Рентгенодифракционное исследование процессов, происходящих в субмикронных приповерхностных слоях кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Российский научный центр «Курчатовский институт»

• На правах рукописи УДК 538.971

НЕФЕДОВ Алексей Александрович

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В СУБМИКРОННЫХ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ КРИСТАЛЛОВ

01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1994

Работа выполнена в Институте Молекулярной Сизики Российского научного центра "Курчатовский институт"

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук с.н.с. Чапланов В.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Шильитейн С.Ш.

кандидат физико-математических наук Ломов A.A.

Ведущая организация:

Московский государственный университет, физический Факультет

Зашита состоится

1994 г. в // "час. на заседании Специализированного Совета Д.034.04.04. при Российском научном центре "Курчатовский институт" по адресу: 123182, Москва, пл. Курчатова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РЩ "Курчатовский институт"

1994 г.

Автореферат разослан « ¡^» Ученый секретарь совета J А-в- Мерзляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

' Актуальность работы. Анализу структурного совергвкства приповерхностных слоев кристаллов посвящено много работ, и интерес к этому направлен™ все возрастает. Помимо общего научного интереса к этому направлении важно, что с помощью таких исследований ютга анализировать закономерности процессов, протекающих на расстояниях порядка межатомного, которые могут существенно отличаться от закономерностей процессов, происходящих на макроскопических расстояниях .

Основным стимулом для изучения поверхности полупроводниковых кристаллов является бурное рззвитие современной твердотельной электроники и, прежде всего, уменьшение размеров активных областей приборов, что позволяет реализовать квантово-размерные з<Ке;сга в их работе и значительно расширить функциональные возможности приборов и устройств. Многие процессы, определяющие работоспособность электронных приборов, происходят в припеверхност!мх слоях и па границах раздела между кристаллом и различными пленками на его поверхности, поэтому знание физических свойств реальной поверхности полупроводников (а именно, поверхности кристалла под планкой) чрезвычайно важно при разработке никроэлектронных устройств.

Современные средства исследования поверхности твердых тел (сканирующая туннельная микроскопия, дифракция медленных электронов и др.) позволяют исследовать структуру кристаллов с необходимым разрешением, однако требуют для своего применения специальной обработки поверхности в сверхвысоком вакууме. В связи с этим кз-возмупенная реальная поверхность кристаллов практически недоступна исследованию с их помощью. Это обстоятельство обусловлено низкой проникавшей способностью используемого излучения, то есть именно тем, что и определяет высокую разрешающую способность указанных методов. Классические рентгенодифракционные методы не дают столь высокого разрешения, однако позволяют легко анализировать реальную поверхность твердых тел. Широкие теоретические и экспериментальные исследования особенностей дифракции рентгеновских лучей в совершенных монокристаллах привели к созданию качественно новых методов анализа кристаллической структуры тончаШдих приповерхностных слоев

кристаллов [1]. Одним из них, объединившем высокую проникающую способность рентгеновских лучей с возможностью анализа сверхтонких слоев на реально" поверхности кристалла, является истод асимптотической брэгговской дифракции.

Цель работы и предмет исследования. Цель настоящей роботы заключалась в изучении закономерностей явлений, происходящих в субмикронных приповерхностных слоях кристаллов и анализе их особенностей. Исследования проводились на сироко используемых в микроэлектронике материалах - кремнии и германии.

На ззшиту выносятся следушие основные положения:

1. Возможность применения метода асимптотической брэгговской дифракции рентгеновских лучей для исследования низкотемпературной диффузии примесей в приповерхностных слоях кристаллов. Линейная зависимость толщины нарушенного слоя на поверхности кристалла от времени термообработки при низких температурах резко отличается от зависимости, характерной для диффузионных процессов, происходящих при высоких температурах.

2. Релаксация приповерхностного слоя кристалла кремния, покрытого пленкой сегнетоэлектрика ыа»го , объясняется влиянием сильного электрического поля, индуцированного сегнетоэлектриком.

