Разработка и применение электронно-спектроскопических методик для анализа поверхности многокомпонентных систем, созданных ионной имплантацией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

1 Г Б О&ИНИСТПРСТПС ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО

СПЕЦИАЛЬНОГО О Ь РАЗ О В А К И Я I ^ АПР 1995 республики Узбекистан

ТА Ш к Етек и и ГО СУДА РС Т В Е11И Ы И Т ЕХ Н И Ч Е С К И И УНИВЕРСИТЕТ им. АБУ РАЙХАНА ЬГРУПП

На правах рукописи. УДК 021.315.592

ЛШРЗАЕВ Дильмурат Акрамовнч

РАЗРАБОТКА И ПРИА1ЕНЁН ИЕ ЭЛЕКТРОН НО-С И Е К Т РОС КО П И Ч ЕС К ИХ М ЕГО Д И К

ДЛЯ АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ, СОЗДАННЫХ ИОННОЙ ИМ ПЛАНТАЦИЕЙ

01.04.04. — Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент —

1995

Работа выполнена на кафедре «Физика и технология материалов» Ташкентского Государственного технического университета им. Лбу Райхана Беруни.

Научный руководитель: — доктор физико-математических

наук Умирзаков Б. Е.

Официальные оппоненты: — доктор технических наук

Абдукаримов Э. Т.

— доктор физико-математических наук Кремков М. В.

Ведущая организация: НИИ Прикладной физики 'ГашГУ,

лаборатория «Лазерное материаловедение».

Защита состой гея (ХАЛ&ЛлЯ^-- 1995 г,

на заседании специализированного Совета К 067.07.25 в Ташкентском Государственном техническом университете им. А. Р. Беруни по адресу: 700095, г. Ташкент, ГСП, Вузгоро-док, ТашГТУ, центр Электроники, автоматики и вычислительной техники, аудитория 153.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ТашГ'ТУ.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью в 2-х экземплярах просим направлять но вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного Совета.

Автореферат разослан »

1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат физнко-магематиче

Хамндов А. X.

- 3 -Введение

Актуальность работы. Ионно-лучевая модификация является аффективным средством создания на поверхности твердого тела новых структур с комплексом ценных: свойств, что позволяет не только экономить дорогостоящие материалы, но и увеличивать срок службы различных технических устройств, уменьшать их размеры. С этим и связано значительное возрастание интереса к' исследованию явлений, происходящих на поверхности и вблизи нее в твердых телах под влиянием внешних воздействий различного типа. При этом особый интерес представляет исследование кремния и арсенида галия, легированных ионами активных элементов (Ва*, К4,. Иа*, Сэ+и др.), в связи с широким диапазоном применения этих полупроводников, а также спецификой изменений свойств их поверхности: образованием химических соединений, изменением величин потенциального барьера и параметров энергетических зон.

Для изучения этих свойств весьма эффективными оказались методы вторично-эмиссионной спектроскопии (ВЭС). С их помощью исследованы изменения состава', структуры и свойств поверхности 31 и ЕаАз, легированных ионами щелочных, и щелочно-земельных металлов. Получены в.ашые сведения о вторично-эмиссионных свойствах поверхности, о химических соединениях, образующихся между атомами матрицы и легирующего элемента и о степени разупорядоче-ния приповерхностного слоя.

Однако, в этих исследованиях практически не использованы методы фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС), дифракция быстрых электронов (ДБЭ), вторично-ионная масс-спектроскопия (ВШС), оптическое профилирование, позволяющие получить наиболее прямые сведения о состоянии и свойствах поверхности ионно-легированных материалов. Поэтому, большинство полученных результатов по диагностике и контролю поверхности ионно-легированных образцов имели, в основном, качественный характер. Е частности, не были проведены целенаправленные исследования, позволяющие оценить широкие возможности использования ионной имплантации при создании приборов и элементов функциональной электроники; не определены такие важнейшие) характеристики, как доля атомов легирующей примеси, входящих в химическую связь, степень ионности этой связи и величина переносимого заряда мемду атомами; не исследованы и кснкретние параметры энергетических асн полупроводников при ион-

- 4 -

ном легировании. - ,

Решение вышеперечисленных задач является актуальной проблемок, имеющэй важное значение как для расширения области применения низкоэнергетической ионной имплантации при производстве при- боров микроэлектроники,' включая интегральные микросхемы и элементы памяти, так и для определения фазовой и электронной структуры ионно-легированных слоев, выявления природы и механизмов кинетики образования новых фаз.

Целью диссертационной работы являлось создание экспериментального прибора и развитие электронных методик для комплексной диагностики поверхности ионно-модифицированных кристаллов 51, БаАз, а также выработка практических рекомендаций по использованию ионной имплантации для создания материалов и приборов микроэлектроники.

