Введение к работе
Актуальность темы.
Интенсивное развитие технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и средств неразрушающего контроля процессов роста тонких пленок и гетеросистем привело к возникновению нового направления в полупроводниковом материаловедении - конструирования сложных многослойных эпитак-сиальных композиций и наноструктур с заданными профилями потенциала, с квантово-размерными слоями, квантовыми проволоками и квантовыми точками. Синтез таких наноструктур невозможен без автоматизации технологического процесса и точного контроля толщин слоев и их состава на атомарном уровне. Это направление получило название атомной инженерии вещества или нанотехнологии и в настоящее время интенсивно внедряется в технологию опто-, микро- и наноэлектроники. Эффекты, обнаруженные в таких структурах, в последние годы становятся основой создания новой элементной базы для СВЧ - электроники гигагерцового и терагерцового диапазонов, оп-тоэлектронных устройств и вычислительной техники. Начало работ в данном направлении и нашем Институте связано с именем его основателя и первого директора академика А.В. Ржанова, который определил целесообразность развития МЛЭ, как нового направления в материаловедении, и сформулировал его основные задачи. Успешное развитие этих работ в последнее десятилетие происходило преимущественно в направлении МЛЭ соединений А3В5 , таких как GaAs, AlGaAs, InGaAs и т.п. В противоположность этому, серьезные достижения в нанотехнологии с использованием соединений А4В4 (GexSi|.x) наблюдаются лишь в последние годы и к моменту начала работ в рамках данной диссертации полностью отсутствовали. Несмотря на то, что кремний является основным материалом полупроводниковой электроники, к началу диссертационной работы не получило должного внимания исследование элементарных процессов на поверхности германия, кремния и их соединений при МЛЭ наноструктур и гетеропереходов. В нашей стране и за рубежом лишь немногочисленные группы в крупных исследовательских центрах проводили более
или менее интенсивные исследования. В последние два года наметилась тенденция сокращения фронта работ в области нанотехнологии соединений А3В5 и интенсивное расширение исследований в направлении МЛЭ GexSi|.x. Такие известные технологические центры, как IBM, NEC и Daimler-Benz вообще сворачивают исследования в направлении МЛЭ соединений А3В5 в пользу развития работ по эпитаксии германия и кремния 11].
Указанные обстоятельства подтверждают актуальность задач, рассмотренных и решаемых в настоящей диссертации. Основное внимание в данной работе уделялось рассмотрению следующих, нерешенных к моменту её начала, проблем:
разработка компоновочных решений и создание многокамерного комплекса автоматизированного сверхвысоковакуумного оборудования для МЛЭ элементарных полупроводников,
разработка и создание встраиваемых в установки МЛЭ аналитических средств неразрушающего контроля процессов роста эпитакснальных пленок (регистрирующего дифрактометра быстрых электронов, автоматического лазерного нуль-эллипсометра) и соответствующего методического и программного обеспечения,
изучение методами эллипсометрии и электронной дифрактометрии структурных и морфологических перестроек поверхности германия, кремния и их твердых растворов в процессе эпитаксии из молекулярных пучков и при термообработке в сверхвысоком вакууме,
исследование особенностей релаксации гетероэпитаксиальных напряжений в системе пленка-подложка (GexSij.x - Si) и сопутствующих этому процессов массопереноса и самоформирования квазиупорядоченных наноструктур в широком интервале значений состава пленок (х) и температур их роста,
разработка методов управляемого синтеза квантоворазмерных наноструктур и гетеропереходов в системе GexSi).x - Si, использующихся при создании новых нанообъектов для изучения квантовых свойств твердых тел, а так-
1 R.A.Metzger. Is Silicon Germanium the New "Material of the Future" // Compound Semiconductor, 1995,V.1,N3, P.21-26.
же при изготовлении методом МЛЭ перспективных приборных структур для микро-, опто- и наноэлектроники.