3. Радиационные дефекты, образованные при облучении кремния электронами высоких энергий в объеме кристалла и стекавшие к поверхности кремния, концентрируются в очень тонком приповерхностном слое толщиной в несколько десятков Ангстрем.

4. Предварительное термическое окисление препятствует накопления в ■приповерхностной области кремния дефектов, возникающих при облучении кристалла электронами высоких энергий.

Все основные результаты получены впервые.

Практическая ценность диссертации заключается в получении повой информации о структуре реальной поверхности полупроводников и о закономерностях процессов, происходящих в приповерхностных слоях кристаллов. Такая информация может быть полезна при разработке новых микроэлектронных устройств. Полученные данные таете могут быть применены для решения проблем физики твердого тела и мз-териаловедческих задач. Кроме того, практический интерес представляет тот факт, что предварительное окисление предохраняет кремния от радиационного воздействия! Не исключено, что данный эффект мо-

*:ет послужить основой нового метола зашиты микрозлектронных приборов от радиационных полей.

Апробация работы проводилось на XII Европейском кристаллографическом совещании (Москва, 1989), iv и v-и Всесоюзных совещаниях по когерентному взаимодействия излучения с веществом (Юркала 1933, Симферополь, 1990), Международной- конференции по новым методам в рентгено- и нейтроноструктурном анализе материалов (Прага, 1990), з-ей Международной конференции по—поверхностному рассеяния рентгеновских лучеП и нейтронов (Дубна, 1393), других Международных и Всесоюзных конференциях, а также на семинарах и научных конференциях РЩ "Курчатовский институт".

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7—ми работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и осьеи диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 73 наименования. Объем диссертации составляет 95 страниц, включая 20 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность тему, указан« цель и предмет исследования, нэучнзя новизна и практическая значимость. Сформулированы основные положения выноси,чые на защитуч кратко изложено содержание каждой главы.

Первая глава носит обзорный характер. Описываются основные рентгенооптические схемы, используемые для исследования реальной структуры кристаллов нэ трехкристальных рентгеновских спектрометрах. Рассматриваются основы метода трехкристалыюй рентгеновской дифрактометрии (ТРД), . схема формирования спектров ТРД. Дэн широкий обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследовании структуры поверхности кристаллов методом АБД.

Метод асимптотической брэгговской дифракции, предложенный в 1983 году группой российских ученых под руководством проф. Афанасьева A.M., заключается в измерении угловой зависимости интенсивности рентгеновского пучка, дифракционно отраженного от кристалла в достаточно сироком угловом диапазоне в окрестности угла Брэгга. Этот метод дает возможность изучения неразрушающим обрззом струк-

туры переходной области между рентгеноаморфшй пленкой и кристаллической матрицей. Важной физической особенностью процесса дифракционного рассеяния в этих условиях является тот факт, что волны, рассеянные от внутренних слоев совершенного кристалла, последовательно гасят друг друга. Поэтому, несмотря на большую проникающую способность рентгеновских лучей дифракционное рассеяние при больших отклонениях от угла Брэгга формируется в приповерхностном слое (или слое на границе раздела), толщина которого становится тем неныне, чем дальше мы отходим от брэгговского угла. Следовательно, структурные нарушения поверхностного слоя должны отразиться на законе спадания когерентной составляющей рассеяния. Это обстоятельство открывает уникальные возможности для рентгеновской диф-рактонетрии в исследовании структурного совершенства тончайших приповерхностных слоев кристаллов вплоть до отдельных атомных плоскостей.

Особо следует отметить, что измерения ведутся не в сверхвысоком вакууме, а В обычных условиях. Более того, возможно изучение слоев кристалла, покрытых толстыми (вплоть до нескольких микрон) пленками другого материала.

Чтобы анализировать приповерхностные слои кристалла толщиной порядка нескольких Ангстрем, необходимо измерять интенсивность дифрагированного пучка рентгеновских лучей при углах поворота образца в несколько градусов. Однако, при этом коэффициент дифракционного отражения уменьшается до значений порядка ю"6-ю"в, и выделение дифрагированного пучка из фона некогерентно рассеянного излучения представляет собой сложную экспериментальную ' задачу, которая решается при помоши ТРД.