Задачи исследований:

- конструирование и изготовление сверхвысоковакуумной установки, позволяющей исследовать состояние поверхности ионно-легированных полупроводников комплексом аффективных.электронных методов;

- усовершенствование методики определение параметров энергетических зон и кристаллической решетки'поверхности сложного состава;

- разработка способа количественной оценки концентрации примесных атомов, входящих в химическую связь с атомами матрицы;

- разработка метода определения связи между, изменениями структуры спектра плотности электронных состояний, составом ■ и кристаллической структурой приповерхностного слоя 31 и БаАз;

- выяснение возможностей создания ионной имплантацией многокомпонентных структур и барьерных слоев, необходимых для совершенствования технологии создания приборов микроэлектроники на основе изучения влияния температурного отжига на состав и структуру ионно-легированных образцов.

Объектами исследования Еыбраны монокристаллы 51 , 6'аАз и аморфные образцы 51. Имплантация производилась ионами Ва+,Ма"*,К+ и Сз+ с энергией Е0 =0,5 * 5 клВ и доэой Б = 10Н * 5-Ю17 см"2 . Выбор образцов обусловлен не только широким использованием этих материалов в различных областях электронного приборостроения, но и конкретными задачами, решаемыми в данной работе.

Научная но.юхаиа работы заключается в том, что в ней:

- реализованы в едином экспериментальном приборе электронные методы анализа поверхности и развиты методики исследования с их помощью характеристик ионно-шплангированных полупроводниковых материалов;

- определены оптимальные режимы ионной имплантации и отжига для создания конкретных многокомпонентных систем с перестраиваемой постоянной решетки, гетеро- и барьерных структур и омических контактов;

- предложена оргинальная методика построения энергетической зонной диаграммы, позволяющая получать более глубокие сведения об электронной структуре поверхности ионно-импдантированных полупроводников;

- исследовано влияние образования новых соединений и изменения кристаллической структуры поверхности на величины загиба зон, положения уровня Ферми и других параметров зонной структуры поверхности 31 и БаАз, что весьма важно для разработки научных основ создания новых гетероструктурных пленок;

- предложена методика оценки доли атомов легирующей примеси, образующих химическую связь с атомами матрицы; определены степень ионноети связи 1, величины переносимого ааряда ц и типы химических связей образующихся соединений на поверхности полупроводников, легированных ионной имплантацией, что имеет важное значение для развития технологий материалов микроэлектроники;

- для выяснения возможности создания ионной имплантацией эпитаксиальных пленок и переходных слоев сложного состава, изучено изменение фазовой структуры и параметров решетки поверхности монс.чриеталлических образцов при ее амортизации ионным облучением и при кристаллизации термическим прогревом;

- установлены основные физические факторы, приводящие к уменьшению диффузионной глубины инородных примесей в кремнии, подвергнутом ионной имплантации, что рекомендовано использовать в технологических процессах.

На защиту выносится следующее положения:

- интегральные электронные методики и экспериментальный прибор для изучения и контроля электронных сесйств и структуры по-верлности ионно-легированных систем путем совместного анализа энергетических спектров фото- и упругоотраженных электронов;

- экспериментально определенные значения важнейших характеристик поверхности ноеых материалов микроэлектроники: парамет-

роЕ энергетических гон и кристаллической решетки, степени ион-ности связи, величины переносимого заряда, доли легирующей примеси, входящей в химическую связь с атомами матрицы;

- установленная связь между изменениями фазового состава, -кристаллической структуры и распределением плотности электронных состояний приповерхностного слоя 51 и GaAs в процессе их ионной имплантации и последующего отжига;

- научно обоснованные результаты о возможности создания ионной имплантацией переходных слоев с переменной концентрацией активного элемента, диффузионных барьеров и омических контактов на поверхности полупроводниковых материалов. В частности, показано, что на границе SI - BaSl создается гетеропереход первого рода.

Научная и практическая ценность работы. Совместное использование электронных методов ФЭС и ВЭС и предложении: на их основе усовершенствованных методик анализа и контроля поверхности материалов позволяет получить новуи информацию о количественном составе, электронной и кристаллической структуре поверхности ион-v.D-легированных материалов, что также существенно'расширяет аналитические возможности и повышает информативность электронной диагностики поверхности, осуществляемой in situ.

Полученные результаты имеют важное значение для целенаправленной ионной модификации и аналига свойств поверхности материалов и рекомендуется использовать их при создании барьерных слоев, омических контактов и новых тонкопленочных структур, необходимых для приборов микроэлектроники. Эти данные представляют интерес также и для развития теории взаимодействия заряженных частиц с " твердым телом и диффузии инородных примесей в материалы. Отдельные результаты работы используются в ЦНИТЙ, НИИ физических проблем (г.Москва), ПО "Фоток" (г. Ташкент).

