Введение к работе
Актуальность работы.
Исследования процессов образования субмикронных слоев на поверхности монокристаллов металлов и полупроводников привлекают к себе устойчивое внимание. Этими процессами определяются свойства искусственных слоистых структур, которые активно используются как для развития элементной базы новых микроэлектронных устройств обработки сигналов, так и для исследования новых физических явлений.
Объектом исследований настоящей работы явились монокристаллическне ниобий и кремний. Этот выбор обусловлен рядом следующих причин.
Монокристалличеснй ниобий является перспективным материалом для создания джозефсоновских туннельных переходов (ДТП) с высокими плотностями токов, без эффектов локального перегрева, с малыми емкостями, отсутствием токов утечки, высокостабильных и выдерживающих многократное охлаждение до 4 К. Именно такие структуры нужны для реализации теоретической возможности использовать ДТП в сверхчувствительных быстродействующих спектроанализаторах СВЧ и ИК диапазонов [Y. Y. Divin, О. Y. Polyanski, A. Y. Shulman. Incoherent radiation spectroscopy based on a.c. Josephson effect. //IEEE Trans. -1983.-MAG-19.- P.613-615]. В ряде работ предпринимались усилия по созданию переходов, обладающих некоторыми из указанных свойств на основе полнкристаллических и эпитаксиальных пленок ниобия с барьерными слоями, полученными разными способами. К недостаткам этих структур относятся высокая дефектность и насыщенность кислородом ниобиевого электрода. В связи с этим представляет интерес изучение возможности создания джозефсоновских туннельных переходов на основе монокристаллического ниобия с барьером из собственного оксида ниобия, по параметрам сверхпроводящего материала и барьера не уступающих переходам на основе поликристаллических и эпитаксиальных пленок ниобия. Для решения этой задачи необходимым оказалось развитие методики контроля состояния поверхности ниобия и изучение особенностей процессов роста нанослоев на поверхности монокристаллического ниобия.
Монокристаллический кремний представляет в настоящее время интерес в микроэлектронике как основа для молекулярно-лучевоп
эпитаксии структур с напряженными слоями сплава германий-кремний SixGei-x. Этот материал хорошо согласуется с широко используемым в микроэлектронике кремнием и вписывается в основные технологические процессы производства кремниевых приборов. Вместе с тем для него теоретически предсказываются новые эффекты, которые расширяют возможности кремниевой микроэлектроники. Этими причинами обусловлено проведение исследований влияния процессов эпитаксиального выращивания совершенных напряженных слоев сплава GexSiі_х на свойства получаемых структур. В рамках этого направления дополнительного изучения потребовали процессы испарения кремния и легирующих примесей, проблема получения чистой бездефектной ростовой поверхности.
Одной из целей изучения процессов роста слоев на поверхности
ниобия и кремния и развития методов их контроля является перход к
анализу свойств соединений, образующихся на границе раздела
переходный мегалл - кремний. Эти соединения влияют как на
параметры контакта металл-полупроводник в кремниевых структурах,
так и на свойства ДТП с использованием пленки кремния в качестве
барьерного слоя. і
Оже-электронная спектроскопия (ОЭС), как средство изучения процессов на поверхности, позволяет быстро и однозначно идентифицировать химический состав поверхностного слоя и оценивать его толщину для широкого класса материалов, не извлекая образец из технологической установки. Этими обстоятельствами обусловлен выбор ОЭС, как аналитического средства, в настоящей работе. Известна методика количественного определения толщины и состава слоев по оже-спектрам [В. А. Горелик. Формализация метода количественной электронной оже-спектроскопин. //Электронная промышленность. -1978.-№ 11-12. -С. 38-42.]. Однако, задача расчета параметров такой слоистой структуры, в разные слои которой входит один и тот же химический элемент - общий элемент, не решена.
Обозначенные нерешенные проблемы определили постановку цели диссертационной работы и формулировку ее основных задач.
5 Цель работы
-изучить особенности процессов образования ианослоев на поверхности монокристаллов ниобия и кремния, используя метод количественной оже-электронной спектроскопии.
