Введение к работе
Актуальность темы
Одним из актуальных направлений в современной физике твердого тела является создание структур пониженной размерности на поверхности полупроводниковых кристаллов. Существенную роль в процессах формирования наноструктур играет диффузия атомов и реакции точечных дефектов на поверхности, границах раздела и в объеме кристалла. Создание современных полупроводниковых приборов базируется на технологиях молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющих создавать тонкие пленки и субмонослойные покрытия в сверхвысоковакуумных условиях с контролем температуры, скорости осаждения и химического состава эпитаксиальных слоев. Разработанные на основе экспериментальных данных теоретические модели, описывающие механизмы эпитаксиального роста, основаны на представлениях о диффузии адсорбированных на поверхности кристалла атомов и их взаимодействии с атомными ступенями, дислокациями и другими дефектами поверхности. В то же время, наличие поверхностных вакансий, всегда формирующихся на грани кристалла при отличных от абсолютного нуля температурах, в большинстве случаев не рассматривается, так как эпитаксиальный рост кристаллов в методе МЛЭ происходит в условиях высокого пересыщения по адатомам и существованием поверхностных вакансий можно пренебречь. Однако для описания физических процессов таких, как сублимация, плавление и травление кристалла наличие поверхностных вакансий необходимо учитывать. Визуализация на атомном уровне этих процессов, протекающих при повышенных температурах, затруднена. Значительные колебания атомов в узлах кристаллической решетки, а также быстрая диффузия осложняют анализ атомной структуры и морфологии поверхности, например, методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), широко используемой для анализа атомной структуры поверхности. Однако информацию о механизмах взаимодействия адсорбированных атомов с поверхностными стоками при повышенных температурах можно
(
получать из анализа поведения атомных ступеней, дислокаций, двумерных островков в процессах сублимации, гомо-и гетероэпитаксиального роста, адсорбции металлов и экспозиции в газовой атмосфере.
Взаимодействие кислорода с поверхностью кремния представляет интерес для технологических применений, поскольку формирование диэлектрических слоев из окисленного кремния является одной из важнейших стадий в производстве современных полупроводниковых устройств. С фундаментальной точки зрения эта задача важна для понимания атомных механизмов формирования границ раздела полупроводник - диэлектрик. Исследования взаимодействия кислорода с поверхностью кремния при повышенных температурах показывают, что микроморфология поверхности может изменяться в процессах термического травления кремния. Тем не менее, детального анализа морфологических и структурных перестроек поверхности кремния с учетом ансамбля поверхностных вакансий, которые могут формироваться на террасах при взаимодействии с кислородом, не проводилось.
На современном этапе развития нанотехнологий все более актуальным становится разработка новых и совершенствование уже существующих методов контроля морфологии поверхностей кристаллов с точностью на уровне одного монослоя с целью создания двух- одно- и нуль-мерных нанообъектов. Для этого необходима детальная информация о кинетике и механизмах взаимодействия с поверхностными стоками не только адатомов и вакансий, но также и чужеродных атомов, всегда присутствующих на поверхности кристалла. Система "золото на кремнии" является модельным примером адсорбции атомов металлов на полупроводниковой подложке. Анализ литературных данных показывает, что большинство работ, посвященных изучению начальных стадий адсорбции атомов золота на поверхности кремния, проводились при низких температурах подложки, когда сублимацией кремния и адсорбата можно пренебречь. В то же время особенности формирования микрорельефа в процессе осаждения золота остаются не выясненными из-за трудностей визуализации атомной структуры поверхности при повышенных температурах. В связи с этим, представляет интерес экспериментальное
исследование структурных перестроек поверхности кремния в условиях осаждения золота при повышенных температурах с возможностью прямого наблюдения этих перестроек. Для проведения экспериментальных исследований при высокой температуре традиционно используются электронно-микроскопические методы, которые в сочетании с высоко-разрешающими методами сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) открывают новые возможности для получения информации о структурных процессах на поверхности кристалла на атомном уровне. Среди методов электронной микроскопии особо следует выделить in situ методы, позволяющие непосредственно в процессе эксперимента визуализировать структурные процессы на поверхности исследуемого кристалла. Одним из таких методов, сочетающих в себе высокое пространственное разрешение с возможностью проведения insitu экспериментов, является метод сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ).
Целью диссертационной работы является определение атомных механизмов структурных и морфологических трансформаций вицинальной поверхности кремния (111) в условиях термического травления в потоке молекулярного кислорода и при адсорбции золота при повышенных температурах.
Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:
Выяснение атомных механизмов термического травления атомно-чистой поверхности кремния в молекулярном кислороде при низких давлениях газа.
Определение физических закономерностей взаимодействия поверхностных вакансий, формирующихся в процессе термического травления кремния в кислороде, с атомными ступенями.
Определение влияния адсорбции золота на стабильность морфологии поверхности кремния (111) при повышенных температурах.
Анализ влияния поверхностной и объемной диффузии атомов
золота в приповерхностной области кремния на процессы
формирования морфологии поверхности кремния (111)
при повышенных температурах.
