Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс современных методов наращивания тонких кристаллических пленок (в особенности, метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ)) открыл возможность получения многослойных структур с заданным практически произвольным распределением легирующей примеси по глубине. Особое место среди последних достижений технологии занимает формирование структур с так называемыми дельта-легированными слоями. Под дельта-легированием понимают создание структуры, в которой легирующая примесь находится в сверхтонком слое и, таким образом, распределение примеси по глубине описывается дельта-функцией Дирака. В идеале толщина дельта-слоя совпадает с толщиной одного атомного слоя. Дельта-легированные слои представляют большой интерес для фундаментальных исследований как уникальная система с квази-двумерным газом носителей заряда (электронов или дырок) и находят применение в ряде полупроводниковых приборов. В результате этого дельта-легированные слои стали объектом интенсивного исследования, и к настоящему времени накоплена обширная информация о процессах их формирования, структуре, электрических свойствах и приборном применении.
Качественно новый шаг в развитич дельта-легирования связызают с упорядоченным дельта-легированием, т.е. с формированием двумерных упорядоченных структур атомов легирующей примеси внутри дельта-слоя (при обычном (традиционном) дельта-легировании атомы примеси распределены внутри дельта-слоя случайным образом). Два возможных преимущества для приборных применений связывают с упорядоченным дельта-легированием: (1) значительное понижение статистического предела размера элементов сверхбольших интегральных схем и (2) увеличение подвижности носителей заряда в слоях с периодической структурой атомов примеси.
Для решения задачи упорядоченного дельта-легирования предполагается использовать упорядоченные поверхностные фазы, которые формируются при осаждении суб-монослойных пленок адсорбатов в условиях, близких к равновесным. Двумерная структура атомов адссрбата (легирующей примеси) в поверхностной фазе является своего рода "заготовкой" для упорядоченного дельта-легирования, и в том случае, если при последующем наращивании покрывающего слоя эта структура будет сохранена на "захороненной" границе раздела, то поставленная задача будет решена. Такие структуры
мы будем называть "встроенными поверхностными фазами". Кроме улучшенных характеристик по сравнению с традиционными дельта-легированными слоями встроенные поверхностные фазы могут иметь и особые свойства, т.к. известно, что сами поверхностные фазы часто обладают электронной структурой и физическими свойствами, сильно отличающимися от таковых для объемных материалов.
Имея в виду, что кремний является основным материалом современной полупроводниковой электроники, исследование встроенных поверхностных фаз на основе кремния представляет особый интерес.
Цель работы
Для успешного формирования встроенных поверхностных фаз и исследования их свойств необходимо решение ряда научных и технологических задач, которые и составили содержание настоящего исследования.
-
Исследование поверхностных фаз элементов III и V группы Таблицы Менделеева (т.е. акцепторных и донорных примесей) на поверхности кремния. Определение условий формирования и областей стабильности поверхностных фаз, построение фазовых диаграмм (диаграмм состояния). Установление структуры и состава поверхностных фаз. Исследование процессов формирования совместных поверхностных фаз при коадсорбции атомов двух элементов.
-
Исследование основных закономерностей роста пленок Si с помощью метода твердофазной эпитаксии (ТФЭ). Определение роли параметров роста (температуры отжига, ориентации подложки, присутствия примесей) на кинетику кристаллизации с структурное совершенство эпитаксиальных слоев Si.
-
Исследование роста аморфных и эпитаксиальных пленок Si на поверхностных фазах. Выяснение связи стабильности поверхностных фаз и их атомной структуры. Изучение перераспределения примеси в ходе наращивания покрывающего слоя Si и поиск путей подавления размытия профиля примеси.
-
Определение основных электрофизических свойств (подвижности и слоевой концентрации носителей заряда) структур, содержащих встроенные поверхностные фазы.
