Введение к работе
Актуальность темы.
Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния представляет научный и практический интерес благодаря возможности получения тонких многослойных структур со строго контролируемым составом и высоким градиентом изменения концентрации примеси. Подобные объекты являются основой для создания и исследования структур с пониженной размерностью, а также изготовления приборных элементов современных микро-и оптоэлектроных устройств.
Одной из важнейших проблем МЛЭ считается получение легированных слоев Si. Исследования, направленные на изучение закономерностей встраивания легирующей примеси в растущий кристалл, важны не только с прикладной точки зрения, но и позволяют получить новые данные о природе взаимодействия примесных атомов с поверхностью кремния, лучше понять механизм роста кристалла и влияние структуры поверхности на протекающие на ней процессы. Концентрация примеси в объеме растущей пленки определяется плотностью атомов на поверхности кристалла, температурой и высотой активационных барьеров на границе раздела объем-вакуум. Поэтому скорость встраивания примеси в эпитаксиальную пленку, как правило, недостаточна для ее полного вхождения в объем и зависит от температуры роста. Зачастую, встраивание примеси сопровождается десорбцией ее с поверхности, в связи с этим представляется важным изучение закономерностей десорбции примеси с поверхности из различных состояний. Их анализ позволит определить параметры, характеризующие взаимодействие примесных атомов на поверхности кристалла.
В качестве легирующей примеси была выбрана сурьма. В ее поведении на поверхности кремния во время роста полностью проявляются все упомянутые выше особенности: высокая скорость десорбции и низкая скорость встраивания. В результате на поверхности роста формируется поверхностное покрытие Sb, которое приводит к сильному искажению требуемого профиля легирования. Для описания процесса легирования во всем диапазоне температур, применяемом при МЛЭ-Si, необходимо учитывать оба эти явления. Однако в настоящее время недостаточно данных по процессу встраивания и отсутствуют характеристики десорбции Sb с растущей поверхности Зі.
Особенно сильно накопление Sb на поверхности Si сказывается в
процессе формирования сильнолегированных областей с б-образным профилем распределения примеси. Устранить влияние сегрегации позволяет введение этапа низкотемпературного осаждения слоя кремния, толщиной в несколько нанометров. Его использование предопределило проявление новых явлений, влияющих на распределение примеси в 6-слое и их свойства.
Цель настоящей диссертационной работы заключалась в экспериментальном исследовании встраивания сурьмы и ее десорбции с поверхности кремния из различных состояний при легировании в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии кремния.
.Основные задачи работы включают в себя:
-
Исследование структуры поверхности кремния методом ДБЭ при различных покрытиях сурьмы и влияния на нее потока кремния.
-
Экспериментальное определение коэффициентов встраивания и десорбции сурьмы при легировании в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии кремния для построения кинетической модели, описывающей легирование сурьмой в широком диапазоне температур роста.
-
Исследование формирования сильнолегированных б-слоев Sb с резкими концентрационными переходами.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Установлена область существования примесных двумерных фаз сурьмы на поверхности Si(111) в стационарных условиях при непрерывном потоке Sb на поверхность подложки, который необходим для поддержания постоянной поверхностной концентрации сурьмы и компенсации десорбции примеси с поверхности кремния.
-
Экспериментально измерены температурные зависимости коэффициента десорбции Sb с поверхности Si(ill) для различных двумерных примесных фаз. Установлено, что двумерная фаза, существующая при большем поверхностном покрытии, имеет меньшую энергию активации десорбции и, следовательно, слабее связана с поверхностью кремния.
-
Оценена энергия латерального взаимодействия адсорбированных атомов Sb на поверхности Si(111) для различных двумерных фаз. Латеральное взаимодействие уменьшает энергию активации десорбции из-за взаимного отталкивания молекул сурьмы и приводит к формиро-
ванию двумерных упорядоченных фаз.
-
Определен коэффициент десорбции Sb в процессе роста легированных слоев и получена его температурная зависимость. Установлено, что десорбция сурьмы не зависит от ориентации поверхности кремния в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии.
