автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование закономерностей формирования волнообразных микро- и наноструктур ионными пучками на поверхности кремния

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

ЛЕПШИН ПАВЕЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

Исследование закономерностей формирования волнообразных микро- и наноструктур ионными пучками на поверхности кремния.

05.27.01. - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук.

Научный руководитель: д. ф. - м. н. Смирнов В. К.

Ярославль - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................4

Глава 1. Волнообразный микрорельеф на поверхности полупроводниковых материалов, инициируемый ионной бомбардировкой.........9

1.1. Волнообразный микрорельеф на поверхности кремния...................10

1.2. Волнообразный микрорельеф на поверхности арсенида галлия......21

1.3. Волнообразный микрорельеф на поверхности других материалов 25

1.4. Анализ модельных представлений образования волнообразного микрорельефа.........................................................................................27

Глава 2. Зависимость процесса образования волнообразного микрорельефа на поверхности кремния от условий воздействия ионов Ог и N2+..............................................................35

2.1. In situ регистрация стадий модификации поверхности кремния

при ионной бомбардировке..................................................................35

2.2. Зависимость процесса образования волнообразного микрорельефа от энергии ионов и угла бомбардировки...................44

2.3. Температурная зависимость процесса образования волнообразного микрорельефа............................................................47

2.4. Морфология волнообразного микрорельефа и геометрия волны

в системе N2+ - Si...................................................................................51

2.5. Взаимосвязь длины волны волнообразного микрорельефа с глубиной распыления............................................................................58

Глава 3. Волнообразный микрорельеф и процессы взаимодействия

ионов N2+ с поверхностью кремния.................................................63

3.1. Состав поверхности в системе N2+ - Si................................................64

3.2. Угловая зависимость коэффициента распыления

кремния ионами азота............................................................................69

3.3. Область существования волнообразного микрорельефа в координатах "энергия - угол бомбардировки"...................................76

3.4. Влияние исходной топографии поверхности на процесс образования волнообразного микрорельефа......................................78

3.5. Исследование модифицированного слоя в системе N2+ - Si.............85

3.6. Обсуждение свойств волнообразного микрорельефа........................94

Глава 4. Волнообразный микрорельеф, инициируемый пучком ионов

N2+, в тонкослойных структурах на основе кремния.................102

4.1. Волнообразный микрорельеф в структуре кремний- на-диэлектрике..........................................................................................103

4.2. Волнообразный микрорельеф в тонкослойных структурах диэлектрик/кремний............................................................................110

4.3. Волнообразный микрорельеф на заданном микроучастке поверхности кремния..........................................................................112

4.4. Пространственная когерентность волнообразного микрорельефа..........116

Выводы................................................................................................................120

Приложение № 1

Определение зависимости угла бомбардировки ионной пушки G

от угла наклона плоскости образца Р в РЭОС РШ 660...........................122

Приложение № 2

ИОС и ЭОС регистрация стадий модификации поверхности

кремния ионными пучками........................................................................124

Приложение № 3

Закономерности изменения оже- эмиссии электронов с поверхности

кремния при формировании волнообразного микрорельефа.................127

Литература..........................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Задача формирования волнообразных микро- и наноструктур на поверхности кремния ионными пучками возникла под влиянием двух основных факторов.

Первым фактором явился возрастающий интерес к физике и технологии структур субмикронного и, в особенности, нанометрового масштаба [1]. Однако минимальные размеры элементов при использовании традиционных литографических методов их формирования ограничены ~ 100 нм. В случае создания наноструктур в диапазоне 10 -нЮО нм с помощью техники остро сфокусированных ионных пучков или зондовой сканирующей микроскопии (АСМ, СТМ) имеются серьезные ограничения, связанные с производительностью. Более того, применение указанных способов становится нереальным для формирования массивов наноструктур с высокой плотностью элементов. Альтернативный вариант решения проблемы создания массивов наноструктур на поверхности полупроводниковых материалов может базироваться на явлении самоорганизации, т.е. на спонтанном формировании наноструктур, происходящем при определенных условиях воздействия на поверхность [2,3].

Явление самоорганизации поверхности твердых тел в виде волнообразного микрорельефа (ВМ) под действием низкоэнергетичной ионной бомбардировки и стало вторым фактором, стимулирующим появление настоящего исследования. Однако, несмотря на то, что одно из первых упоминаний о ВМ на кремнии датируется 1977 годом [4], интерес к нему и, соответственно, информация были крайне ограничены. Определенное оживление картины произошло через 10 лет в 1988 году [5], когда данный тип топографии поверхности попал в поле зрения специалистов, использующих ионные пучки в методах послойного анализа полупроводниковых материалов. Арсенал пучков от ионов инертных газов расширился до химически активных ионов (Cs+, 02+, N2+), а наряду с кремнием

объектами изучения стали ваАэ, А3В5 и другие материалы. Вместе с тем, к началу настоящей работы (1996г.) представленные в литературе экспериментальные данные были весьма неполными и не позволяли судить о степени управляемости процессом образования ВМ. Более того, оставался открытым вопрос о существовании волнообразного нанорельефа (ВНР), т.е. о возможности достижения нанометрового масштаба периода структуры.