Во второй главе проведен анализ основных закономерностей дифракции рентгеновских лучей при больших отклонениях от брэгговских условий. Рассмотрена модель . структуры реальной поверхности, в рамках которой обрабатывались экспериментальные данные, описана экспериментальная установка и методика проведения измеренений.

В методе АБД рассматривается дифракция рентгеновских лучей при углах а отклонения от угла Брэгга, удовлетворяющих условию: ео«а«ес, где а-в-еб, ео- угловая ширина брэгговского рефлекса, еб - угол Брэгга, в - угол падения излучения.

Для анализа результатов была разработана и апробирована прос-

тая модель, в которой нарупзнныЯ (переходной слой) т поверхности кристалла характеризуется двумя параметрами: толяиноЯ и параметром, связанным с изменением межплоскостного расстояния в этом слое следующим образом:

здесь ь имеет смысл тояшины переходного слоя меаду кристаллической матрицей и полностью разупорядоченной областью,- ^рш^е"1'^ причем 9(о)-2тт5/сз, где г - смешение поверхности кристалла, вызванное изменением межплсскостнсго расстояния <1 в переходном елее.

Для этой модели угловая зависимость приведенной интенсивности (под которой понимается отношение измеренной интенсивности отраженного рентгеновского пучка к интенсивности, рассчитанной для идеального кристалла),.дается формулой:

I- , (ч-«а^соавб/Л». (2)

Данная модель вполне удовлетворительно описывает экспоржентальнкз результаты и отражает основные характеристики искаженного приповерхностного слоя. Точность восстановления параметров модели достигла нескольких процентоз для тоязиш переходного слоя (обычно порядка нанометра) и 0.05 А для смешения поверхности относительно невозмущенного положения. Следует отметить, что случайные погрез-ности, наиболее актуальные при сравнительном анализе подобных образцов, в большинстве случаев не превшэат 2-з% и 0.01-0.02 А, соответственно. Столь высокая точность н обеспечила успешное проведение исследования.' '

На рис.1 изображена блок-схема экспериментальной установки. Ее основой является трехкристзльньй рентгеновский спектрометр (ТРС) с совмещенными осями. Излученкз рентгеновской трубки (модностью до 2,5 кВт) падает на первый кристалл-нокохроматор (И) под углом е. ОтрагенныЯ от него пучок имеет малую угловую расходимость и падает на исследуемый кристалл (0). Угловое распределение рассеянного им излучения анализируется врешением третьего кристалла анализатора (А).

При проведении измерения исследуемыя кристалл неподвижен (угол разориентировки образца а устанавливается в качестве параметра), а кристалл-анализатор вращается: с постоянной угловой ско-

з

Рис.1. Блок-схема экспериментальной установки (ТРС - трех кристальный рентгеновский спектрометр, А - многоканальный анализатор, БУ - блок управления, синхронизирующий временную развертку анализатора с поворотом кристалла-анализатора з, 1 и г - кристалл-нонохроматор и образец, соответственно, С - контрольный самописец, Ш - шаговый двигатель, И - рентгеновская трубка, Д - детектор, а и р - углы поворота образца и кристалла-анализатора, соответственно.

ростью. Последовательно отраженное от всех трех кристаллов излучение регистрируется с- помоиью сиинтилляционного детектора, сигнал с которого подается на счетный вход многоканального анализатора (Ш1А). Анализатор выделяет регистрируемые импульсы из шумов и накапливает в своих каналах спектр ТРД, а именно зависимость интенсивности рентгеновского пучка от угла поворота р кристалла-анализатора. Для оперативного визуального контроля спектр ТРД параллельно записывается на самописце. Далее главный пик, обусловленный когерентным рассеянием на исследуемом кристалле выделяется из фонового рассеяния, и определяется его интегральная интенсивность. На основе характера зависимости этой интенсивности от угла а поворота образца и анализируется структурное совершенство поверхности кристалла.