Для достижения цели в работе решены следующие задачи:
-усовершенствована методика количественного анализа оже-спектров для субмикронных слоистых структур, содержащих общие химические элементы в подложке и пленках;
-проведен анализ процессов образования слоев собственного оксида на ниобии и обоснована достоверность результатов применения усовершенствованной методики ОЭС;
-исследованы процессы очистки поверхности кремния и ниобия и связанные с ними процессы сегрегации примесей в поверхностных слоях;
-исследованы процессы легирования кремния бором при мо-лекулярно-лучевой эпитаксии напряженных пленок сплава GexSij.x.
Научная новизна.
Предложен метод решения задачи количественного расчета толщины и химического состава поверхностных слоев, содержащих общин химический элемент, по оже-электронным спектрам. Этот метод является одним из немногих, пригодных для оценки толщины нанослоев и позволяет при расчете учитывать химический состав слоев и подложки. Предложенный метод расчета использован для анализа и контроля слоистых структур в технологических процессах на ниобии, кремнии и полупроводниковых соединениях группы AlIlBV.
Впервые исследовано образование поверхностного слоя сульфида ниобия в результате поверхностной сегрегации серы, входящей в виде примеси в слой собственного оксвда ниобия, полученного окислением в воздухе.
Впервые объяснена причина сегрегации при высоковакуумном отжиге углеродных примесей на поверхности кремниевой подложки, подвергнутой очистке методом ультрафиолетового облучения в воздухе.
Доказана ошибочность имеющихся в литературе представлений об испарении борной кислоты в эффузионной ячейке для легирования бором и впервые предложен механизм испарения оксвда бора в форме
ВО из ячейки, содержащей оксид бора В2О3. Этот подход дал возможность объяснить в работе реакцию восстановления бора кремнием на поверхности растущей эпитаксиальной пленки и удаление кислорода в форме монооксида кремния. Практическая значимость.
Для проведения расчетов по оже-спектрам создана база данных параметров химических элементов, необходимых для количественного анализа оже-спектров и набор программ расчета параметров структур на персональной ЭВМ. Их использование позволяет проводить экспресс-анализ состава и структуры пленок по оже-электронным спектрам.
Исследованы процессы очистки поверхности монокристаллического кремния перед молекулярно-лучевой эпитаксией в вакууме, и обоснована методика подготовки подложек. Суть этой методики заключается в использовании ультрафиолетового облучения в кислороде для пассивации поверхности слоем собственного оксида. Этот слой легко удаляется раскислением и позволяет получать чистую ростовую поверхность при пониженной температуре отжига в вакууме.
Сконструирован, изготовлен и использован в работе испаритель кремния, сочетающий достоинства сублимационного испарителя и эффузионной ячейки. Испарение кремния в нем происходит с кремниевой пластины, нагреваемой прямым пропусканием тока, а давление паров повышено за счет использования эффекта образования канала расплавленного кремния на поверхности пластины вдоль шнура тока.
Показана возможность создания джозефсоновских туннельных переходов с барьерным слоем из собственного оксида на основе монокристалла ниобия с ориентацией поверхности (ПО). Созданные контакты по концентрации примесей и дефектов в сверхпроводящем электроде превосходят получаемые на основе поликристаллического ниобия.
Созданы эпитаксиальные слои напряженного сплава германий-кремний разного состава с коэффициентом релаксации, близким к 0. Толщина этих нерелаксированных слоев близка к наибольшим, известным в литературе.
Работа выполнялась в рамках НИР и поисковых работ, проводимых по плану ИРЭ РАН. Апробация и публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-5]. Отдельные результаты представлялись на Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниковыми и полупроводниково-дюлектрическимн структурами структурами" (Саратов, 1988). Результаты работы включены в отчеты по плановым темам лаборатории субмикронной электроники Саратовского филиала ИРЭ и НИИМФ СГУ. Работа обсуждена на научно-квалификационном семинаре СФ ИРЭ.
Структура и объем работы.
