Транспорт собственных и примесных атомов при прогреве кремния в вакууме Кожухов, Александр Викторович

Введение к работе

. - .г, і

^;- Актуальность работы. Мэлэкулярно-лучевая эпитаксия (ШЭ) кремния открывает новые возможности в создании кремниевых полупроводниковых структур. Основным преимуществом метода ИШЭ по сравнешпо с газофазными методами является возможность получения резких профилей распределения примесей, так как процесс ведется в условиях свехвысокого вакуума (СВВ) и при сравнительно низких температурах (600-800 С). Однако, в процессе предэпитаксиальной обработки в вакууме при температурах 800-1300С с поверхности Si могут испаряться как прримесные гак и собственные атомы. Особенно это относится к таким "летучим" примесям, как фосфор, мышьяк, галлий, сурьма. Последние две вызывают повышенный интерес, так как являются основными легирующими примесями в Ш1Э кремния (испаряемые из эффузионных ячеек фосфор и мышьяк при температурах зпитаксии обладают очень малыми коэффициентами прилипания и в нейтральном состоянии практически не применяются). Интерес к исследованию транспорта собственных и примесных атомов из кристалла в вакуум обусловлен ещё и тем, что в ряде случаев для создания молекулярных (атомарных) потоков Si и легирующих примесей используются явления сублимации кремния и испарения примесей из кристалла. Кроме того, из данных о процессах десорбции и сублимации модно получать информацию о физических процессах на поверхности Si (величину энергии связи, например), которые оказывают влияние и на процесс легирования при эпитаксии.

Цель работы. К началу наших исследований было выполнено значительное количество работ по изучению сублимации атомов и моделированию изолированных кластеров кремния. Тем не менне, имелись лишь отдельные данные о термической сублимации кластеров кремния в вакуум и полностью отсутствовали данные о сублимации кластеров с различных кристаллографических поверхностей кремния. Больше количество работ посвящено изучению параметров и механизмов диффузии примесных атомов в кремнии. Коэффициенты диффузии и их энергии активации имеют значительный разброс. Разработано несколько моделей для расчета профилей распределения примесей в

- 4 -прогретых в вакууме кристаллах. Однако, экспериментальных исследований процесса испарения легирующих приыэсей недостаточно для количественных расчетов. Поэтому целью настоящей работы являлось изучение масс-спектрометрическими методами процессов транспорта собственных и примесных атомов (кластеров) через границу раздела кремний-вакуум.

Основные задачи работы включали в себя:

1. Изучение в условиях СЕВ процесса сублимации атомов и кластеров кремния с поверхностей, отличающихся ориентацией, а также типом и количеством атомных ступеней.

2. Исследование диффузии и испарения примесных галлия и сурьмы при прогреве кремния в СВВ.

Научная новизна. В работе впервые систематически изучены температурные зависимости потоков атомов и кластеров кремния с различных кристаллографических поверхностей (Si(111), (100), (311)), а также с поверхностей Si(lll), отличающихся количеством и типом атомных ступеней. Установлено, что кластеры, наблюдаемые в потоке кремния при сублимации, формируются в адсорбционном слое на поверхности, который находится в состоянии, близком к равновесию с поверхностью. Предложена модель процесса образования кластеров на поверхности, качественно объясняющая зависимость энергии сублимации кластеров от числа атомов в кластере. Из модели следует, что на поверхности Si(lll) шестиатомный кластер имеет форму замкнутого гексагонального кольца и меньшую энергию сублимации по сравнению с Si(100), на которой Si₆ - имеет линейную структуру.

Определены коэффициенты диффузии и испарения галлия и сурьмы при транспорте их через поверхность кремния в вакуум в интервалах температур 580-1300С для галлия и 900-1300С для сурьмы. Построены энергетические диаграммы, описывающие этот процесс, из которых следует, что лимитирующим фактором для испарения галлия и сурьмы является диффузионный массоперенос в приповерхностной области кристалла. Обнаружены эффекты поверхностной ионизации галлия при его десорбции с поверхности кремния и поверхностной сегрегации галлия при относительно низких температурах отжига (около

- Б -

600 С). Установлено, что толщина сегрегационного слоя составляет величину порядка одного монослоя. Возможной причиной поверхностной сегрегащш является появление двойного эхегсгрического слоя на поверхности кремния (поверхностный изгиб зон).

На запиту выносятся:

3. Результаты зкспериі.анталькь& исследований процесса сублимации атонов и кластеров крешпи с поверхностей Si(lll), (100), (311).

4. !Ьдель кластерообразования на поверхностях Si(lll) н (100).

5. Результаты экспериментальных исследований процесса диффузия и кспарешш примесной сурыш ка кремни. Энергетическая диагрЕїі-^fja, опксываюсая процесс диффузии п испарения суръш через границу кремний-вакуум.

6. Результаты экспериментальных исследований перераспределения примесного галлия при прогреве кремния в вакууме. Энергетическая диаграмма, описывающая процессы диффузии, испарения и поверхностной сегрегации галлия.

Практическая ценность. Создана установка для ыасс-спектрокетр-ческих кйтодов исследования процессов десорбции и диффузии принесен при прогреве полупроводников в условиях сверхвысокого вакуу-ш.

Разработана методика регистрации потоков атомов и кластеров кремния с помощью масс-спектрометра в строком диапазоне теыпера-тур. Определены скорости сублимации кремния и энергии сублимации атомов и кластеров кремния Si_a- Si₆.

Определены коэффициенты диффузии и испарения галлия и сурьш, позволяющие производить вычисления профилей распределения и потоков данных примесей после и во время прогрева легированного кремния в вакууме при произвольных температурах и временах. Эффек? поверхностной ионизации галлия может использоваться в лабораторных установках МЛЭ кремния для создания низкоэнергетичного ионного пучка легирующей примеси.

Разработанный в ходе данной работы ионный источник для послой-

- 6 -ного анализа внедрен на двух предприятиях.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре по вторично-ионной и ионно-фотонной эмиссии /Харьков, 1983/, 7 Бсесоивной конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок и семинаре по ШВ /Новосибирск, 1986/, Всесоюзном семинаре по вторично-ионной и ионно-фотонной эмиссии /Харьков, 1988/, 7 Всесоюзной конференции по росту кристаллов и симпозиуме по ШВ /Москва, 1988/, 6 международной летней школе по росту кристаллов /Варна, 1988/.

Публикации. Основное содержание работы изложено в семи статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из из введения, четырех глав и заключения с выводами, двух прило-зкений и списка литературы. Она содержит 96 страниц текста, 57 рисунков, 7 таблиц. Список цитируемой литературы включает в себя 92 наименования.