WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 10 05;06 Активация поверхности полупроводников воздействием импульсного магнитного поля © М.Н. Левин, А.В. Татаринцев, О.А. Косцова, А.М. Косцов Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия e-mail: levin@lev.vsu.ru (Поступило в Редакцию 24 декабря 2002 г.) Впервые показана возможность активации поверхности полупроводников, проявляющейся в долговременном изменении адсорбционной способности в результате кратковременного воздействия импульсного магнитного поля. Магнитоиндуцированная активация поверхности исследована на кристаллах кремния, германия и арсенида галлия. Обнаруженный эффект расширяет возможности технологических процессов формирования на поверхности полупроводниковых кристаллов тонких пленок.

Введение Образцы подвергались воздействию ИМП с амплитудой B0 = 0.4 T, длительностью импульсов = Ранее сообщалось, что воздействие слабых импульс= 1-4 · 10-5 s и частотой следования f = 50 Hz. Длиных магнитных полей (ИМП) на полупроводниковые тельность обработки составляла от 30 до 60 s. Обработка кристаллы приводит к долговременным немонотонИМП и хранение образцов осуществлялось при комным изменениям их структуры и структурнозависимых натной температуре. Контролировалось изменение топосвойств. Высокую чувствительность при этом проявляют логии поверхности, ее микроструктуры и сорбционных приповерхностные слои полупроводниковых кристалсвойств.

лов, в частности кристаллов кремния. Были обнаруИсследования топологии поверхности проводились жены ИМП индуцированные эффекты: договременной методами сканирующей туннельной микроскопии немонотонной релаксации проводимости кремния на (СТМ), позволяющими получать изображения границе Si-SiO2 [1], немонотонных изменений параметповерхности образцов и проводить измерения ее ров кристаллической решетки в приповерхностном слое параметров с атомарным разрешением. Подготовка кремния [2]; геттерирование дефектов на поверхности образцов включала химическую обработку для и рекристаллизация предварительно аморфизированных удаления с поверхности окисной пленки, последующую поверхностных слоев [3]; обогащение приповерхностных отмывку в деионизованной воде и сушку. Наблюдения слоев кислородом за счет выхода кислорода, растворентопологии проводились в сканирующем туннельном ного в объеме [4]; изменение сорбционных свойств помикроскопе СКАН-8 Центра перспективных технологий верхности кремния [5]. Однако последовательных исслеМосковского государственного университета в режиме дований кинетики наблюдаемых процессов в различных постоянного туннельного тока.

полупроводниковых материалах, а также сопоставления На рис. 1 представлены результаты изменения тополонаблюдаемых эффектов не проводилось.

гии поверхности кристалла кремния (Cz-Si), вызванные Целью настоящей работы явилось проведение исслеимпульсной магнитной обработкой. В результате воздейдований, направленных на разработку методов активаствия ИМП поверхность кристалла видоизменяется, на ции поверхности полупроводниковых кристаллов для первом этапе хранения становится более неоднородной реализации различных технологических процессов.

(рис. 1, b) по сравнению с исходной (рис. 1, a), при этом нарушается планарность поверхности, наблюдается ярко выраженный рельеф, возрастает шероховатость Эксперимент поверхности. Спустя 200 h после ИМП обработки эти изменения достигают максимума. С увеличением В качестве объектов исследования использовались плоскопараллельные полированные пластины крем- времени хранения образца его поверхность постепенно ния с кристаллографической ориентацией плоско- сглаживается (рис. 1, c), и после 400 h уровень рельефа поверхности становится меньше исходного значения.

стей 111, легированные фосфором с концентрацией 5 · 1015 cm-3, германия с кристаллографической ори- В подписи под рисунком указаны средние значения параметра шероховатости Rz (высота неровностей проентацией плоскостей 100, легированные сурьмой филя по десяти точкам [6]), измеренные в поперечных с концентрацией 2 · 1016 cm-3, арсенида галлия с сечениях образцов, проведенных в двух взаимно перпенкристаллографической ориентацией плоскостей 110, легированные теллуром с концентрацией 1017 cm-3. дикулярных плоскостях с шагом 10 nm.

Все кристаллы выращивались методом вытягивания из Изменения топологии поверхности и характера рерасплава (методом Чохральского). льефа поперечных сечений образцов, вызванные воздей86 М.Н. Левин, А.В. Татаринцев, О.А. Косцова, А.М. Косцов ячейка с образцом продувалась воздухом со степенью влажности 100% (рис. 2, кривые 2). Для получения стопроцентной влажности воздух продувался через барботер, в котором происходило его насыщение парами воды. При этом были обеспечены условия бесконденсатной продувки воздуха через измерительную ячейку.

Измерение влажности проводилось психрометром.

Продувка влажным воздухом приводила к снижению коэффициента отражения микроволнового излучения образцом, что проявлялось в смещении спектров (практически без искажения их формы) по шкале интенсивности. Величина смещения зависела от продолжительности продувки влажным воздухом и достигала насыщения за время продувки 5 min, характеризуя предельную способность поверхности к адсорбции влаги.

Рис. 1. СТМ изображение поверхности кристалла Cz-Si:

a — до воздействия ИМП (параметр шероховатости Rz равен 1.34 nm); b и c — через 200 и 400 h после обработки ИМП соответственно (Rz составляет 5.81 и 0.92 nm).

ствием импульсного магнитного поля, сопровождаются изменением сорбционных свойств поверхности полупроводников. Исследования изменения адсорбционной способности поверхности кристаллов под действием ИМП проводились методами микроволновой спектроскопии, обладающими высокой чувствительностью к наличию и состоянию молекул воды в исследуемой среде [7].