-
Экспериментально определена, непосредственно из профиля легирования, температурная зависимость коэффициента встраивания сурьмы при низкотемпературной МЛЭ-Sl (300*600С). Это позволило получить температурную зависимость сегрегационного отношения и определить энтальпию сегрегации.
-
Предложена кинетическая модель встраивания Sb при МЛЭ-Sl. Для определения поверхностной и объемной концентрации Sb, а также ширины переходной концентрационной области введен коэффициент, определяющий скорость изменения поверхностной концентрации и имеющий немонотонную температурную зависимость. Такая немонотонность обусловлена конкуренцией двух процессов: встраивания . Sb в растущую пленку и десорбции ее с поверхности.
-
Показано существование конечной толщины эпитаксиального слоя кремния на поверхности Si(100) при низких температурах осаждения, выше которой происходит срыв эпитаксии.
-
Показано, что основная часть примеси при б-легировании занимает область толщиной, сравнимой с постоянной решетки, а ширина переходной концентрационной области определяется повышенной скоростью диффузии сурьмы в кремнии, обусловленной близостью поверхности к сильнолегированному 6-слою.
Практическая ценность.
Разработан комплекс аппаратуры и методика проведения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии кремния с контролем параметров, структуры поверхности и характеристик эпитаксиальных структур.
Определены закономерности легирования сурьмой в процессе МЛЭ-Sl. Они учитывают особенности встраивания и десорбции примеси и могут быть применены в широком диапазоне температур роста. Полученные данные могут быть использованы при создании эпитаксиальных структур с различным уровнем легирования. Найдены условия полного встраивания Sb в эпитаксиальную пленку кремния.
Разработана технология получения структур кремния, содержащих сильнолегированный б-слой сурьмы, и сверхрешетки на их основе. On-
- б -
ределенв толщина б-слоя и условия дефекте-образовании. Подобные структуры могут служить основой для создания приборов микро- и оп-тоэлектроники с уникальными характеристиками, таких как полевой транзистор с 5-легированным каналом, транзистор с проницаемой базой. n-i-p-і сверхрешетоки, фотоприемник инфракрасного излучения.
Получены данные о десорбции атомов Sb с поверхности кремния из различных состояний: в условиях существования различных двумерных фаз и в условиях падающего потока S1, т.е. непосредственно в процессе синтеза полупроводниковых структур.
На зашиту выносятся следующие положения:
-
Результаты экспериментальных исследований областей существования примесных двумерных фаз сурьмы на поверхности Si(111).
-
Результаты экспериментальных исследований закономерностей десорбции Sb с поверхности SK111) для различных двумерных примесных фаз и в процессе роста легированных слоев кремния методом МЛЭ.
-
Экспериментальные результаты по определению коэффициентов встраивания сурьмы при низкотемпературной МЛЭ-Sl (300600С).
-
Кинетическая модель легирования Sb в процессе МЛЭ-Sl, в которой используются экспериментально полученные коэффициенты встраивания и десорбции.
'5. Результаты экспериментальных исследований распределения примеси в сложных эпитаксиальных структурах, содержащих 5-слои Sb, полученных методом МЛЭ-Si.
Апробация работы:
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: 5 Международной летней школе по росту кристаллов (Болгария, Варна, 1985), 7 конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, 1986). Симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (ГДР, Фракфурт/Одер. 1937), 5 Всесоюзном семинаре по вторично-ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков, 1988), 7 Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), 6 Международной летней школе по росту кристаллов (Болгария. Варна, 1988), Всесоюзной конференции "Поверхность-89" (Черноголовка, 1989). 3 Международном симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (Болгария, Велико Тырново, 1989), Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград. 1989),
Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (ГДР, Берлин, 1990), 1 Международной конференции по эпитаксиапьному росту (Будапешт. Венгрия, 1990), 6 Европейской конференции по молеку-лярно-лучевой эпитаксии и соответсвующим методам роста (Тампере. Финляндия, 1991), Конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992).
Публикации: Основные материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Она содержит 129 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 3 таблицы и список литературы, состоящий из 83 наименований.
