Введение к работе
Актуальності» темы. Материальной базой полупроводниковой электроники служат различные полупроводники, спектр которых обширен как и методы получения эпптакспальных слоев и структур на их основе.
Одним из таких методов, используемых в технологии полупроводниковых приборов, является зонная перекристаллизация градиентом температуры (ЗПГТ) [1], сущность которого заключается в перекристаллизации кристалла (источника) через тонкий слой расплава в растворе с осаждением новых слоев па подложке. Метод ЗПГТ пригоден для получения как тонких слоев, так п небольших кристаллов. Для него характерна высокая степень изотермпчности процесса роста, исчезающе малое переохлаждение на фронте кристаллизации, возможность использования непрерывной подпитки необходимым компонентом, технически простые условия устранения испарения легколетучих компонентов. Совокупность перечисленных положительных качеств привели к широким исследованиям метода ЗПГТ. Этот метод применяется для систем на основе германия, кремния, соединений А3В5 и их твердых растворов, карбида кремния, ти-танатов, теллуридов, халькогенидов, шелочно-галлоидных кристаллов и ряда других материалов [2,3].
Анализ проведенных исследований показал, что среди использованных систем практически нет таких, в которых зонообразутощий материал полностью бы растворялся в растущих слоях. Напротив, обычно применяли в качестве исходной жидкой фазы элементы со столь малой растворимостью в растущем слое, которая обеспечивала бы неограниченно длительный (квазистационарный) процесс ЗПГТ. Длительность процесса ЗПГТ ограничивалась только толщиной перекристаллизуемого источника. Соответствующие ограничения положены также в основу теории ЗПГТ.
Между тем в технологической практике могут быть применены также и сравнительно быстро "исчезающие" зоны, т.к. в полупроводниковой электронике используемые слои обычно имеют толщину пе превышающую начальную толщину жидкой зоны. Поэтом}' представляется целесообразным расширить исследования ЗПГТ на системы, в которых, слои жидкой фазы полностью растворяются в растущем при ЗПГТ слое.
Наиболее характерной и практически важпой для полупроводниковой электроники представителем такого класса систем является система
4 кремний-германий. Она интересна и сама по себе как широко используемая в полупроводниковой апектронике для изготовления диодов, транзисторов, высокочувствительных детекторов ИК излучения, термогенераторов и других приборов [4-7].
В методе ЗПГТ система кремний-германий может считаться модельной для класса двухкомпоиентных систем с неограниченной растворимостью компонентов. Это связано, в частности с тем, что кремний и германий хорошо изучены, широко применяются и подходят под условия проведения ЗПГТ, изучены и широко применяются твердые растворы на их основе.
Существует большое число методов получения твердых растворов кремний-германий (ТРКГ) [7]. Однако среди них отсутствуют простые, обеспечивающие достаточную однородность полученных слоев их необходимую локальность (см. гл. 1). Поэтому важна разработка и изучение каждого нового метода. В диссертации впервые анализируются возможности ЗПГТ в системе кремний-германий как метода получения ТРКГ различного состава п структур на их основе.
Если не выходить за рамки этой системы, то зонообразующим материалом может служить германий. Так как германий является одним из основных элементов растущего твердого раствора и обладает высокой растворимостью в кремнии ожидается существенная разница скоростей границ кристаллизации и растворения, которая практически не проявлялась ранее в системах кремний-металлы, германий-металлы и требует особой методики получения слоев ТРКГ и исследования кинетики ЗПГТ в системе кремний-германий, а также уточнения теории. Сравнение свойств германия и кремния в твердом и жидком состоянии дает основание предполагать большую склонность к нестабильности межфазных границ при их эволюции в условиях ЗПГТ, что также необходимо учесть в теории и методике исследования.
Таким образом, в настоящей работе впервые ставится задача исследования метода ЗПГТ в системе с неограниченной растворимостью компонентов на примере системы кремний-германий и выявления областей возможного применения этого метода и полученных слоев ТРКГ.
Диссертация является частью плановых работ отдельного постановления правительства Приказ MB и ССО РСФСР от 28.05.87, №77 и Решения госкомпссии кабинета Министров по ВПВ от 24.04.91, №58, а также выполнения НИОКР по заданию ряда НИИ и НПО на хоздоговор-
5 ной основе и планах НИР по основным направлениям НИР НГТУ на 1990-95 гг.
Цель и задачи исследований. Установление основных закономерностей ЗПГТ в системе кремпий-германий с использованием германия в качестве зонообразующего материала, а также свойства выращенных слоев твердых растворов и областей возможного применения нового метода получения ТРКГ.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать методы и экспериментальное оборудование для исследований кинетики ЗПГТ в системе кремний-германий, эволюции межфазных границ, распределения компонентов, геометрических и макро-структурпых свойств выращиваемых слоев ТРКГ.
-
Экспериментально исследовать кинетику роста слоев ТРКГ, их структурные особенности, виды возникающих нестабільностей и условия стабильного роста, распределения компонентов по толщине.
-
Теоретически интерпретировать механизм основных процессов, определяющих и сопровождающих ЗПГТ в системе кремний-гермапий.
-
Выявить и обосновать области возможного применения метода ЗПГТ в системе кремний-германий и твердых растворов, полученных этим методом.
Научная новизна. Впервые проведены систематические исследования закономерностей процесса ЗПГТ в системе кремний-германий с использованием германия в качестве зонообразующего материала и свойств полученных слоев. Главной особенностью ЗПГТ в системе кремний-германий является существенное уменьшение толщины зоны в процессе ЗПГТ, влияющее па кинетику ЗПГТ и эволюцию межфазных границ.