Цель работы: Исследование закономерностей процессов на поверхности *и в прилегающем объеме кристалла при получении методом молекулярно-лучевой эпитаксии тонких пленок и наноструктур на основе кремния, германия и их твёрдых растворов - новых объектов для изучения квантовых свойств твердого тела, а также для создания перспективных приборов микро-, опто- и наноэлектроники.
Достижение этой цели является научно-техническим базисом развития нового научного направления в полупроводниковом материаловедении - мо-лскулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых наноструктур на основе соединений типа А4В4.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1. На основе оригинальных экспериментальных данных были впервые
получены следующие результаты:
построены диаграммы структурно-фазовых превращений на поверхности пленок GexSii-x и подложек кремния с ориентацией (111) и (001) при МЛЭ в широком интервале температур при их росте и в процессе изотермических выдержек;
построены кинетические диаграммы, описывающие зависимость критической толщины сплошных псевдоморфных пленок GexSii-xHa Si от их состава и температуры роста.
обнаружен эффект обратимых структурных превращений на поверхности Si и Ge при подаче молекулярного потока Ge и после прекращения роста пленки, связанные с процессами упорядочения и разупорядочения, и определены количественные характеристики этих процессов.
2. Впервые в мире были экспериментально обнаружены с помощью лазе
рной нуль-эллипсометрии:
- эффекты изменения оптических характеристик поверхностного слоя
кристаллов кремния при сверхструктурных и морфологических перестройках
их поверхности на атомарном уровне и приведено объяснение природы этих эффектов.
- эффект осцилляции оптических параметров поверхностного слоя растущей эпитаксиальной пленки, наблюдаемый с помощью лазерной эллипсо-метрии в процессе роста эпитаксиальных пленок по двумерно-слоевому механизму.
3. Теоретически предсказан и впоследствии экспериментально подтверж
ден эффект уменьшения периода осцилляции зеркального рефлекса при диф
ракции быстрых электронов в процессе МЛЭ с падением пересыщения при
постоянной скорости роста пленок.
-
Обнаружен эффект синхронизирующего воздействия периодических кратковременных изменений поверхностного пересыщения при росте пленок на двумерное зародышеобразование. Обоснован и реализован метод молекулярной эпитаксии с синхронизацией зародышеобразования.
-
Предложен и теоретически обоснован оптимизированный метод синтеза таких квантоворазмерных структур, как вертикальные сверхрешетки, на-носистемы из квантовых нитей или точек и т.п., при циклическом изменении пересыщения во время выращивания каждого атомного слоя пленки.
-
Разработаны методы управления процессом самоформирования периодических и квазиупорядоченных наноструктур при МЛЭ в системах с различными значениями несоответствия параметров решеток пленки и подложки. Эти методы реализованы для прямого получения квантоворазмерных наноструктур в системе германий - кремний без применения литографии. Полученные структуры используются для исследования новых электрофизических и оптических явлений, в том числе процессов продольного и поперечного туннельного транспорта носителей заряда.
Все основные результаты данной работы, проведенной с использованием разработанного многокамерного комплекса оборудования и аналитических средств для МЛЭ элементарных полупроводников, получены впервые. Приоритет подтвержден 6 авторскими свидетельствами, 61 научной публикацией и 35 докладами на конференциях доложенными лично автором, а также признан в научных публикациях другими авторами.
На защиту выносятся следующие основные научные положения, полученные на основе исследования и анализа перечисленных выше эффектов и с применением указанных методов.
1. На поверхности пленок Ge в процессе их роста на Si(lll) и (001) в
диапазоне температур от 100 до 950С и при изотермических выдержках происходит чередование сверхструктур, вся совокупность которых идентифицирована и отображена в структурно-фазовых диаграммах. Данные особенности объясняются процессами упорядочения в пленке, релаксацией механических напряжений и взаимодиффузией в системе пленка - подложка.
