НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР“

ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ПЕЛІХАТИЙ МИКОЛА МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.315

МОДИФІКАЦІЯ ШАРУВАТИХ СТРУКТУР ПРИ ПРОХОДЖЕННІ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

01.04.21 ? радіаційна фізика і ядерна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Залюбовський Ілля Іванович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, проректор.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Воєводін Віктор Миколайович, ІФТТМТ (ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”), заст. директора;

доктор фізико-математичних наук, професор Копанець Євген Григорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри фізики;

доктор фізико-математичних наук, професор Машкаров Юрій Григорович, Харківський регіональний інститут державного управління Національної академії державного управління при президенті України, кафедра інформатизації державного управління, професор.

Захист відбудеться ”16” жовтня 2007р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.845.01 в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

Автореферат розісланий ”7” вересня 2007р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 64.845.01 _________________ М.І. Айзацький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Теоретичні та експериментальні дослідження взаємодії високоенергетичних частинок з напівпровідниками та шаруватими структурами, які виготовлені на їх основі, мають велике наукове та практичне значення. Вивчення процесів проходження та взаємодії іонізуючого випромінювання, дослідження електрофізичних явищ важливі для розробки і використання нових ядерно-фізичних технологій. Результати наукових пошуків сприяють бурхливому розвитку електронної індустрії, створенню нових напівпровідникових пристроїв мікронних та субмікронних розмірів, які являються основою сучасних інформаційних технологій. Прискорення інформатизації суспільства неможливе без подальшого вивчення фізичних процесів та вдосконалення технологій виготовлення твердотільних електронних приладів, зокрема створення спеціалізованих детекторів іонізуючого випромінювання.

Одним із процесів, які мають місце при проходженні випромінювання крізь речовину, є утворення радіаційних дефектів. Це, з одного боку, призводять до зміни макроскопічних характеристик твердих тіл (пластичність, ламкість, твердість, геометричні розміри та ін.), а з другого – до зміни мікрохарактеристик, які пов'язані з електронною структурою речовини. В той же час регулювання процесами радіаційного дефектоутворення, в першу чергу в напівпровідниках, використовується для покращення їх характеристик та сприяє розвитку нанотехнологій.

В вирішення теоретичних питань радіаційного дефектоутворення в твердому тілі: кристалах, об'єктах й матеріалах ядерної енергетики внесли значний внесок вчені, які сформували радіаційну фізику твердого тіла як предмет і науку: Зеленський В.Ф., Залюбовський І.І., Неклюдов І.М., Гарбер Р.І., Гіндін І.А., Конобієвський С.Т., Іванов В.Є., Фірсов О.Б., Папіров І.І., Тихинський Г.Ф., Скакун М.О., Гвердцителі І.Г. та інші.

Питанням поведінки напівпровідникових матеріалів в полі іонізуючого випромінювання присвячена значна кількість робіт. Проблеми ж формування радіаційних дефектів та поширення електричних сигналів в опромінених шаруватих структурах майже не розглядались.

Природа простих дефектів досліджена добре, а от складним формуванням присвячена незначна кількість робіт. У зв'язку з цим комплексне дослідження процесів радіаційного дефектоутворення в шаруватих структурах при дії потоків іонізуючого випромінювання, встановлення загальних закономірностей, зв'язків між процесами генерації, взаємодії радіаційних дефектів і зміною електрофізичних характеристик шаруватих структур актуальне і важливе для фізиків-теоретиків, експериментаторів та технологів виробництва елементів твердотільної електроніки. Результати таких досліджень необхідні при розробці методів ідентифікації та класифікації радіаційних дефектів, методів підвищення радіаційної стійкості компонентів радіоелектронної апаратури, що є однією з головних задач сучасних досліджень прикладної ядерної та радіаційної фізики.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалась згідно Координаційного плану Міністерства освіти України „Комплексні дослідження ядерних процесів та створення на їхній основі ядерно-фізичних методів для застосування в енергетиці і радіаційній безпеці ядерних енергетичних установок і технологій, радіаційній модифікації матеріалів та екології”, плану науково-дослідної роботи АН СРСР затвердженого постановою президії АН УРСР від 27.12.1985р., №474 „Розробка і створення комплексу пристроїв для дослідження процесів взаємодії випромінювання з речовиною і радіаційні технології”.

Результати, які лягли в основу дисертації, здобуті при виконанні держбюджетних НДР: № Д/Р 81077502; № Д/Р 0183.0003316; № Д/Р 0187.0043102; № Д/Р UА01008718Р; № Д/Р UA01008758Р; № Д/Р 0194U018579; № Д/Р 0197U016514; № Д/Р 0101U002794, що були складовою частиною науково-дослідної роботи кафедри експериментальної ядерної фізики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Науковим керівником цих робіт був дисертант.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вирішення проблеми встановлення загальних закономірностей процесів, що спостерігаються при проходженні іонізуючого випромінювання крізь шаруваті структури та встановлення зв’язків між характеристиками випромінювання і електричним та механічним відкликом шаруватих структур. Для досягнення мети сформульовані завдання:

1. Дослідити експериментально і теоретично описати ефекти, які викликані високоенергетичними частинками на межі розподілу різнорідних середовищ (метал-напівпровідник, метал-діелектрик).

2. Одержати експериментальні дані і провести аналіз процесів ініційованих гамма-квантами в аморфному германії та інших напівпровідниках, зокрема в кремнії при іонній імплантації.