В третьей главе приведены результаты исследований, посвященных изучению низкотемпературной диффузии в совершенных кристаллах. Рассмотрены теоретические аспекты проблемы. Экспериментально продемонстрировано диффузионное размытие границы sí-ai. Изучена кинетика роста границ si-cu и Ge-Ge02> Обнаружено, что закономерности изменения переходного слоя на поверхности кристаллоз, отличны от закономерностей, характерных для объема кристалла. Это объясняется влиянием внутреннего электрического поля, существующего в приповерхностной области полупроводника.

Анализируется возможность восстановления профиля роспределе- ' ния концентрации примесей, диффундирующих в кристалл, из профиля статистического фактора Дебая-Валлера s=exp(-wj, характеризующего структурные нарушения, вызванные примесями. При вычислении фактора Дебая-Валлера необходимо провести усреднение по конфигурации и расположению дефектов. В рассматриваемом случае распределение примесей зависит только от удаления от поверхности. Параллельно ей можно выделить слои с одинаковой концентрацией примеси, провести в них усреднение и определить в каждом случае величину w . В предположении не сильно искаженного кристалла и малых индексов отрзжения получим:

а

Здесь q - вектор обратной решетки, и - смешение атома п, лежащего 5 слое п; с- концетрация принеси в этом слое. При палых концент-

рациях можно прзнзбречь корреляцией между положениями атомов принеси н и =и • Тогда ¿та кубических кристаллов имеем:

а •

Отсюда следует зависимость w -с (i-с ) вплоть ■ до значений

п п п

концентрации сп-о.2, при этон wn-i. Таким образом, профиль фактора Добая-Вэллгра s=exp(-wn) примерно следует профилю концентрации принеси при малых концентрациях. Необходимо отметить, что ма не наблодалн заметного диффузионного рассеяния. Это позволяет сделать вывод о практически полной растворении примесей и отсутствии дефектов типа кластероз новой фазы или дислокационных петель, которые могли бы аккумулировать больше количество примесных атомов, Поязлениз подобных образований нарушило бы соотношение (4). В силу локальности связи между концентрацией примеси и фактором Дебая-Валлера (см. уравнения з и 4), толщина переходного слоя l характеризует глубину проникновения диффундирующей примеси (длину диффузии).

Экспериментально возможность применения метода асимптотической брэгговской ©фракции к исследовании низкотемпературной диффузии была продемонстрирована на примере диффузии алюминия в кремний, На обрззец si(iii) с одной стороны напылена пленка ai толщиной о.1 икм. Другая сторона кристалла покрыта естественной пленкой оксида. Образец отжигался при температуре 55о°с в течение одного часа. Анализ рентгенодифракционных данных показал, что в результате отжига произошли супественные изменения структуры переходного слоя si-ai. В то же время на другой стороне si при тех же условиях не произошло заметного изменения границы si-sio.,. Это доказывает, что изменения, выявленные на стороне образца, покрытой Al, не связаны с термомеханическими нагрузками на образец, возни-кащими в процессе его нагрева или охлаждения, а обусловлены именно диффузионными процессами, поскольку только они различны на разных сторонах образца. Отметим, что при температуре t=sso°c толщина границы sí-ai увеличилась с 4.5 до 72 к, а толшина границы si-sio2 не изменилась и осталась равной з.5 L Последний фект представляет особый интерес, так как толщина оксидной пленки при такой обработке по оценкам должна превысить юоо к. Из этого можно заключить,

Рис.2. Зависимость толшины l переходного слоя на поверхности полупроводниковых монокристаллов от времени термообработки t при относительно низких (а) и более высоких температурах (б). Диффузионная деградация границы si-cu (О, в) и Ge-Ge02 43, А) для t:

Ü- 22°C, В - 100°C, Д - Э20°С, Л - 470°С;

в— линейная зависимость L(t) ;

•в» — наилучшая корневая зависимость' из класса функций

j>(L2+4Dt)иг, характеризуших высокотемпературную диффузию.

что при нарастании слоя оксида на поверхности si атомы кислорода не диффундируют вглубь кристалла в виде примеси, а связываются после прохождения оксидной пленки на границе si-sio2, обуславливая движение этой границы.

