Модифікація шаруватих структур при проходженні іонізуючого випромінювання

Згідно моделі термічних піків область, в якій зупиняється іон, що проникає, є місцем передачі кристалу енергії значної величини. Температура в області термічного піку може досягати величини 104 К. Одночасно з початком нагрівання настає охолодження, яке супроводжується перекристалізацією напівпровідника в області термічного піку.

В залежності від значення коефіцієнту сегрегації (k), атоми домішки переходять з розплаву в тверде тіло. Це призводить до деформації профілів розподілу імплантованої і матричної домішки.

За допомогою вуглецевих реплік, знятих з поверхневих шарів при послідовному збільшенні глибини спостерігались пошкоджені області в кремнії, які формувались іонами, що бомбардують поверхню. З глибиною збільшується щільність пошкоджених областей. Їх "гілки" в кінці пробігу частинок зливаються в суцільні "листяні" області. Найбільше розупорядкування спостерігається в місцях, близьких до максимумів концентрації. (рис. 9, 10). Якщо розглядати дислокаційну трубку як дислокаційну лінію, оточену циліндричною областю радіусом rо, в якій атоми домішки мають високу рухливість, то можна припустити, що величина радіуса цієї області лежить в межах 10-60 Е. При сприятливих умовах (підвищена температура, висока концентрація вакансій і поля напружень навколо лінії дислокації) можуть зароджуватися дискретні частинки.

Кількість атомів бору, які проходять через одиницю довжини поверхні дислокаційної трубки r = r0, визначається виразом:

тобто

Оскільки дифузійна довжина (Dt)1/2= 2,0110-3 см, для бору в кремнії при іонному бомбардуванні, значно більша ніж r0, то можна для таких великих значень m замінити рівняння його асимптотичною формою:

де = 0,577 - постійна Ейлера.

Хоча розмір частинок, які виділяються, може перевищувати r0, це не позначається помітно на швидкості виділення, оскільки гранична умова С = Сs як і раніше, може бути застосована для поверхні розділу між виділенням і матрицею, і вираз для N(t), як це видно, не буде чутливим до варіації r0. При значеннях m = 0,5104 см Ds в Si (при 1200 оС) становить 2,810-12 смсек, t = 1,8103 сек, r0 = 60 Е), Со = 1020 атомів/см3 і Сs = 0, ми знаходимо: N(t) = 10 атомів на одиницю довжини дислокації. Це значення приблизно співпадає з числом, що було одержано при вивчені мікрофотографій іонно-легованих зразків.

Рівняння можна вважати дійсним для потоку атомів бору в кремнії n-типу, якщо об'ємний розподіл домішки p-типу узгоджується з розподілом, за вище наведеним рівнянням. З цього рисунку бачимо, що якщо кристал вміщує домішку n-типу (фосфор), яка не виділяється в меншій концентрації, ніж концентрація бору, то навкруги дислокації можливе утворення p-n-переходу, як це показано на мікрофотографіях рис. 10.

Процеси в реальних шаруватих структурах ІС, набагато складніші, ніж у випадку простого процесу взаємодії іонного потоку з напівпровідником.

Результати вивчення фізичних процесів, які мають місце при взаємодії плазмових потоків з матеріалами твердотільної електроніки, дозволили розробити основи фізико-технологічних режимів для виробництва мікросхем. Розроблена технологія виробництва МОН- аналогового перемикача, яка дозволяє збільшити відсоток виходу придатних виробів з 29 до 82% і покращити їх параметри.

Статистичний аналіз результатів застосування іонного легування показав, що розподіл домішки при іонному легуванні є однорідним. Відсутні впливи мікронеоднорідностей поверхні на процеси міграції домішки в глибину кристалу, і параметри ІС більш корельовані у порівнянні з термодифузійною технологією.

Мікронапруження, які виникають під час проникнення іонів, нейтронів і швидких електронів, приводять до зміни механічних і електричних характеристик структур. Іонне бомбардування викликає крихкість плівок Мо, Та, Nb, деформацію і руйнування плівок золота в структурах кремній-метал.

Результати досліджень механізмів утворення перехідного шару, який формується в діелектричних матеріалах при взаємодії з плазмовими потоками, свідчать про наявність кількох процесів, які беруть участь у його формуванні. Склад перехідного шару, що утворюється на окисному діелектрику SiO2 при обробці імпульсним потоком металевої плазми, досліджувався з використанням електронної мікроскопії. Експериментальні дані дають детальну інформацію про будову, загальний і локальний хімічний склад. Роздільна здатність електронних мікроскопів обмежена. Важко позбавитися обмежень роздільної здатності, яку накладають об'єкти, що досліджуються. Деякі матеріали важко одержати у вигляді тонких зразків, придатних для дослідження в електронному мікроскопі. Досягнення високого розділення ускладнено також взаємодією електронного променя зі зразком. Так, проходження електронів через зразок супроводжується поглинанням енергії і, як наслідок, його нагрівання. Утворюються радіаційні пошкодження. Ці процеси значні в неметалевих матеріалах і можуть стати критичними в органічних зразках. Крім того, на поверхні діелектричних об'єктів накопичуються електричні заряди, які обмежують фокусування електронного променя.

