химические основы ионной имплантации». - Нижний Новгород, Россия, - 2010.-С. 144-145

41.Карташов Д.А., Медетов H.A., Смирнов Д.И., Орлов P.C. Компьютерные методы обработки результатов рентгеновских измерений параметров наноструктур // Тезисы докл. III Всеросс. конф. «Физические и физико-химические основы ионной имплантации». — Нижний Новгород, Россия. -2010. — С.145-147

42.Медетов H.A., Карташов Д.А., Орлов P.C. Реализация параллельных вычислений по технологии CUDA для обработки результатов относительной двухволновой рентгеновской рефлектометрии многослойных структур // Вестник науки Костанайского социально-технического университета - 2010. - №3. — С.279-287.

43.Карташов Д. А., Медетов Н. А., Смирнов Д. И., Орлов Р. С. Увеличение производительности компьютерных вычислений рентгеновских рефлектограмм // Вестник Карагандинского государственного университета. Серия «Физика». - 2010. - №4(60). - С.72-78

44.Герасименко H.H., Медетов H.A., Смирнов Д.И. Радиационные методы в нанотехнологиях // Сборник трудов I межд. конф. «Инновационные технологии. Реальность и перспективы». — Курчатов, Казахстан. — 2010. -С. 12-34.

45.Карташов Д.А., Медетов H.A., Смирнов Д.И., Орлов P.C.. Влияние предварительного преобразования экспериментальных данных на точность результатов обработки рентгеновских рефлектограмм // Известия вузов. Электроника. - 2011. - №3(89). - С.82-88. Kartashov D.A., Medetov N.A., Smirnov D.I., Orlov R.S. Effect of the Preliminary Transformation of Experimental Data on the Accuracy of Results of Processing X-Ray Reflectograms // Russian Microelectronics. - 2012. - V. 41. - №7. - P. 437-442.

46.Герасименко H.H., Рыгалин Б.Н., Смирнов Д.И., Медетов H.A. Радиационные методы в нанотехнологиях // Труды VIII межд. конф. «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». - Курск, Россия. - 2011. - С. 88-109

47.Герасименко H.H., Смирнов Д.И., Турьянский А Г., Медетов H.A. Использование многофункционального рентгеновского рефлектометра для анализа твердотельных структур микро- и наноэлектроники // Известия Вузов. Электроника. - 2011 - № 5(91). - С. 99-106.

48.Герасименко H.H., Медетов H.A., Смирнов Д.И.. Учебное пособие по дисциплине «Перспективные направления наноэлектроники», - М.: МИЭТ. -2011.-112 с.

49.Мухамедшина Д.М., Бейсенханов Н.Б., Мить К.А., Дмитриева Е.А. Медетов H.A. Применение термических и плазменных обработок для модификации свойств тонких пленок Sn02 // Перспективные материалы. - 2012. - №1-С.35-42

50.Медетов Н. А., Карташов Д. А., Смирнов Д. И., Орлов Р. С. Компьютерные методы обработки результатов рентгеновского анализа наноразмерных структур // Тезисы докл. VII нац. конф. "Рентгеновское, синхротронное излучения, нейтроны и электроны для исследования наносистем и наноматериалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии - 2011". — Москва, Россия. - 2011. - С.549

51.Смирнов Д.И., Герасименко H.H., Турьянский А.Г., Медетов H.A. Многофункциональный рентгеновский комплекс как универсальный инструмент исследования нано- и микроэлектронных структур // Тезисы докл. VII нац. конф. "Рентгеновское, синхротронное излучения, нейтроны и электроны для исследования наносистем и наноматериалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии - 2011". - Москва, Россия. -2011. -С.511

52.Medetov N.A. The study of the composition of the natural nanostructured material - chiysotile asbestos // Eurasian Physical Technical Journal. - 2012. - V.9. -№2(18).-P. 38-42

53.Герасименко H.H., Смирнов Д.И., Медетов H.A., Запорожан O.A. Влияние размерных эффектов на радиационную стойкость нанокристаплических материалов // Известия Вузов. Электроника. — 2013. — №6. — С. 31-38.