3. Дослідити процеси взаємодії гамма-квантів і нейтронів з шаруватими структурами, які призводять до появи нелінійного електричного відклику системи.

4. Проаналізувати процеси радіаційно-стимульованої дифузії домішки у напівпровіднику під впливом іонізуючого випромінювання.

5. Дослідити процеси формування профілів розподілу домішок, які слабо дифундують в напівпровідникових структурах.

6. Розробити фізичну модель утворення перехідного шару метал - діелектрик при формуванні шару металу з потоку низькоенергетичної плазми.

7. На основі вивчення фізичних процесів в опромінених структурах розробити рекомендації по підвищенню радіаційної стійкості структур інтегральної електроніки. Провести аналіз процесів, які спостерігаються при попередньому впливі температурного і електричного полів на шаруваті структури.

Об’єкт дослідження. Шаруваті структури Ni-Si, Mo-Si, W-Si, Ti-Si, V-Si, діодні та транзисторні структури і мікросхеми, які виготовлені на основі біполярної технології метал-окисел-напівпровідник.

Предмет дослідження. Механізми формування розупорядкованих областей, профілю розподілу домішок та утворення силіцидів при взаємодії іонізуючого випромінювання з кремнієм і шаруватими структурами, виготовленими на його основі, механізми деформації електричних сигналів, які розповсюджуються в металах, напівпровідниках, електронно-діркових структурах, в яких є області розупорядкування, процеси, які обумовлюють підвищення радіаційної стійкості мікроелектронних структур.

Методи дослідження. Використано комплекс взаємодоповнюючих методів при вирішенні задач дослідження. При виготовленні плівок використовували методи термічного та електронно – променевого випаровування. Виготовлення шаруватих структур та проведення електричних вимірювань велось як за допомогою традиційних методів, так і з використанням розроблених пристроїв і методик. Структурний стан досліджували з використанням електронно-мікроскопічних, електронно-графічних та оптичних методик. Для визначення фазового стану використовували метод зворотного розсіювання іонів.

Наукова новизна. Під час проведення систематичних досліджень отримано значний експериментальний і теоретичний матеріал, наукова новизна якого оформилася в двадцяти семи статтях та доповідях на всесоюзних та міжнародних конференціях. Матеріал знайшов застосування при виконанні двадцяти трьох науково-технічних робіт з рядом галузевх та академічних інститутів, а також підприємств МЕП СРСР, МСМ, Міністерства промислової політики України. Наукова новизна полягає у наступному.

Уперше:

- одержані результати дослідження процесу перерозподілу енергії між гармонічними складовими електричного сигналу, який розповсюджується в опроміненій речовині (метал і напівпровідник), які дозволяють проведення розробки чутливих та високоточних датчиків контролю доз гамма та нейтронного опромінення;

- отримані дані про хід процесу вибухової кристалізації в сполуках германію з фосфором та сіркою при гамма-опроміненні, характер якого визначається хімічним складом плівки, які сприяють більш детальному прогнозуванню змін параметрів інтегральних структур під впливом іонізуючого випромінювання;

- з використанням метода зворотного розсіювання іонів визначено механізм формування силіциду металів в опромінених структурах метал – напівпровідник;

- проведено теоретичний аналіз процесу формування перехідного шару між підкладкою і нанесеною за допомогою низькоенергетичного потоку іонів металевою плівкою. Результати аналізу показують можливість формування металевих покриттів на керамічних та напівпровідникових підкладках з високою адгезією;

- досліджено процес формування необхідного профілю домішки на великих глибинах з застосуванням потоку прискорених іонів. Результати досліджень свідчать про можливість управління профілем розподілу концентрації домішки на великих глибинах;

- виявлено ефект "іонного розпухання" (радіаційного розпухання) кремнію при його опроміненні іонами бору;

- проаналізовано термодинаміку процесів підвищення радіаційної стійкості шаруватих структур і виробів твердотільної електроніки при впливі термічних і електричних полів.

- проведено аналіз процесу гальмування первинно зміщених атомів в матеріалах, які опромінюються, з урахуванням світлового випромінювання, яке виникає при гальмуванні;

- показано, що інтенсивність світлового випромінювання достатня для внутрішнього фотоефекту і генерації фотострумів, які можуть привести інтегральні шаруваті структури в неробочий стан.

Отримали подальший розвиток:

- теоретична модель процесу перерозподілу маси речовини на межі метал - напівпровідник за рахунок масопереносу при взаємодії шаруватих структур з потоками іонів, нейтронів і гамма-квантів;

- теоретичні основи метода зворотного розсіювання іонів.

Захищено авторським свідоцтвом на винахід спосіб елементного аналізу матеріалів на великих глибинах.

Удосконалено:

- спосіб виготовлення прецизійних діафрагм з шириною щілини 0,1-10 мкм для формування світлових, рентгенівських і іонних потоків та визначено їх використання в нанотехнологиях.

Запропоновано рекомендації для розробників технології виробництва інтегральних схем, що дозволяють підвищити радіаційну стійкість шаруватих інтегральних структур, які використовуються для роботи в умовах опромінення.

Практичне значення одержаних результатів надає можливість за побудованими фізичними і електрофізичними моделями і одержаними формулами пояснити механізми радіаційної деградації напівпровідників та шаруватих структур, цілеспрямовано протидіяти деградації матеріалів компонентів твердотільної електроніки, мати чітку уяву про фізико-електричні процеси при опроміненні.

Можливе застосування розробленої фізичної моделі формування перехідного шару для виробництва вакуумно-щільних з'єднань потужних електронних ламп та омічних контактів п’єзокерамічних перетворювачів.

