2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................................6
ГЛАВА 1 Проблемы гетероэпитаксиального роста субмикронных слоев кремния и кремний-германия на сапфире....................................................12
1.1 Данные о кристаллографии 51, Ое, сапфира и их ориентационные соотношения 13
1.2 Молекулярно-пучковая эпитаксия кремния из сублимационного источника 16
1.3 Гетероэпитаксиальный рост слоев кремния на сапфире.......................21
1.3.1 Подготовка подложек сапфира для эпитаксиального роста слоев кремния 21
1.3.2 Условия роста монокристаллических слоев кремния на сапфире...........24
1.3.3 Начальная стадия роста слоев кремния на сапфире......................25
1.4 Дефекты кристаллической структуры слоев кремния на сапфире...............28
1.5 Методы улучшения структурного совершенства КНС-структур..................32
1.5.1 Двухтемпературный режим роста........................................32
1.5.2 Рост слоев кремния из ионно-молекулярных потоков.....................34
1.5.3 Другие методы улучшения структуры слоев кремния на сапфире...........36
1.6 Гетероэпитаксиальные слои БЮе на сапфире.................................38
1.7 Постановка цели и задач исследования.....................................42
ГЛАВА 2 Сверхвысоковакуумные технологические установки, методики выращивания эпитаксиальных слоев кремния на сапфире и исследования их структуры и морфологии поверхности..........................................44
2.1. Сверхвысоковакуумные установки для выращивания эпитаксиальных гетероструктур............................................................44
2.1.1 Устройство сверх высоко вакуумных технологических установок..........44
2.1.2 Устройства для нагрева подложек......................................47
2.1.3 Сублимационные источники паров кремния...............................48
2.2. Общие вопросы методики роста КНС-структур...............................50
2.2.1 Основные этапы технологического цикла................................52
2.2.2 Характеристики процесса роста эпитаксиальных слоев кремния...........53
2.3. Методы исследования.....................................................53
2.4 Выводы...................................................................56
ГЛАВА 3 Теоретическое и экспериментальное исследование распределения толщины слоя по площади подложки диаметром до 100 мм при испарении из неподвижных и
движущихся сублимационных источников...........................................57
3.1 Теоретические оценки распределения толщины слоя по площади подложки в зависимости от закона движения источника кремния или их числа................57
3.1 Л Выбор метода расчета...................................................57
ЗЛ.2 Распределение толщины слоя по площади подложки в зависимости от закона
движения источника...........................................................60
ЗЛ .3 Распределения толщины слоя по площади подложки при испарении из нескольких источников....................................................63
3.2 Экспериментальное исследование распределения толщины слоя по площади подложки.....................................................................70
3.2.1 Испарение из неподвижных источников кремния............................70
3.2.2 Испарение из источника, движущегося по закону синуса...................73
3.2.3 Испарение из источника, движущегося по линейному закону................75
3.3 Выводы.....................................................................78
ГЛАВА 4 Особенности эпитаксиального роста слоев кремния на сапфире в процессе сублимационной молекулярно-пучковой эпитаксии....................................80
4.1. Влияние прсдэпитаксиального высокотемпературного отжига подложек на их структуру и морфологию.........................................................81
4.1.1 іп біш высокотемпературный отжиг подложек сапфира в вакууме............81
4.1.2 Отжиг подложек сапфира в потоке атомов кремния.........................84
4.2 Начальная стадия роста слоев кремния на сапфире............................88
4.3 Влияние условий роста на процесс эпитаксии слоев кремния на сапфире........93
4.3.1 Рост при постоянной температуре подложки...............................93
4.3.2 Двухтемпературный режим роста..........................................99
4.3.3 Влияние послеростового отжига на структуру слоев кремния на сапфире 106