У зв'язку з труднощами виготовлення тонких зразків із окисних матеріалів типу SiO2 було розроблено методику підготовки зразків.

На поверхню монокристалів NaCl термічним напиленням наносилися тонкі шари окису кремнію (товщиною 0,1 мкм). Потім одержані об'єкти піддавали бомбардуванню потоком металевої плазми.

Напилені металеві шари знімалися в поліруючому травнику. Тонкі шаруваті структури відокремлювались від поверхні монокристалу повареної солі розчиненням тонкого приповерхневого шару солі в дистильованій воді. Підготовлені об'єкти ? це тонкі шари двоокису кремнію, оброблені потоком металевої плазми, які висушували і розміщали у камері електронного мікроскопа.

При знятті тонких шаруватих структур з поверхні монокристалів повареної солі спостерігали їх згортання, що свідчить про наявність механічних стискуючих напружень в мідному і перехідному шарах. Зняття шару міді з поверхні окису кремнію в травниках на основі азотної кислоти дещо зменшувало згортання плівкових структур. Це вказує на те, що в перехідному шарі утворюються фази, які мають структуру, відмінну від структури основного матеріалу плівки.

Електронограми на просвіт свідчать про наявність аморфної, монокристалічної і полікристалічної фаз. Дифузійні гало плівки вказують на присутність аморфних фаз кремнію і окису кремнію. Деякі лінії електронограм інтерпретувати не вдалося, хоча можна припустити утворення складних сполук міді з кремнієм типу SimCun.

Схема можливої взаємодії потоку плазми з поверхнею підкладки наведена на рис. 11: І - потік плазми; ІІ - приповерхнева зона плазми, в якій відбуваються плазмохімічні реакції потоку плазми із зустрічними потоками розпилених домішок, атомів підкладки і самого покриття; ІІІ - перехідний шар, який формується між підкладкою і покриттям; ІV- підкладка з незміненою структурою.

Схема взаємодії частинок потоку плазми з поверхнею підкладки:

I - потік плазми; II - приповерхневий шар плазми; III - перехідний шар; IV - матеріал підкладки;

- атоми та іони потоку; ? - атоми залишкового газу;
¦ - атоми домішок абсорбованих поверхнею;

_ - атоми підкладки;

- хімічні сполуки із атомів потоку і підкладки;

- хімічні сполуки із атомів потоку і домішок;

- хімічні сполуки із атомів потоку і залишкового газу.

На початковій стадії процесу на поверхні і в приповерхневих зонах плазми і підкладки спостерігаються наступні явища (рис. 11). Високоенергетичні іони розпиляють адсорбований шар домішки і вибивають атоми підкладки, кількість яких залежить від енергії іонів, співвідношення мас атомів, які бомбардують поверхню, і атомів мішені, кута падіння частинок і т.п. При проникненні іонів в підкладку утворюються розчини заміщення або проникнення (1); утворення нових хімічних сполук, іонів, які проникли, з атомами підкладки в глибині або в приповерхневому шарі підкладки (2). Атоми домішок, які були розпилені з поверхні, вступають до хімічної реакції з частинками падаючого потоку (3), а утворені молекули осідають на поверхню підкладки (4). В результаті конденсації атомів (5) атоми домішок "замуровуються" в зростаючий шар конденсату (5') або десорбують і утворюють молекули (4).

При проникненні іонів в глибину підкладки в результаті процесів зіткнення відбувається розпилення атомів підкладки. Вони вступають до хімічного сполучення з атомами падаючого потоку (3, 6). Ці молекули (3, 6, 6') концентруються на поверхні.

В приповерхневій зоні плазми відбувається пружне зіткнення частинок взаємодіючих потоків (7, 8) з розпиленням (8) або конденсацією (7') частинок, що зіткнулися.

Якщо в вакуумному об'ємі є реактивні залишкові гази, то в зонах І, ІІ протікають реакції плазмохімічного синтезу з конденсацією продуктів реакцій (9) на поверхні підкладки.

На основі результатів дослідження процесів формування перехідного шару сформульовані рекомендації щодо формування металевих покриттів з високою адгезією та металокерамічних з'єднань в елементах твердотільної електроніки.

