WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 9 02;05;11;12 Нелинейные энергоселективные наномасштабные модификации материалов и динамика в металлах и полупроводниках © З. Марка, К. Паркс Чейни, В. Ванг, Г. Люпке, Дж. Гиллиган, Я. Яо, Н.Х. Толк Отделение физики и астрономии, университет Вандербильта, TN-37235 Нэшвилл, США (Поступило в Редакцию 14 января 1999 г.) Представлены исследования нелинейных, селективных по энергии материальных взаимодействий, локализованных на поверхностях, гетерограницах, примесях и дефектах в твердом теле. В частности, обсуждаются новый эффект молекулярного взаимодействия, связанный с передачей энергии поверхности посредством низкоэнергетических соударений, новая безконтактная нелинейная оптическая методика исследования электронной и дырочной динамики на гетерогранице и новый подход, использующий лазер на свободных электронах, развитый в университете Вандербильта, для активации пассивированных водородом легирующих примесей в кремнии. В каждом случае уникальные характеристики пучков частиц и фотонов, оптимизированных для технологии, были использованы для расширения диапазона применений новых энергоселективных методик при решении фундаментальных и прикладных проблем.

Введение дающим новую информацию о динамике электронов и дырок на гетерогранице. И наконец, интенсивное перестраиваемое инфракрасное излучение, получаемое при Исследования динамических процессов на поверхнопомощи лазера на свободных электронах В.М. Кека сти, гетерограницах и в объеме значительно продвину(ЛСЭК) в университете Вандербильта, было использовались в конце второго тысячелетия за счет появления но для селективного (по длине волны) возбуждения коленовых и технологически более совершенных наноразбательных мод, локализованных на конкретных примесях мерных зондов и технологий обработки материалов. Эти и дефектах. Данный метод представляет собой принциисследования нередко приводят к новым физическим пиально новый подход к резонансной наноразмерной мооткрытиям и полезным применениям. В частности, в дификации материалов, что важно как с теоретической, данной работе сообщается о результатах исследований, так и прикладной точек зрения.

которые расширяют область измерения эффективности распыления в сторону очень низких, пороговых энергий и дают новую информацию о процессах нелинейного Новый эффект молекулярного переноса энергии от молекулярных и атомарных ионов к взаимодействия, проявляющийся поверхности. Показано также, что неразрушающая методика генерации второй оптической гармоники является в эффективности распыления вблизи важным средством исследования гетерограницы Si/SiO2, пороговых энергий Измерения эффективности распыления обеспечивают прекрасные возможности изучения взаимодействий первичных частиц с поверхностью в случае, например, эпитаксиального роста или травления. Недавно мы наблюдали новый молекулярный эффект, дающий более глубокое понимание процессов переноса энергии на поверхность при низкой кинетической энергии первичных частиц [1].

При сравнении эффективности распыления в расчете на падающий атом для молекулярных первичных частиц низкой энергии (таких как N+, O+) относительно со2 ответствующих атомарных первичных частиц (N+, O+) было обнаружено, что при энергиях ниже характерной начальной энергии молекулярных первичных частиц эффективность распыления на падающий атом значительно увеличивается для поступающих молекулярных ионов. Рис. 1 показывает эффективность распыления Рис. 1. Эффективность распыления в расчете на один атом для в расчете на один атом для ионов N+ и N+. Все ионов N+ ( ) и N+ (•) на мишени из поликристаллического эксперименты были выполнены в камере сверхвысокого золота в зависимости от кинетической энергии первичных вакуума, величина эффективности распыления была почастиц.

Нелинейные энергоселективные наномасштабные модификации материалов и динамика в металлах... лучена при одновременном измерении числа падающих ионов (по величине тока на сетке с прозрачностью 80%) и изменения массы образца из поликристаллического золота (используя кварцевые макровесы) [2]. На рис. 1 показано, что эффективность распыления для N+ значительно возрастает при низких кинетических энергиях приблизительно в 4 раза при кинетической энергии первичных частиц 50 eV. Мы объясняем это увеличение большим количеством переносимой энергии молекулярными первичными частицами в расчете на один атом по сравнению с атомарными первичными частицами. Предполагая полностью неупругое столкновение, легко показать, что максимум переносимой к мишени энергии значительно больше для молекул с массой 2m, чем для двух атомов с массой m каждый (эта величина составляет 1.76 в случае молекул азота и мишени из золота). Вышесказанное справедливо только Рис. 2. Изменение во времени сигнала ГВОГ от термичепри очень малых кинетических энергиях первичных ча- ского окисного слоя толщиной 40, выращенного на Si (001) подложке p-типа. На вставке показан сигнал ГВОГ после стиц, когда молекулы обладают достаточным временем стравливания оксидного слоя до толщины 10.