54.Смирнов Д.И., Гиниятуллин P.M., Зюльков И.Ю., Медегов H.A., Герасименко H.H. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti // Письма в ЖТФ. - 2013. - Т.39. - № 14. - С. 3442. Smimov D.I., Giniyatyllin R.M., Zyul'kov I.Yu., Medetov N.A., Gerasimenko N.N. Problems in Measurements of Parameters of Elements and Structures in Modern Micro_ and Nanoelectronics Considering TiN/Ti Diffusion Barrier Structures As an Example // Technical Physics Letters. - 2013. - V. 39. - № 7. -P. 640-643

55.Герасименко H.H., Михайлов A.H., Козловский B.B., Запорожан O.A., Медетов H.A., Смирнов Д.И., Павлов Д.А., Бобров А.И.. Структура и люминесценция кремния, облученного протонами // Перспективные материалы.-2013.-№8-С. 18-23.

56.Герасименко H.H., Турьянский А.Г., Cherner Y., Медетов H.A., Смирнов Д.И. Организация удаленного массового доступа к уникальному оборудованию, сопряженному с виртуальной обучающей системой // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. — 2013. -№2. — С.44-51

57.Герасименко H.H., Смирнов Д.И., Турьянский А.Г., Медетов H.A.. Рентгеновские методы исследования в микро- и наноэлектронной технологии // Труды X межд. науч. конф. «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». - Алматы, Казахстан. - 2013. - С.285-296.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100 экз. Заказ 144. Отпечатано в типографии ТОО «Копи-Центр» 110000, Республика Казахстан, г.Костанай, ул.Баймагамбетова, 162

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»

на пр чиси

05201450620

Медетов Нурлан Амирович

РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физ.-мат. наук, профессор, заслуженный работник Высшей школы Российской Федерации Герасименко H.H.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................8

РАЗДЕЛ I. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ

НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОСТРУКТУР............................15

Глава 1. Ионный синтез полупроводниковых наноструктур на кремнии.......19

1.1 Образование упорядоченных структур Со312 при ионном синтезе.................19

1.1.1 Особенности ионного синтеза при высоких плотностях тока

ионного пучка.............................................................................20

1.1.2 Ионный синтез упорядоченных структур на поверхности кремния..........25

1.2 Р1онный синтез силицидов рения при использовании импульсных пучков......30

1.2.1 Определение фазового состава приповерхностного облученного слоя ....33

1.2.2 Распределение внедренных ионов по глубине....................................35

1.2.3 Элементный анализ нанокластеров.................................................40

1.2.4 Атомно-силовая микроскопия поверхности облученного слоя...............43

1.3 Формирование и анализ квантово-размерных структур 8Юе полученных методом ионной имплантации..............................................................46

1.3.1 Анализ структур методами сканирующей зондовой микроскопии..........48

1.3.2 Пространственное распределение внедренных ионов германия с образованием наноразмерных кластеров. ВИМС анализ и Оже-спектроскопия высокого пространственного разрешения: результаты анализа....................................................................................54

1.3.3 Контроль проявления квантово-размерных свойств методом Рамановского рассеяния света........................................................59

1.3.4 Фотолюминесценция на квантовых точках БЮе.................................61

1.4 Методы математического и компьютерного анализа наноразмерных структур..........................................................................................65

1.4.1 Анализ синтезированных наноразмерных структур Б10е.......................70

1.4.2 Анализ синтезированных упорядоченных структур Со812.....................78

1.4.3 Моделирование степени упорядоченности наноразмерных структур.......84

1.5 Основные результаты и выводы по первой главе.......................................89

Глава 2. Формирование функциональных дефектных структур..................91

2.1 Образование собственных нанокристаллов в монокристаллическом

кремнии..........................................................................................91

2.2 Интенсивная люминесценция на кремнии облученного протонами...............99

2.3 Исследование структуры образцов с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии............................................101

