авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Неравновесные фазовые переходы индуцированные ионной бомбардировкой, на примере силикатных систем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЦЫРУЛЕВ Андрей Анатольевич

НЕРАВНОВЕСНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

ИНДУЦИРОВАННЫЕ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ,

НА ПРИМЕРЕ СИЛИКАТНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ярославль – 2006

Работа выполнена в Институте микроэлектроники и информатики Российской Академии наук, г. Ярославль

Научный руководитель : кандидат физико–математических наук,

старший научный сотрудник,

Кривелевич Сергей Александрович

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник,

Барабаненков Михаил Юрьевич

кандидат физико–математических наук, доцент,

Крылов Пётр Николаевич

Ведущая организация : Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Защита диссертации состоится " 18 " января 2007 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д.002.204.01 в Физико-технологическом институте РАН, по адресу 117218, Москва, Нахимовский проспект, д.36, корп.1

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Физико-технологического института РАН

Автореферат разослан " " 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

В.В. Вьюрков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная микроэлектроника предъявляет высокие требования к характеристикам элементов интегральных схем, и повышенное внимание уделяется методам их улучшения. Особую важность имеют технологии, позволяющие повысить надежность работы микросхем и улучшить их частотные характеристики. Одним из вариантов технологии, направленным на решение этой задачи, является технология «кремний на изоляторе» (КНИ) и, в частности, одно из её наиболее перспективных направлений - ионный синтез скрытых диэлектрических слоёв. Хорошо известен и применяем в коммерческих целях вариант КНИ, предполагающий создание скрытого диэлектрического слоя путём высокоэнергетической имплантации ионов кислорода с энергией 180-200 кэВ в кремниевую подложку и последующей термообработки при высокой (>1300оС) температуре. Эта технология известна под названием SIMOX (separation by implanted oxygen) и достаточно хорошо изучена. Технология SIMOX наряду с преимуществами обладает некоторыми недостатками, основными из которых являются недостаточно высокое качество рабочего слоя и высокая стоимость получаемых изделий. В связи с этим возникает необходимость снижения дозы имплантации, длительности и температуры термообработки. Одним из вариантов решения стала разработка методов синтеза скрытого слоя диоксида кремния с дозами, значительно меньшими используемых в стандартном SIMOX-процессе. Однако уменьшение дозы имплантируемых ионов ведет к ухудшению диэлектрических характеристик скрытого слоя и требует повышения температуры и длительности термообработки. Другим решением стало создание диэлектрических слоёв иного состава. В частности, в отличие от SIMOX-процесса, где синтезировался слой , предпринимались попытки создания слоя , так называемая технология SIMNI (separation by implanted nitrogen), и слоёв , получаемых комбинированной имплантацией кислорода и азота. Синтез слоёв нитрида и оксинитрида кремния позволил снизить дозу вводимой примеси и температуру термообработки, но низкие диэлектрические характеристики этих слоёв при невысоком качестве рабочего слоя, обусловленном донорной активностью содержащегося в нём азота и присутствием включений диэлектрической фазы, стали препятствием на пути к практическому использованию. Эти причины обусловливают продолжающийся поиск решения задач, стоящих перед создателями скрытых диэлектрических слоёв. Одним из новых технологических вариантов стал ионный синтез скрытых диэлектрических слоев комбинированного состава на основе силикатных стекол.

Цель работы состоит в теоретическом исследовании процесса перераспределения компонентов при синтезе скрытых диэлектрических слоёв комбинированного состава, получаемых с помощью последовательной ионной имплантации в кремний ионов кислорода и бора, в одном случае, и ионов кислорода и фосфора - в другом.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задачи:

  1. Разрабатывалась аналитическая модель перераспределения компонентов при синтезе скрытых диэлектрических слоёв. В рамках этой задачи разрабатывался алгоритм определения функции плотности свободной энергии Гиббса как функции температуры и объёмной концентрации компонентов тройных систем и .
  2. Разрабатывался алгоритм численного решения квазилинейных уравнений параболического типа применительно к решаемой задаче моделирования.
  3. Проводилось моделирование временной эволюции систем и в течение термообработки. В рамках этой задачи устанавливалась зависимость динамики системы и от концентраций имплантированных компонентов и температуры стадии отжига.

Научная новизна работы заключается в том, что:

  1. Разработан метод, позволяющий моделировать процессы перераспределения компонентов, протекающие при термообработке систем, полученных ионной имплантацией.
  2. Разработан алгоритм определения функции плотности свободной энергии Гиббса как функции температуры и объёмной концентрации компонентов тройных систем , .
  3. Разработан метод оценки кинетических коэффициентов в уравнениях, описывающих эволюцию рассматриваемых систем.
  4. Разработан алгоритм численного решения квазилинейных уравнений параболического типа, возникающих в рассматриваемой задаче моделирования, обладающий безусловной устойчивостью по начальным данным и саморегуляризацией, связанной с переменным шагом по времени.
  5. Определено стимулирующее влияние бора и фосфора на перераспределение кислорода при синтезе, протекающем при температурах более низких, чем используемые в SIMOX - процессе.
  6. Исследовано влияние исходных концентрации и температуры при ионном синтезе слоёв комбинированного состава на вид формируемых распределений компонентов.