для взаимодействия с поверхностью. В течение этого столкновительного времени взаимодействия молекулы могут испытать несколько колебаний, в то время как при высокой кинетической энергии первичных частиц время должают уменьшаться, увеличивается важность понимастолкновения становится настолько малым по сравнению ния влияния тонкого слоя окисла на динамику носителей с периодом колебаний, что молекула взаимодействует на захороненной гетерогранице, что может привести, с поверхностью, как если бы она состояла из двух например, к пробою и инжекции горячих носителей. Неотдельных атомов. Следовательно, этот новый молекудавно разработанный бесконтактный метод исследования лярный эффект проявляется только при определенной динамических процессов на Si/SiO2 гетерогранице оснопороговой кинетической энергии, соответствующей слуван на контроле сигнала генерации второй оптической чаю, когда становятся сравнимы время столкновения гармоники (ГВОГ). Данная методика позволяет ”прощуи период колебания. Для N2 (мы предполагаем, что пывать” электрическое поле (или распределение заряда) ионы нейтрализуются перед их ударом с поверхностью) на захороненной гетерогранице. Все эксперименты были рассчитанные период колебаний и время столкновения выполнены при использовании Ti-сапфирового лазера с становятся равны при кинетической энергии 224 eV, что длительностью импульса 150 fs, длина волны изменялась находится в разумном согласии с экспериментально в диапазоне от 7100 до 9100, средняя мощность состанаблюдаемой величиной 300 eV. Соотношение этих вляла порядка 300 W при частоте повторения 80 MHz.

двух параметров объясняет, почему мишень ”чувствует” Луч был сфокусирован в пятно диаметром около 10 µm молекулярную природу двуатомной низкоэнергетичной на образце и отраженный сигнал ГВОГ измерялся с первичной частицы, в то время как при ее высокой энервременным разрешением 0.5 s фотоумножителем и счет гии поверхность взаимодействует с молекулой, как будто чиком фотонов.

она состоит из двух отдельных атомов. На важность соотношения между величиной времени столкновения и Для всех исследованных образцов с термическим окипериодом колебаний ранее было указано Ландау и Телле- слом в течение первых нескольких сотен секунд облучером при объяснении механизмов переноса энергии при ния наблюдалось резкое возрастание ГВОГ сигнала с его молекулярных столкновениях в газовой фазе [3], однако дальнейшим постепенным насыщением. Это согласуется в данной работе это соотношение впервые использовано с результатами наблюдений других групп [4–6], однако для объяснения процессов низко энергетичного молеку- наши результаты (рис. 2) демонстрируют также новое лярного распыления.

явление: заметное возрастание ГВОГ сигнала после блокировки возбуждающего луча ( = 7900, максимальная интенсивность 10 GW/cm2) в течение нескольких Динамика носителей на гетерогранице секунд и его последующего разблокирования. После сверхтонкого слоя окисла с кремнием разблокирования лазерного излучения сигнал ГВОГ быстро уменьшался до своего уровня насыщения. Данная Физические характеристики гетерограницы Si/SiO2 сы- особенность наблюдалась для всех оксидных слоев с грали важнейшую роль в процессе установления домини- толщиной более 40 и при энергии фотона, превырования кремния в технологии полупроводниковых мате- шающей пороговое значение 1.57 eV [7]. Вставка на риалов. По мере того как размеры МОП приборов про- рис. 2 показывает отклик сигнала ГВОГ для тонкого Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 78 З. Марка, К. Паркс Чейни, В. Ванг, Г. Люпке, Дж. Гиллиган, Я. Яо, Н.Х. Толк оксидного слоя (порядка 10 ), который не показывает Селективные по длине волны увеличение поля, связанного с блокировкой луча. Фактимодификации a : Si–H–P комплекса чески в этом случае поле на гетерогранице значительно уменьшено.

Лазер на свободных электронах В.М. Кека в универДанный эффект не может быть объяснен многофотон- ситете Вандербильта является мощным и уникальным ным возбуждением только электронов в зоне проводимо- инструментом для проведения исследований полупрости SiO2 (как предположено для начального увеличения водниковых материалов. В частности, он может быть сигнала ГВОГ) [4–5]. Мы постулируем, что дырки также использован для тестирования возможности селективных играют важную роль в динамике разделения зарядов [7]. по длине волны модификаций материалов. В этой работе В соответствии с многочисленными исследованиями дру- мы показываем его возможности в депассивации легигих групп разрыв зон для оксида составляет от 4.35 рующих примесей в гидрогенизированных полупроводдо 4.9 eV [8,9]. Учитывая, что запрещенная зона кремния никовых материалах. ЛСЭК производит макроимпульсы составляет 1.1 eV и запрещенная зона SiO2 составляет с номинальной длительностью 4 µs и энергией от приблизительно 9 eV при комнатной температуре, а так- до 60 J при частоте повторения импульсов до 30 Hz;

