Дан краткий обзор исследований нанодефектов в кремнии и системе (приповерхностные окисные слои кремния и структуры КНИ) методом позитронной аннигиляционной спектроскопии (ПАС). Особое внимание уделено исследованиям радиационных нарушений в структурах КНИ.
Позитронная аннигиляционной спектроскопии (ПАС), позволяющая определять как электронную структуру совершенных кристаллов, так и различные несовершенства особо малых размеров в твердых телах и пористых системах, таких как вакансии, вакансионные кластеры и свободные объемы до одного кубического нанометра, включает себя в основном три метода: изучение временного распределения аннигиляционных фотонов (ВРАФ), углового распределения аннигиляционных фотонов (УРАФ) и доплеровского уширения аннигиляционной линии с энергией 0,511 МэВ (ДУАЛ). Метод ВРАФ дает сведения об электронной плотности в месте аннигиляции позитрона, а методы УРАФ и ДУАЛ дают информацию о распределении импульсов электронов. Имеются две группы этих методов. В первой группе используются медленные позитроны, позволяющие исследовать приповерхностные слои на небольших глубинах. Во второй группе используются быстрые позитроны, проникающие в исследуемый объект на большие глубины мкм и дающие информацию о типе, концентрации и распределении дефектов во всем объеме твердого тела.
Проведенные исследования позитронной аннигиляции в компактированных нанокристаллических металлах и сплавах, а также в полупроводниках и пористом кремнии дали следующие основные результаты.
1. Времена жизни позитронов в компактированных нанокристаллических металлах и сплавах, а также в элементарных полупроводниках типа германия и кремния и в эпитаксиальных структурах на их основе, подвергнутых облучению различными элементарными частицами и лучами, отличается от времени жизни свободных позитронов в идеальных кристаллах.
2. Доза позитронов, захваченных вакансиями, растет с увеличением давления в случае металлов и сплавов и с увеличением дозы облучения в случае полупроводников. В первом случае это означает, что увеличение давления приводит к росту площади границ раздела, а в случае полупроводников – к увеличению концентраций позитрончувствительных точечных дефектов с размерами в нанометровых диапазонах.
3. В металлах и сплавах позитроны захватываются в основном моновакансиями, а также порами, по размеру близкими к кристаллитам нанометровых размеров.
4. В облученных полупроводниках и пористых системах позитроны захватываются точечными дефектами и порами со средними размерами -10 нм в основном типа моновакансий и дивакансий и в меньшей степени тетра-, пента- и гексавакансиями, как наиболее распростаненными среди прочих радиационных дефектов.
5. Свободные вакансионные объемы, захватывающие позитроны при низких температурах в металлах и сплавах, принадлежат границам раздела, а не кристаллитам.
6. Захват позитронов кристаллитами в металлах и сплавах маловероятен, так как пластическая деформация металлов приводит к меньшему изменению времени жизни позитронов, чем получение металлов в нанокристаллическом состоянии путем компактирования.
Показано, что позитроны эффективно зондируют свободные объемы (в основном вакансии и дивакансии) с размерами нм как в металлах и сплавах, так и в полупроводниках и пористых системах. При этом другими прямыми методами, включая просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения и диффузию атомов, изучать границы раздела очень трудно. Чувствительности метода позитронной аннигиляции в отношении содержания позитрончувствительных дефектов при этом ограничена пределами см-3. Таким образом установлено, что метод позитронной аннигиляционной спектроскопии является наиболее чувствительным и надежным в целях исследований свободных объемов нанометровых размеров в дефектных твердых телах и пористых системах (металлах, полупроводниках и ионных кристаллах) и нанокристаллических компактированных материалах, применяемых в нано- и микроэлектронике.

В последние годы наблюдается быстрый рост использования позитронной пучковой аннигиляционной спектроскопии (ППАС) для исследований поверхностных покрытий (пленок), границ раздела и скрытых слоев в полупроводниках. Имеются также ряд других методов, которые так же как и ППАС, чувствительны к низким концентрациям дефектов типа дефектов свободных объемов. Аннигиляционные характеристики гамма-квантов сильно зависят от локального окружения участков аннигиляции и используются в качестве зонда на концентрации дефектов в области недоступности для зондирования другими методами. Эти дефекты тем не менее сильно влияют на электрические характеристики изготовляемых приборов. Ниже показывается как метод ППАС может быть использован в качестве неразрушающего метода контроля дефектности в технически важных структурах, основанных на кремнии. Обсуждение сфокусировано на исследованиях качества поверхностных слоев и покрытий, образовании и отжиге дефектов после имплантации, идентификации комплексов дефектов и вычисления распределения внутренних электрических полей. Описываются также вычисления энергии активации процесса высвобождения водорода из ловушечных центров на поверхности (границе) раздела SiO2 - Si, изменения плотности ловушек на границе раздела, захвата дырок на границе раздела SiO2 - Si и радиационных повреждений в системе SiO2 - Si (Например, в многослойных структурах кремний на изоляторе (КНИ структуры)) . Вкратце суммируются также использования методов ППАС для исследования Ge и ряда полупроводниковых соединений и предлагаются другие возможные направления будущих исследований.