Опытная экспериментальная установка может послужить в качестве базовой при создании установок для получения новых тонкопленочных многокомпонентных систем с применением ионной технологии. В настоящее время она используются также и в учебном процессе для обучения студентов современным методам электронной диагностики поверхности материалов.

• Апробация работы.' Основные результаты диссертации докладывались на XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Киев, 1987; Ленинград, 1990); Всесоюзных конференциях по ионно-лучевой модификации материалов (Черноголовка, 1987; Ново-

сибирск, 1991); 111 Всесоюзной конференции по физике окисных пленок (Петрозаводск, 1991); Республиканской научно-практической конференции молодых ученых (Ташкент, 1991); X и XI Всесоюзных конференциях по взаимодействии ионов с поверхностью (Москва, 1991, 1993); VII Всесоюзном симпозиуме по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности (Ташкент, 1990); I Всесоюзном симпозиуме " Методы дифракции электронов в исследовании структуры вещества " (Звенигород, 1991).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и сйьеы диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, в том числе 122 страницы машинописного текста, 38 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 10? наименований.

Автор выражает благодарность научному консультанту работы -д.ф.-м.н.,прсф.Нормурадову М.Т.

Основное содержание диссертации

Вс введении обоснована актуальность . выбранного направления исследований, ■сформулированы цель и задачи работы, показаны'ее новизна, научная и -практическая ценность; приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации содержит краткий обзор экспериментальных работ, посЕ.:щенных исследованию физико-химических свойств поверхности модифицированных полупроводников, легированием ионами активных элементов.

Показано, что наиболее подробно изучены вторично-эмиссионные свойства ионно-легированных полупроводников. Исследования, посйященныз изучению влияния режимов низкоэнергетической конной имплантации на электронную и кристаллическую структуру, элементный состав и химические взаимодействия атомов в поверхностной области материалов, в основном, были качественными. Практически не наследовались влияние ионно-легированного слоя на параметры решетки и диффузию инородных примесей, а также влияние температурного отжига на состав и свойства лоьерхности.

Описаны основные методы диагностики и контроля поверхности, рассмотрен принцип и показаны аналитические ?.агзио*люс,:и фато-■•..'лектрошюй спектроскопии для шс-ледоьанш структуры иолупровод-

ников. Сформулированы и поставлены,задачи настоящей работы.

Но второй главе описаны созданная экспериментальная установка, использованная для диагностики и контроля поверхности, методики электронной спектроскопии, а также технологии ионной имплантации и высокотемпера?урного отжига. Яглажен принцип определения макроскопических электронных характеристик поверхности по кривой энегетического рапределениа (КЭР) фотоэлектронов.

В работе в комплексе совместно использованы методы: ультрафиолетовая ФЗС, оже-электронная спектроскопия (ЭОС), спектроскопия УОЭ и характеристических потерь энергии (ХПЭ), ВИМС, ДБЭ, растровая электронная микроскопия (РЭМ) и измерение эмиссионных параметров, а также метод оптического профилирования.

Основная часть экспериментов проводилась на опытном приборе, изготовленном автором. Прибор позволяет в идентичных условиях проводить всестороннюю диагностику поверхности методами УФЭС .(hv = 9 г 11 эЕ) и БЭС, измерять эмиссионные параметры in situ, т.е. непосредственно в сочетании с технологическими обработками образцов (ионная имплантация, напыление пленок, .термический.отжиг) Эксперименты проводились при давлениях остаточных газов P« 5-IQ7 Па. Отдельные эксперименты проводились на стандартном спектрометре LAS - 2200, который позволял также одновременно исследовать поверхность материалов методами ЭОС, ВИМС и ДБЭ. В ходе экспериментов использованы оптический профилометр d- Step-200, растровый электронный микроскоп и электронограф ЭМР-102. Даются оценки погрешности измерений использованных методов.

В третье;"* главе приводятся результаты электронно-спектроскопических исследований поверхности S1 и GaAs, легированных ионами активных элементов и проводится анализ полученных данных применительно к вопросам тонкопленочной технологии.

Описана предложенная методика построения диаграмма электронных состояний энергетических гок полупроводниковых материалов, основанная на совместном анализе спектров , фото- и вторичных электронов, а тате методы оценки доли легирующей примеси обра-гукдей химическую сзягь с атомами матрицы: оценки количества заряда передаваемого катионом аниону.

Параметры электронной структуры кристаллов определялись на основе анализа п>: фотоэлектронных спектров, полученных при hv ^ 9 11 эВ. Результаты этих исследовании показали, что в случае имплантации иокоь металлов сравнительно низкой энергией (Е 4 2

кэВ) в с ростом дозы облучения происходит смещение в энергетическом спектре валентных электронов положения остовных пиков матрицы и исчезновение их при высоких дозах, появление новых пиков, уменьшение до 2 * 2,5 зВ фото- и термоэлектронной работы выхода (Ф и 1р ), сужение ширины запрещенной зоны Е^ на 0,4 * 0,6 эВ и зоны проводимости ( уменьшение величины сродства к злектро-ну ж),изменение^(до 0,6 - 0,7 зВ ) расстояния между потолком валентной зоны Е и уровнем Ферми ЕР , а такие выпрямление загиба зон Уд.