Контролировались спектры отражения в диапазоне частот 26-37 GHz.

Эксперимент по изучению сорбционных свойств поверхности исследуемых кристаллов проводился следующим образом. Образец, вырезанный из центральной части пластины, помещался в измерительную ячейку волноводного тракта. Размеры образца соответствовали Рис. 2. Спектры отражения микроволнового излучения повнутренним размерам волновода. Ячейка с образцом лупроводниковыми кристаллами Si (a), Ge (b) и GaAs (c).

продувалась сухим воздухом в течение 30 min, после 1, 2 — до воздействия (продув сухим и влажным воздухом, чего измерялись спектры отражения (рис. 2, кривые 1).

соответственно); 3 — через 200, 150 и 120 h после ИМП Осушение воздуха осуществлялось его продувкой через обработки для Si, Ge и GaAs соответственно (продув влажным колонку с селикагелем. Дальнейшая продувка сухим воздухом); 4 — через 350 h после ИМП обработки (продув воздухом не приводила к изменению спектров. Затем влажным воздухом).

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Активация поверхности полупроводников воздействием импульсного магнитного поля (для арсенида галлия). Процесс изменения сорбционных свойств кристаллов продолжается сотни часов при комнатной температуре.

Следует отметить разную интенсивность увеличения сорбционных свойств у исследуемых материалов. У образцов кремния сорбционная способность в результате воздействия ИМП увеличивалась более чем в четыре раза, у германия — в два раза, а у арсенида галлия — в три.

Обнаруженный эффект снижения гидрофобности поверхности кристаллического кремния обработкой пластин импульсным магнитным полем был использован для формирования на них тонких пленок оксидов и сульфидов металлов термическим распылением водРис. 3. Зависимости изменения коэффициента отражения ных растворов соответствующих тиокарбамидных ком RS микроволнового излучения кристаллами Si, Ge, GaAs от времени после воздействия ИМП. плексов [5].

Таким образом, в результате исследований воздействия ИМП на полупроводниковые кристаллы методами СТМ и микроволновой спектроскопии обнаруОбратимость процессов адсорбции и десорбции влажен эффект немонотонного долговременного изменения ги поверхностью полупроводниковых кристаллов позфизико-химических свойств их поверхности, включаюволила провести исследования изменения сорбционных щий повышение адсорбционной способности поверхсвойств образцов во времени, многократно повторяя ности на первом этапе и ее последующее снижение цикл с одним и тем же образцом.

до исходного уровня (для арсенида галлия) или до Спектры образцов, не подвергавшихся воздействию уровня ниже исходного значения (для кристаллов кремИМП, не изменялись во времени. Кратковременная обния и германия). Повышение сорбционной способности работка кристаллов ИМП приводила к долговременным поверхности полупроводниковых кристаллов сопровоизменениям спектров отражения (рис. 2, кривые 3, 4), ждается изменением ее топологии. Эффект наблюдается характеризующими изменение сорбционной способнопри комнатной температуре и достигает максимального сти поверхности.

значения спустя сотни часов после воздействия.

В качестве общих особенностей выявленных ИМП Обнаруженный эффект ИМП индуцированного повыиндуцированных изменений спектров отражения микрошения химической активности поверхности полупроводволнового излучения у всех типов исследуемых кристалников может быть использован для совершенствования лов следует отметить немонотонное изменение смещеразличных технологических процессов, например снижения спектров RS (рис. 3). Вначале наблюдается суния температуры проведения окисления, повышения скощественное увеличение RS, достигающее через сотни рости химических реакций, протекающих на поверхночасов максимального значения, которое спустя 350 h сти полупроводников, нанесения пленочных покрытий.

после ИМП воздействия сменяется устойчивым уменьшением смещения спектров обработанных образцов.

Список литературы Наряду с этим наблюдаются и различия в поведении обработанных ИМП образцов: во-первых, наличие ла[1] Данилюк А.Л., Нарейко А.И. // Поверхность. 1996. № 9.

тентного периода ( 50 h), в течение которого не проС. 27–33.

являются изменения спектров для кремния и германия, [2] Кукушкин Н.В., Постников С.Н., Терман Ю.А. и др. // и его отсутствие у арсенида галлия; во-вторых, разЖТФ. 1985. Т. 55. Вып. 10. С. 2083–2084.

ное время достижения максимального изменения RS, [3] Левин М.Н., Зон Б.А. // ЖЭТФ. 1997. Т. 111. Вып. 4. С. 1373– которое составляет 200 h для кремния, 150 h для 1397.

[4] Levin M.N., Zon B.A. // MRS Proc. 2000. Vol. 583. P. 278–284.

германия и 120 h для арсенида галлия; в-третьих, [5] Левин М.Н., Семенов В.Н., Наумов А.В. // Письма в ЖТФ.

разные масштабы изменения RS.

2001. Т. 27. Вып. 7. С. 35–39.

Совокупность представленных экспериментальных [6] Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозамеданных свидетельствует о том, что воздействие ИМП няемость, стандартизация и технические измерения. М.:

на исследуемые кристаллы приводит к немонотонноМашиностроение, 1986. 352 с.

му изменению химической активности их поверхности.

[7] Косцов А.М. // Изв. РАН. Сер. Физика. 2000. Т. 64. № 9.

Наблюдается повышение адсорбционной способности С. 1712–1713.

кристаллов, которая затем сменяется устойчивым снижением способности поверхности к адсорбции влаги по сравнению с исходными образцами (для кремния и германия), или возвращается к исходному значению Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.




© 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.