Дипломная работа: Выращивание плёнки GeSi и CaF2 на кремниевых подложках
Таблица 1.1
Полупроводник |
Параметр решетки, А |
Фторид |
Si |
5.43 |
|
GaP |
5.45 |
|
|
5.46 |
CaF2
|
GaAs |
5.65 |
|
Ge |
5.66 |
|
Фториды ЩЗМ
привлекательны для технологии МЛЭ тем, что они имеют малое давление насыщенных
паров при комнатной температуре, а при испарении не диссоциируют на ионы фтора
и элементы второй группы.
На начальном этапе
исследований для сублимации CaF2 использовались различные
конструкции молекулярных источников: в работах [22,25] – танталовые лодочки, в
[27,23,24] – тигли из пиролитического нитрида бора (ПНБ), в [28,27,23,24] –
тигли из графита. В [26] применялся электронно-лучевой испаритель (ЭЛИ) для
осаждения пленок фторидов. Хорошие результаты достигаются при использовании
тиглей из графита. В пленках CaF2, полученных из тиглей ПНБ,
обнаружен бор [25]. При сублимировании CaF2 с помощью ЭЛИ
отсутствуют загрязнения, вносимые материалом тиглей, но возникает нестехиометричность
состава, обусловленная диссоциацией фторидов на ионы под действием электронного
пучка [25]. Наиболее оптимальными режимами считают температуры сублимации 1100
– 14000С, при которых скорости роста составляют 0.4 – 1.0 мкм/час.
1.2.2 Влияние технологических режимов
на дефектообразование в CaF2
На структуру и свойства
пленок фторидов, выращенных на поверхности полупроводников, в основном влияют
два параметра: температура подложки Ts и скорость осаждения Vs. В [27] при
осаждении CaF2 на различные полупроводники при комнатной температуре
всегда получались поликристаллические пленки. При этом структура пленки не
зависела от начальной или конечной стадии обработки поверхности полупроводника.
Различия в химической обработке или в режимах отжига кремниевых пластин в
условиях СВВ не приводили к изменению картины электронной дифракции от плёнки:
на экране всегда наблюдались концентрические резко очерченные кольца,
свойственные поликристаллической структуре. При увеличении температуры подложки
Ts, возможен эпитаксиальный рост пленок фторидов. В [22] осаждали
пленки CaF2 на кремниевые подложки различной ориентации при
различных температурах Ts. Дефектность пленок определялась методом
каналирования ионами He с энергией 2 Мэв. Для характеристики структурного
совершенства кристалла обычно вводят величину cмин, которая может изменяться от 100% в
полностью неупорядоченных материалах до минимального значения cмин в совершенных кристаллах.
В реальных объемных
монокристаллах CaF2 высокого качества величина cмин обычно равна 0.05-0.07 (5-7%). На
рис. 1.2(а,б) приведены зависимости параметров каналирования от Ts
для пленок CaF2, выращенных на Si(111) и Si(100) (рис.1.2 (а) и (б)
соответственно).
Рис.1.2(а) Зависимость
параметра каналирования в пленках CaF2 на подложках Si(111) [22].
дефектообразование
полупроводниковый пластический релаксация
Рис.1.2(б) Зависимость
параметра каналирования в пленках CaF2 на подложках Si(100) [22].
На подложках Si (111)
монокристаллические слои CaF2 растут в широком интервале температур
Ts = 500-800 0C при хорошем качестве слоев (cмин = 0.05) (рис. 1.2(а)).
На Si(100) совершенные
пленки CaF2 (cмин =0.06)
растут в более узком диапазоне Ts = 500-6000C. На Si(100)
для пленок CaF2, величина cмин имеет существенно отличный от Si(100) характер зависимости от Ts. (Рис. 1.2(б)).
На Si(111) пленки CaF2
гладкие и зеркальные. Повышение температуры роста слоев CaF2 от Ts
=5000C до Ts > 7000C приводит к образованию
морфологических дефектов.