Основными причинами этих изменений, по-видимому, является образование химических соединений между атомами матрицы и легирующего элемента, рззупорядочение приповерхностного слоя и возникновение электрически активных центров. При малых дозах .5-10^ см2) концентрация внедренных атомов в приповерхностной области мала (~2-= 3 ат.%), поэтому. изменения электронной структуры поверхности полупроводника з зтой области доз связаны, в основном/ с наруколчями кристаллической решетки. Последнее может привести к сдвигу пиков плотности электронных состоянии, частичному выпрямлению «агкба зон и уменьшении $ . При относительно высоких дозах -блучьния (П»1 т 5-Ю^ смг) приповерхностная область кристалла полностью разупорядоч'лвается (амортизация), а концентрация внедренных атомов е ней увеличивается до 25 гЗО ат.%. По-видимому, определенная часть из них образует химическую связь с атомами матрицу, а другая часть - находится п электрически активном состоянии и в запреце- ной в оке образуются ¿опорные уровни. Можно полагать, что пои дозах 0^4 5 о-101я см2, близких к дозе насыщения, происходит расцепление донорных уровней и вблизи дна зоны проводимости формируется узкая (йЕ 0,3 * 0,4 эВ) примесная зона.

16

При больних дозах облучения ионов (П^Ю см ) концентрация внедренной примеси и приповерхностном слое увеличивается до 40* 50 ат.Х." В этих слоях, как показывав? результаты ПК!,1С и 00С, в основном, образуются соединения типа Не51 л Ме512.Для этих соединении степень ношюсти связи составляла '¿5 V 30 а величина переносимого наряда (0,7 ; 1,1)е. Однако, почти 20 г 35 на внедренных атидоь не входят в химическую сьявь с атомами матрицы. Подтоку в отсм случле свс;й<:тна исследуемы:: с$(,а&цсп приближаются к ср.ойстьъч к.гт-'»лв'''в.

Рс-зу.ш.тати электрошк--м;псг.аскопичс-ских »пг&зд&вздиб псгьоля

- Ю -

ют предположить, что ионное легирование сопровождается некоторым увеличением атомной плотности и некоторым разбуханием приповерхностного слоя. Доля примесных атомов, способствующих разбуханию, не превышала 10 г- 15 % от общей концентрации вводимых атомов. ПО-видимому, основная часть легирующей примеси располагается тагам образом, что приводит к уплотнению приповерхностного слоя.'

При сравнительно высоких энергиях ионов кэВ) содержа-

ние внедренных атомов на поверхности и вблизи нее даже при 0 ^ 5*1016 см"2 не превышает 10 Н2 ат.%. Поэтому в этом случае основные изменения электронной структуры поверхности обусловливаются ее разупорядочением. Последнее приводит к частичному выпрямлению загиба зон, сдвигу максимумов плотности заполненных и свободных электронных состояний, смещению положения уровня Ферми. При этом вблизи дна зоны проводимости новая зона не образуется, следовательно ионно-легированные (с указанной дозой) образцы 51, не теряют свойства, характерные для самих этих полупроводников.

Изменение состава, фазовой и электроны; ■ структуры поверхности БзЛз при имплантации ионов активных металлов имело

определенное отличие от образцов 51. При средних дозах (0^5-14 15 -Э

10 -г 5-10 см') облучения разупорядочение приповерхностного слоя кристалла сопровождается образованием соединений типа Ва + Ьг, Ва + Са + АЗ и выделением атомарного Ба. Как известно, последний способствует образованию глубоких уровней, лекащих в средней части запрещенной зоны. Следовательно, в указанном интервале доэ, независимо от энергии и типа легирующих ионов, уровень верми располагается в одном и том же месте в запрещенной зоне.

С дальнейшим ростом дозы, при энергиях ионов Ео^0,5 -■ 2 кэВ в приповерхностном слое начинают появляться • избыточные атомы бария, которые образуют некую связь со свободными атомами галлия. При Ъ > 10 см* приповерхностная область кристалла обогащается атомами бария и галлия. В связи с этим электронные и другие физико-химические свойства облученных кристаллов становятся близкими к характерным для металлов. При более высоких энергиях ионов 3 кэВ)происходит существенное (до 2-х раз) уменьшение ширины запрещенной зоны вследствие полного раэупорядочения приповерхностного слоя и некоторого обогащения его атомами Еа, однако полной "металлизации"поверхности не наблюдается.