Закономерности низкотемпературной диффузии примесей в приповерхностной области кристаллов анализировались при исследовании диффузионного размытия границ раздела Ge-Geo2 и si-cu.

Один и тот хе образец (чтобы исключить разброс технологических параметров) изолирующего ge(iii) отжигался при различных температурах: сначала при t=320°c, а затем при t=470°c. Неоднородность по температуре в исследуемой области кристалла бьша не более 1*; абсолютная точность измерения температуры была не хуже 4°, а ошибка определения относительного изменения температуры не превышала 1.5°. Для анализа результатов наиболее суаественной оказалась погрешность измерения толщины нарушенного слоя.

На рис.2 показана зависимость толщины l границы Ge-Geoa от времени термообработки при разных температурах. Видно, что при 320°с l увеличилась за 50 часов только на 2 А, а при 47о°с за 7 чзсов она увеличилась почти на порядок. Видно, что ее рост происходит не по закону (t+tQ)1/2, обычному для процессов высокотемпературной даффузии. С экспериментальной точность» временная зависимость толшины l линейна.

Нэ поверхность si(iii) электролитически бьша нанесена пленка cu тоядиной 200 А. В состав электролита входила плавиковая кислота (для стравливания оксидной пленки); процесс проходил при комнатной температуре. Толдина переходного слоя между si и cu непосредственно после нанесения пленки составила 2о А. Далее в течение ' 7 суток проводился контроль указанного слоя. Образец при этом находился при комнатной температуре (22-24°с). Как видно из рис.га, даже при такой температуре в системе si-cu происходят изменения, которые можно зарегистрировать метолом АБД. Тоядинз l границы si-cu за кедело изменилась от 20 до зз к. Затем этот хе образец подвергли термообработке при t-99.9±o.2°c. Рост переходного слоя при этом резко ускорился и стало видно (рис.26), что процесс увеличения его толзины также происходит по линейному закону.

Четвертая глава посвящена результатам рентгенодифракшюнного анализа поверхности монокристалла кремния, покрытого пленкой сег-

нетоэлектрика нано^. Обнаружено увеличение толщины искаженного приповерхностного слоя кремния и уменьшение- иежплоскостного расстояния в этом слое. Наблюдаемые эффекты являются обратимыми. Сделан вывод, что эти изменения вызваны влиянием сильного электрического ПОЛЯ, КНДуЦИрОВаШЮГО ПЛеНКОЙ нало .

Анализ поверхности кремния, покрытого пленкой сегнетоэлсктри-ка, представляет особый интерес в связи с возможностью накопления аномально большого зарядэ на грзнице негду полупроводником и .сег-нетоэлектриком и, соответственно, создания на этоп границе сверхсильных электрических полей. Было показано, например, что если нанести ыало на поверхность полупроводника, то накопленный заряд влияет на проводимость в приповерхностном слое полупроводника благодаря полевому эффекту. Отсюда возник вопрос - влияет ли это электрическое поле, созданное пленкой сегнетоэлсктрика на структуру приповерхностного слоя?

Слои наяо выращивались следующим образом. Пластины кремния помешались в расплав соли пало при температуре t=2 9 20c на срок от 15 до 20 минут. После этого они медленно (со скоростью несколько миллиметров в минуту) вытягивались из расплава. В это время и происходила кристаллизация наяо на поверхности кремния. В таких условиях сегнетоэлектрическая ось ориентируется перпендикулярно • вырешенному слою нитрита натрия. Пленки иаыо2 состоят из кристаллитов плошалъю несколько квадратных сантиметров, расположенных вдоль направления вытягивания из расплава. Толшина слоев иаио составила от 4 до 8 микрон (для разных образцов она была различной).

После этого с помощью метода асимптотической брэгговской дифракции было исследовано структурное совершенство приповерхностного слоя монокристалла кремния, покрытого пленкой сегнетоэлектрика ыаног. Для исследования выбиралась область образца, на которую приходился бы один кристаллит маЖ) для того, чтобы избежать эффектов, связанных с рассеянием рентгеновских лучей от границ кристаллита.