В розділі 7 „Дефекти і характеристики твердотільних шаруватих структур та електронних приладів” розглянуто практичні питання використання ефектів і процесів, які виявлені і досліджені у попередніх розділах. Сформульовано задачу їх впровадження в технологію, метрологію та інші області науки і техніки.

Запропоновано методи підвищення чутливості і точності вимірів дози високоенергетичного опромінення шляхом вимірювання 3-ї та других вищих гармонік змінної синусоїдальної напруги в опорах до і після опромінення, методи виготовлення датчиків Холла, магніторезисторів та параметричних підсилювачів.

Для одержання анізотропних напівпровідникових матеріалів, в яких електропровідне середовище кристалізується в напівпровідниковій матриці у вигляді провідних голок, які рівномірно розподілені по всьому об'єму, запропоновано використання подвійної евтектики.

При виготовленні датчиків Холла запропоновано використання електронно-променевої технології, яка дозволила покращити параметри датчиків Холла, усунувши вплив крайових ефектів, вплив дефектів геометрії, що виникають при хімічному травленні.

Сформульовані рекомендації для управління параметрами резонансних систем змінних ємностей з використанням електронно-діркових переходів, ємність яких можна регулювати, змінюючи величину прикладеної напруги.

При виготовленні інтегральних схем з використанням іонного легування використовувалось іонне бомбардування в комплексі з традиційними методами термічної дифузії та окислення. Технологічний процес передбачає проникнення іонів електрично активної домішки у напівпровідник і формування p-n переходів з заданими електрофізичними характеристиками за допомогою "розгонки" домішки в час окислення.

Розроблена математична модель процесів дифузії з іонно легованого шару в кремній з урахуванням одночасного окислення поверхневого шару.

Рішення задачі по визначенню розподілу домішки в іонно-легованому кремнії можна подати у вигляді:

де - визначає вплив тільки початкових умов і показує розподіл домішок у тому випадку, коли межа розділу напівпровідник - окисел непроникна;

- визначає вплив тільки граничних умов і показує вплив домішок під час їх сегрегації на границі окисел - кремній.

Розподіл домішки в кремнії після іонного легування, термічної дифузії в процесі створення захисного окисного шару має вигляд:

1) Розрахований профіль розподілу концентрації домішки співпадає з отриманим експериментально.

2) В результаті досліджень було визначено оптимальний режим іонного легування, процесів “розгонки” і окислення іонно-легованих зразків.

Проведено дослідження радіаційної стійкості (РС) кремнієвих планарних транзисторних, інтегральних, біполярних і уніполярних структур до та після попереднього термоелектротренування.

При проведенні досліджень транзисторні планарні структури ділили на три партії, з яких одну піддавали термічному нагріванню при Т=125 0С, другу - нагріву при Т=125 0С і одночасному електричному впливу з потужністю розсіювання на колекторі 50 мВт, третя партія була контрольною. Потім партії структур опромінювали швидкими нейтронами.

Зміна h21E i Rbb'Cc при опроміненні нейтронами залежить від попередньої обробки структур. Чисто температурна обробка структур впливає на їх радіаційну стійкість порівняно слабко (рис. 12, 13).

Проведені дослідження впливу ТЕТ ІС ТТЛ на стійкість статичних параметрів при опроміненні, показали, що погіршення параметрів у тренованих мікросхемах в залежності від дози опромінення спостерігається в меншій мірі, ніж для ІС, які не пройшли ТЕТ.

Слід враховувати фізичні процеси, які можуть привести до впливу термоелектротренування на радіаційну стійкість структур:

- зміна мікронеоднорідностей в розподілі домішки в потенційно нестійких областях (при електродифузії);

- зміна мікронеоднорідностей в розподілі електричних полів за рахунок зменшення концентрації мікронеоднорідностей;

- реалізація мікронеоднорідностей, які могли проявитися під час нейтронного бомбардування.

Основні зміни, які впливають на радіаційну стійкість в ІС, настають в перші 96 годин ТЕТ.

Вплив іонізуючого опромінення на статичні параметри має у своїй природі наступні аспекти:

- утворення радіаційних дефектів у кристалічній структурі ІС, що викликає іонізаційні ефекти в об'ємі і на поверхні;

- при бомбардуванні нейтронами активуються потенційно ненадійні місця, погіршуючи параметри p-n переходів і ізоляції.

Радіоелектронна апаратура, зібрана на основі мікросхем, які пройшли термоелектротренування, більш стійка до впливу нейтронного опромінювання, ніж апаратура, яка зібрана на мікросхемах, що не зазнали ТЕТ.

Уніполярні ІС. Проведено дослідження впливу потоків виокоенергетичних нейтронів і -квантів на статичні і динамічні параметри ІС середнього ступеня інтеграції МОН технології.