Научная новизна
Работа содержит нсзые экспериментальные и методологические результаты, наиболее важными из которых являются следующие:
-
Разработана и впервые использована оригинальная методика определения характеристик твердофазной эпитаксии (скорости кристаллизации и структурного совершенства выращенных слоев) с помощью метода дчфрзкции медленных электронов.
-
Впервые исследовано образование поверхностных фаз в субмонослойных системах B/Si(lll), B/Si(110), Sb/Si(110), Al/Si(110), (AI,Sb)/Si(100), (Al,Sb)/Si(lll) и (AI,Sb)/Si(110). Открыто более 10 ранее неизвестных поверхностных фаз.
-
Для формирования поверхностных фаз в системе B/Si впервые использован высокотемпературный прогрев образцов Si, сильно легированных бором, приводящий к накоплению бора на поверхности. В результате была получена поверхностная фаза Si(lll)v/3 х уД-В, выявлены ее типичные дефекты, определены их атомная структура и условия формирования, а также была предложена оригинальная модель атомной структуры поверхности B/Si(100).
-
Систематически исследованы основные закономерности твердофазной эпитаксии пленок кремния, напыленных s сверхвысоком вакууме, в том числе влияние ориентации подложки Si, температуры и длительности отжига, вакуумных условий и присутствия примесей на кинетику кристаллизации и качество эпитаксиальных слоев.
-
Впервые на атомарном уровне исследован рост пленок Si на поверхностных фазах B/Si(lll) и B/Si(100).
-
На основе систематического исследования широкого набора поверхностных фаз в субмонослойных системах Al/Si, Sb/Si и B/Si установлена связь между их стабильностью и поверхностной структурой.
-
Впервые достоверно исследовано перераспределение примеси на расстояния атомного масштаба в ходе формирования дельта-легированного слоя.
-
Выявлено влияние атомной структуры поверхностных фаз на электрические характеристики структур со встроенными поверхностными фазами в системах Al/Si, Sb/Si и B/Si, покрытыми слоем аморфного кремния.
9. В ряде структур со встроенными поверхностными фазами обнаружены рекордно высокие значения концентрации носителей заряда и их подвижности.
10. Впервые исследованы электрические свойства многослойных структур, содержащих встроенные поверхностные фазы B/Si и тонкие слои Ge.
Научная и практическая ценность работы
Научная и практическая ценность работы заключается в развитии методики формирования дельта-легированных слоев в Si и создании нового типа структур со встроенными поверхностными фазами на "захороненной" границе раздела. При решении этой задачи были получены, в частности, следующие результаты, представляющие научный интерес и практическую ценность:
-
Определены условия формирования поверхностных фаз при адсорбции атомов Sb (донорной примеси) и В,А1 (акцепторной примеси) на основных гранях Si и построены фазовые диаграммы субмонослойных систем "адсорбат/кремний". Эта информация важна для управляемого выращивания методом МЛЭ различных многослойных структур на основе кремния.
-
Исследованы особенности твердофазной эпитаксии (ТФЭ) кремния в условиях сверхвысокого вакуума. Выявлена роль основных параметров, определяющих рост в твердой фазе (ориентации подложки, толщины пленки, температуры отжига и др.). Систематически исследованы возможности метода для формирования многослойных структур на основе кремния. Метод ТФЭ имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной методикой МЛЭ.
-
Проведена классификация поверхностных фаз по их стабильности, определены основные закономерности роста аморфных и эпитаксиальных пленок Si на поверхностных фазах. Систематически исследованы электрические свойства структур, содержащих различные встроенные поверхностные фазы, покрытые слоем аморфного кремния, что важно для перспективного использования поверхностных фаз в полупроводниковых приборных структурах.
-
Уникальные свойства (рекордно высокие уровни легирования, повышенные значения подвижности носителей заряда), обнаруженные s ряде структур со встроенными поверхностными фазами предполагает, что при определенной оптимизации
эти структуры могут быть использованы для создания новых полупроводниковых приборов.