4.4 Влияние приложения отрицательного потенциала к подложке на структуру и морфологию поверхности слоев кремния на сапфире.............................107
4.5 Структурное совершенство слоев кремния на подложках сапфира стандартной формы диаметром 76 и 100 мм.................................................113
4.6 Фотолюминесценция легированных эрбием слоев кремния на сапфире............118
4.7 Выводы....................................................................121
ГЛАВА 5 Эпитаксиальный рост слоев БіСе на сапфире и КНС-подложках...............124
5.1 Слои Біве, выращенные непосредственно на сапфире..........................124
5.2 Слои БЮе, выращенные на КНС-подложках.....................................126
5.3 Некоторые оптические свойства структур со слоями Бі|.хОех:Ег на сапфире 130
5.3 Выводы....................................................................132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................'...........133
БЛАГОДАРНОСТИ...................................................................136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................137
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список публикаций по теме диссертации..........................144
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Листинг программного обеспечения для анализа распределения толщины слоя по площади подложки.............................................149
5
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
КНС (англ. SOS) - кремний на сапфире (А1203)
ГФЭ (англ. CVD) - метод газофазной эпитаксии
МПЭ (англ. МВБ) - метод молекулярно-пучковой эпитаксии
ЛСМ - атомно-силовой микроскоп
СЭМ - сканирующий электронный микроскоп
ПЭМ - просвечивающий электронный микроскоп
ГИН - геттерно-ионный насос
ДОЛМ - дифференциальная объемная доля микродвойников в слое
НС - интегральная схема
ППК - пленки поликристаллического кремния
ФЛ - фотолюминесценция
RMS - среднеквадратичная шероховатость поверхности Ts - температура подложки d - толщина слоя t - время роста у - скорость роста
ДШу, (англ. FWHM) - ширина кривой качания на полувысоте максимума интенсивности пика рентгеновской дифракции 2а, 2b - ширина и длина источника паров кремния h - расстояние от источника до подложки
G - полная амплитуда колебаний источника паров Si относительно центра подложки L - расстояние между источниками
Рт - расчетная толщина слоя кремния - вероятность попадания атомов Si в точку поверхности подложки с координатами (х.у) р(х,у) - функция распределения толщины слоя Si при осаждении из неподвижного источника паров кремния Р(х,у) - суммарная толщина слоя Si от грани источника в точке подложки с координатами (х,у)
WSi - плотность атомарного потока Si
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Одним из приоритетных направлений развития современной физики полупроводников является развитие технологии формирования гетероструктур, которое необходимо для улучшения параметров приборов твердотельной микро- и оптоэлектроии-ки. Среди различных полупроводниковых материалов кремний является основным материалом микроэлектроники. Это связано с уникальным сочетанием его свойств и высоким уровнем технологии синтеза этого материала и приборов на его основе. Значительное улучшение параметров приборов на основе кремния достигается, когда используются слои твердого раствора БЮе за счет увеличения подвижности носителей заряда. Оптоэлектроиные применения 81 также могут быть значительно расширены за счет использования слоев твердого раствора 8Юе. Большие надежды при этом возлагаются на использование этого материала для создания эффективных излучателей на основе 81.
Задачи разработки специализированных интегральных схем (ИС) с улучшенными характеристиками скорости обработки информации и повышенной устойчивостью к воздействию дестабилизирующих факторов способствовали появлению новых структур на основе кремния, а именно структур кремния на сапфире (КНС) и кремний-германия на сапфире. Однако вырастить слои кремния на сапфире с малой плотностью кристаллических дефектов трудно из-за большого несоответствия параметров решеток кремния и сапфира и разницы коэффициентов линейного теплового расширения. Эта проблема усугубляется при выращивании слоев твердого раствора БЮе на сапфире из-за еще большего рассогласования параметров решеток слоя и подложки.