Четвертая глава посвящена изложении результатов исследова-

ния влияния температурного прогрева на состав, электронную и кристаллическую структуру припсперхностных слоев ионно-легированных кристаллов кремния и зрсенида галлия. Основные закономерности, наблюдаемые при прогреве исследуемых систем, рассмотрены на примере Si, легированного ионами Ва+ с Е = 0,5 и 3 кэВ

1R -О j

при D = В-10 см (табл. 1). Длительность прогрева при каждой Т составляла 30 мин. Результаты ОЗС позволяют предполагать, что с ростом температуры до Т =г 800 К происходит некоторое увеличение доли атомов Ва, входящих в химическую связь с атомами Si. Для образцов, легированных с Е,>3 кдВ, это возрастание, в основном, обусловлено увеличением концентрации атомов бария в приповерхностной области S1. В интервале Т^ 800*-1000 К ионно-легированный слой переходит из аморфной Фазы з кристаллическую, представляющую собой мелкоячеистую структуру. При этом в приповерхностной области кристалла образуется тонкий

Тавлзяча 1

Влияние температурного npcrpei'a на состав и структуру поверхности кремния, легированного ионами Ва+

1 I V 0,5 кэВ 1 Е 0 = 3 кэВ 1

_ _____ __ _ __)

1 1 , Л. i ! i Конце н. ! Состав 1 (Концен. 1 Состав 1 1

1 1Ва,атД 1 1 Структура 1Ва,ат.% 1 (Структура 1

1 300 1 55 IBaSl+Ba 1 зморфн. 1 32 )BaSi2+Bal аморфи. 1

1 600 1 Б8 IBaSl+Ba 1 ачорфн. 1 37 . !BaSi2+Bal аморфн. 1

1 900 1 50 1 BaSl 1 крист. 1 45 1 BaSl. 1 крист. I

1 12001 32 ! BaSi5 1монокриат. 1 37 1 BaSl2 1монокрист.1

1 156D1 2-3 1 SI Ыонокрист. ! ' 5 1 S1 Ыонокрист. 1

(сЫ20 * 25 А) слой силицида типа Ва51. Одновременно происходит существенное изменение распределения плотности электронных состояний.

Начиная с Т 1100 К наблюдается интенсивная десорбция бария из приповерхностной области ионно-легированного кристалла и при Т « 1200 ¥. его концентрация уменьшается до 30 * 35 ат.%. При этом в приповерхностном слое формируется монокристаллический дисилицид бария, с кристаллической структурой, аналогичной

о

матрице с некоторым различием постоянных решетки ( а = 5,46 А,

а„ =? 5,60 К). Дальнейший прогрев приводит к резкому уменьшению

DCwl

концентрации бария в ионно-легированном слое и при Т^1400 К состав и структура ионно-легированного образца приближается к характерной для чистого кремния.

Ширине, запрещенной зоны для EaSl и "BaSl2 составляет 0,5 * 0,6 зВ. Поэтому можно полагать, что на границе раздела кремний -силицид образуется гетеропереход первого рода, характерный для систем Si - Ge. Из этого следует, что ионную имплантацию можно использовать также для.создания надежных тонкопленочных гетера-переходных структур.

При прогреве до Т ^ 800 К GaAs, легированного ионами Ва* с Ер" 0,5 кэВ; на его поверхности образуются преимущественно тройные соединения типа Ga - Ва - Аз. При этом ионно-легированный слой переходит из аморфной фазы в кристаллическую с ярко вырагеннь&ш полупроводниковыми свойствами ( эЕ). Однако,

прогрев вплоть до 1 - 900 К не позволяет получить монокристаллическую модификацию этого соединения, а концентрация атомов Вз при этом уменьшается до-10 ¡ 12 ат.%.

Е кятоЛ главе исследованы вопросы влияния иошш-легированного слоя на диффузию'атомов, проникающих в обгем кристалла из контактирующего материала (или среды), а также теоретически описаны и интерпретированы'наблюдаемые изменения структуры энергетического спектра валентных электронов кремния при образовании химических, соединений.

Результаты экспериментальных исследований показали, что 16 -2

высокодозная (D > 10 см4) ионная имплантация приводит к резкому (до 5 i 6 раз) снижению концентрации примесных атомов, диффундирующих в приповерхностные слои образца, и уменьшению их глубины проникновения, причем наиболее эффективный диффузионный барьер создается при низких энергиях ионов. Например,максимальная глубина проникновения атомов »1 в кристалл в случае чистого ыонокристалдического Si составляет 400 т 500 А, в случае S1, легированного ионами Ва+с Е0- 5 кэЕ, - 200 i 250 I, а для образца, легированного с Е0 - 0,5 кзВ, равна 5Q -:■ 60 I. Причем глубина диффузии инородных примесей при прогревах образцов до 700 * 900 К заметно не изменяется.