Стабілізація параметрів, зменшення рівня струму витоку і зменшення розкиду, в основному, закінчуються за 48 годин ТЕТ. Підвищення радіаційної стійкості починається при ТЕТ 48 годин, досягаючи насичення до 180 годин.

ТЕТ приводить до групування параметрів, до значного зменшення розкиду і меншої зміни параметрів при опромінюванні нейтронами і -квантами. Повне насичення термопольового впливу настає після 168 годин.

Механізм процесів, який визначає покращення характеристик і властивостей уніполярних ІС і транзисторів, відрізняється від механізму в біполярних структурах. Носіями заряду в уніполярних структурах є основні носії заряду порівняно з неосновними носіями зарядів в структурах біполярної технології. Відміна зумовлена також різними властивостями границь на основі електронно-діркових переходів порівняно із властивостями границь типу окисел-напівпровідник, метал-напівпровідник, метал-окисел. В біполярних структурах границі відіграють меншу роль, бо в них вирішальне значення мають об'ємні властивості.

ТЕТ з точки зору підвищення надійності виробів твердотільної електроніки, які знаходяться в полі радіаційного опромінення, можна характеризувати двома аспектами.

Воно дозволяє збільшувати надійність партії напівпровідникових структур шляхом вибракування ненадійних приладів зі скритими дефектами, які проявляються в початковий період експлуатації, і відкидати їх. З іншого боку, воно покращує показники надійності, усуваючи потенційно ненадійні ділянки в p-n переходах і границях метал-окисел, метал-напівпровідник.

Розглядаючи ТЕТ як внесення додаткової енергії за допомогою нагріву і електричних струмів, що приводить до збільшення внутрішньої енергії та сприяє її зменшенню за рахунок механізму ”спускового гачка” Цей механізм полягає в тому, що збільшення енергії на деяку величину сприяє вивільненню механічних напружень. Вивільнена енергія переходить в енергію теплових коливань кристалічної гратки і виходить за межі кристалу.

Відомо, що в кристалах, які мають власні дефекти, при опроміненні утворюється більша кількість дефектів, ніж у бездефектних кристалах. Високоенергетичні частинки для попередньо напружених місць також відіграють роль ”спускового гачка”. Після ТЕТ в монокристалі кремнію стає менше напружених місць. Система кристал-дефекти наближається до положення рівноваги і стає більш стійкою по відношенню до зовнішнього впливу, ніж та, яка не пройшла ТЕТ. Можна стверджувати, що попереднє введення термічної і електричної енергії у напівпровідникові компоненти мікроелектронної техніки приводить до збільшення упорядкованості системи. Термодинамічна інтерпретація підтверджує експериментальні результати по введенню ТЕТ в технологічний процес підвищення радіаційної стійкості.

Розроблено експериментальний зразок мікропроцесорної системи оптичного зондування (МСОЗ) багатоелементних приймачів випромінювання, для автоматизації контролю параметрів багатоелементних приймачів з використанням ЕОМ. Така система пройшла успішні випробування.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена наукова проблема - модифікація шаруватих структур іонізуючим випромінюванням. Визначено вплив різноманітних факторів (виду іонізуючого випромінювання, дози та температури, а також домішок) на процеси утворення радіаційних дефектів та їх структуру, на зміну фазового стану структур, що розглядаються. Вирішення проблеми досягнуто в результаті розробки нових експериментальних методик та комплексного дослідження фізико-електричних явищ та процесів в структурах метал-діелектрик, метал-окисел-діелектрик, а також в елементах твердотільної електроніки.

Результати проведених нами досліджень дозволяють зробити такі основні висновки:

1. При проходженні іонів та інших видів випромінювання крізь шаруваті структури, які виготовлені на основі кремнію, діелектриків і металевих плівок, виникають зміни механічних властивостей діелектриків і напівпровідників. Виявлено і досліджено “іонне розпухання” металів та напівпровідників. Показано, що проходження випромінювання крізь шаруваті структури викликає значні зміни їх електрофізичних характеристик. Такий значний вплив іонів та інших видів випромінювання на характеристики шаруватих структур дає можливість створювати нові структури твердотільної електроніки і прогнозувати зміни параметрів інтегральних структур.

2. Показано, що внаслідок резерфордівського розсіювання вторинних атомів змінюються не тільки електрофізичні властивості приповерхневого шару напівпровідника, але і шару металу, який контактує з напівпровідником. Побудована теоретична модель процесу, який має місце на межі метал-діелектрик під час опромінення шаруватих структур потоком високоенергетичних частинок.

3. Показана можливість формування металевих покриттів зі значною величиною адгезії з матеріалом підкладки (на межі фізичних властивостей металевих плівок), що дає можливість значно покращати параметри вакуумно-щільних з'єднань в електронних лампах високої потужності та формування контактних шарів на напівпровідникових та діелектричних матеріалах.