Практическая значимость работы

Полученные результаты моделирования временной эволюции систем и в течение термообработки представляют интерес, поскольку рассматриваемые системы имеют перспективу широкого практического применения. Полученные результаты могут применяться при проектировании технологических процессов планарной технологии. Установленные зависимости являются основой для разработки новых технологических вариантов ионного синтеза скрытых слоёв комбинированного состава. Разработанный метод моделирования представляет собой достаточно лёгкий и эффективный в использовании инструмент для определения параметров процесса при исследовании синтеза скрытых слоёв. Достоверность полученных результатов моделирования подтверждена экспериментальными данными.

Положения, выносимые на защиту

  1. Используемый алгоритм определения функции плотности свободной энергии систем, применим к силикатным системам находящимся в условиях ионного синтеза и позволяет эффективно решать задачи моделирования.
  2. Предложенный алгоритм численного решения квазилинейных уравнений параболического типа, возникающих при моделировании, обладает безусловной устойчивостью по начальным данным и свойством саморегуляризации, обусловленным переменным шагом по времени.
  3. В системе существует критическое значение объёмной концентрации кислорода, ниже которого, в данной области, формирование скрытого слоя не происходит. Указанное значение концентрации соответствует максимуму функции плотности свободной энергии.
  4. В системах и :

- скорость формирования скрытого слоя лимитируется скоростью диффузии кислорода в системе, полученной в результате имплантации;

- в результате термообработки происходит перераспределение кислорода и бора (кислорода и фосфора), в результате которого максимумы концентрационных профилей локализуются в одной области, а в области границ синтезируемого слоя наблюдается снижение концентрации бора (фосфора);

- при использовании, в качестве дополнительно имплантируемого к кислороду, компонента, как бора, так и фосфора, процесс ионного синтеза скрытого слоя происходит при более низких температурах по сравнению с классическим SIMOX – процессом.

Апробация результатов.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международных совещаниях “Радиационная физика твёрдого тела” (Севастополь, 2002 и 2003), Совещании по росту кристаллов, плёнок и дефектам структуры кремния “Кремний – 2002” (Новосибирск, 2002), Совещании “Кремний – 2004” (Иркутск, 2004), Международных конференциях “Микро - и наноэлектроника – 2003 (ICMNE-2003)” и “Микро - и наноэлектроника – 2005 (ICMNE-2005)” (Звенигород, 2003 и 2005), XVI Международной конференции “Взаимодействие ионов с поверхностью” (Звенигород, 2003), XVII Международном симпозиуме “Тонкие плёнки в электронике” (Москва, 2005).

Личный вклад автора:

- разработка, совместно с научным руководителем, теоретической модели, позволяющей описывать процессы, протекающие при термообработке систем, полученных ионной имплантацией;

- разработка, совместно с научным руководителем, алгоритма определения функции плотности свободной энергии Гиббса как функции температуры и объёмной концентрации тройных систем , ;

- разработка алгоритма численного решения квазилинейных уравнений параболического типа, возникающих в рассматриваемой задаче моделирования, обладающего безусловной устойчивостью по начальным данным и саморегуляризацией, связанной с переменным шагом по времени;

- разработка программного обеспечения для реализации вычислительных алгоритмов, связанных с применением разработанной теоретической модели;

- моделирование, с использованием разработанного подхода, процессов перераспределения компонентов, протекающих при термообработке систем , , , полученных ионной имплантацией;

- анализ результатов, полученных в ходе моделирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведён в конце автореферата.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 133 страницы, в том числе 118 страниц основного текста, 54 рисунка и список литературы из 114 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается тема работы, актуальность решаемой задачи, формулируются цели работы, даётся её структура и содержание.

В первой главе приводится аналитический обзор работ, посвящённых ионному синтезу скрытых диэлектрических слоёв. В данный момент хорошо известны технологии синтеза скрытых слоёв диоксида (SIMOX), нитрида (SIMNI) и оксинитрида кремния. Наибольшее практическое применение из них имеет SIMOX - процесс, который, как указывалось выше, не свободен от недостатков. Это обусловлено рядом его характерных особенностей.

Применяемые при ионном синтезе дозы составляют порядка (SIMOX, SIMNI) и несколько меньше при формировании оксинитрида, при энергии имплантации . С увеличением используемой в процессе энергии возрастает и величина дозы примеси. Снижение количества имплантируемой примеси - одна из задач, стоящих перед ионным синтезом. На данный момент разработаны варианты упомянутых технологий, позволяющие это делать. В частности, это имплантация в горячую подложку, имплантация с варьированием энергии ионов, синтез с помощью повторяющихся циклов имплантация – отжиг, стимулирование фазообразования предварительным созданием центров преципитации или дальнодействующим ионным облучением. Но окончательно данная задача не решена, поскольку дозы имплантации остаются достаточно высокими и, вместе с этим, качество формируемых скрытого и рабочего слоёв при уменьшении доз снижается.