Данные
рентгеноструктурного анализа показывают, что на Si(111) пленки CaF2 имеют
ориентацию (111). Однако с помощью методики каналирования обнаружено, что
пленка состоит из двух типов структур: А и В. Области типа А имеют ту же
ориентацию, что и кремниевая подложка, а В – это области пленки CaF2,
развернутые на 1800 относительно направления <111>.
Доля областей А и В
существенно зависит от температуры роста Ts. Слои CaF2/Si,
выращенные при температуре 6000С, состоят в основном из областей В
типа.
Темнопольные изображения
этих пленок, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа
(ПЭМ), подтверждают эти выводы [10]. Таким образом, на кремнии с ориентацией
подложки (111) пленки CaF2 при оптимальных условиях растут В-типа.
При увеличения рассогласования параметров решеток фторида кальция и кремниевой
подложки или отличии температуры роста от оптимальной увеличивается доля включений
типа А.
Изучение структуры пленок
фторидов, выращенных на поверхности Si(100) методом рентгеноструктурного
анализа, показало: слои СаF2 растут с ориентацией подложки (100)
[22].
Наибольшая плотность
дефектов наблюдается вблизи границы раздела CaF2 – Si для обеих
ориентаций подложки [22].
Данные по росту CaF2
приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Фторид |
Ориентация подложки |
Ориентация пленки |
T роста, оС
|
Рассогласование, %, (300К) |
Тип
структуры
|
cмìин
|
СaF2
|
(111) |
(111) |
600-800 |
+0.61 |
В |
0.05 |
CaF2
|
(100) |
(100) |
500-600 |
+0.61 |
- |
0.06 |
Из таблицы 1.2 следует,
что лучшие результаты по эпитаксии фторидов на Si могут быть получены при
использовании CaF2. Многие авторы [23,29] ставили своей целью
выявление причин более качественного роста пленок CaF2 на кремниевых
подложках Si (111) в отличие от Si(100).
В [29] эпитаксиальные
слои CaF2 толщиной 400 нм выращивались на Si(111) и Si(100) при
температурах подложки Ts = 700 и 5500C соответственно.
Пленки получались монокристаллическими: параметр каналирования для них не
превышал cмин = 0.05. На рис. 1.3(а) и 1.3(б)
представлены микрофотографии полученные РЭМ поверхности структур CaF2/Si(111)
и CaF2/Si(100) соответственно.
На рис. 1.3(а) видно, что
поверхность пленки CaF2 гладкая, и на ней имеются двумерные
образования треугольной формы. Такой тип структуры, как правило, образуется при
двумерном механизме роста.
Рис.1.3(а)
Микрофотография поверхности структуры CaF2/Si(111) [29].
Рис.1.3(б)
Микрофотография поверхности структуры CaF2/Si(100) [29].
Авторы [29] считают, что
в их случае реализуется двумерный механизм роста пленки CaF2, так
как от начала образования первого монослоя до окончания роста пленки ДБЭ не
регистрирует трехмерных механизмов роста.
Поверхность CaF2/Si(100)
имеет ярко выраженную островковую структуру (рис. 1.3(б)). В этом случае тяжи
на дифракционной картине отсутствовали, а размытые рефлексы иллюстрировали
наличие шероховатой поверхности пленки. Таким образом, при эпитаксии CaF2
на Si(100) в отличие от CaF2/Si(111) наблюдается наличие шероховатой
поверхности пленки. Подводя итог, можно сделать вывод: пленки CaF2 растут
более совершенными и в более широком диапазоне температур Ts на подложках
кремния с ориентацией (111), чем на кремнии с ориентацией (100). Этот факт
объясняется различием в величине свободной поверхностной энергии Es
для (111) и (100) поверхностей. Экспериментальные данные [30] и теоретические
расчеты [31] показали, что для CaF2(111) величина Es ~
450-500 эрг/см2, в то время как для CaF2(100) она в 1.5-2
раза выше. Более высокое значение Es может быть из-за дипольного
момента, возникающего перпендикулярно поверхности CaF2(100). На рис.