-
Сверхструктурные и морфологические перестройки приповерхностного слоя кремния и германия толщиной менее 1 нм влияют на состояние поляризации отраженного пучка когерентного света, параметры которого осциллируют с периодом циклических изменений латеральной плотности атомарных ступеней в процессе роста эпитаксиальных пленок по двумерно -слоевому механизму.
-
Принудительные периодические изменения поверхностного пересыщения оказывают синхронизирующее воздействие на образование двумерных зародышей при формировании каждого монослоя пленки по двумерно-слоевому механизму.
-
Увеличение температуры подложки в процессе МЛЭ при постоянной скорости роста пленок вызывает уменьшение периода циклических изменений площади поверхности, покрытой двумерными островками растущего слоя, а также изменений плотности атомных ступеней, окаймляющих эти островки. Как следствие, увеличивается частота связанных с этими изменениями осцилляции зеркального рефлекса при дифракции быстрых электронов.
-
При росте пленок Si„Gej_x на подложках Si (111) и Si (001) происходит релаксация механических напряжений путем упругой деформации системы пленка-подложка на начальной стадии роста и за счет введения дислокаций несоответствия на больших толщинах. Этот процесс приводит к самоорганизации квазиупорядоченной системы свободных от механических напряжений островков нанометровых размеров, т.е. реализуется механизм Оранского - Крастанова. При ориентации подложки (001) этому процессу предшес-
твует образование упруго деформированных бездислокационных кластеров германия. В таких наносистемах при исследовании транспорта носителей заряда обнаружены явления резонансного туннелирования и кулоновской блокады, что позволяет использовать их как основу для создания новых СВЧ приборов.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней впервые в рамках единой научно-технической проблемы теоретически и экспериментально рассмотрены процессы молекулярно-лучевой эпитаксии пленок и наноструктур в гетеросистеме кремний - твердый раствор германий -кремний в совокупности.с техническими проблемами создания промышлен-но-ориентированного оборудования для МЛЭ этих гетероструктур. Именно этот класс материалов определяет в настоящее время наиболее динамичный прогресс в области полупроводникового материаловедения и технологии гетероструктур и нанообъектов для создания новой элементной базы СВЧ-, опто-, микро- и наноэлектроники.
В процессе исследований оптических и электрофизических свойств созданных в ходе данной работы полупроводниковых структур типа гетеропереходов Ge/SixGe|.x , структур со сверхрешетками и квантовыми точками, получены новые данные об энергетическом спектре и транспортных свойствах данных структур. Разработанные методы могут быть использованы для создания новых поколений гетеробиполярных, полевых и резонансно-туннельных СВЧ приборов.
Полученные результаты и их анализ доведены до практических рекомендаций и используются в настоящее время в ИФП СО РАН. В настоящее время с их применением выполняются 16 грантов и проектов Миннауки и РАН, а также выполненяются различные НИР и ОКР. Изготовленные эпитакси-альные структуры и разработанные технологические и аналитические методики были использованы в ряде научных организаций РАН при проведении фундаментальных и прикладных исследований (Институт кристаллографии РАН, Физический институт РАН им. П.Н.Лебедева, Институт физики твердого тела, Физико-технический институт РАН им. А.Ф.Иоффе, Физико-
технологический институт РАН, Институт физики им. Л.В.Киренского СО РАН в Красноярске и др.).
Оборудование для МЛЭ, практические рекомендации, программное и методическое обеспечение, а Также отдельные элементы технологической оснастки, применяются в лабораториях ИФП СО РАН и в рамках отдельных договоров были переданы в Институты Академий наук России, стран ближнего и дальнего зарубежья (Физический институт РАН им. П.Н.Лебедева, Институт кристаллографии РАН, Физико-технологический институт РАН, Институт физики им..Л.В.Киренского СО РАН в Красноярске, Институт физики металлов УрО РАН в Екатеринобурге, НИИС в. Нижнем Новгороде, Институт физики Польской АН и Институт вакуумной технологии в Варшаве, Институт прикладной физики Болгарской АН, Институт физики Университета Сан-Карлоса в Бразилии, французская фирма "Техномик консалтенс", Тркийский университет). Данное оборудование и рекомендации были также переданы в отраслевые НИИ бывшего СССР (НИИ "Восток" и НПО "Союз" в Новосибирске; НПО "Орион"в Москве; НИТИ в Рязани; ГОИ в Ленинграде; ПО "Искра", НИИЦ "Кристалл", Завод телевизионной аппаратуры в Красноярске; ИА и ПУ во Владивостоке; МНИЙРМ ъ Минске; ИХП в Киеве).