Защищаемые положения
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Определенные в работе условия формирования и построенные фазовые диаграммы для поверхностных фаз на кремнии с адсорбатами Sb, AI, В (в том числе и в двух-адсорбэтных системах) позволяют надежно и воспроизводимо получать широкий набор поверхностных фаз, различающихся составом, структурой и свойствами.
-
Результаты исследования процессов твердофазной эпитаксии пленок кремния с различным типом примеси и уровнем легирования на подложках кремния с различной ориентацией при варьировании температуры и длительности отжига дают возможность управляемого формирования многослойных кремниевых структур с резкими границами.
-
Исследование стабильности поверхнностных фаз при наращивании субмонослой-ных пленок Si показало, что наиболее стабильными оказываются поверхностные фазы, в которых атомы адсорбата занимают замещающие положения в приповерхностном слое (например, Si(lll)\/i5 х \/3-В) или поверхностные фазы, имеющие DAS- (димер-адатом-дефект упаковки) структуру (например, Si(lll)7x7), т.е. по верхностные фазы, разрушение которых предполагает значительные перестройки приповерхностной области. При формировании структуры "3nH-Si/B/Si(100)" сегрегация бора может быть подавлена даже на расстояния атомного масштаба. При последовательном формировании в сверхвысоком вакууме стабильной поверхностной фазы на Si и наращивании на ней с помощью методов твердофазной эпитаксии или низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии слоя Si возможно частичное или даже полное сохранение упорядоченной структуры адсорбата на захороненной границе раздела, т.е. формирование встроенной поверхностной фазы.
-
В исследованных структурах со встроенными поверхностными фазами, покрытыми слоем аморфного Si, только поверхностные фазы B/Si демонстрируют практически полную электрическую активацию атомов бора, приводящую к металлическому характеру проводимости в них. В остальных фазах активация легирующей
примеси ничтожно мала. В метастабильных структурах со встроенными поверхностными фазами могут быть получены уникальные свойства: сверхвысокие концентрации носителей заряда и повышенные значения их подвижности.
Апробация работы
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Всесоюзной конференции по использованию современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле (г.Хабаровск, 1981), I и III Всесоюзных конференциях по физике и технологии тонких пленок (г.Ивано-Франковск, 1981 и 1990), VI и VII Всесоюзных конференциях по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (г.Новосибирск, 1982 и 1986), Всесоюзном симпозиуме по физике поверхности твердых тел (г.Киев, 1983), VI Всесоюзной конференции по росту кристаллов (г.Ереван, 1985), I Всесоюзной школы по термодинамике и технологии полупроводниковых кристаллов и пленок (г.Ивано-Франковск, 1986), I Всесоюзной конференции "Диагностика поверхности" (г.Каунас, 1986), VI Всесоюзной конференции по физическим и химическим основам микроэлектроники (г.Вильнюс, 1987), VII Международной конференции по росту кристаллов (г.Москва, 1980), IX Международном вакуумном конгрессе (г.Мадрид, Испания, 1983), VIII Американской конференции по росту кристаллов (г.Вэйл, США, 1990), VI Европейской конференции по молекулярно-лучевой эпитаксии (г.Тампере, Финляндия, 1991), IX Международной конференции по вакуумной металлургии (г.Антиб, Франция, 1992), I и II Российско-Японском семинаре по поверхности полупроводников (г.Владивосток, 1993, г.Осака, Япония, 1995), III Международном симпозиуме по эпитаксии атомных слоев и процессам на поверхностности (г.Сендай, Япония, 1994), XV и XVI Европейских конференциях по физике поверхности (г.Лилль, Фрзнция, 1995; г.Генуя, Италия, 1996), Международном симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии Si (г.Страсбург, Франция, 1995), II Международной конференции по физике низкоразмерных структур (г.Дубна, 1995), V Международной конференции по структуре поверхности (г.Аикс-ен-Провенс, Франция, 1996) и др.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 64 печатных работ. Список основных из них приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