4. Вивчення динаміки атомів віддачі показало, що можна сформувати профілі домішок, які неможливо одержати традиційними методами в напівпровідниках (простих і складних) та металах.

5. Результати наших експериментальних робіт вперше довели, що використовуючи явище радіаційно-стимульованої дифузії в об'ємі напівпровідників та металів та дії термічних піків можливо формувати складні розподіли домішок на значних глибинах.

6. Використання резерфордівського зворотного розсіювання дало можливість визначити і проаналізувати фізичні основи процесів формування силіцидів металів в структурах типу метал-кремній при проникненні атомів плівки в підкладку, що неможливо зробити другими методами.

7. Вперше виявлені та досліджені процеси вибухової кристалізації в сполуках германію з фосфором та сіркою розташованих на кварцових і скляних підкладках, що були опромінені гамма-квантами. Форма і структура мікро-неоднорідностей визначаються хімічним складом плівки. Отримані дані дозволяють передбачити зміну параметрів структур під впливом іонізуючого випромінювання.

8. Мікронеоднорідності типу об'ємних областей розупорядкування деформують електричні сигнали, які поширюються в металевих і напівпровідникових шарах, опромінених нейтронами та гамма-квантами. Виявлено перерозподіл енергії між гармонічними складовими сигналу, що дозволяє розробку чутливих та високоточних датчиків контролю доз іонізуючого опромінення.

9. Експериментально доведено, що попередній вплив електричних полів і підвищеної температури (в межах допустимого) дозволяє підвищити радіаційну стійкість шаруватих структур, що також підтверджується проведеним термодинамічним аналізом цих процесів.

10. Показано, що під час опромінення іонами аргону, протонами та альфа-частинками в структурах метал-окисел-кремній виникає світлове випроміню-вання, яке призводить до відмови електронних систем, виготовлених з використанням кремнієвих інтегральних схем, де як діелектрик використовується прозорий у видимій та близькій інфрачервоній області спектра окисел кремнію.

11. Розроблений спосіб виготовлення прецизійних щілинних діафрагм дозволяє виготовляти товсті структури (1-8 мм) з шириною щілини 0,1-10 мкм для формування потоків світлових, рентгенівських, променів, а також заряджених частинок: електронів, протонів та іонів.

Отримані результати мають велике значення під час розробки та виробництва елементів твердотільної електроніки мікронних та субмікронних розмірів з прогнозованими змінами їх параметрів під час роботи в полях іонізуючого випромінювання.

Результати досліджень доцільно використовувати в науково-дослідних установах при розробці процесів нанотехнології, на підприємствах промисловості для проектування радіаційно-стійких конструкцій, інтегральних схем, а також при викладанні фундаментальних дисциплін - фізики, радіаційної фізики та радіаційного матеріалознавства у ВНЗах України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Изучение процессов внедрения атомов отдачи в полупроводниковую подложку / О.М. Гетманец, С.А. Дуплий, Н.М. Пелихатый и др. // Проблемы яд. физики и косм. лучей. - Харьков, 1983. - Вып.19. -С. 80-83.

2. Применение аналитических методов при исследовании спектров обратного рассеяния / О.М. Гетманец, С.А. Дуплий, И.И., Пелихатый и др. // Проблемы яд. физики и косм. лучей. - Харьков, 1984. - Вып. 22. - С. 71- 80.

3. Дуплий С.А., Пелихатый Н.М., Саган З.С. Об аналитической связи шкалы энергий и шкалы глубин при обратном рассеянии ионов // Известия высших учебных заведений. Физика. - 1985. - № 3. - C. 112-114.

4. Гетманец О.М., Пелихатый Н.М., Саган З.С. О профиле концентрации атомов отдачи вблизи поверхности раздела двух сред // Проблемы ядерной физики и космических лучей. - Харьков, 1986. - Вып.25. - С. 74 - 77.

5. Применение гармонического анализа для исследовния процессов в облученных транзисторных структурах / А.К. Гнап, И.И. Залюбовский, Н.М. Пелихатый и др. // Проблемы ядерной физики и космических лучей. - Харьков, 1987. - Вып. 28. - С. 67-74.

6. Дуплий С.А., Пелихатый Н.М., Стешенко С.А. Внедрение атомов поверхностных пленок никеля в кремний // Изв. Вузов. Физика. ? 1989. - № 7.- C. 36-40.

7. Процессы формирования профилей распределения атомов отдачи в приповерхностных слоях / О.М. Гетманец, Н.М. Пелихатый, С.А. Дуплий, И.И. Залюбовский // Поверхность. - 1989. - № 2. -C. 60-64.