Рекомендації необхідно використовувати при інженерних розрахунках і роботах по підвищенню радіаційної стійкості конкретних ІС при їх проектуванні, виробництві та експлуатації. Результати цієї роботи можна буде використати:

- при виконанні науково-дослідної тематики в Харківському національному університеті;

- при виробництві більш надійних виробів електроніки шляхом іонного легування із використанням попереднього термоелектротренування;

- при розробці радіаційно стійких інтегральних схем шляхом аналізу їх поведінки в полях високоенергетичного опромінення і визначення критичних елементів з використанням мікронних і субмікронних діафрагм;

- при відновленні робочого стану РЕА, яка знаходилась певний час в радіаційному полі шляхом нагріву і роботою в інтенсивних електричних режимах;

Наукові результати дисертаційної роботи можна реалізувати при виробництві ІС на підприємствах України, в Одеській академії зв'язку, Інституті ядерних досліджень НАН України, в Харківському національному університеті радіоелектроніки, на підприємствах Мінпромполітики України для теоретичних і експериментальних досліджень, при визначенні впливу високоенергетичного опромінення на формування і розповсюдження сигналів в компонентах РЕА, розробці технології ІС високої надійності.

Крім того, результати виконаної роботи можна використати при викладанні спецкурсів з радіаційної фізики та технології виробництва надійних виробів твердотільної електроніки у вищих учбових закладах України та зарубіжжя.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів дисертаційної роботи визначається збігом одержаних даних при використанні незалежних методів дослідження шаруватих структур та напівпровідникових приладів, а також використанням сучасних методів експериментальних досліджень та теорії електронно-діркових переходів, теорії надійності, апробацією на наукових семінарах і конференціях, публікаціями в наукових виданнях.

Особистий внесок пошукача. Основний внесок полягає у формуванні і постановці наукових експериментів, задач та проблем, трактовці одержаних результатів, координації вивчення явищ та результатів експериментів [9-11, 16, 18, 26, 27], формуванні теоретичних задач, їх інтерпретації і ідентифікації процесу перерозподілу енергії між гармонічними складовими сигналу, який поширюється в опромінених матеріалах [5, 12], полягає в розробці теоретичних, електричних і електронних моделей [1-4, 7, 8, 17, 19, 20] та методів експериментальних досліджень [6, 14, 23] по визначенню поведінки компонентів інтегральних схем при впливі світлового випромінювання, яке виникає під час проходження корпускулярних частинок крізь структури. Внесок автора також полягає в розробці доцільних режимів термоелектротренування та розгляді термодинамічних процесів при цих режимах [15, 25], в розробці технології виготовлення діафрагм, способу аналізу матеріалів, а також технологічних процесів та пристроїв [13, 21, 22, 24]. Написав і підготував самостійно до друку більшість статей та тез доповідей за темою дисертації.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на наукових семінарах Харківського інституту радіоелектроніки, Харківського політехнічного інституту, Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, Київського національного університету ім. Т.Г. Шевченка, Київського політехнічного інституту, Харківського авіаційного інституту, заводів "Гравітон" та „Мезон”, на науково-технічних і міжнародних конференціях: "Фізичні методи діагностики електро- і радіодеталей" (Чернігів, 1986), "Плазмові прискорювачі і іонні інжектори" (Дніпропетровськ, 1986), "Забезпечення радіаційної стійкості РЕА" (Севастополь, 1987), "Проблеми удосконалення систем управління і зв'язку" (Харків, 1997), "Перспективні системи управління на залізничному, промисловому і міському транспорті" (Алушта, 1997), "Питання біоіндикації і екології" (Запоріжжя, 1998), "Сучасні проблеми науки і освіти" (Керч, 2001, Харків, 2003, 2004, 2005), "Сучасні проблеми гуманізації та гармонізації управління" (Харків, 2000), (Ужгород, 2002).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у 27 наукових працях. За темою дисертації у фахових виданнях надруковано 20 статей (із них 3 без співавторів), авторське свідоцтво, патент України, та 5 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації – 368 сторінок. Загальна кількість рисунків ? 112, таблиць – 8. Список використаних джерел налічує 259 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі проаналізовано сучасний стан проблеми, подана загальна характеристика роботи, показана актуальність і доцільність проведення досліджень, описані об’єкти і методи досліджень, зв’язок з науковими темами, наведено конкретні наукові результати, а також відомості про їх апробацію та публікації основних результатів проведених досліджень.

У розділі 1 „Взаємодія швидких частинок і дефектоутворення в напівпровідниках та шаруватих структурах” викладено сучасні уявлення про процеси утворення радіаційних дефектів, формування каскаду зміщень та потоків вторинних атомів. Розглянуті питання взаємодії первинних радіаційних дефектів зі структурними дефектами та домішками, стоки і центри анігіляції, дислокації та механічні напруження, які виникають в процесі радіаційного дефектоутворення. Визначено число зміщених атомів в одиниці об’єму речовини при бомбардуванні шаруватих структур нейтронами та іонами. Розглянуто процес проникнення вторинних частинок до матеріалу підкладки. Використовуючи теорію Ліндхарда і враховуючи розподіл вторинних частинок по енергії, одержана формула для визначення концентрації частинок вибитих із плівки і імплантованих в напівпровідник. Профіль розподілу концентрацій вторинних атомів має характер, який відрізняється від гаусового (рис. 1), бо визначається сумою гаусових розподілів частинок з різною енергією (від Е=0 до Е=Еmax).