Для решения проблемы выращивания эпитаксиальных слоев Б1 или твердого раствора БЮе на сапфире необходимо использовать низкотемпературные методы, например, молекулярно-пучковую эпитаксию (МПЭ). В то же время, используемое в МПЭ осаждение кремния и германия с помощью электронно-лучевого испарения сопряжено с рядом недостатков: трудность обеспечения автотигельного режима испарения, особенно ве; грудность получения слоев 81 и ве с чистотой <11014 см"’ из-за загрязнений; кроме того, в потоке Б1 содержится до 20% многоатомных молекул, конденсация которых в нскогерентную позицию приводит к формированию дефектов.
Метод сублимационной МПЭ Б1 имеет ряд преимуществ при выращивании ело-
ев 81 и вЮе по сравнению как с МПЭ с твердотельными источниками, так и с газовыми. С использованием простого устройства для испарения 81 можно формировать поток атомов 81 достаточно высокой интенсивности и низкого фонового легирования. Поток атомов 81 из сублимационного источника ближе к моноатомному, что снижает плотность дефектов в слоях и оказывает положительное влияние на весь процесс эпитаксиального роста. При введении в камеру роста германа происходит его разложение на сублимационном источнике, что позволяет выращивать слои БЮе с меньшими трудностями, чем МПЭ с электронно-лучевым испарением. Методом сублимационной МПЭ можно выращивать слои 81 и 8Юе при более низкой температуре.
В то же время получаемые данным методом слои были однородны по толщине на небольшой площади (1-4 см2). Для изготовления ИС на основе структур, выращенных метолом МПЭ, необходимо использовать подложки стандартной формы большей площади (дисках 0=76-100 мм).
К началу наших исследований (2004 г.) рост слоев кремния на сапфире методом МПЭ из сублимационного источника для практического использования был изучен недостаточно. Для реализации широких возможностей этого метода необходимо было установить фундаментальные закономерности между условиями роста и структурой выращиваемых слоев кремния на сапфире. В свете вышесказанного данная работа является актуальной.
Цель и основные задачи работы
Цель работы заключалась в проведении исследований особенностей роста методом сублимационной МПЭ слоев 81 и БЮе на подложках сапфира, в том числе и на подложках стандартной формы (диски диаметром до 100 мм), а также в комплексном исследовании их условий роста, направленных на разработку технологии низкотемпературного выращивания КПС-структур и слоев 8Юе на них для микро- и оптоэлектроники.
Достижение цели работы потребовало решения следующих основных задач:
1. Разработка метода и устройств для выращивания сублимационной МПЭ слоев 81 и БЮс на подложках стандартной формы - дисках 0 = 76 - 100 мм.
2. Теоретическое и экспериментальное исследование распределения толщины слоя 81 по площади подложки при испарении из плоского источника в зависимости от геометрических размеров (ширины и длины источника, расстояния между источником и подложкой), закона движения (сканирования) источника относительно подлож-
8
ки.
3. Исследование влияния высокотемпературного предэпитаксиального отжига на структуру и морфологию поверхности сапфира.
4. Исследование начальной стадии роста эпитаксиальных слоев кремния на сапфире для уточнения механизма роста при низкотемперату рном осаждении из сублимационного источника.
5. Исследование особенностей ростовых процессов в методе сублимационной МПЭ слоев кремния на сапфире и влияние на них внешних условий.
6. Исследование условий роста, а также структурных, морфологических и некоторых оптических свойств слоев твердого раствора SiGe на сапфире.
Научная новизна работы
1. Разработан и исследован принципиально новый метод выращивания эпитаксиальных слоев кремния из сублимационного источника на подложках стандартной формы в виде дисков диаметром до 100 мм. Разработан комплект устройств, позволяющих осуществлять качение сублимационного источника относительно подложки, формировать из него поток атомов Si высокой интенсивности и осуществлять нагрев оптически прозрачной в видимом диапазоне волн подложки (сапфир) до высоких температур (вплоть до 1450°С).