8. Дуплий С.А., Пелихатый Н.М., Стешенко С.А. К теории внедрения атомов отдачи // Поверхность. - 1992. - № 3. - C. 12 - 17.

9. Пелихатый Н.М. Влияние гамма и нейтронного облучения на параметры пассивных элементов интегральных схем // Вісник Харківського державного університету №440. ? Серія ”Фізика”. ? 1999. ? Вип. 3. - C. 155-160.

10. Пелихатый Н.М. Стимулированные процессы в полупроводниках и слоистых структурах на их основе при взаимодействии с потоками плазмы // Вісник харківського університету, №453. Cерія фізична “Ядра, частинки, поля”. - 1999. - Вип. 3. - C. 69-74.

11. Термоэлектротренировка и радиационная стойкость униполярных интегральных структур / Н.М. Пелихатый, Н.И. Коваленко, Г.С. Плахтий, А.К. Гнап // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна, № 469. - Сер. Фізична "Ядра, частинки, поля". - 2000. - Вып. 1(9). - С. 71-74.

12. Пелихатый Н.М. Нелинейности электронно-дырочных структур, облученных нейтронами и гамма-квантами // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна, № 476. - Сер. Фізична "Ядра, частинки, поля". - 2000. - Вып.4. - С. 191-196.

13. Пелихатый Н.М., Коваленко Н.И., Гнап А.К. Магниторезисторы и датчики Холла на основе сложных полупроводников // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна, № 490. - Сер. Фізична "Ядра, частинки, поля". - 2000. - Вип. 3(11). - С. 97-99.

14. Формування перехідного шару при взаємодії потоків металевої плазми з діелектриками / М.М. Пеліхатий, М.В. Бєлан, В.П. Колісник та ін. // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна, № 496. - Сер. фізична "Ядра, частинки, поля". - 2000. ? Вип. 4(12)- С. 63-68.

15. Термодинамические процессы в облученных твердотельных объектах, подвергнутых предварительному термополевому воздействию / Н.М. Пелихатый, Н.И. Коваленко, Т.С. Плахтий, А.К. Гнап // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна, № 510. - Сер. Фізична "Ядра, частинки, поля". - 2001. - Вип. 1(13). - С. 99-102.

16. Физические процессы взаимодействия ионных потоков с материалами электронной схемотехники / И.И. Залюбовский, Н.М. Пелихатый, Н.И. Коваленко, А.К. Гнап // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна, № 529. - Сер. Фізична "Ядра, частинки, поля". - 2001. - Вып. 3(15). - С. 30-38.

17. Області розупорядкування в напівпровідниках / М.М. Пеліхатий, А.К. Гнап, Є.П. Храмов та ін. // Вісник ХНУ ім. В.Н.Каразіна № 574. ? Серія фізична. ? „Ядра, частинки, поля”. - Харків, 2002. - С. 81- 88.

18. Влияние рентгеновского, гамма и нейтронного облучения на фоточувствительные характеристики электронно-дырочных структур / И.И. Залюбовский, А.К. Гнап, Н.М. Пелихатый и др. // Нові технології. - 2003. - № 1(2). - С. 16-20.

19. Pelikhaty N.M., Rokhmanov N.Ya., Onischenko V.V. The influence of high energy irradiation on electrical and dissipative properties of silicon single crystals // Functional Materials. ?2006. ?Vol.13. ?No.4. -P. 613-617.

20. Пеліхатий М.М., Гетманець О.М., Залюбовський І.І. Розпилення шаруватих структур і перемішування їх компонентів під дією іонізуючого випромінювання // Фізика і хімія твердого тіла, 2006. ?№4. -Т.7. -С. 677-680.

21. Способ анализа материалов: А.с. 1695197 СССР, МКИ G 01 N 23/20 / О.М. Гетманец, Н.М. Пелихатый, С.А. Стешенко, С.П. Титова (СССР). ? № 4621361/25; Заявл. 19.12.88; Опубл. 30.11.91, Бюл. № 44. - 4 ил.

22. Спосіб легування напівпровідників методом атомів віддачі з металевих плівок у зовнішньому електричному полі / Патент України на корисну модель / Пеліхатий М.М. Гетманець О.М. / ?№ 20263; Заявл. 18.07.2006; Опубл. 15.01.2007, Бюл. №1. ?4 стор.

23. Дуплий С.А., Пелихатый Н.М., Стешенко С.А. О внедрении атомов тонких пленок никеля в кремний // Мат. III Всесоюзн. Конфер. “Микроанализ на ионных пучках”. - Сумы. - 1990. - C. 72.