Через розходження величин атомних радіусів матеріалу підкладки та плівки змінюється характер мікронапружень у тонкому проміжному прошарку. У процесі взаємодії атомів віддачі з підкладкою частина атомів залишає підкладку і потрапляє до тонкого металевого шару, змінюючи його електричні і механічні характеристики. Внаслідок цього відбувається зміна електричних параметрів мікроелектронних структур.

Показано важливе значення каскадних процесів для аналізу фізичного стану шарів, зміни величини адгезії, мікронапружень, мікротвердості, електричних характеристик. Аналіз шаруватих структур: напівпровідник-метал, напівпровідник-діелектрик, показує, що межа розподілу є стоком радіаційних дефектів. Однією з причин цього є поля механічних напружень на межі розподілу.

Рис. 1

Розподіл вибитих з плівки частинок, які проникли в кремній, складається з суми гаусових розподілів частинок з різною енергією.

Проаналізовано процес формування розупорядкованих областей, які утворюються у напівпровідниках при взаємодії з високоенергетичними частинка-ми. Області мають провідність, яка відрізняється від провідності неопроміненого матеріалу. Рівень Фермі у непошкодженому матері-алі постійний по всьому об’єму. А поблизу пошкодженої (розупо-рядкованої) області виникає викривлення енергетичних рівнів. Це пояснюється різницею елек-тричного потенціалу між областю розупорядкування та матричним матеріалом. На межі областей знаходиться негативно зарядже-ний сферичний прошарок, який формує потенційний бар’єр для головних носіїв заряду. Через це навколо областей розупорядку-вання утворюється шар позитив-ного просторового заряду, що поширюється на відстань до 0,30,35 мкм. Величина такого утворення залежить від ступеня легування напівпровідника та температури, а також від різниці рівнів Фермі в матриці і області розупорядкування.

Проведено аналіз фізико-електричних процесів, які протікають у розупорядкованих областях. При проходженні електричного сигналу такі області перезаряджаються, і це призводить до деформації електричних сигналів, які поширюються в опромінених напівпровідниках, металах, p-n переходах, транзисторах та інших виробах твердотільної електроніки.

В другому розділі “Об’єкти, прилади і методики досліджень” викладені питання механічних та хімічних процесів обробки кремнію, кремнієвих планарних структур, виготовлення тест-комірок та інтегральних схем. Наведені

стандартні та оригінальні методики контролю та вимірювання параметрів. Розглянута статистична обробка експериментальних даних.

Для дослідження мікронеоднорідностей використовувалась оптична і електронна мікроскопія, а для дослідження інфрачервоного випромінювання та вищих гармонік створені оригінальні методики.

Для дистанційного вимірювання розроблені оригінальні пристрої. Контроль дози опромінення вівся згідно розробленого способу та стандартними методами.

Опромінення нейтронами велось на реакторі ІЯД НАН України, на нейтронному генераторі Київського національного університету ім. Т.Г. Шевченка, гама-квантами на установці “Исследователь” ХНУ ім. В.Н. Каразіна, іонами на прискорювачі іонів та електростатичному прискорювачі ХНУ ім. В.Н. Каразіна.

Відтворюваність параметрів досліджуваних структур забезпечувалась використанням промислових групових планарних технологій (зразки виготовлялись на заводах МЕП). Кількість зразків досягала 200-300 штук. Параметри та характеристики вимірювались з використанням ЕОМ.

Процеси радіаційного дефектоутворення в шаруватих структурах відрізняються від процесів у однорідному напівпровіднику. Це пов’язано з різницею у розподілі домішок, структурних дефектів, полів механічних напружень, а також у різниці динамічних умов теплообміну при іонізуючому опроміненні.

Найбільш поширеними структурами на основі кремнію є діодні та транзисторні. Вони не тільки використовуються окремо, але і служать основою інтегральних мікросхем, і в першу чергу схем транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ).

З іншого боку, найбільш чутливі до впливу радіації кремнієві прилади і мікросхеми, що ґрунтуються на польовому ефекті, в яких межа окисел–напівпровідник служить основною робочою областю. Ця межа є ефективним стоком для радіаційних (і нерадіаційних) дефектів і визначає радіаційну стійкість структури.

Оскільки в роботі досліджуються процеси радіаційного дефектоутворення і взаємодії радіаційних дефектів з початковими дефектами в основному в кремнії, то за об’єкт дослідження поряд зі структурами метал–напівпровідник, метал–діелектрик, електронно-дірковий перехід обрано:

- біполярні планарні транзисторні n-p-n структури на основі монокристалічного бездислокаційного кремнію; - біполярні планарні транзисторні n-p-n структури на основі епітаксіально вирощених плівок кремнію; - уніполярні інтегральні МОН (метал-окисел-напівпровідник) структури на основі бездислокаційного монокристалічного кремнію; - біполярні інтегральні структури ТТЛ з ізоляцією елементів окислом на основі бездислокаційного монокристалічного кремнію.

Транзисторні біполярні структури і структури ІС ТТЛ на відміну від МОН ІС менш чутливі до поверхневих і приповерхневих пошкоджень, але більш чутливі до радіаційних пошкоджень об’єму напівпровідника.

В розділі 3 „Нелінійні властивості металів і напівпровідників при проходженні високоенергетичних частинок” показано, що при проходженні електричних сигналів (синусоїдальних та інших) в інтегральних структурах малого, середнього й великого ступеня інтеграції електричний сигнал, який розповсюджується, деформується. Ступінь деформації залежить від дози опромінення. Змінюються характеристики переднього й заднього фронту імпульсу, змінюється його тривалість.