2. Впервые всесторонне теоретически и экспериментально исследован процесс равномерного осаждения слоев кремния по площади подложки в зависимости от числа неподвижных сублимационных источников или источника, движущегося относительно подложки по разным законам. Установлено, что при сканировании источника по линейному закону достигается более однородное распределение толщины слоя Si: ее разброс составлял ~5% на площади, ограниченной координатами х = ±34 мм и у = ±50 мм (центр координат находится в центре подтожки).
3. Впервые для метода сублимационной МПЭ исследована начальная стадия роста слоев кремния на подложке сапфира (П02), подготовленной в условиях in situ высокотемпературного отжига, в зависимости от се температуры. Установлено, что зародыши кремниевого слоя образуются с большей вероятностью на моноатомных ступенях, сформированных при высокотемпературном (>1400°С) отжиге сапфира, за счет дополнительных связей. Выявленная экспериментально зависимость плотности зародышей от времени осаждения позволила установить, что образование и рост их происходит по механизму насыщения со временем. Установлено также, что рост за-
9
родышей в плоскости подложки происходит быстрее, чем в высоту, что свидетельствует о преобладающем влиянии поверхностной диффузии в процессе роста.
4. Впервые исследована зависимость структуры и морфологии поверхности слоев кремния на сапфире (1102) от температу ры и ее вариации в процессе роста. Установлены допустимые ее значения, обеспечивающие достаточно высокое совершенство слоев. Обнаружен эффект снижения температуры эпитаксиального роста слоев 51 на сапфире и улучшения морфологи поверхности в процессе роста их с приложением к подложке отрицательного потенциала (-200 В), которому дано объяснение на основе модели о вкладе кинетической энергии потока в активацию подвижности адатомов 81.
5. Впервые исследована зависимость структуры и морфологии гетероструктур со слоями твердого раствора кремний-германий на сапфире (П02) от комплекса технологических параметров (температуры, давления германа), а также от толщины буферного слоя 81. Установлено, что достаточно высокое совершенство слоев Зц.хОсх с х<0,25 на сапфире достигается при низких температурах роста (360-410°С) и оно сравнимо с совершенством таких слоев, выращенных на подложках 81(100). Введение прослойки кремния между сапфиром и слоем ЭЮе улучшает структурное совершенство последних. Однако при малых толщинах прослойки слои БЮе имеют преимущественную ориентацию (011), а не (001), как слои кремния на сапфире. Этому эффекту дастся объяснение на основе несоответствия параметров решеток слоя и подложки.
6. Впервые комбинированным методом осаждения из сублимационного источника кремния и германия из германа (СсН4) получены структуры со слоями 81|.хСех :Ег на сапфире (И02), которые продемонстрировали высокую интенсивность фотолюминесценции на X = 1,54 мкм, сравнимую с интенсивностью фотолюминесценци таких же слоев, выращенных на 81(001).
Практическая ценность работы
Результаты, полученные в данной работе, могут служить основой технологии выращивания методом сублимационной МПЭ структур кремний или кремний-германий на сапфире для кремниевой микро-, нано- и оптоэлсктроники.
К основным практически важным результатам можно отнести следующие:
1. Разработанный для сублимационной МПЭ Э1 метод расчета распределения толщины осаждаемого слоя позволяет определить значения технологических параметров для выращивания слоев 81 с заданным однородным распределением их толщины по площади подложки.
10
2. Разработанный метод нредэпитаксиальной подготовки поверхности подложки сапфира путем высокотемпературного отжига в потоке атомов Si может быть использован в технологии выращивания методом МПЭ слоев Si и других полупроводниковых слоев (например, GaN).
3. Установленные количественные зависимости структурных, морфологических и оптических параметров слоев Si и SiGe от условий роста на подложках сапфира позволяют разработать методики формирования конкретных эпитаксиальных гетероструктур приборного качества.