Установлены общие закономерности кинетики ЗПГТ. Показано, что скорость выращивания ТРКГ экспоненциально возрастает с ростом температуры, линейно с градиентом температуры, является сложной функцией толщины зоны. Контролируемые изменения температуры, градиента и толщины зоны позволяют оптимизировать величину скорости роста в диапазонах удобных для исследования и применения ЗПГТ в системе кремний-германий.
Показано, что на обеих межфазных границах зоны развиваются регулярные нестабильности, которые можно характеризовать амплитудой и длиной волны возмущений межфазноп границы. Эффект нестабильности
ослабляется с уменьшением температуры и размеров начальных нерегулярностей. Эволюция возмущений плоских межфазных границ завершается распадом жидкой зоны на отдельные фрагменты тем быстрее, чем ближе величина длины волны к критической, причем, чем меньше возмущение по амплитуде на исходных межфазных границах, тем больше путь, проходимый зоной до фрагментации. Размеры фрагментов тем меньше, чем меньше начальное возмущение и длина волны на межфазных границах.
Установлено, что при отсутствии конвекции в жидкой фазе дефектность структуры выращепных слоев минимальна для диапазона температур роста примерно от 1470 до 1650 А'.
Теоретически и экспериментально установлено, что распределение компонентов в растущих слоях, как вдоль направления роста, так и в поперечном направлении является однородным и строго согласуется с равновесной диаграммой состояния системы кремний-германий. Концентрация кремния в слоях, выращенных методом ЗПГТ в системе кремний-германий с использованием германия в качестве зонообразующего материала может изменяться практически во всем диапазоне. Гомогенность слоев наблюдается при концентрации кремния примерно от 65 до 95 ат.%.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Особенностью ЗПГТ в системе кремний-германий с использованием германия в качестве зонообразующего материала является существенное влияние уменьшения толщины зоны от пройденного пути на кинетику процесса ЗПГТ, эволюцию межфазных границ и структурное совершенство слоев ТРКГ.
-
Скорость выращивания ТРКГ методом ЗПГТ монотонно убывает со временем, экспоненциально возрастает с ростом температуры, линейно - с градиентом температуры, является сложной функцией толщины зоны.
-
В определенных условиях эволюция межфазных границ не нарушает стабильного движения жидкой зоны; нестабильность ослабляется с уменьшением температуры и размеров начальных нерегулярностей.
-
В условиях отсутствия конвекции в жидкой фазе, метод ЗПГТ позволяет получать гомогенные слон с концентрацией кремния примерно от 65 до 95 ат.%. Выращенные слои имеют однородный состав как в продольном, так и в поперечном направлении роста и относительно высокое кристаллическое совершенство.
5. Состав однородного ТРКГ может быть предвычнслен по диаграмме состояния кремний-германий с использованием среднего значения температуры жидкой зоны.
Практическая ценность. Показана перспективность применения метода ЗПГТ в системе кремний-германий с использованием германия в качестве зонообразующего материала для:
- получения ТРКГ в широком диапазоне концентраций компонентов
(теоретически во всем диапазоне существования ТРКГ);
- выращивание кремний-германиевых эпитаксиальных слоев на
кремниевых подложках в диапазоне концентраций кремния выше
65 ат.%;
формирование опорпого слоя для кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ), с диэлектрически изолированным кремнием электронной и дырочной проводимости (ДИКЭД) (а.с. СССР №№1391163, 1398482, 1414218) и кремниевых обращенных структур (КСО) (а.с. СССР №1412385);
сращивание фрагментов кремниевых высокотемпературных ректоров и оснастки для них (внедрено в НИИМВ г. Москва);
торцевого сращивания кремниевых пластин с целью повышения активной площади.
Результаты настоящего исследования представляют научный и практический интерес для завода чистых металлов г. Светловодск; ПО "Кристалл" г. Киев; ПО "Кремний" г. Брянск; ПО "Луч" г. Подольск, а также для организаций п научно-исследовательских лабораторий, занимающихся технологией полупроводников и материалов электронной техники и используются в учебном процессе НГГУ курса "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы" специальность 200200.
Апробация работы и публикации. Осповные результаты доложены и обсуждены на VI Всесоюзной межотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в 1976г. (г. Москва), Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике в 1986 г. (г. Киев), Всесоюзном семинаре по физико-химическим свойствам многокомпонентных полупроводниковых систем в 1990г. (г. Одесса) УП Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-91) в 1991г. (г. Звенигород), I Всесоюзном симпозиуме по методам дифракции электронов в исследовании
8 структуры вещества в 1991г. (г. Звенигород), IV Всесоюзной научно-технической конференции по математическому моделированию и САПР радиоэлектронных и вычислительных систем СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС) в 1991г. (г. Волгоград), 8-й Всесоюзной конференции по росту кристаллов в 1992г. (г. Харьков), VIII Симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-93) в 1993г. (п. Черноголовки), Всероссийской конференции с международным участием по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (ПЭМ-94) в 1994г. (г. Таганрог), IX Russian symposium on scenning electron microscopy and analitical methods of solids investigations (SEMV95) may 22-24, 1995 (Chernogolovka), II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (ПЭМ-95) в 1995г. (п. Дивноморское), научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника" (п. Гурзуф) в 1996 г.; X Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии в аналитических методах исследования твердых тел (п. Черноголовка) в 1997г. (РЭМ-97), ежегодных физических чтениях СКНЦ ВШ; научных конференциях и сессий НПИ и НГГУ, научных семинарах кафедры физики и научно-исследовательских лабораториях 1976-1998 гг.
По результатам диссертации опубликовано 32 печатных работ, включая 9 авторских свидетельств иа изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 152 наименований и содержит 187 страниц машинописного текста, 51 рисунка, 2 таблиц и приложения.