Спроби пояснити ці процеси зміною властивостей тільки активних елементів інтегральних схем не дають позитивного рішення цього питання. Виникла задача вивчення процесів, які мають місце при опроміненні пасивних елементів інтегральних схем, які виготовляють на основі тонких шарів металів, напівпровідників і діелектриків.

При опроміненні високоенергетичними частинками в металах спостерігається зміна фізико-електричних властивостей мікрооб'ємів. Аналогічні явища спостерігаються і в напівпровідниках. Теоретичні моделі, а також експериментальні результати щодо дослідження термічних піків і інших мікронеоднорідностей дозволяють говорити про розміри областей порядку десятків та сотень нанометрів з властивостями, які відрізняються від властивостей матриці. Прямі методи вивчення таких областей практично відсутні. Тому нами було вирішено використати гармонічний аналіз для з'ясування впливу опромінення на форму сигналу, що розповсюджується у металах, напівпровідниках і електронно-діркових структурах, в яких є області радіаційного розупорядкування.

Вивчалися також тонкі плівки металу на поверхні оксиду кремнію і сіталу, а також резистори на їх основі. Для дослідження брали зразки, виготовлені на основі тонких плівок танталу, одержані катодним розпиленням. Вимірювання нелінійностей проводилося приладом на основі схеми Петерсона. Основна частота 6,5 кГц.

Для дослідження мікронеоднорідностей металевих плівок обрано третю гармоніку. Вона служила мірою нелінійності елементу, бо має величину, яка лежить в межах стійких вимірів і добре відфільтровується. Вибір третьої гармоніки зумовлено також і тим, що вимірювач рівня гармонік має смугу пропускання, яка характеризується дзвіноподібним розподілом за частотою. Якщо використати другу гармоніку, то сигнал від першої гармоніки, попадаючи на вхід вимірника, частково виділявся би на детекторі. Це внесло б велику похибку. Використати для дослідження і ідентифікації дефектів сигнали більш високих гармонік не дозволяє чутливість апаратури. Вивчення третьої гармоніки в напівпровідникових елементах інтегральних схем при опроміненні нейтронами і гамма-квантами набуває особливого значення у зв'язку з необхідністю формування і передачі сигналів у датчиках радіоелектронної апаратури під час і після опромінення.

У сучасній мікросхемотехніці також використовують резисторні структури, які сформовано, у матриці напівпровідникового матеріалу. Їх виготовляють на основі шарів з протилежним типом провідності. Вивчено зміни характеристик кремнієвих резисторів з ізоляцією електронно-дірковими переходами і з ізоляцією окислом.

Напівпровідникові резистори опромінювали потоком нейтронів до доз 1011, 1012, 1013, 1014, 51014см-2, та гамма-квантів (дози 2•102, 2•103, 104, 2•104 Кл/кг). Вимірювали опір резистора і величину третьої гармоніки.

Опір резисторів інтегральних схем з ізоляцією дифузійним р-n переходом після опромінення нейтронами з енергією Е = 2 МеВ і флюенсом 51014см-2 змінюється на 1,5 - 2%. При опроміненні гамма-квантами опір резисторів змінюється до 7%.

Опромінення резисторів ізольованих р-n переходом гамма-квантами при дозах 2•102 - 2•104 Кл/кг веде до збільшення напруги третьої гармоніки у 2-6,2 рази в залежності від величини сигналу першої гармоніки.

Опромінення потоком нейтронів веде до збільшення амплітуди третьої гармоніки у 3,5 - 5,8 рази (рис. 2).

Рис. 2

Третя гармоніка в кремнієвих резисторах ізольованих p-n-переходом, опромінених потоками гамма-квантів – А та нейтронами – Б; напруга першої гармоніки: 0,66 В – крива 1; 0,7 В – крива 2; 0,74 В – крива 3.

Розглянутий вплив гамма-квантів і нейтронних потоків на зміну амплітуди третьої гармоніки дозволяє говорити про співставлення ефектів впливу потоку нейтронів (доза 1014 - 5•1014см-2) і гамма-квантів (доза 2•103 - 2•104 Кл/кг).

Резистори, виготовлені за планарно-епітаксіальною технологією з окисною ізоляцією елементів, характеризуються меншою зміною рівня третьої гармоніки порівняно з резисторами, які ізольовані дифузійним р-n переходом.

Збільшення напруги сигналу першої гармоніки на резисторах, які опромінювали гамма-квантами і потоками нейтронів, призводить до збільшення амплітуди третьої гармоніки, але її відносна величина (по відношенню до величини до опромінення) падає. Так, збільшення напруги сигналу від 3 до 5 В знижує величину співвідношення на 20%. Це можна пояснити процесами насичення.

Якщо радіаційні дефекти в резисторі, який опромінювали високо-енергетичними частинками, викликають його нелінійність, то при нехтуванні перехідними процесами на дефектах, вольт-амперну характеристику у загальному випадку можна подати у вигляді:

J(t) = Jt ,

де J – щільність струму,

Е – напруженість електричного поля.

Розглянемо вплив на напівпровідниковий резистор гармонічного сигналу:

E(t) = Eo cos (t + ).