Опыт экспериментальных и технологических работ, проведенных в рамках данной работы, был использован для улучшения конструкции, технологической оснастки и аналитических средств установок МЛЭ типа "Ангара" и "Катунь". На основе разработанных конструктивных и компоновочных решений создан комплекс промышленно-ориентированного оборудования для МЛЭ. На базе экспериментального производства ИФП СО РАН и Опытного завода СО РАН изготовлено 38 комплектов такого оборудования.
Личный вклад автора.
Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в общей постановке и обосновании задач исследований, проведении методических разработок, необходимых для их реализации. Он также заключается в активном
участии в организации и выполнении экспериментов, в анализе и интерпретации полученных результатов.
Лично автором была разработана общая компоновка многокамерных установок МЛЭ "Ангара" и "Катунь" с внутрикамерным сквозным транспортом подложек, определен оптимальный набор аналитических средств. Под руководством и при непосредственном участии автора были выполнены все экспериментальные и расчетные работы, а также разработаны встраиваемые в установки МЛЭ средства неразрушающего контроля процессов роста - автоматический лазерный эллипсометр и регистрирующий дифрактометр быстрых электронов. За описанный вклад в создание промышленно-ориентированного оборудования для МЛЭ в 1993 году автор удостоен звания лауреата Государственной премии России.
Значительная часть результатов получена совместно с к.ф.-м.н. Соколовым Л.В., к.ф.-м.н. Марковым В.А. и к.ф.-м.н. Никифоровым А.И., в диссертационных работах которых (Соколов Л.В. "Исследование структуры поверхности германия и кремния методами эллипсометрии и дифракции быстрых электронов при эпитаксии из молекулярных пучков", 1990, 166с; Марков В.А. "Формирование поверхности при молекулярно-лучевой эпитаксии германия, кремния и их твердых растворов", 1993, 137с; Никифоров А.И. "Исследование встраивания и десорбции сурьмы в процессе легирования при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния", 1994, 154с) автор являлся научным руководителем. Электрофизические измерения свойств структур с квантовыми точками, результаты которых приведены в последней главе, проведены Якимовым А.И. и Двуреченским А.В., электронно-микроскопические изображения получены лично автором и Гутаковским А К. На разных этапах работы, участие в исследованиях принимали научные сотрудники различных подразделений ИФП СО РАН, других российских и зарубежных научных организаций. Общая постановка и обоснование задач исследования, а также все научные положения, выносимые на защиту, сформулированы автором настоящей диссертации.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы обсуждались и были доложены в виде 35 оригинальных докладов и лекций лично автором на Международных симпозиумах по молекулярно-лучевой эпитаксии (Эберсвальде, ГДР, 1979 г., Франкфурт на Одере, ГДР, 1987 г., Велико-Тырново, Болгария, 1989 г., Тампере, Финляндия, 1991 г.); на VI международной конференции по росту кристаллов (Москва, 1980г); на Международном Симпозиуме по микроэлектронике (Москва, 1984г.); на Всесоюзной конференции по дефектам структуры в полупроводниках (Новосибирск, 1984 г.); на III всесоюзной конференции "Эллипсометрия - метод исследования физико-химических процессов на поверхности твердых тел" (Новосибирск, 1985 г.); на Международной школе по аналитической электронной микроскопии ( Халле, ГДР, 1985 г.); на Международной школе по дифракции электронов (Халле, ГДР, 1986 г.); на Всесоюзной школе по физике поверхности (Карпаты, 1986 г.); на VII конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок ( Новосибирск, 1986 