4. На основе полученных результатов предложен ряд новых технических решений, на которые получены 2 патента и одно положительное решение по заявке.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Метод МПЭ с сублимационным источником паров кремния позволяет выращивать на подложках сапфира R-срсза эпитаксиальные слои Si(001) с высоким совершенством структуры (при dsi = 0,5 мкм, Дс0|/2 < 18 угл. мин.) и относительно гладкой поверхностью (RMS = 2,4 нм от скана поверхности размером 10х 10 мкм), однородные по толщине (~5%) на большой площади (до 0=100 мм) при использовании линейного движения источника относительно подложки.
2. Прсдэпитаксиальный высокотемпературный отжиг подложки сапфира (1102) при > 1210°С в потоке атомов Si и при > 1400°С без потока приводит к формированию на ее поверхности моноатомных ступеней, вдоль которых происходит образование зародышей на начальной стадии роста слоя кремния.
3. Приложение к подложке сапфира небольшого по величине (-200 В) отрицательного потенциала способствует эффективному снижению температуры роста Si на сапфире и сглаживанию морфологии его поверхности за счет достижения большей подвижности адатомов Si и их однородного распределения по поверхности роста.
4. Рост совершенных по структуре слоев Si!_xGex (х<25%) на подложках сапфира (1102) с ориентацией (001) при низких температурах (360-410°С) возможен при введении тонкого (—100 нм) буферного слоя Si; без этого слоя формируется слой с ориентацией SiGe(Oll), что связано с несоответствием параметров решеток слоя и подложки. Наблюдаемая высокая фотолюминесценция гетерострукт>р Si/Si^xGex :Er/Si/ сапфир (1Т02) на X = 1,54 мкм сравнима с ФЛ от таких структур, выращенных на Si(001), подтверждает их высокое структурное совершенство.
11
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях: Международной конференции "Кремний" (Москва, 2005, 2007, 2011; Черноголовка, 2008; Н.Новгород, 2010; С.Петербург, 2012), Международной конференции «Рост кристаллов и тепломассоперенос (1СБС-2005)» (Обнинск, 2005), Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2004, 2006), Всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микрооптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2004-2008), Всероссийской молодежной конференции но физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектроникс (С.Петербург, 2005, 2011), Ш-й Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н.Новгород, 2010), Нижегородской научной сессии молодых ученых (Н.Новгород, 2007, 2008), Научной конференции «Структура и свойства твердых тел» (Н.Новгород, 2006), XXIV научные чтения им. Н.В. Белова (Н.Новгород, 2005), Научной студенческой конференции (Н.Новгород, 2003, 2005, 2006), ХИ-й конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, свойства, применение» (Н.Новгород, 2004), Х-й юбилейной международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, 2010).
Публикации
Перечень публикаций, раскрывающих основное содержание работы, содержит 51 печатную работу, в том числе одну монографию, 16 статей в рецензируемых журналах и 34 работы в материалах конференций. Также получено два патента и одно положительное решение о выдаче патента.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 154 страницы, включая 75 рисунков, 8 таблиц, список цитируемой литературы из 135 наименований.
В Приложении 1 приведен список работ автора по теме диссертации, информация о патенте и заявках на изобретение.
В Приложении 2 приведен листинг оригинального программного обеспечения для анализа распределения толщины слоя по площади подложки в зависимости от числа сублимационных источников и закона их движения, разработанного в рамках выполнения настоящей диссертационной работы.
12
ГЛАВА 1 Проблемы гетероэпитаксиального роста субмикронных слоев кремния и кремний-германия на сапфире
В последние два десятилетия гетероструктуры, содержащие слои кремния и твердого раствора кремний-германия (Sii.xGex), привлекают внимание исследователей в связи с разработкой эффективных методов создания микро- и оптоэлектронных схем на изолирующих подложках, которые обеспечивают высокое быстродействие и радиационную стойкость, устраняют ряд вредных эффектов и явлений [1,2,3]. Микросхемы, изготовленные на КНС-подложках, способны работать на высоких частотах и потреблять малую мощность.