24. Slit- and cylinder-shaped diaphragms of micron size / V.G. Volkov, N.I. Kovalenko, N.M. Pelikhatyi, A.K. Gnap // Тез. докладов XVII междунар. семинара по ускорителям заряженных частиц. - Алушта, 2001. -С. 190.

25. Динамические параметры интегральных схем ТТЛ / Е.Ф. Храмов, А.К. Гнап, Н.М. Пелихатый, Г.В. Прохоров // 4 Міждунар. міждисциплінарна науково-практична конф. „Сучасні проблеми науки та освіти”. -Харків, 2003. -С. 34.

26. Пеліхатий М.М., Прохоров Г.В., Гнап Б.А. Розупорядковані області в опромінених напівпровідниках // 5 Міждунар. міждисциплінарна науково-практична конф. „Сучасні проблеми науки та освіти”. - Харків, 2004. - С. 23.

27. Распыление материалов за счёт электронного возбуждения / О.М. Гетманец, Н.М. Пелихатый, Я.П. Раковский, А.В. Чуенко // 6 Міждунар. міждисциплінарна науково-практична конф. „Сучасні проблеми науки та освіти”. - Харків, 2005. - С. 217.

АНОТАЦІЯ

Пеліхатий М.М. Модифікація шаруватих структур при проходженні іонізуючого випромінювання. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.21 ? радіаційна фізика і ядерна безпека. ? ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, Україна, 2007.

Дисертацію присвячено комплексному дослідженню фізико-електричних явищ при проходженні нейтронів, г-квантів та важких іонів крізь шаруваті структури. Розвинуто теоретичну модель взаємодії прискорених іонів з шаруватою структурою. Отримано співвідношення залежності концентрації атомів віддачі від глибини. Встановлено залежність розвитку каскаду зміщень від атомного номера матеріалу плівки і підкладки.

Досліджено і проаналізовано процеси утворення розупорядкованих областей, які мають провідність, що відрізняється від провідності матричного матеріалу. Встановлено вплив розупорядкованих областей, які утворюються при проходженні нейтронів та г-квантів, на деформацію електричного сигналу, який розповсюджується в матеріалі. Виявлено перерозподіл енергії між гармонічними складовими сигналу в результаті впливу іонізуючого випромінювання.

Досліджено процес вибухової кристалізації в германії при впливі г-випромінювання. Виявлено утворення електронно-позитронних пар. При дослідженні іонно-легованих шарів в кремнії виявлено іонне „розпухання” кремнію.

Встановлено закономірності формування профілів розподілу атомів тугоплавких металів при бомбардуванні шаруватих структур іонами Ar+.

Визначено механізми формування перехідного шару на діелектричних підкладках при взаємодії поверхні з металевою плазмою. Це дозволяє формувати металічне покриття з високою адгезією, та металокерамічні з'єднання в елементах твердотільної електроніки.

Розроблено методи підвищення радіаційної стійкості інтегральних схем.

Ключові слова: іонізуюче випромінювання, атоми віддачі, резерфордівське розсіювання, потенціал взаємодії, шаруваті структури, каскад зміщень, утворення розупорядкованих областей, деформація електричного сигналу, радіаційна стійкість.

Pelykhaty N.M. Modification of layered structures with ionising radiation transition. ? Manuscript.

Dissertation for the doctor of phys-math science degree in specialty 01.04.21 - radiation physics and nuclear safety. ? NSC “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, Ukraine, 2007.

The dissertation deals with complex research of physico-electrical phenomena when neutrons, г-quant and heavy ions pass trough layered structures. A theoretical model of the interaction of accelerated ions with the layered structure has been developed. A relation of recoil atoms concentration dependence on the depth has been obtained. The dependence of cascade displacement development on atomic number of the film material and sublayer has been established.

The processes of the formation of disordered areas having the conductivity different from the conductivity of matrix material have been studied and analyzed. The influence of the disordered areas which are formed with neutrons and г-quant passing on the electric signal deformation, which is spreading in the material, has been found. Redistribution of energy between harmonic constituents of the ionizing radiation effect has been revealed.

The process of the explosive crystallization in germanium under г-radiation has been examined. The formation of electronic-positron pairs has been found. In studying ion-doped layers in Si the ion “swelling” of Si has been found.

Regularities of the formation of profiles of atoms refractory metals distribution with layered structures bombardment by Ar+ ions has been established.

Mechanisms of the formation of the transitive layer on dielectric sublayers when the surface interacts with metal plasma have been defined. This allows to form a metal cover of high adhesion and metal-ceramic compounds in the elements of solid electronics.

Methods of raising radiation resistance of the equipment in the integral circuits have been developed.

Key words: ionizing radiation, recoil atoms, Rutherford scattering, interaction potential, layered structures, displacement cascade, formation of disordered areas, deformation of electric signal, radiation resistance.

