РОЗДІЛ 2
Механічні напруження в тонких Si1-xGex-шарах
Через невідповідність постійних ґратки у кремній-германієвих шарах на кремнієвих підкладках присутні механічні напруження. При досягненні SiGe шаром критичної товщини, на міжфазній границі виникають дислокації невідповідності, які частково знімають напруження. Однак, наявність дислокацій невідповідності істотно погіршує параметри приладів. Для вирішення пов'язаних з цим проблем використовуються різні методи: ріст SiGe-плівок на градієнтних шарах [92], легування SiGe-шарів атомами вуглецю [93], імплантація в напружений шар іонів водню [94]. Крім того, в останні роки підвищена увага приділяється вивченню впливу пружних деформацій на дифузійні процеси в напружених гетероструктурах. Пружні деформації можуть як прискорювати, так і сповільнювати дифузійні потоки атомів [95].
2.1. Дослідження механічних напружень в SiGe шарах методом КРС
Метою цієї частини роботи було дослідження внутрішніх механічних напружень у двох типах структур: в Si1-xGex-шарах, одержаних методом епітаксії, та в прихованих Si1-xGex-шарах у кремнії, одержаних імплантацією іонів Ge+ в кремнієву підкладку з наступним високотемпературним відпалом.
Зразки першого типу (I) являли собою 100 нм Si1-xGex-плівки (x=0,30) на кремнієвих підкладках. В процесі епітаксійного росту частина зразків легувалися атомами вуглецю, концентрація яких складала 2 ат %. Зразки другого типу (ІІ) були отримані імплантацією іонів германію в кремнієву пластину КДБ-10 з енергією 100 кеВ і дозами 1,5?1016 см-2 та 6?1016 см-2. Температура пластин під час імплантації варіювалася від 20оС до 600оС. Імплантовані зразки відпалювались при температурі Т=1000оС в атмосфері азоту на протязі 20 хвилин. В якості методу дослідження ми вибрали спектроскопію лазерного комбінаційного розсіювання світла. Вона являє собою неруйнівну методику, що дозволяє не тільки якісно, але й кількісно характеризувати структурні особливості імплантованих зразків. Виміри спектрів КРС проводилися на подвійному монохроматорі ДФС-24 при кімнатній температурі. Для збудження спектрів використовувалося випромінювання Ar+-лазеру з довжинами хвиль 1=476,5 нм, 2=487,9 нм, 3=514,5 нм. Щоб уникнути значного нагрівання зразків під час дослідження, фокусування збуджуючого випромінювання здійснювалося циліндричною лінзою. Сигнал реєструвався охолоджуваним фотоелектронним помножувачем в режимі рахунку фотонів. Геометрія експерименту "на відбивання". Для точного визначення положення смуг КРС використовувалися як репер відомі значення частот плазмових ліній аргонового лазеру.
На рис. 2.1. (крива 1) наведено спектр КРС (?зб=487,9 нм) для зразків I типу, отриманий безпосередньо після осадження Si1-xGex-плівки, легованої в процесі росту атомами вуглецю. Вузькі смуги, які позначені на рисунку зірочками є плазмовими розрядами аргонового лазеру. В спектрі проявляються смуги, що відповідають Ge-Ge, Si-Ge та Si-Si коливанням і мають частоти 291,8 см-1, 410,1 см-1 та 506 см-1 відповідно. Cмуга в області
Рис. 2.1. Спектри КРС (?зб=487,9 нм) для зразків I типу: легованого в процесі росту атомами вуглецю (1) та нелегованого (2).
440 см-1 має невелику інтенсивність, а смуга поблизу ?460 см-1 взагалі не проявляється, що є результатом порівняно невеликої товщини шарів
Si1-xGex. Смуга з частотою 520,6 см-1 відповідає Si-Si коливанням кремнієвої підкладки. В табл. 2.1. наведені значення частот (?) та півширин (Г) Si-Si смуг в експериментальних спектрах, а також частоти обраховані для повністю напружених та відрелаксованих шарів. За експериментальними значеннями ? та відомим з технологічних умов значенням х знайдено величини пружних деформацій в шарах. Для оцінки ступені релаксації Si1-xGex шарів ми вводимо величину ? яка обчислюється за формулою:
? =(? х-? експ)/? х (2.1)
де ? експ - значення пружної деформації, знайдене з експериментальних спектрів КРС;
? х - значення пружної деформації, зумовлене вмістом германію х в шарі, знайденим з експерименту.
Величини ? для обох шарів також приведені в Табл. 2.1.
Таблиця 2.1
Експериментальні та розрахункові значення пружних деформацій нелегованих та легованих вуглецем Sі0,7Ge0,3 шарів, та параметри відповідних смуг КРС
ЗразокРозрахункові значенняЕкпериментРелаксація ?, %повністю напружений шарповністю відрелаксо-ваний шар?, см-1??, см-1??,
см-1Г,
см-1?Sі0,7Ge0,3C0,02505,3-0,00425020506,56,5 (6)-0,005060Sі0,7Ge0,3512,2-0,01265020508,68,5 (6)-0,007639
Для визначення пружної деформації в Si1-xGex шарі, як було зазначено вище, для даного значення компонентного складу - х~0,3 - необхідно скористатися формулою (1.9):
?Si-Si=520,5-62x-815?(х).
Якщо в кристалічну гратку сплаву Si1-xGex вбудовуються атоми вуглецю, то смуга, що відповідає Si-Si коливанням, зміщується в низькочастотний бік [96], що обумовлено домінуючим впливом зменшення константи взаємодії між атомами Si-C в порівнянні з Si-Si. Оскільки ковалентний радіус атому вуглецю менший за ковалентний радіус атомів кремнію і германію, то вбудовування атомів вуглецю в гратку Si1-xGex призводить до зменшення напружень стиску, але повної релаксації на мікроскопічному рівні, як правило, не відбувається [96]. Значення складу x та пружної деформації ?(x) в невідрелаксованих Si1-xGex-шарах для даного значення х, можна визначити, використавши залежності частот Ge-Ge та Si-Ge смуг від x та ?(x) згідно формул (1.10-1.11).
Використовуючи значення x, відоме з умов технологічного росту плівок, за формулою (1.6) було оцінено значення ?(x), яке повинно бути в повністю напруженому шарі, що не містить вуглецю. Підставивши одержане значення ?(x)=-0,0126 та x=0,3 в (1.9), було отримано, значення ?Si-Si=512,2 см-1 (табл. 2.1). В той же час експериментальне значення частоти цієї смуги та величини пружної деформації ?(x) для зразків І-го типу (крива 1) становлять 506,5 см-1 та -0,005, відповідно, що свідчить про суттєву релаксацію Si1-xGex-шару, інд