г.); на XV Международной конференции по дефектам структуры в полупроводниках (Будапешт, Венгрия, 1988 г.); на Германо-Советском семинаре по проблемам микроэлектроники (Ярославль, 1988 г.); па VI международной школе по росту кристаллов (Варна, Болгария, 1988 г.); на VII Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988г.); на Симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (Москва, 1988г.); на Европейской конференции по анализу поверхности и границ раздела ( Антибы, Лазурный Берег, Франция, 1989 г.); на IV всесоюзной конференции "Эллипсометрия -метод исследования физико-химических процессов на поверхности твердых тел" (Новосибирск, 1989 г.); на Международном симпозиуме по МЛЭ кремния (Страсбург, Франция, 1989 г.); на V Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, ГДР, 1990 г.); на Региональном семинаре по МЛЭ (Новосибирск, 1990 г, ); на I Международной конференции по росту эпитаксиальных кристаллов (Будапешт, Венгрия, 1990 г.); на VII международной конференции по росту из пара и эпитаксии (Нагойя, Япония, 1991 г.); на X симпозиуме по физике и электронике полупроводни-
ковых соединений (Нагойя, Япония, 1991 г.); на Международной конференции "Полупроводниковые устройства и технологии" ( Варшава, Польша, 1991, 1992); на Всесоюзной конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992 г.); на Международной конференции "Поверхность и структура тонких пленок" (Раба Нижна, Польша, 1993 г.); на VI Бразильской школе по физике полупроводников (Сан-Карлос, Бразилия, 1993 г.); на 11 Семинаре Польского вакуумного общества "Поверхность и структура тонких пленок" (Казимеж-Дольный, Польша, 1994 г.); на II Российско - Французском Форуме по обмену технологиями Восток - Запад "Технологии двойного применения, телекоммуникация, информатика, электроника и обработка изображений полученных из космоса." ( Ница, София-Антиполис, Франция, 1994г.); на Научной сессии по перспективным технологиям и устройствам микро- и наноэлектроники (Звенигород, 1995г.); на 2-ом международном Совещании по МЛЭ (Варшава, Польша, 1996г.).
Результаты работы также обсуждались на научных семинарах в следующих организациях: ИФП СО РАН (г.Новосибирск), ФИРАН, ИРЭ РАН, ИК РАН (г. Москва), Физико-технический институт РАН (г. Санкт-Петербург), Института физики твердого тела и электронной микроскопии (г.Халле, ГДР), Института Вальтера Шоттки (г.Мюнхен), Фирмы "Сименс" (г.Мюнхен), Мюнхенского университета, Факультета электронной инженерии Токийского университета, Электротехнической лаборатории (г.Цукуба, Япония), Института прикладной физики (г.Пловдив, Болгария), Института физики Польской академии наук, Института электронной технологии и Института вакуумной технологии (г.Варшава, Польша), Института физики и химии Университета Сан-Пауло (г.Сан-Карлос, Бразилия), Центрального Института электронной физики (г.Берлин).
Результаты работы в части разработки технологического и аналитического оборудования были представлены на региональных, всесоюзных и международных выставках и были удостоены Золотой медали ВДНХ 19S7 года.
По основным результатам диссертации получено 6 авторских свидетельств и патентов, опубликована 61 работа в отечественных и зарубежных научных журналах, сборниках трудов ИФП СО РАН и в трудах международ-
ных конференций. Отметим, что ссылки на опубликованные тезисы докладов представлены лишь в том случае, если они носят обобщающий характер. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и выводов. Она содержит 213 страниц, включая 77 иллюстраций, 6 таблиц п список литературы из 261 наименований.
Похожие диссертации на Формирование пленок и наноструктур при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и германия