Понятие "структура" подразумевает достаточно высокую степень управления процессом ее формирования и параметрами. Поэтому в качестве одной из основных задач работы ставится получение совокупности данных о зависимости процесса формирования ВМ и ВНР от основных экспериментальных параметров воздействия потока ионов на поверхность кремния: типа ионов, энергии, угла бомбардировки и температуры образца. Актуальным является не только изучение условий создания периодических анизотропных микро- и наноструктур (ВМ и ВНР) во всей области ионной бомбардировки, но и установление внутреннего строения отдельных элементов структуры - индивидуальных волн. Естественным и важным этапом работы должно стать детальное исследование с привлечением широкого набора аналитических методов таких фундаментальных аспектов взаимодействия с поверхностью низкоэнергетических химически активных ионов как формирование модифицированного слоя и распыление. Эти процессы играют важную роль в формировании топографии поверхности.

Выбор кремния в качестве объекта изучения вполне закономерен. Он был и в обозримом будущем остается одним из базовых материалов высоких технологий. Основное внимание в работе планируется сосредоточить на волнообразном рельефе с пространственным периодом структуры в диапазоне от 10 до 100 нм. Это обусловлено, в частности, результатами работ [6,7]. Авторам [6] удалось сформировать кремниевые квантовые проволоки с поперечным сечением около 100 нм, на их основе создать транзистор и при температурах жидкого гелия

наблюдать квантовые эффекты. В исследовании [7] отмечается важность создания квантовых приборов именно на кремнии и их функционирования при комнатных температурах. Последнее условие может быть реализовано только при достижении характерного размера около 10 нм. Следует отметить, что наноструктуры на основе кремния представляют интерес не только для наноэлектроники, но и оптоэлектроники. В последние годы значительное развитие получили работы по созданию на базе кремния материалов оптоэлектроники. Так, например, в публикациях [8, 9] представлены результаты исследования оптоэлектронных свойств оксидных слоев кремния, содержащих включения кремния нанометрового масштаба.

В обзоре [3] явления самоорганизации с образованием квантовых точек и проволок рассматриваются исключительно для материалов А3В5. В настоящее время и тем более к началу данной работы примеры формирования массивов периодических анизотропных наноструктур на кремнии в литературе отсутствуют. Поэтому новизна исследования не вызывает каких - либо сомнений.

Оригинальность подхода к решению проблемы создания наноструктур на кремнии заключается в использовании низкоэнергетичных ионных пучков, что в технологическом плане представляется достаточно выигрышным. Легко получаемые и управляемые ионные пучки являются привлекательным инструментом, а сами наноструктуры в перспективе могут быть интегрированы в элементы традиционной кремниевой микротехнологии. По этой причине представляет интерес, не ограничиваясь только кремнием, расширить исследование до тонкослойных структур на его основе. Положительные результаты в данном случае должны усилить практическую значимость работы в целом.

Таким образом, целью настоящей работы является исследование закономерностей управляемого формирования на поверхности кремния массивов волнообразных микро- и наноструктур, а также изучение процессов, происходящих

при взаимодействии низкоэнергетических химически активных ионных пучков с кремнием и лежащих в основе образования данных структур.

При постановке задачи о формировании наноструктур на кремнии с помощью ионных пучков публикации в литературе в основном носили экспериментальную направленность. Это объективно отражало тот факт, что представления о волнообразном микрорельефе находились лишь на стадии аккумуляции экспериментальных данных. Учитывая сложность явления, цель исследования могла быть достигнута только в ходе прямых экспериментов, что и определило в целом экспериментальный характер настоящей работы.

Изложенный в диссертационной работе материал является аргументированным обоснованием следующих основных научных положений, выносимых на защиту:

1. Динамика и морфология волнообразного микро- и нанорельефа при распылении кремния низкоэнергетичными пучками ионов и кислорода. In situ регистрация процесса рельефообразования по изменению эмиссии оже-электронов с поверхности.

2. Зависимости процесса рельефообразования и периода структуры от основных экспериментальных параметров: типа ионов, их энергии, угла бомбардировки, температуры образца кремния. Существование в случае пучка ионов азота устойчивой к распылению структуры и управление ее периодом в нанометровом масштабе размеров.

3. Угловые зависимости состава поверхности и процесса распыления кремния ионами азота. Строение модифицированного бомбардировкой ионами азота приповерхностного слоя кремния. Взаимосвязь процессов взаимодействия ионов азота с кремнием и свойств волнообразного рельефа.

4. Формирование волнообразных наноструктур на заданном микроучастке поверхности кремния. Контролируемое создание массивов кремниевых проволок с нанометровым масштабом поперечного сечения на материале кремний на диэлектрике.

Защищаемые положения в значительной степени отражают научную новизну

работы, которая состоит в том, что в ней впервые:

1. Исследован процесс развития волнообразного нанорельефа и его морфология при распылении поверхности кремния пучком ионов азота. Регистрация процесса образования волнообразного нанорельефа осуществлялась in situ по изменению эмиссии оже-электронов с поверхности.