Вторым вопросом, стоящим перед ионным синтезом, является снижение температуры стадии отжига. Для SIMOX – процесса она составляет . Термический отжиг при данной температуре проводится в течение нескольких часов и ведёт к значительным финансовым затратам и расходу материала рабочего слоя на термическое окисление. Снижение используемых доз реактивной примеси влечёт, как правило, увеличение указанной температуры стадии отжига. Таким образом, оптимизация параметров процесса ионного синтеза является важной задачей. При этом ясно, что наиболее эффективным способом оптимизации является теоретическое моделирование.

Моделированию процессов формирования структур, получаемых с помощью ионного синтеза, посвящено большое количество работ. Существующие модели формирования скрытого диоксида и нитрида кремния можно разделить на два вида. Один из них - это полуэмпирические модели. Недостатком, свойственным подобного типа моделям, является то, что их предсказательная сила ограничивается интервалом параметров процесса, для которых была установлена полуэмпирическая зависимость. Более перспективными были работы по созданию теории, основанные на использовании данных о кинетике зарождения и роста зародышей новой фазы. Но использование для описания процессов формирования скрытых слоёв такого подхода позволяет создавать модели, достаточно точно отражающие поведение реальных систем лишь тогда, когда можно рассматривать систему как дисперсную. Поэтому применение такого подхода представляется не совсем удачным при рассмотрении формирования сплошных скрытых аморфных слоёв. Положения теории образования и роста зародышей, главным образом, подходят для области формирования границ скрытого слоя или же для рассмотрения стадии существования дисперсной системы, предшествующей образованию непрерывного слоя. Кроме упомянутых недостатков, заключающихся в существовании пределов применимости теории, существуют и чисто технические трудности, касающиеся необходимости определения значительного количества кинетических коэффициентов, описывающих конкретную физическую систему.

Альтернативой описанным методам может быть модель, в основе которой лежит классическая теория фазовых переходов Гинзбурга-Ландау [1]. Модель предполагает, что для любой системы можно найти “параметр порядка”, изменение которого отражает фазовый переход, претерпеваемый системой, и для которого справедливо релаксационное уравнение Халатникова - Ландау.

Во второй главе формулируется математическая задача и рассматриваются методы, применяемые в работе при определении функции плотности свободной энергии и решении системы релаксационных уравнений, описывающих физическую систему.

Рассматриваемая задача является достаточно сложной, поскольку предполагает описание эволюции многокомпонентных систем с дефектами. Поэтому возникает необходимость определения набора переменных, позволяющего полно и адекватно описать состояние облучаемой системы. Полагая, что длительность термообработки значительно превышает характерное время отжига большинства радиационных дефектов, влиянием последних можно пренебречь. Наиболее естественным в этом случае является выбор в качестве переменных концентраций химических элементов, находящихся в определенных состояниях. Тогда динамика системы будет описываться системой релаксационных уравнений вида:

, (1)

где – концентрация атомов -го компонента, находящихся в каком – либо из возможных для данного компонента состоянии, – время, – кинетическая постоянная, – функционал (2), аналогичный функционалу свободной энергии Гиббса.

, (2)

где – коэффициенты диффузии, – объём, а функция на стадии постимплантационного отжига представляет собой функцию плотности свободной энергии.

Применение выражений (1) и (2) для описания временной эволюции требует знания обо всех состояниях атомов всех компонентов, образующих систему, и предполагает возможность решения достаточно большого числа уравнений. В такой постановке задача является неразрешимой, и необходимы дополнительные упрощающие предположения. В частности:

  • предполагается, что для каждого химического элемента существует полный дискретный набор состояний в данном материале;
  • предполагается, что все атомы данного элемента, находящиеся в одном состоянии, считаются неразличимыми и характеризуются определенным значением концентрации в любой точке материала;
  • предполагается, что если некоторый набор атомов входит в какое-то объединение, например, в состав какого–либо комплекса, то для этого комплекса существует ряд уравнений связи, определяемый составом комплекса и позволяющий уменьшить число переменных;
  • предполагается, что отвечающий этим требованиям набор переменных образует пространство, в котором динамика рассматриваемой системы описывается некоторой траекторией. Движение по этой траектории, при отсутствии больших флуктуаций в системе, соответствует переходу между состояниями неполного равновесия в направлении ближайшего локального равновесия.

Суммируя уравнения системы (1) по всем состояниям данного компонента и вычисляя вариационные производные с учетом (2), систему уравнений (1) можно свести к системе, число уравнений в которой совпадает с количеством компонентов:

, (3)

здесь - суммарные концентрации компонентов, - зависящие от суммарных концентраций коэффициенты диффузии, - коэффициенты, также являющиеся функциями суммарных концентраций.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.