2.4 Основные результаты и выводы по второй главе.......................................108

Глава 3. Радиационная модификация механических свойств

наноматериалов.....................................................................109

3.1 Особенности формирования рельефа при травлении кремния фокусированным ионным пучком........................................................110

3.2 Структурные макроперестройки в кристаллическом кремнии: роль точечных дефектов...........................................................................119

3.3 Основные результаты и выводы по третьей главе.......................................130

РАЗДЕЛ II. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ

И НАНОСТРУКТУР...........................................................132

Глава 4. Теоретические аспекты радиационной стойкости

нанокристаллических структур................................................134

4.1 Виды радиационного воздействия.......................................................136

4.2 Радиационная стойкость отдельных классов наноматериалов и наноструктур..................................................................................138

4.2.1 Углеродные системы: нанотрубки, нановолокна, графен.....................138

4.2.2 Гетероструктуры, квантовые точки типа АШВУ.................................145

4.2.3 Пористые полупроводниковые материалы: пористый кремний, пористый фосфид галлия.............................................................151

4.3 Основные положения модели радиационной стойкости наноструктур на примере нанокристаллических материалов.............................................155

4.4 Основные результаты и выводы по четвертой главе.................................161

Глава 5. Экспериментальные исследования радиационной стойкости.........162

5.1 Получение пористого кремния...........................................................163

5.2 Образцы пористого кремния с заданными размерами кристаллитов............167

5.3 Определение размера пор и кристаллитов между ними в пористом

кремнии.........................................................................................168

5.4 Исследование деградации структуры образцов пористого кремния после облучения......................................................................................175

5.4.1 Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого

кремния..................................................................................175

5.4.2 Инфракрасная спектроскопия облученных образцов пористого кремния..................................................................................181

5.5 Основные результаты и выводы по пятой главе.......................................185

РАЗДЕЛ III. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ

НАНОСТРУКТУР...........................................................186

Глава 6. Рентгеновские методы исследования параметров наноструктур.....189

6.1 Современные задачи рентгеновской метрологии в микро- и наноэлектронной технологии..............................................................189

6.2 Использование многофункционального рентгеновского комплекса для анализа твердотельных структур микро- и наноэлектроники......................193

6.3 Применение рентгеновских методов анализа для решения прикладных

задач микро- и наноэлектроники..........................................................203

6.3.1 Двухволновая относительная рентгеновская рефлектометрия...............203

6.3.2 Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ нанодисперсных

и слоистых структур...................................................................212

6.3.3 Малоугловое рассеяние рентгеновского излучения для исследования нанодисперсных систем..............................................................216

6.4 Исследование состава природного наноструктурного материала -хризотилового асбеста......................................................................219

6.5 Проблемы измерения параметров элементов и структур современной

микро- и наноэлектроники..................................................................227

6.5.1. Исследования диффузионно-барьерных структур TiN/Ti....................227

6.5.2 Исследование свойств наноструктурированных многослойных

пленок Sn02.............................................................................235

6.6 Основные результаты и выводы по шестой главе.....................................245

Глава 7. Применение современных информационных технологий для повышения эффективности рентгеновских методов исследования........................................................................247

7.1 Расчет параметров многослойных структур методом относительной рентгеновской рефлектометрии...........................................................248

7.2 Алгоритмы поиска глобального минимума функционала невязки...............251

7.3 Оптимизация эволюционных алгоритмов применяемых для обработки результатов рентгеновской рефлектометрии............................................256

7.4 Влияние предварительного преобразования экспериментальных данных

на точность результатов обработки.......................................................263

7.5 Повышение эффективности обработки экспериментальных результатов при использовании параллельных вычислений на графических процессорах....................................................................................266

7.6 Основные результаты и выводы по седьмой главе...................................273

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ......................274

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................279

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,

ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

ТМ - туннельная микроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

КТ — квантовые точки

КП - квантовые проволоки

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

СВВ ОЭМ - сверхвысоковакуумная отражательная электронная микроскопия

ФЛ - фотолюминесценция

ЭБД - «эффект больших доз»