На рисунке з представлена угловая зависимость приведенной интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка. Теоретическая кривая рассчитана по модели (1) при следующих значениях параметров: толпина нарушенного слоя равна 2.б(*о.4)н.ч при среднем унень-оении межплоскостного расстояния ла/а в этон слое на о.22(±о.о5)

—I-1--1-1--

-0 2 "0,1 0

Рис.з. Угловая ззбисшюсть приведенной интенсивности дифрагированного рентгеноЕского пучка для образца кремния, покрытого пленкой нитрита натрия.

Хорошее согласие . неллу расчетом и экспериментом под тверждает применимость используемой модели в данном случае и достоверность полученных параметров.

При удалении пленки Есе искажения релзксировали, а при повторном нанесении пленки эффект снова был зафиксирован. Обратимость нэбладземых изменений приводит к Еыводу о маловероятности того, что эти изменения связаны с диффузией атомов примеси вглубь кристалла. Кроме того, отсутствие заметного диффузного рассеяния, а также малая величинз эффекта позволяет сделать утверждение, что наиболее естественной причиной наблюдаемых изменений представляется сильное электрическое поле, индуцированное пленкой сегнето-электрика.

Пятая глава посвяшена исследованию распределения радиационных нарушений в субмикронных приповерхностных слоях кристаллов с разрешением порядка межатомного расстояния. Обнаружено, что толщина нарушенного слоя на поверхности кремния близка к б нм. Межплоскостное расстояние в этом слое уменьшено; это свидетельствует о том, что основные радиационные дефекты - вакансионного типа. Отмечается, что предварительное окисление препятствует развитию нарушений в приповерхностных слоях кремния. Это объясняется рекомбинацией радиационных вакансий с междоузельными атомами, образующимися при оксидировании. Реконбинзция и приводит к подавлению дефектооб-рззования в приповерхностной области. Обсуждены причины наблюдаемых эффектов.

Интерес к исследованию радиационной стойкости полупроводниковых структур клэссичен для микроэлектроники, а облучение электро-нзии высоких энергий является хорошо контролируемым методом ввеле-. ния в кристалл структурных дефектов и позволяет осуществлять эфъ фективное регулирование электрических параметров полупроводниковых устройств. Кроме того, исследование пространственного распределения радиационных дефектов (РД) вблизи поверхности полупроводниковых кристаллов важно как для углубления представлений о механизмах радиационного дефектообразования в неоднородных системах, так и для прогнозирования деградации электронных приборов с высокой степенью интеграции элементов.

Для исследований были выбраны образны, приготовленные следующим образом. Поверхность пластин кремния КЭ$-о.1 (111) была обрэ-

ботана по стандартной микроэлектронной технологии. Толщина нарушенного слоя на поверхности образца сравнения составила величину порядка о.з нн, что является стандартной величиной для кремния. Одна из пластин была термически окислена, толщина оксидной пленки составила около 0.1 мкм. Затем часть поверхности обеих пластин (окисленной и неокисленной) была покрыта пленкой алюминия толщиной около 1 ют. Образцы облучались электронами с энергией б МэВ, доза облучения 1.5чо17 см*2.

На рис.4 приведены профили распределения фактора Дебая-Валлера б и изменения межплоскостного расстояния да/а, определенные в результате анализа экспериментальных данных. Значения соответствующих параметров приведены в таблице.

Как видно из рассмотрения результатов, они разбиваются на две группы. Кристалл без оксидной пленки, как в области, покрытой пленкой • алюминия, ■ так и на свободной поверхности, характеризуется большим нарушенным слоем. Толщину этого слоя можно с экспериментальной точностью считать одинаковой. Следовательно, толстая пленка алюминия, непосредственно прилегающая к исследуемой поверхности кристалла, не оказывает влияния на формирование нарушенного слоя в приповерхностной области кристалла. В искаженной области межатомное расстояние уменьшается. Это означает, что приповерхностная область насыщена вакансиями и подтверждает широко известный факт, что поверхность кремния является стоком для вакансий и вакансион-ных комплексов. Размер этой области оказался на удивление мал -несколько нанометров. Поэтому стало ясно, почему она не была обнаружена ранее.