Таким образом, эффект сбрассеаниа ди^уаиснныо барьера в RplinOSOpXHCCTHOU СЛГ.'О полуприьеднигл под диютыкм ионной имп-п-тиг.-льёjf-'..и дг.л получения ''Мических к<,н-

тактов, так и для защиты р - п переходов при выполнении различных технологических операций (вынос на воздух, напыление атомов, отжиг и др.).

При теоретическом рассмотрении энергетического спектра валентных электронов для описания состояния электронов были использованы матричные функции Грина, а при вычислении сдвига пиков плотности состояний использована диаграммная техника.

При имплантации ионов Ез+в 51 между атомами этих элементов образуются устойчивые химические связи, имеющие ионно-ковалент-ный характер, которые приводят к определенному сдвигу положений пиков плотности состояния валентных электронов. Результаты исследовании показали, что наблюдаемый сдвиг лЕ пика можно приближенно описать формулой: ЛЕ ~ (е2/ Е-а) , где ег /а.. - энергия кулоновского взаимодействия электронов, <5^-величина заряда, добавленного на каждый атом Э1 при образовании химической связи с атомами Ва, Б - диэлектрическая проницаемость кристалла.

Расчеты показывают,что при образовании ВаБ1 значение дЕ составляет 0,7 эВ, что достаточно хорошо согласуется с экспериментальной величиной сдвига пика. Таким образом, предложенное теоретическое описание изменений реальных энергетических параметров ионно-модифицированных структур, является правомочным для их анализа.

В заключении сформулировзии основное выводи диссертационной раЭоты:

1. Создана опытная экспериментальная установка для комплексной диагностики поверхности методами фото- и вторично-электрон-нои спектроскопии в сочетании с технологической обработкой поверхности, которая может быть использована в конкретных технологиях микроэлектронного производства.

2. Предложена методика построения энергетической диаграммы занятых и свободных ' электронных состояний поверхности твердых тел. Впервые получена информация об энергётическо-зонной структуре поверхности ионно-легированных полупроводников. Установлено, что сбрг зование химических связей, разупорядочение приповерхностного слоя кристаллов и появление электрически активных центров приводит к перераспределен;® плотности электронных сос-

раэоваипе силицидов бария приводит к формированию новых пиков в спектре валентных электронов и уменьшению ширины запрещенной зоны на 0,3 г 0,4 зВ.

3. Предложен аффективный метод оценки концентрации примесных атомов, входящих в химическую связь с атомами матрицы. Показано, что в процессе ионной' имплантации в приповерхностном слое полупроводников происходит образование новых соединений, а концентрация вводимой примеси,образующей химическую связь, зависит от материала мишени, а также от таких технологических параметров- как тип, энергия и доза легирующих ионов. Для Б1, облученного ионами Ва+ с Е0= 0,5 кэВ и 0 е 6-1010скГ2, установлено, что примерно 65* 70 7. атомов Ва входят в химическую связь. Эти соединения тлеют ионно-ковалентный характер, а степень ионности связи составляет 25 т 30 X, что необходимо учитывать при синтезировании конкретных материалов микроэлектроники.

4. Обнаружено, что при сравнительно низких энергиях ионов (Ес ^ 3 кэВ) наблюдается заметное разбухание ионно-легированной области кристалла. Установлено, что доля примесных атомов, способствующих этому эффекту, не превышает 10 т 15 X от общей концентрации вводимых атомов, что важно для определения технологических режимов создания пленочных. структур и имплантированных образцов.

5. Установлено, что высокотемпературный отжиг широко применимый в технологиях, способствует увеличению концентрации примесных атомов, входящих в химическую связь, и рекристаллизации приповерхностного слоя. При этом, тонкие пленки силицидов металла и тройные соединения типа Ба - Ва - Аз кристаллизуются в кубическую решетку. Даны соответствующие рекомендации для реализации в технологических режимах мнкроэлекгронного производства.

1б ч

6. Показано, что в результате высокодозной ( О Я0 см ) имплантации ионов активных металлов в приповерхностной области кристаллов создается диффузионный барьер, препятствующий проникновении инородных примесей в объем кристалла, причем эффективность влияния, в основном, определяется степенью увеличения атомной плотности ионно-легированного слоя; это имеет важное значение для развития ионной технологии полупроводниковых материалов.

7. Определены оптимальны;- релши лонной имплантации и отжига, пс.бь:.ля».:ц;15 пелучьть в г.ри;;гвс.рк!:осгнсй области полупровод-

пиков гетеропереходы, защитные слои, омические контакты и многокомпонентные структуры с переменкой концентрацией активного элемента. Эти рекомендации мсгут Сыть использованы при разработке различных эффективных катодов, а также функциональных элементов и приборов микроэлектроники.

Список публикаций по теме диссертации:

1. РысСаев А.С.,Ташатов А.К..Мирзаев Д.А. Исследование динамики изменения структуры поверхности в процессе формирования ионно-легированного слоя / Проблемы микроэлектроники. Сборник научных трудов. ТашПИ. -Ташкент, 1986. -С. 34-38.