2. Получены зависимости процесса рельефообразования и периода структуры при бомбардировке поверхности кремния ионами азота от энергии ионов, угла бомбардировки и температуры образца.

3. Измерены угловые зависимости состава поверхности и процесса распыления кремния ионами азота. В широком диапазоне экспериментальных параметров исследован приповерхностный слой кремния, модифицированный ионной бомбардировкой, и определено внутреннее строение индивидуальной волны.

4. С помощью пучка ионов азота сформированы волнообразные наноструктуры на заданном микроучастке поверхности кремния и на материале кремний на диэлектрике (КНД). Структуры на КНД представляют собой массив кремниевых проволок с нанометровым масштабом сечения.

Глава 1 Волнообразный микрорельеф на поверхности полупроводниковых материалов, инициируемый ионной бомбардировкой.

Волнообразный микрорельеф (ВМ), инициируемый ионной бомбардировкой, представляет собой структуру на поверхности твердого тела периодическую в направлении плоскости падения ионного пучка с ориентацией гребней волн перпендикулярной данной плоскости (см. рис. 1.1.). ВМ возникает при отличном от нормали угле бомбардировки 0. В случае скользящих углов (0~8О°) может наблюдаться микрорельеф с ориентацией структуры параллельно плоскости падения ионного пучка [10]. Последний тип микрорельефа не входит в рамки интереса данной работы.

Под понятием ВМ ("wave - like") в настоящем исследовании понимается периодическая, пространственно когерентная структура. Наряду с "wave - like" в иностранной литературе для обозначения волнообразной топографии поверхности широко используется выражение "ripple structure" [10]. Это также периодический анизотропный микрорельеф, но в отличие от ВМ не обладающий пространственной когерентностью. "Ripples" - это ВМ, возмущенный наличием холмов ("hillocks"). Такое возмущение является крайне негативным фактором в плане структурирования поверхности ионными пучками. Именно ВМ будет уделено основное внимание в работе.

Существующее к началу настоящего исследования разнообразие типов пучков и матриц было обусловлено главным образом методами послойного анализа и в первую очередь вторично- ионной масс- спектрометрией (ВИМС). В дальнейшем изложении сочетание типа пучка и облучаемой матрицы будем

называть системой (например, система 02+-81 ). Наряду с ионами инертных газов пучки ионов 02 и Св+ являются штатными зондами в ВИМС [11]. В их арсенал в последнее время вошел и пучок ионов Ы2+ [12].

Наибольшее количество публикаций по ВМ относится к системе пучок - 81. Далее следует ОаАэ. Определенное число работ посвящено соединениям А3В5 и другим материалам. В соответствии с указанной последовательностью систем излагается обзор литературы в главе. Последний ее параграф посвящен существующим представлениям о природе ВМ. Формулировка задачи исследования и ее деталей основана на состоянии литературных данных на начало 1996 года.

1.1. Волнообразный микрорельеф на поверхности кремния.

Система инертный пучок ионов - Si. Исследование топографии поверхности в данной системе выполнено преимущественно в группе Дж. Картера. Основные экспериментальные результаты, полученные в последнее время, изложены в публикациях [13-16]. Авторы описали поведение поверхности

монокристаллического Si (100) под влиянием высокодозного (1017 - Ю20 ион/см2) воздействия пучков ионов Ne+, Ar+, Хе+ и Si+ с энергией Ер от 5 до 40 кэВ. Температуру образца варьировали в достаточно широком диапазоне от 100 до 700 К. Угол бомбардировки во всех работах [13-16] оставался постоянным и равным 9 = 45°. Это в определенной степени ограничило полноту информации о процессе рельефообразования в системе инертный пучок ионов - Si.

С точки зрения природы образования ВМ интерес к работам группы Дж. Картера обусловлен химической инертностью рассматриваемой системы. Условие инертности системы определяется содержанием на поверхности кислородсодержащих примесей непосредственно в процессе ионной бомбардировки. В работе [14] специально отмечается, что уровень базового давления в камере мишени был не хуже 10~б Topp, а содержание кислорода было на два порядка величины ниже. Выполненная на основании экспериментальных параметров облучения оценка показала, что поток распыляемых за счет ионной бомбардировки частиц преобладал над потоком частиц, осаждаемых на поверхность из остаточной атмосферы. Более того, в случае кислорода данное превышение составило более двух порядков величины. Эти оценки снимают вопросы о чистоте экспериментов с инертными пучками и о возможном влиянии химических реакций на процесс образования ВМ в работах группы Дж. Картера.

Общими чертами рельефообразования на кремнии для пучков ионов Ne+, Ar+, Хе+ и Si+ являются следующие. Во-первых, для всех типов ионов появление топографии требует достаточно длительного распыления поверхности. Так, при комнатной температуре доза воздействия составляет от 3-1018 до 1-Ю20 ион/см2. Доза несколько снижается (1018 - 1019 ион/см2) при пониженных температурах. Во-вторых, при низкой температуре образца (Т=120 К) в случае всех указанных ионных пучков наблюдается микрорел