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

СЗМ - сканирующий зондовый микроскоп

ГР - метод Гомеса-Радригеса

ПЯ - метод подсчета ячеек

ЭОС - электронный оже-спектрометр

КРС - комбинационное рассеяние света

ФЛ — фотолюминесценция

ПФ - пары Френкеля

ВДИИМ - вакуумно-дуговой источник ионов металлов

ВИМС - вторично-ионная масс-спектрометрия

СПЭМ - сканирующая просвечивающая электронная микроскопия

ФИП - фокусированный ионный пучок

ГАТ - глубокое анодное травление

ТД - точечный дефект

НК - нанокристаллы

Siin — междоузельный атом кремния

V - вакансия

ИК - инфокрасный

/юг-Si - пористый кремний

c-Si - монокристаллический кремний

por-GаР - пористый фосфид галлия

c-GaP - монокристаллический фосфид галлия

МУРР - малоугловое рентгеновское рассеяние

ОРР - относительная рентгеновская рефлектометрия

МЭМС - микроэлектромеханические системы

КО - коэффициент зеркального отражения

ДБС - диффузионно-барьерные структуры

СЭ - спектральная эллипсометрия

МС - многослойная структура

ДЭ - дифференциальная эволюция

GA - генетический алгоритм

ВА — алгоритм пчел

СА - комбинированный алгоритм

СКО - среднеквадратическое отклонение

GPU - графические процессоры

CPU - центральный процессор

CUDA - Compute Unified Device Architecture

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Появление и интенсивное развитие нового направления в науке и технологии, связанного с реализацией принципиально новых эффектов в наноразмерных материалах и структурах вызвали острую необходимость в поиске новых методов их формирования и исследования, которые в свою очередь, при их реализации, привели к обнаружению новых свойств и принципиальных новых явлений.

Радиационные методы воздействия, убедительно продемонстрировали свою эффективность в исследованиях, относящихся к модификации свойств материалов. Уже первые эксперименты показали, что радиационные воздействия могут вызвать в материалах изменения, не наблюдавшиеся при других видах воздействия, которые, с одной стороны, необходимо учитывать при создании и эксплуатации наноструктур, а с другой, можно целенаправленно использовать в нанотехнологиях. В связи с вышеизложенным, систематическое изучение возможностей использования радиационных методов в вышеуказанных направлениях является, на наш взгляд, актуальным и важным.

Цель диссертационной работы заключается в рассмотрении основных (наиболее значимых) радиационных эффектов, присущих как наноструктурированным материалам, так и приборным наносистемам в целом, а также использования этих эффектов в наноэлектронике и нанофотонике. Основное внимание уделено наноразмерным приборным структурам на основе кремния с учетом специфических особенностей этого материала.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Проведен комплексный анализ радиационных методов как инструмента для формирования наноструктур на кремнии. Рассмотрено совместное применение имеющихся радиационных методов к созданию, измерению параметров и исследованию наноструктур, что дало возможность впервые обнаружить взаимосвязанные явления, вызываемые действием ионизирующих излучений (квантов и частиц), которые оказались принципиально возможными для реализации в наноструктурах с размерами ниже пороговых. В частности, на примере результатов, приведенных в работе, показано, что использование

радиационных методов дало возможность реализовать явление самоорганизации, основанное на введении подвижных радиационных дефектов для формирования квантовых точек Б10е на кремниевой подложке, а также структурных дефектов типа {ИЗ}, что привело к созданию высокоэффективных источников люминесценции.

2. Эти явления базируются на представлениях о поведении дефектов, образующих пары Френкеля (особенностях их перемещения при взаимодействии между собой и с примесными атомами). Предложена физическая модель, основанная на поведении ближних и дальних пар Френкеля, объясняющая ряд явлений, в частности радиационную стойкость кристаллических наноструктур, возможность формирования наноструктур путем самоорганизации структурных дефектов, причину проявления пластичности в наноструктурах с размерами ниже пороговых. Эта модель, объясняющая принципиальные особенности появления резкого увеличения радиационной стойкости наноструктур, состоит в том, что пары Френкеля с увеличенным пространственным разделением между компонентами в случае наноразмерных структур не выходят за пределы нанообъекта и, таким образом, становятся аналогом ближних пар Френкеля, аннигилирующих за счет теплового движения.