Z. Умирзаков Б.Е.,Бысбаев A.C.,Мирааев Д.А. Структурные превращения, наблюдаете в кремнии при имплантации ионов низких энергий // Всесоюзная конференция по ионно-лучевой модификации материалов: Тезисы оригинальных докладов. -Черноголовка, 1987.

- С. 119.

3. Ташатов А.К.,Рысбаев A.C..Шмулевич И.А..Мирзаев Д.А. Вычисление зависимости концентрации элементов от глубины по данным количественной оде-спекгрсскопни // XX Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике: Тезисы докладов. -Киев, 1987.

- Т.2. - С. 116.

4. Рксбаев A.C.,Шмулевич И.Д.,Мирзаев Д.А. Применение ионной имплантации для создания тонких пленок силицидов металлов / Физические основы микроэлектрониой техники. Сборник научных трудов ТашШ. -Ташкент, 1988. -С. 33 - 33.

5. Мирзаев Д. А. .Умирзаков Б.Е. ,Нормурадов МЛ. .Мирсалиховз Ф.Х. Эмиссионные и оптические свойства кремния с пленкой СаЕ, 7/ VII Симпозиум по вторично-электронной, фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твердого тела: Тезисы докладов. -Ташкент, 1990. - С. 106 - 1D7.

6. Нормурадов М.Т.,Умирзаков Б.Е.,Мирзаев Д.А..Халтаев Ш.Х. Вторично-электронная и фотоэлектронная спектроскопия поверхности полно-имплантированных материалов //VII Симпозиум по вторично-электронной, ' фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твердого тела: Тезисы докладов'. -Ташкент, 1990. - С. 138 - 141.

7. Умирзаков Б.Е., Нормурадов М.Т.,Мирзаев Д.А. Электронное строение 51 и CaF^ , легированных ионами активных элементов // XXI Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике; Тезисы докладов. -Ленинград, 1990. - Т.2. - С. 164.

8. Умирзаков Б.Е..Миреаев Д. А. Нормурадов М. Т. Изменений электронного строения пленок БЮгпри имплантации ионов низких энергии // III Всесоюзная конференция по физике окисных пленок: Тезисы докладов. -Петрозаводск, 1991. - Ч.II. - С. 92.

9. Шг^аев Д. А. Изменение электронной структуры поверхности при имплантации ионов натрия // Республиканская научно-практическая конференция студентов, молодых ученых и специалистов: Сборник тезисов докладов. -Ташкент, 1991. - С. 24.

10. Нормурадов М. Т.,Умирваков Б.Е. ДЖрзаев Д.А. Концентрационные профили распределения барин по глубине Ge и GaAs, легированных ионами Ва+// III Всесоюзная конференция по понно-лучевой модификации полупроводников и других материалов микроэлектроники: Тезисы докладов. -Новосибирск, 1991. - С. 96.

13. Умирзаков Е.'Е. .Ыирэаев Д. А. .Клечковская В.В. Изучение структуры и сеойств тонкой пленки силицида бария, созданного ионной имплантацией // Всесоюзная конференция по методам диф-рагадии электронов в исследовании структуры •вещества: Тезисы докладов. -Звенигород, 1991. - С. 37.

12. Нормурадов Ii. Г.,Умирзаков Б. Е.,Ыирзаев Д. А., Абдурахмо-нов С.Х. Изменение зонной структуры поверхности S1 при ионной имплантации // X Всесоюзная конференция по взаимодействию ионов с поверхностью:Тезисы докладов. -Москва, 1991. '-T.S. -С.113-114.

13. Умирзаков Б.Е. .Нормурадов М.Т.,Мирзаев Д. А. Далтаев Ш.Х. Электронное строение S1 и CaF2 , легированных нонами активных элементов / Известия АН СССР. 1991. - Т.55. - М 12.-С.2331-2335.

14. Умирзаков Б.Е..Мирзаев Д.А..Нормурадов М.Т. Об изменении параметров энергетических зон вблизи поверхности S1 при имплантации ионов Еа*7 Поверхность. Серия физика,химия,механика. 19S2. - U 3. - С 87 - 92.

15. Мирзаев Д.А..Умирзаков Б.Е..Нормурадов Ы.Т. Исследование поверхностных свойств ионно-легированных слоев S1 методом ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии. / Узбекий физический журнал. 1992. - N 2. - С.25 - 27.

15. Умирзаков Б.Е..Нормурадов М.Т..Мирзаев Д.А..Унаров 3. Влияние постимплантационного отжига на фазовые состояния ионно- легированных кристаллов.// Материалы XI, конференции. Взаимодействие ионов с поверхностью. -Москва, 1993. Т.З. -С. 185.