1.4 представлено расположение атомных слоев в направлении {111}. В этом случае
отсутствует дипольный момент. В то же время при ориентации поверхности CaF2(100)
дипольный момент в направлении {100} присутствует всегда (Рис.1.5). За счет
энергии электрического поля возникает дополнительное увеличение Es
на поверхности CaF2(100) [29]. Таким образом, при эпитаксии CaF2/Si(111)
в отличие от CaF2/Si(100) становится выгодным не двумерно - слоевой,
а трехмерный механизм роста.
Рис. 1.4 Структура
атомных слоев CaF2 в направлении <100> [29].
Рис.1.5 Структура атомных
слоев CaF2 в направлении <111> [29].
1.2.4 Влияние
отжигов на морфологию и структуру пленок CaF2
В [32] при анализе
методом каналирования пленок CaF2, выращенных при различных
температурах на Si(100) обнаружено, что качественные слои CaF2, (cмин = 0.05) растут в очень узком
интервале температур Ts = 590-6100C Отклонение всего лишь
на 250C от оптимальной Ts резко увеличивало число
дефектов. Вероятно, это следствие конкуренции процесса химического
взаимодействия между CaF2 и поверхностью кремния при высоких
температурах, и процесса островкового роста из-за недостаточной подвижности
молекул при низких ростовых температурах [22]. В [32] исследовалось влияние
высокотемпературного быстрого отжига в атмосфере аргона на морфологию,
структуру и электрофизические свойства слоев CaF2. Пленки CaF2 толщиной
500 нм выращивались при скоростях роста 40-80 А/мин из графитового тигля. Температура
роста варьировалась от 300 до 6250С. Отжиг ex situ проводился при
температуре 11000С в течение 20-30 секунд в атмосфере аргона для
предотвращения окисления и разрушения эпитаксиального слоя. На рис. 1.6(а)
приведена зависимость параметра каналирования cмин от ростовой температуры Ts
для не отожженных пленок CaF2/Si(100) (кривая 1) и пленок,
отожженных в атмосфере аргона (кривая 2). Видно, что быстрый отжиг значительно
улучшает качество пленок, снижая cмин от 20-25% до 5-7%. В [33] наряду с быстрым отжигом ex situ (вне ростовой
камеры) эксперименты по медленному отжигу пленок CaF2 проводились в
ростовой камере (in situ). Температура роста составляла Ts = 5850С,
которая после выращивания пленки увеличивалась до необходимой температуры
отжига, при которой структура выдерживалась в течение 60 минут. Оптимальная
температура отжига Ts, как это следует из рис. 1.6(б), составляет
около 7000С.
Рис. 1.6 (а). Зависимость
cмин от Тs для структуры CaF2/Si(100).
1 - до отжига, 2 - после отжига ex situ [32].
Рис. 1.6 (б). Зависимость
cмин от Тs для структуры CaF2/Si(100)
после отжига in situ [32].
При отжиге in situ пленки
CaF2 становятся более совершенными. Возможность отжига позволяет снизить
требования к точности установления температуры подложки Si в процессе
эпитаксии.
Морфология поверхности
пленок CaF2 исследовалась с помощью РЭМ. Неотожженная пленка CaF2
имела грубую морфологию с поверхностными дефектами размером от 100 до 500 нм.
После быстрого отжига ex situ пленки CaF2 становились более высокого
качества по сравнению с пленками, отожженными in situ или неотожженными.
На поверхности пленок
иногда видны линии, возникающие после быстрого отжига ex situ, которые
появляются, по мнению авторов [33] за счет большого различия в коэффициентах
термического расширения (КТP) фторида кальция и кремния, поскольку постоянная
решетки Si при нагреве от комнатной температуры до 11000С изменяется
на 0.4%, в то время как у CaF2 на 2.7%.
Измерения C-V
характеристик на структурах Al/CaF2 /Si(100) [33] показали, что оба
вида отжига не влияют на величину плотности поверхностных состояний, которая
равна Nss = 5×1011 см-2×эВ-1 . Отжиг ex situ приводит к увеличению
напряженности поля пробоя до Епр = 2×10 6 В×см-1, в то время как отжиг
in situ не приводит к увеличению Епр, значение которого обычно равно
Епр = (2-5)×105 В/ см.