Вважаємо, що резистор має безінерційні властивості. Розкладемо Jt в ряд за ступенем E(t) біля точки Е = 0. Тоді:

,

де: bn=E(t)=0

Якщо при малих значеннях сигналу, який розповсюджується, (Ео - мале) знехтувати значеннями членів ряду, що вміщують Ео у ступені m то:

тобто амплітуда m-тої гармоніки пропорційна m-му ступеню амплітуди сигналу, що розповсюджується.

Для рівня третьої гармоніки можна записати:

Вважаємо 1/4 b3 за коефіцієнт, який є постійним за величиною при вимірюванні амплітуди сигналу, що розповсюджується:

J3=k1E.

Для амплітуди третьої гармоніки J3 = E3/R, і, позначивши Ео = Е1, запишемо:

Е3 = Rk1E,

тут R - опір резистора, в якому досліджується третя гармоніка. Тоді значення k1R можна записати як

k = k1R = E3/E

Аналіз одержаних даних дозволяє припустити значний вплив перехідних процесів на дефектах, які були утворені в напівпровідниках при гамма й нейтронному бомбардуванні на рівень третьої гармоніки. Оскільки при зміні амплітуди сигналу, який розповсюджується, коефіцієнт k не постійний, то можна розглянути співвідношення для резисторів:

де а, l - ширина та довжина резисторної структури;

з – коефіцієнт, величина якого визначається частотою опірної синусоїдальної напруги;

- коефіцієнт тепловіддачі резисторної структури;

s - поверхневий опір резистора.

Коефіцієнт k можна визначити з урахуванням геометричних розмірів і фізичних властивостей резистора як

Аналіз експериментальних даних дозволяє також зробити висновок про непостійність коефіцієнта k, про його залежність від величини сигналу першої гармоніки. Можна припустити, що при зміні рівня першої гармоніки змінюються ефективні розміри резисторної структури і величина поверхневого опору резистора.

На величину амплітуди третьої гармоніки впливають також теплові властивості елементів: температурний коефіцієнт опору, теплопровідність та теплоємність.

Утворення пошкоджених областей призводить до зміни постійних кристалічної гратки в самих зонах і в оточуючій їх матриці і до локальних змін теплових властивостей: питомої теплоємності і коефіцієнта теплопровідності. Для області локального розупорядкування значення коефіцієнта теплопровідності знаходиться між величиною для скляного тіла (4,19•10-3 Джсм-1 с-1К-1) і величиною, яка є характерною для кристалічної гратки (4,19•10-1 Джсм-1•с-1К-1).

Зменшення теплопровідності аморфізованих областей при процесах, які протікають швидко (частота сигналу 6,5 кГц), може привести до різниці температур матриці і ушкоджених областей. Це може викликати зміну температурного коефіцієнта опору в локальних областях, що і буде визначати відносну частку складової третьої гармоніки по відношенню до основної гармоніки.

Можна відмітити, що зміна величини опору резисторів у бік збільшення або зменшення не дає уяви про зміни форми сигналу, який передається по системі, що складається з інтегральної схеми або групи схем. Виконані дослідження по вивченню третьої гармоніки в резисторних елементах (ізольованих р-n переходами й окисним шаром) дозволяють зробити висновок, що величина амплітуди третьої гармоніки визначається дозою опромінення і амплітудою сигналу, який розповсюджується. Амплітуда третьої гармоніки визначає зміну форми сигналу на резисторах інтегральних структур.

Дослідження нелінійностей електронно-діркових переходів показують, що збільшення рівня третьої гармоніки на зворотно-зміщених електронно-діркових переходах пояснюється впливом зміни об'ємних властивостей збідненого шару в електронно-діркових переходах при опроміненні. Об'ємні властивості змінюються завдяки утворенню мікронеоднорідностей, які мають власні нелінійні електричні характеристики.

Зменшення третьої гармоніки у прямо зміщених електронно-діркових переходах (із збільшенням флюенса нейтронів) можна пояснити лінеаризацією вольт-амперної характеристики. Зростаючий опір напівпровідника при опроміненні кінець кінцем перетворює електронно-дірковий перехід у резистор. Його опір зумовлений власною провідністю напівпровідника.

При поширенні змінного струму паралельно поверхні кластерів, які мають провідність, що відрізняється від провідності матричного матеріалу, виникають зміни в розподілі електронно-діркових переходів і електричних полів. Це приводить до деформації сигналу, який поширюється у матеріалі, причиною якої є не тільки падіння коефіцієнтів підсилення транзисторів, але і області радіаційних пошкоджень, особливо які розташовані в області p-n переходів і поруч з ними.

Використання методу третьої та інших вищих гармонік є перспективним для вимірювання флюенсу нейтронів і доз гамма-випромінювання. Порівняння методу третьої гармоніки з контролем доз при використанні датчиків у вигляді резистивних елементів показує, що омічний опір резисторів при дозі нейтронів 51014см-2 змінюється на 1,5 - 7%, в той час, коли третя гармоніка збільшується до 600%. Це дозволяє виготовити датчики і апаратуру для експресного контролю доз. Перевага таких датчиків полягає у мікромініатюрності, універсальності, у можливості їх розташування в важкодоступних місцях.

В розділі 4 „Дефекти і вибухова кристалізація при проходженні г-випромінювання” проведені дослідження процесів утворення мікронеоднорідностей у германієвих сполуках та монокристалічному кремнії, проаналізовані теоретичні питання цих процесів. Досліджено оптичні характеристики тонких напівпровідникових плівок які опроміненні г-квантами.