Пелихатый Н.М. Модификация слоистых структур при прохождении ионизирующего излучения. ? Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.21 ? радиационная физика и ядерная безопасность. ? ННЦ “Харьковский физико-технический институт”, Харьков, Украина, 2007.

Диссертация посвящена комплексному исследованию физико-электрических явлений при прохождении нейтронов, г-квантов и тяжёлых ионов сквозь слоистые структуры. Установлена зависимость развития каскада смещений от атомного номера материалов пленки и подкладки. Развита теоретическая модель взаимодействия ускоренных ионов со слоистой структурой. Получены соотношения зависимости концентрации атомов отдачи от глубины. Профиль распределения выбитых частиц имеет характер, отличающийся от гаусового, так как определяется суммой гаусовых распределений частиц с разной энергией (от Е=0 к Еmax). С ростом энергии частиц, бомбардирующих пленку, часть вторичных частиц с большой энергией возрастает.

Вследствие наличия максимума профиля распределения в подложке (при ионной и нейтронной бомбардировке) имеет место неоднородное распределение имплантированной примеси. Такое распределение через расхождение величин атомных радиусов атомов подложки и пленки изменяет характер микронапряжений в тонкой промежуточной прослойке вещества.

Показано, что световое излучение, которое возникает в кремнии при образовании каскада смещений, приводит к возникновению внутреннего фотоэффекта. Следовательно, основным полупроводниковым материалом, который может использоваться для производства радиационно-стойких интегральных схем, может быть материал, непрозрачный в видимой и ближней инфракрасной области спектра (например, германий), а за электрически активные примеси следует применять химические элементы, которые формируют относительно глубокие энергетические уровни. В качестве изоляционных материалов следует использовать диэлектрики, которые непрозрачны в видимой и ближней инфракрасной области спектра.

Исследованы и проанализированы процессы образования разупорядоченных областей, имеющих проводимость, противоположную проводимости матричного материала. Установлено влияние разупорядоченных областей, которые образуются при прохождении нейтронов и г-квантов, на деформацию электрического сигнала, распространяющегося в материале. Выявлено перераспределение энергии между гармоническими составляющими сигнала как результат влияния ионизирующего излучения. Установлено, что изменение формы сигнала и величины амплитуды третьей гармоники зависят от дозы облучения. Увеличения амплитуды третьей гармоники может служить мерой нелинейности резисторов в интегральных структурах.

Исследован процесс взрывной кристаллизации в аморфных германиевых плёнках с примесью фосфора и серы, который наблюдается при воздействии г-квантов. Обнаружено, что при облучении плёнок германия с примесью фосфора и серы выше 5% наблюдается формирование микронеоднородностей. Размер таких неоднородностей зависит от толщины плёнки, что свидетельствует о значительной роли теплопроводности. Образование разупорядоченных областей наступает в результате возникновения термических пиков и наличия в аморфных плёнках германия внутренних напряжений.

Установлены закономерности формирования профилей распределения атомов тугоплавких металлов при бомбардировке слоистых структур ионами Ar+. Определено оптимальное соотношение между толщиной пленки и величиной пробега ионов аргона, при котором наблюдается максимальное проникновение атомов пленки в подложку. Проанализирована определяющая роль радиационно-стимулированной диффузии при образовании новых фаз, а также в процессе управления профилями распределения примеси на глубинах 10-15 мкм.

Определены механизмы формирования переходного слоя на диэлектрических подкладках при взаимодействии поверхности с металлической плазмой. Это позволяет формировать металлическое покрытие с высокой адгезией, и металлокерамические соединения в элементах твердотельной электроники.

Проведен анализ экспериментальных результатов по изучению процессов образования разупорядоченных областей, которые формировались в кремнии за счёт внедрения электрически активной примеси. Эти эксперименты доказали, что при наличии дислокаций и дислокационных петель наблюдается образование новых фаз и p-n областей до формирования сплошного слоя противоположного типа проводимости.

Разработаны методы повышения радиационной стойкости интегральных схем. Установлено, что термический нагрев с одновременным электрическим воздействием, существенно улучшает стойкость параметров микросхем по сравнению со структурами не прошедшими термоэлектротренировку.

Полученные результаты дают возможность объяснить механизмы радиационной деградации полупроводников и слоистых структур, противодействовать вредным изменениям в материалах компонентов твердотельной электроники, иметь четкое представление о физико-электрических процессах, которые протекают при облучении.

Ключевые слова: ионизирующее излучение, атомы отдачи, резерфордовское рассеяние, потенциал взаимодействия, слоистые структуры, каскад смещений, образование разупорядоченных областей, деформация электрического сигнала, радиационная стойкость.

Размещено на Allbest.ru

...