Характеристики поверхности предварительно оксидированной пластины кремния отличаются радикально. Нарушенный слой практически не изменился при облучении. Можно было бы предположить, что это связано с наличием оксидной пленки. Однако электронный пучок, используемый для создания радиационных дефектов, пронизывает не только пленку, но и весь образец насквозь (длина пробега электронов с энергией б НэВ около з мм, а толщина образца о.4 мм). Поэтому не может быть и речи о прямом экранировании излучения оксидной пленкой. Это подтверждается в нашем эксперименте тем, что на порядок более толстая пленка алюминия не оказывает никакого экранирующего влияния.

-ь№, I 5

Рис.4. Восстановлеишз профили распределения фактора Дебая-Валлерэ э и изменения д«а/<а незплоскостного рзсстошш для образца «1.

Таблица

Значения толщина нарушенного слоя ь и параметра ф, связанного с изменением межплоскостного расстояния да/а.

Структура Ь, пи Ф

1 6.6±0.6 0.88+0.1

2 6.1+0.6 1.1110.1

3 31+Б102 0•2 6±0.03 -0.22±0.1

4 31+5Юг+А1 0.45+0.04 -0.39+0.1

1б

Более убедительным нзн представляется следующее объяснение. Известно, что при термическом окислении кремния в приповерхностной области кристалла толшинои несколько десятков микрон образуется очень большое число нежлоузельных атомов. При своем движении к поверхности вакансии должны рекомбинировать с ними, что и приводит к наблюдаемому подавлению нарушений вблизи поверхности.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной раооты.

1. Предложена и апробирована простая количественная модель описания реальной поверхности кристалла, в которой профиль распределения структурных искажений в приповерхностном слое определяется двумя параметрами: толшиной нарушенного (переходного) слоя и смешением поверхности, вызванном изменением межплоскостного расстояния в этом слое (релаксацией поверхности). Показано, что модель достаточно хорошо описывает экспериментальные результаты и отражает основные характеристики нарушенного слоя.

2. Продемонстрирована возможность исследования процесса низкотемпературной диффузии примесей в кристалле методом асимптотической брэгговской дифракции. Прямым сравнением характеристик поверхностей кристалла кремния, одна из которых покрыта пленкой алюминия, а другая - пленкой естественного окисла, показано, что изменения, наблюдаемые на стороне, покрытой пленкой алюминия, не связаны с термомеханическими нагрузками на образец в процессе его нагрева или охлаждения, а обусловлены именно диффузионными процессами, поскольку только они различны на разных сторонах образца.

3. Изучена кинетика роста границ раздела Ge-Geo2 и si-cu. Обнаружено, что их рост происходит не по закону \}п, а по линейному. Такая зависимость резко отличается от зависимости, характерной для диффузионных процессов, происходящих при высоких температурах. Наблюдаемые закономерности объяснены тем, что процесс дифъ Фузии атомов принеси в приповерхностном поле ускоряется электрическим полем, существующим в этом слое и обусловленным градиентом концентрации примеси в данном слое.

4. При исследовании диффузии меди в кремний обнаружено, что даже при комнатной температуре (22-24°с) в системе si-cu происходят заметные изменения. Толщина ь границы раздела si-cu за неделю изменилась от 2о до зз А.

5. Показано, что при окислении' поверхности кремния атомы кислорода не диффундируют вглубь кристалла в виде примеси, а связываются на границе si-sio2, обуславливая ее движение, и, соответственно, рост оксидной пленки.

6. Исследованз поверхность монокристалла кремния, покрытого пленкой сегнетоэлектрика NaN02. Обнаружено увеличение толщины искаженного приповерхностного слоя кремния до 2.6 нм и уменьшение межплоскостного расстояния в этом слое на 0.22%. Наблюдаемые изменения являются обратимыми. Сделан вывод, что они связаны с влиянием сильного электрического поля, индуцированного пленкой сегнетоэлектрика.