Якщо в тонких плівках напівпровідників в квазіаморфному стані з'являються області, які характеризуються дальнім порядком та появою фазових меж, то має місце процес гетерогенної релаксації, яка відбувається шляхом зародження і росту рівноважної або метастабільної кристалічних фаз. Може виділятися енергія у вигляді теплоти фазового переходу. Інтенсивне виділення енергії на межі розділу фаз може привести до саморозігріву фронту кристалізації. Це проявляється у вигляді теплового домену, який рухається зі швидкістю в декілька десятків метрів за секунду. Це "вибухова кристалізація". Вивчення природи процесів вибухової кристалізації важливо в зв'язку з використанням аморфних і кристалічних матеріалів у мікроелектроніці та реакторобудуванні.

Виникнення і розвиток вибухової кристалізації може мати місце при температурах нижче температури кристалізації в процесі пічного відпалу. При одних і тих же зовнішніх умовах в аморфних зразках реалізуються як повільні ізотермічні, так і вибухові адіабатичні процеси кристалізації.

Відомо, що аморфні шари не гомогенні. Вони мають флуктуації щільності - області вільного і "антивільного" об'єму. Флуктуації займають 1-2% від об’єму. З такими флуктуаціями пов'язано існування в аморфних плівках "заморожених" центрів кристалізації.

Об'єктом нашого дослідження були плівки германію з домішками
(5-7%)фосфору та сірки. Зразки плівок виготовляли термічним напиленням у вакуумі (тиск 510-5 Па). Плівки напилювали на кварцове скло товщиною 0,5 мм. Товщина плівок контролювалася мікроінтерферометром.

Спектральні характеристики вимірювали спектрометром "Specord-M40", мікрофотографії плівок одержані на "Neophot".

Оптичні дослідження опромінених плівок дозволили виявити залежність процесу формування мікронеоднорідностей від товщини плівки, її складу й дози гамма-квантів. В плівках товщиною 120 нм виявлено неоднорідності розміром до 5 мкм.

Спроба пояснити утворення мікронеоднорідностей в плівках германію за допомогою теорії термічних піків або каскадної теорії нам не вдалося. Це обумовлено значним об’ємом речовини, яка зазнавала структурного перетворення.

Для виявлення впливу геометричних розмірів плівки на величину і форму неоднорідностей, було виготовлено зразки плівок з різкою зміною товщини шару від 120 до 500 нм. Опромінення викликало формування у тонкому шарі мікронеоднорідностей розміром до 5 мкм, в товстому шарі геометрія мікронеоднорідностей була іншою, і розміри менше в декілька раз
(рис. 3). Це свідчить про значну роль тепловідводу і теплопровідності.

Рис. 3

Формування мікронеоднорідностей при опроміненні г-квантами на межі товстого шару плівки – Б і тонкого шару плівки – А.

Вивчення мікронеоднорід-ностей оптичними методами в темному полі показало, що навколо них розташовані пружні поля.

Опромінення гамма-кванта-ми призводить до деформації оптичного спектру пропускання германієвих плівок і зміщенню його максимумів в бік більш коротких хвиль.

За допомогою растрової електронної мікроскопії виявили складну структуру малих (0,2 мкм) мікронеоднорідностей. В центрі кожної мікронеоднорідності є невелика, діаметром 0,01 - 0,02 мкм, неоднорідність, яка є початковим центром процесу кристалізації.

При перекристалізації утворюються складні за формою структури макро- і мікронеоднорідностей, ідуть процеси вибухового характеру і викиду матеріалу приповерхневого шару напівпровідникової плівки. Формуються мікронеод-норідності з різним типом провідності.

Однією з причин виникнення вибухової кристалізації є напруження, накопичені в аморфній плівці при напилені на кварцову підкладку. Швидкість руху фронту кристалізації визначається передачею тепла до сусідніх ділянок, тобто температуропровідністю.

Якщо на початку кристалізації утворюються широкі кільця, то зі збільшенням радіуса зони, перед припиненням вибухової кристалізації ширина кілець зменшується. Помітне загальне зменшення ширини кілець на останній стадії кристалізації.

Зі збільшенням відстані від центру кристалізації, енергія внутрішнього напруження зменшується. Теплової енергії недостатньо для підтримання процесу кристалізації, і вибухова кристалізація зупиняється.

Досліджено і проаналізовано процеси вибухової кристалізації в плівках германію при утворенні сферичного теплового центру, що формується в об'ємі при взаємодії з гамма-квантами. Спостерігається утворення парних центрів кристалізації. Це пояснюється генерацією електронно-позитронних пар. Представлено та розглянуто теоретичну модель кристалізації і перекристалізації плівок германію з утворенням складних структур. Вона дозволяє зробити висновок про одночасне протікання чотирьох процесів ? кристалізації, передачі енергії сусідній ділянці, релаксації пружної деформації на сусідній ділянці, зміни стехіометричного складу сусідніх ділянок.

Дослідження структури і рельєфу поверхні іоннолегованих шарів монокристалів кремнію проводилося із залученням металографічних, електронно-мікроскопічних і електронно-графічних методів.

Для визначення щільності дислокацій застосовували травник Деша. Виявилося, що межа між легованою і нелегованою областями кристалу (доза 1016см-2, енергія іонів бору 40 кеВ) має від 5103 до 5104 ямок/см-2. Щільність дислокацій на межі майже на порядок вища, ніж в середній частині легованої області.