ИОНЛАР ИМПЛАНТАЦИЯСЙ ЁЕДАШЩА ЩЖЛ рЛИНГАН КУЩАТЛАМЛИ СИСТЕМАЛАРШШГ СИРТИНИ ТЦМЛ ЦШШШ УЧУН ЭЛЕКТРОН-СПЕКТРОСКОПИЯ УСЛУБЛАИПШ ИЗИАБ ЧИ^ГИ ЕА ТАТБЩ щшш Мирзаев Дидь мурат Акрамовш (диспача магмуни)

Кичнк энергияли ионлар имплантацияси нагти^ ялсм сиртининг юп^а ^атламЛарида узига хос хусусиятларга зга булган янги к^п-компонентли бирикмалар яратиш имкониятини беради. фзирги вшуг-да бундай структураларнинг таркиби ва иккиламчи-эмиссия хусуен-ятлари анча батафсил урганилган. Юш^а сирт ^атламининг электрон ва кристаллик структураларига нонли имплантациянинг таъсири эса, кам урганилган булиб, иснли-легирланган материаллар учун электронлар з^олатлари зичлигининг та^симланиши х;а^идаги маълу-мот амалий дих,атдан йуг,.

Ушбу ишда S1 ва GaAs монокристаллари cupTifli (^исмининг тар-кибига, фаеовий вз энергетик-гонали тугшшиига Ва*, Na"1", К^ ва Cs+Hciwap¡i импдантацпясининг ва ундан кейинги ^иэдиришнинг таъ-сирларини тажрибавий текшлриш лаииалари баён этилган. Материаллар сиртини тацлил ва назорат jpunni учун иккиламчи электрон спектроскопияси усули билан биргаликда- биринчи марта фотоэлектрон спектроскопия, юцори тезликли электронлар дифракцияси ва иккиламчи-ион ли масс-спектроскопия усуллари нулланилди.

Ионлар имплантацияси валент электронлар полати зичлиги спектрининг, Ферми сатз^и ^олатини, зоналар эгилишининг катта-ликларини х,амда зоналар туэилишининг бош^а параметрларини уз-гартириши аншданди. Бу узгарииларга олиб келадцган асосий са-баблар ашнуганган. Янги бирикмаларнинг цосил булшпи валент электронлар спектрида янги пикларнн пайдо булишига, ю^ори ^ат-ламининг тартибсизланиши эса - матрицани характерли пикларининг энергетик ^олатини ва шаклини узгарши антутнган.

Ионли легирланган 31 намунасини температуравий циздирш на-тижасида сиртнинг 'юнрри ^атламларида металларнинг моно- ва дисилицид кристаллари шаклланиши, ионли-легирланган GaAs наму-насида эса - Ga-Ba-As, Qa-Na-As турдаги учламчи бирикмалар х,о-сил булшш анк^ланган. Янги >;осил буладиган бирикмаларнинг пан-кзра тури вз. кристаллографик йуналкши матрицаники билан мое ке-лиши, энергетик зона ва кристалл панжаранинг параметрлари эса -маълум мшрорда фзр^ щмши анш^танган.

The development and practical using of electron spectroscopy methods for anallsls of multi-coiiiponent system surfaces, produced by Ion Implantation.

D.A.Mlrzaev Abstract

Low energy Ion Implantation allows the new many-component structures possessing new specific properties to be created in the thin near surface layer of a solid. At present the secondary emission characteristics and. compositions of these structures are most studied In dotal 1. The Influence of ion implantation on electronic and crystal structures of near surface layers of crystals are insufficiently investigated, for example, there is no practically Information on the spectrum structure of electron state density of lon-doped substances.

The present work..Is devoted to the experimental study of the Influence of Implantation of Ba+, Ma+, K^and Cs1" ions and the following thermal annealing on the energy-zone arid phase structure of the near surface region of SI and GaAs monocrystals. For analysis and control of material surfaces together with the methods of secondary electron spectroscopy ana also the methods of ultraviolet photoelectron spectroscopy, high energy electron diffraction and secondary Ion mass spectroscopy have been used for the first time.

The results of experiments showed that Ion Implantation lead to change in the structure of the state density spectrum of valence electrons, position of Fermi level, the value of zone band and other parameters of zone structure. The main reasons leading to these changes were established. It was shown in particular that formation of new compounds had led to the new peak appearance in the valence electron spectrum, while the disorder of the near surface layer led to change in the location and shape of pecular peak of a matrix.

It has been established that In result of the thermal _annealing of ion-dopad samples of Si the mono-and dl-slllclde orystals of metals are formed in the near surface layer and in casa of ion-doped SaAs - ternary compounds of Ga-Ba-As, Qa-Ha-As types. It has been shown that the type of lattice and orystalographio orientation of new structures to be formed coincides with those for the matrix, but the parameteres of energy zones and of the crystal lattice differ markedly.