Важной проблемой сегодня
является установление механизма начальной стадии роста гетероэпитаксиальных
структур CaF2/Si. В то время как при гетероэпитаксии
полупроводниковых гетероструктур обычно наблюдается псевдоморфный рост
полупроводниковой пленки, в случае гетероэпитаксии CaF2 на Si(111)
механизм начальной стадии остается неясным/
РЕЗЮМЕ
На основании приведенных
материалов можно сделать следующие выводы:
1. На Si(111) пленки CaF2
при оптимальных температурных режимах растут монокристаллическими в
двойниковой позиции по отношению к подложке (эпитаксия В-типа) с хорошей
гладкой поверхностью. Структурное совершенство пленок CaF2 сильно
зависит от материалов тиглей и чистоты используемого шихтового фторида кальция.
2. При отклонении
ростовых условий от оптимальных или увеличении рассогласования постоянных
решеток подложки Si и пленоки CaF2 в них возникают микродвойники -
области, развернутые на 180о относительно матричной области пленки
(А-типа). Наибольшая плотность дефектов наблюдается вблизи границы раздела CaF2
– Si для обеих ориентаций подложки.
Плёнки диэлектриков,
выращиваемые для приборных структур, должны обладать такими параметрами как
высокая электрическая прочность, хорошая морфология поверхности, а также, в
ряде случаев, малая толщина для обеспечения туннельной прозрачности
диэлектрика. Исходя из этого, ростовые процессы следует производить на
подложках Si(111). Поскольку при данной
ориентации подложки возможно выращивание монокристаллических плёнок CaF2
, обладающих высоким структурным совершенством. При этом рост может
осуществляться в более широком диапазоне температур по сравнению с ориентацией
подложки (100).
2. экспериментальная часть
2.1 Методика проведения эксперимента
Выращивание
гетероструктур GeSi/Si(001) и CaF2/Si
производилось в установке молекулярно-лучевой эпитаксии "Катунь".
Автоматизированная
многокамерная установка молекулярно-лучевой эпитаксии "Катунь"
предназначена для получения многослойных эпитаксиальных пленочных структур в
условиях сверхвысокого вакуума. Схема одной из трёх аналогичных камер установки
показана на рисунке 2.1.
Модуль загрузки-выгрузки
(МЗВ) предназначен для загрузки, выгрузки и транспортировки полупроводниковых
подложек в сверхвысоковакуумную установку. В модуле так же производится
первичное обезгаживание подложек. МЗВ состоит из вакуумной камеры, вакуумных
насосов, двух манипуляторов с кассетами для подложек, натекателя и датчиков
давления. Модуль позволяет одновременно загрузить 20 подложек диаметром до 100
мм.
Транспортный узел
предназначен для перемещения рейки с подложками из МЗВ в камеру роста.
Модуль эпитаксии
моноатомных полупроводников позволяет производить эпитаксиальный рост
моноатомных полупроводников, тугоплавких металлов и осуществлять легирование в
процессе роста. Модуль содержит в себе следующие устройства: вакуумная камера,
система насосов, манипулятор с нагревателем, блок испарителей, датчик
масс-спектрометра, криопанель, датчики давления, дифрактометр быстрых
электронов, кварцевый измеритель толщины.
Вакуумная система нужна
для создания необходимого рабочего давления в модулях и состоит из насосов
форвакуумного, адсорбционного, сублимационного и магниторазрядного, обеспечивая
предельное остаточное давление 1*10-8 Па.
Манипулятор с
нагревателем предназначен для захвата подложки и ориентировки ее относительно
молекулярных пучков и аналитических приборов, а также для нагрева и вращения
подложки во время эпитаксии. Нагрев подложки осуществляется тепловым излучением
нагревателя, который окружен системой многослойных экранов для уменьшения
излучения на стенки камеры. Максимальная температура нагрева подложек 1200 °С.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|