Поверхневий шар кремнію (близько Е), легований бором (доза 1014см-2), має монокристалічну структуру. Збільшення дози опромінення до 1016см-2 приводить до появи на електронограмі поряд з картиною типу Лауе, слабких слідів дифузійних кілець. Це свідчить про пошкодження кристалічної структури у приповерхневому шарі. Доза 1018см-2 викликає появу на електронограмі великої кількості дебаєвських кілець, інтенсивність яких свідчить про наявність текстури в полікристалічному поверхневому шарі. Поява на електронограмі дифузійного фону вказує на квазіаморфність поверхневого шару.

Для розділення ефектів, що викликані проникненням до кристалу домішки і утворенням радіаційних дефектів, проведені дослідження структури приповерхневого шару кремнію, легованого не іонами бору, а кремнію з тією ж енергією і до тих же доз.

При вивченні електронограм, одержаних з поверхні зразків, встановлено, що і у випадку бомбардування кремнію іонами кремнію мають місце явища, подібні одержаним при бомбардуванні іонами бору. При дозах 1018 см-2 спостерігалися дифузні кільця.

Використання хімічного травника для виявлення областей р-n переходів при вивченні розподілу домішки р-типу (бор), введеної до монокристалічного кремнію n-типу (домішка - фосфор) іонним бомбардуванням, дозволило за допомогою оптичного мікроскопа встановити взаємозв’язок між щільністю дислокацій в іоннолегованному шарі кристалу і числом областей р-n переходів. Вивчення шарової мікротвердості дозволило встановити, що мікротвердість прошарків на 50-70% вища за мікротвердість нелегованого шару. Ці обставини наштовхують на думку, що при високих дозах іонного легування (вище 1014см-2) в товщі іоннолегованого шару відбувається не тільки утворення твердого розчину заміщення в кремнії, але і в прошарках з максимальною концентрацією домішки має місце процес формування нової фази.

Рис. 4

Вугільні репліки з поверхні зразків кремнію (легованих іонами бору з енергією 40 кеВ дозами: 1014, 1016 і 1018 см-2) після стравлювання поверхневого шару товщиною 0,2 мкм.

Електронномікроскопічні знімки вугільних реплік, що були зняті з поверхні кремнію, легованого іонами бору з енергією 40 кеВ дозами 1014, 1016 і 1018см-2, після стравлення поверхневого шару товщиною 0,2 мкм показують, що зі зростанням дози легування від 1014 до 1018см-2 збільшується питома вага великих ямок (рис. 4). Різниця у формі, розмірах і щільності фігур травлення, які були виявлені на поверхні протравлених зразків кремнію після легування іонами бору і іонами кремнію, дозволяють зробити наступне припущення. Фігури травлення (ямки) на поверхні монокристалів кремнію, легованого іонами бору, є наслідком випадіння нової фази. Це обумовлено домішкою бору, концентрація якого перевищує межу розчинності. Випадіння відбувається на дислокаціях, які утворені внаслідок скупчення радіаційних дефектів, областей радіаційних пошкоджень (кластерів) і через нерівномірний розподіл концентрації бору в легованому шарі.

Розділ 5 „Мікронеоднорідності і формування нових фаз при проходженні важких частинок”. Процес проникнення атомів металічної плівки в підкладку більш складний, ніж безпосередня імплантація з пучка іонів. Це пов'язано з тим, що при проникненні вторинних атомів вагомі не тільки механізми енергетичних втрат і блукань атому до його зупинки, але і специфіка формування і розвитку каскаду вторинних атомів і процеси радіаційно-стимульованої дифузії.

Розглянуто розпилення поверхневої плівки “на простріл” за рахунок прямого вибивання. Диференційний перетин розсіювання іонів на атомах плівки був описаний за допомогою ступеневої апроксимації потенціалу Томаса-Фермі. Одержано вираз для профілю концентрації атомів віддачі.

Запропонована модель добре описує одержані профілі концентрації атомів віддачі на малих глибинах. Залежність глибини залягання максимуму атомів віддачі від потенціалу взаємодії (m) має вигляд:

Рис. 5

Профілі концентрації атомів віддачі нікелю в кремнії при опроміненні структури Nі-Si іонами фосфору різних енергій (крива 1 – Ео = 200 кеВ, крива 2 – Ео = 90 кеВ). Значення m = 0,055. Суцільні лінії ? розраховані, експе-риментальні дані (точки) взято з роботи [182].

При зростанні енергії іонів, які падають на металічну плівку від 90 до 200кеВ глибина максимуму концентра-ції атомів віддачі практично не змінюється (рис. 5).

У процесі опромінення матеріалів поряд з утворенням каскадів зміщень можуть відбуватися різні реакції, пов'язані зі збудженням атомів (наприклад, електронне збуд-ження) або ядер (наприклад, реакції радіаційного захоп-лення (n, )-реакції під дією теплових нейтронів). При цьому енергія збудження може переходити в кінетичну енергію атомів (ядер) віддачі, що перевищує енергію зміщення з вузла кристалічної ґратки. Ця енергія може бути достатньою для подолання поверхневого бар’єру й вильоту атома віддачі. Дані процеси можуть також ініціювати утворення каскадів зміщень і приводити до розпилення матеріалів та до їх радіаційного перемішування.

Рис. 6

Профілі концентрації атомів золота в кремнії: 1 – атоми 198Au; 2 – іони 197Au+ з енергією 410 кеВ; 3 – атоми віддачі 197Au усіх поколінь; 4 – атоми віддачі 197Au 1-го покоління.

В рамках кінетичного підходу проведено загальний теоретичний розгляд процесів емісії атомів віддачі під дією іонізуючого