История развития КНС-техиологии очень старая и берет начало в 60-е годы прошлого столетия [4]. Однако получить слой кремния с высоким сгруктурным совершенством на подложках сапфира очень трудно из-за большого несоответствия параметров решеток (12,5%) кремния и сапфира (А1203). Кроме того, они отличаются и по коэффициентам линейного теплового расширения. Поскольку эпитаксиальный рост КНС-структур обычно осуществляют методом газофазной эпитаксии (ГФЭ), которую проводят при Ts > 1000°С, то в результате формируются слои с высокой плотностью дефектов.
Улучшение качества слоев можно достигнуть при снижении температуры их роста, т.е. используя низкотемпературные методы выращивания. Ряд исследователей в 70-е годы XX века для этого использовали вакуумные методы осаждения. Наиболее детальное исследование роста слоев кремния на сапфировых подложках разной ориентации проведено в работе Chang С.С. [5] в 1971 году. В качестве паров кремния он использовал сублимационный источник. Было установлено, что эпитаксиальные слои кремния на сапфире (1Т02) растут в интервале температур 650-850°С.
Другой важный шаг в улучшение качества слоев кремния на сапфире был сделан исследователем Bean J.C. [6] в 1980 г. Он использовал иредэпитасиальный отжиг подложек сапфира при высокой температуре (~1400°С) и получил слои Si на сапфире при Ts = 650-800°С. Испарение Si осуществлялось с помощью электронно-лучевой пушки. Автором исследовалось влияние подготовки подложки для эпитаксиального роста, температуры и скорости роста на зародышеобразование, морфологию поверхности и элекгрическис параметры тонких (0,5-3,0 мкм) слоев Si на сапфире. Установлено, что эпитаксиальные слои могут быть выращены при 700°С. Коалесценция островков Si на
13
начальной стадии происходила при толщинах -500 А, а рост гладких слоев - при толщинах -2000 А. Эти величины были меньше, чем в слоях, выращенных ГФЭ. Хойловская подвижность носителей была больше, чем у слоев, выращенных ГФЭ при одинаковом уровне легирования.
В дальнейших исследованиях [7,8], проводимых в 90-е годы, высокотемпературный (1400-1450°С) отжиг подложек сапфира в методе МПЭ использовался как обязательный этап технологического процесса выращивания КНС-структур. В работах этих авторов эпитаксиальный рост слоев Б1 на сапфире осуществлялся, начиная с Т$ = 650°С, но, как правило, при исследовании ряда свойств слоев температура роста была равна 750°С [9].
Начиная с конца 90-х годов значительное внимание получили вопросы создания нового гетероэпитаксиального материала 8Юе/сапфир, который должен способствовать улучшению приборных характеристик с преимуществам тонкопленочных КНС-структур [10].
Дальнейшее улучшение качества слоев 51 и ЭЮе при выращивании на подложках сапфира можно ожидать при более значительном снижении температуры роста. Этому должно способствовать использование для роста этих слоев метода сублимационной МПЭ. Известно, что рост слоев 81 и вЮе этим методом на подложках 81(100) проводится при температурах, которые ниже, чем при выращивании слоев традиционным методом МПЭ, т.е. с использованием электронно-лучевого испарения [11,12].
В данной главе обсуждаются вопросы эпитаксиального роста слоев Б1 и БЮе на сапфире, рассматриваются особенности роста слоев методом сублимационной МПЭ 81.
1.1 Данные о кристаллографии $1, (/£, сапфира и их ориентационные
соотношения
Одной из важнейших характеристик гетероэпитаксии являются ориентационные соотношения, т.е. указание о том, какая из граней нарастающей пленки параллельна данной ориентации подложки и какое из направлений в плоскости пленки параллельно данному направлению в плоскости подложки.
Сапфир - а модификация окиси алюминия А120з - представляет собой разновидность корунда. Чистый корунд бесцветен, окраска природных и искусственных кристаллов обусловлена напичием в них различных примесей. Корунд синих цветов
- Київ+380960830922