7. ' Впервые метод асимптотической брэгговской дифракции применен для исследования распределения радиационных нарушений, вносимых высокоэнергетичными электронами. Обнарухено, что радиационные дефекты, стекающие к поверхности кремния, концентрируются в очень тонком приповерхностном слое толщиной в несколько десятков Ангстрем. Межплоскостное расстояние в этом слое уменьшено, что подтверждает ваканснонную природу основных радиационных дефектов, возникающих при облучении электронами.

8. Экспериментально показано, что предварительное окисление препятствует развития нарушений в приповерхностных слоях кремния. Это объясняется тем, что радиационные дефекты взкансионного типа рекомбинируат с иеждоузельньш атомами, образованными при оксидировании.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 1. Афанасьев A.M., Александров П.А., Имамов P.M. Рентгенодифракци-онная диагностика субмикронных слоев,- М.:Наука, 1989, 152 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Якимов С.С., Чаплэнов В,А., Нефедов А. А, "Применение метода асимптотической брегговскоЯ дифракции к изучения процессов низкотемпературной диффузии в кристаллах". Письма в ЖТФ, 1986., т. 12,

ВЫП.23, С.1442-1444.

2. Нефедов А. А. "Исследование полупроводниковых структур, облученных. электронами". Тезисы докладов III-efl Всесоюзной конференции по излучению частиц в кристаллах, г.Нальчик, 1Э83, c.i67-i6S.

3. Александров П.А., Нефедов А.А., Чаплэнов В.А., Якимов С.С. "Исследование низкотемпературной диффузии атомов в приповерхностных слоях кристаллов методом асимптотической бреггевегай дифракции". Поверхность, 1939, N3, с.60-64.

4. Aleksandrov P.A., Chaplanov V.A., Nefedov A.A. and Yakiiaov S.S. "X-ray investigation of the Si-HaH02 Interface Structura". XII European Crystallographic Meeting, Collected abstracts, Moscow, 1989, vol.3, p.18.

5. Александров П.А., Нефедов А.А., Чапланов В.А., Якимов С.С. "Рентгенодифракшганное исследование структуры грзницы si-наио п.

ФТТ, Т.33, 111, 1991, С. 2221-2222.

6. Chaplanov V.A. and Hefedov A.A. "Distribution of radiation defects in subnicron subsurface crystal layers". Appl. Phys. Lett., 1992, V.60, PP.1447-1449.

7. Chaplanov V.A., Nefedov A.A. and Yakinov S.S. "X-ray asynptotic Bragg diffraction investigation of the real surface of crystals". The 3rd International Conference on Surface X-ray and Neutron diffraction, Abstracts, Dubna 1993, p.69.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ АСИМПТОТИЧЕСКОЙ БРЭГГОВСКОИ ДИФРАКЦИИ (сх5зор литературы) и

§ 1.1. Трехкристальная рентгеновская дифрактонетрия. 12

§ 1.2. Метод асимптотической брэгговской

дифракции и его применение для исследования поверхности кристаллов 16

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 43

§ 2.1. Теоретические основы асимптотической

брэгговской дифракции. 43

§ 2.2. Двухпэраметрическая континуальная модель. 46

§ 2.з. Сравнение дискретного и континуального

представлений характеристик кристалла. 47

§ 2.4. Экспериментальная установка и

методика проведения измерений. 53

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИФФУЗИИ '

В ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ МОНОКРИСТАЛЛОВ. 58

§ 3.1. Анализ возможности применения метода

асимптотической брэгговской дифракции к исследованию низкотемпературной диффузии. 58

§ 3.2. Кинетика роста границы раздела се-сео.,. 62

§ з.з. Изучение диффузии меди в приповерхностных

слоях кремния. бз

ГЛАВА 4. РЕНТГЕНОДИФРАКШОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ

ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЭХ-ПаИО^ 68

§ 4.1. Особенности структуры нитрита натрия. 68

§ 4.2. Исследование структуры поверхности кремния,

покрытого пленкой нитрита натрия. 7о

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ПРОФИЛЯ РАДИАЦИОННЫХ НАРУШЕНИИ

В СУБМИКРОННЫХ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ КРИСТАЛЛОВ. 74

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83

ЛИТЕРАТУРА 86