же что возбуждающий луч должен иметь энергию фотона каждый макроимпульс состоит из приблизительно более 1.52 eV, мы заключаем, что для создания дырок в макроимпульсов продолжительностью 1 ps, разделенных валентной зоне оксида требуется 4 фотона (6.08 eV), в интервалами в 350 ps. Длина волны ЛКЭС может то время как для возбуждения электронов из валентной непрерывно изменяться в диапазоне 2.0-9.5 µm; этот зоны кремния в зону проводимости оксида необходимо диапазон, обычно увеличенный за счет умножения чатри фотона с энергией, превышающей 1.36 eV (4.1 eV). стоты или использования высших гармоник, охватывает Так как вероятность перехода значительно больше для энергии запрещенных зон большинства технологически трехфотонного процесса по сравнению с четырехфо- важных полупроводников. Высокая средняя мощность тонным, то фотоинжекция горячих электронов вызыва- и сложная временная структура импульсов ЛКЭС исет начальное возрастание сигнала ГВОГ, хотя также пользуются при проведении различных спектроскописуществуют и дырки, возбужденные в оксидный слой. ческих исследований полупроводниковых материалов и Так как электроны обладают нормальной подвижностью при модификации материалов. Предварительные работы около 0.002 m2/(V · s) [10], то они очень быстро уходят с ЛСЭК уже продемонстрировали возможности произ оксидного слоя (в пределах нескольких пикосекунд) ведения структурно-селективных модификаций материили в кремний, или на внешнюю поверхность оксида. В алов [11–16]. Высокая энергия импульса в ЛСЭК противоположность этому дырки обладают очень низкой создает возможность поглощения энергии на конкретподвижностью — порядка 10-10 m2/(V · s) [10]. Сле- ных связях, приводя к локализованным модификацидовательно, дырки, проходящие через гетерограницу в ям материалов. Это процессы сильно зависят от вреоксид, будут оставаться вблизи нее. Для образцов с мени жизни в возбужденных состояниях. Собственное толщиной оксидного слоя более 30 при выключен- время жизни, стимулированное время жизни и атомном луче дырки вблизи или на гетерогранице могут ная конфигурация определяют энергию поглощения и легко переходить обратно в кремний, в то время как пригодность интенсивного ИК излучения для нетербольшинство электронов, захваченных на поверхности, мической, селективной по длине волны модификации так и остается. Различное поведение дырок и электро- материала.

нов приводит к увеличенному разделению заряда, что Водород играет ключевую роль в аморфном кремнии, и является причиной увеличения поля в темноте в пассивируя оборванные связи для устранения дефектов.

ГВОГ сигнале. При следующем включении луча горячие Однако он также изменяет легирующие свойства a-Si–H, дырки будут двигаться через гетерограницу в оксид, в связывая легирующие примеси и уменьшая проводито время как инжекция электронов сильно затруднена мость. Легирующая примесь пассивируется путем обрасильным полем пространственного заряда, создаваемым зования комплекса с атомом кремния и атомом водорода, электронами, захваченными на внешней поверхности как показано на рис. 3. Этот комплекс в колебательных SiO2. Следовательно, преимущественно дырки будут спектрах поглощения виден при 1555 cm-1 для фосфордвигаться в оксид, приводя к уменьшению ГВОГ сигнала. ной примеси и при 1875 cm-1 для примеси бора [17].

При более тонких слоях оксида возможно туннелиро- Мы исследовали возможность применения интенсиввание электронов (как и дырок) обратно в кремний. В ного излучения ЛСЭК для селективной активации лерезультате не наблюдается увеличение поля, связанное с гирующих примесей в a-Si–H. Посредством резонансвыключением луча. Этот новый эффект увеличения поля ного возбуждения водородного легирующего комплекса при выключении луча, сильно зависящий от толщины возможно удалить из него водород, при этом оставляя оксида и энергии фотона, приводит к более глубокому водород в местах оборванных связей. На рис. 3 показаны пониманию роли захвата, генерации из ловушек и релак- колебательные спектры поглощения для легированной сации дырок на Si/SiO2 гетерогранице, что очень важно фосфором пленки a-Si–H до и после облучения ЛСЭ при создании нового поколения микроэлектронных при- при 1555 cm-1, что соответствует колебательной моде боров. комплекса Si–H–P. Хорошо видно, что после облучения Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Нелинейные энергоселективные наномасштабные модификации материалов и динамика в металлах... Рис. 3. Сравнение колебательных спектров поглощения до (сплошная кривая) и после облучения ЛСЭ (пунктирная и штриховая кривые) при 1555 cm-1. На вставке схематически показана пассивация доноров и акцепторов в n-типе a-Si–H.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.