Научная новизна работы
На основе анализа атомных механизмов взаимодействия поверхностных вакансий с моноатомными ступенями на поверхности кремния (111) определена энергия активации поверхностной диффузии вакансии (1.35 ±0.02 эВ), характеризующая процессы массопереноса.
Из сравнения расчетных данных и экспериментально измеренных скоростей движения атомных ступеней в условиях термического травления кремния молекулярным кислородом оценена равновесная концентрация поверхностных вакансий (=0.02 монослоя) на поверхности кремния (111) при 900С.
Установлена зависимость морфологических переходов регулярные ступени <=> эшелоны ступеней на поверхности кремния (111) от степени покрытия золотом в интервалах концентраций золота 0.1-0.7 МС.
Обнаружено, что в условиях нагрева кристалла кремния прямым пропусканием постоянного электрического тока в интервале температур подложки 830-1260С смена полярности приложенного напряжения приводит к перераспределению атомных ступеней на поверхности с субмонослойным покрытием золота из регулярного расположения в систему эшелонов ступеней и наоборот.
Практическая ценность работы
Разработаны методы генерации поверхностных вакансий на грани кремния (111) в процессе термического травления подложек кремния молекулярным кислородом при температурах выше 500С.
Разработана технология создания наноструктур (массивов отрицательных островков моноатомной глубины) на поверхности кремния (111) в условиях двумерно-островкового механизма
термического травления кремния в потоке молекулярного кислорода. Разработаны методы выглаживания поверхности кремния с ориентацией (111), основанные на контролируемом управлении распределением атомных ступеней при взаимодействии с кислородом и осаждении субмонослойных покрытий золота.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных научных конференциях:
IV, V и VI Российских конференциях по физике полупроводников, (Новосибирск, 1999, Нижний Новгород, 2001, Санкт-Петербург, 2003); International Autumn School on Electron Microscopy "Diffusion and Reactions at Solid-Solid interfaces", (Halle, Germany, 2001); International Workshop "Scanning Probe Microscopy-2001, 2002, 2003" (Nizhny Novgorod); V Международной школе-семинаре "Эволюция Дефектных Структур в Конденсированных Средах", (Барнаул, 2000); XVIII Российской Конференции по Электронной Микроскопии, (Черноголовка, Россия 2000); 5th Russia-Japan seminar on semiconductor surfaces, (Vladivostok, 2002); Международное рабочее совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния "Кремний-2002", (Новосибирск, 2002); XIII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, (Черноголовка, 2003); III Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, "Кремний 2003", (Москва 2003); 12th International Symposium "Nanostmctures: Physics and Technology", (St Petersburg, 2004); Симпозиум "Нанофизика и Наноэлектроника" 25-29 марта, (Нижний Новгород, 2005); International Autumn School on "Microscopy of Tomorrow's Industrial Materials", (Berlin, 2005); III Российское международное совещание по росту кристаллов и пленок кремния и исследованию их физических свойств и структурного совершенства "Кремний-2006", (Красноярск, 2006), XI ежегодный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", (Нижний Новгород, 2007); VIII
Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2007", Екатеринбург, 3.09 - 5.10, 2007; 15-th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Novosibirsk, June 25 - 29, 2007; V конференция молодых ученых CO РАН, посвященная М.А. Лаврентьеву, Новосибирск, Россия, 20 - 22 ноября, 2007; XXII Российская конференция по электронной микроскопии (РКЭМ-2008), Черноголовка, Россия, 3-6 июня, 2008; XIII Национальная конференция по росту кристаллов (НКРК-2008), Москва, 17-21 ноября, 2008; первая международная школа-семинар по фундаментальным проблемам микро- и наносистемной техники (MNST' 2008), Новосибирск, 10-13 декабря, 2008.
Публикации
Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 12 рецензируемых статьях и 20 расширенных тезисах ведущих отечественных и международных конференций.
На защиту выносятся следующие положения:
Взаимодействие кислорода с поверхностью кремния (111) при повышенных температурах и низких давлениях газа приводит к смещению атомных ступеней со скоростью пропорциональной ширине прилегающих к ступени террас. Смещение ступеней обусловлено встраиванием в атомные ступени поверхностных вакансий, образующихся на террасах при взаимодействии с кислородом.
Увеличение плотности поверхностных вакансий за счет увеличения давления кислорода приводит к возрастанию скорости перемещения ступени, уменьшению длины миграции адатомов кремния и формированию двумерных отрицательных островков.
Осаждение золота на поверхность кремния (111) при температуре подложки 900С приводит к последовательным морфологическим переходам (РС}(0) => {ЭС}(0.07) => (РС}(0.24) => {ЭС}(0.42). В скобках приведены оценочные значения критических покрытий золотом в монослоях, при которых происходят переходы.
При нагреве подложки кремния постоянным электрическим током в интервале температур 830-1260С изменение полярности приложенного к образцу напряжения приводит к изменению направления движения атомных ступеней на поверхности с субмонослойным покрытием золота.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в постановке экспериментов и проведении экспериментальных исследований с помощью методов in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной и ex situ атомно-силовой микроскопии, проведении расчетов, анализе полученных результатов и написании статей.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения с общими выводами и списка литературы из 287 наименований. Общий объем диссертации - 205 страниц, включая 53 рисунка и одну таблицу.