3. Показано преимущество радиационных методов при исследовании и измерении параметров наноструктур. Обоснована необходимость комплексного подхода к измерению их параметров для получения достоверной информации. Наиболее показательным примером применения радиационных методов для измерения параметров нанообъектов являются результаты использования рентгеновских методов, основанных на применении двулучевой техники и применении новых компьютерных методов обработки полученных экспериментальных информации. В частности это сделано путем применения новых алгоритмов и метода параллельной вычислений с применением графических процессоров.

4. Показана применимость методов «дефектной инженерии» для создания наноструктур. В частности, продемонстрирована возможность получения в монокристаллическом кремнии наноструктурных дефектных образований, выполняющих роль высокоэффективных центров люминесценции. Выявлены

особенности формирования таких центров (линейных дефектных комплексов {113}) с помощью протонной бомбардировки при наличии центров зарождения дефектов - атомов бора.

Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:

1. Разработаны методы ионного синтеза наноструктур, в частности БЮе квантовых точек, а также собственных дефектов, обладающих квантово-размерными свойствами, которые демонстрируют возможность создания высокоэффективных излучателей, в том числе для систем оптической волоконной связи.

2. Разработаны физические основы создания радиационно-стойких приборов и систем для атомной промышленности, космических объектов и оборонной техники.

3. Разработана система измерения параметров наноструктур на базе рентгеновских методов и показана эффективность комплексного подхода к измерению таких параметров. Система измерения параметров наноструктур, основанная на применении новой техники, разработанной в Институте рентгеновской оптики и ФИАН им. Лебедева, сочетает возможность оперативного проведения измерений и обработки результатов, а также возможность использования ее без дополнительных мер радиационной защиты. Это продемонстрировано результатами проведения измерений на образцах продукции, выпускаемой заводом «Микрон».

Публикации и апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

- IV Всероссийском семинаре по Радиационной физике металлов и сплавов (г.Снежинск, Россия, 2003 г.);

- международной научно-практической конференции «Снежинск и паука 2003. Современные проблемы атомной физики и техники» (г.Снежинск, Россия, 2003 г.);

- IV международной конференции «Ядерная и радиационная физика» (г.Алматы, Республика Казахстан, 2003 г.);

- международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (г.Москва, Россия, 2003г.);

- I, III Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (г.Нижний Новгород, Россия, 2006, 2010 гг.);

- 15th, 16th, 17lh International Conférence on Ion Beam Modification of Materials (Taorrnina, Italy, 2006 г., Dresden, Germany, 2008 г., Montréal, Canada, 2010 г.);

- 6, 7, 8 международном уральском семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов» (г. Снежинск, Россия, 2005, 2007, 2009 гг.);

- международном совещании «Микро- и нанотехнологии с использованием пучков ионов, ускоренных до малых н средних энергий» (г.Обнинск, РФ, 2007г.);

- международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (Зеленоград, Москва, Россия, 2008 г.);

- 13th International Conférence on Ion Sources (Gatlinburg, Tennessee, USA,

2009);

международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике». (г.Нальчик, Россия, 2009 г.);

- VII международной конференции «Кремний-2010» (г.Нижний Новгород, Россия, 2010 г.);

- международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии-2010» (г.Дивноморское, Россия, 2010 г.);

- 7-й международной научной конференции «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (г.Караганда, Республика Казахстан, 2010 г.);

- XVIII Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (г.Обнинск, Россия, 2010г.);

-1 международной конференции «Инновационные технологии. Реальность и перспективы» (г.Курчатов, Республика Казахстан, 2010 г.);

- VIII, X международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналити