Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование пленок и наноструктур на пористых и кристаллических подложках 15
1.1. Формирование и свойства слоев пористого кремния 15
1.2. Получение полупроводниковых пленок на буферных слоях пористого кремния 18
1.3. Методы формирования наноструктур на поверхности твердых тел 21
1.3.1. Методы "bottom-up" 21
1.3.2. Методы "top-down" 27
1.4. Свойства и практическое применение полупроводников А4В6 и наноструктур на их основе 31
1.5. Выводы 34
Глава 2. Характеристика образцов и методика проведения эксперимента 36
2.1. Методика формирования слоев пористого кремния 36
2.2. Формирование структур с буферными слоями пористого кремния 37
2.3. Формирование эпитаксиальных пленок А4В6 на монокристаллическом кремнии 40
2.4. Методика плазменной обработки поверхности образцов 41
2.5. Атомно-силовая микроскопия как метод исследования морфологии поверхности 44
Глава 3. Морфологические свойства пленок А4В6, А1, ХСП на подложках монокристаллического и пористого кремния 49
3.1. Морфология пленок А4В6 49
3.1.1. Морфология поверхности пленок А4В6 на пористом кремнии ...49
3.1.2. Морфология поверхности пленок А4В6 на CaF2/Si(l 11) 51
3.2. Морфология поверхности алюминиевой металлизации на пористом кремнии 56
3.2.1. Морфология пленок А1 на подложках мезопористого кремния...57
3.2.2. Морфология пленок А1 на подложках макропористого кремния и ее модификация в ходе высокотемпературного отжига 59
3.3. Морфология пленок ХСП на пористом кремнии 68
3.4. Выводы 71
Глава 4. Морфология поверхности пленок А4В6 после плазменной обработки 73'
4.1. Морфология поверхности пленок А4В6 на подложках пористого кремния после обработки в аргоновой плазме 73
4.2. Формирование микро- и наноструктур на поверхности эпитаксиальных пленок А4Вб на подложках монокристаллического кремния в ходе обработки в аргоновой плазме 74
4.3. Зависимость морфологии поверхности эпитаксиальных пленок А4В6 от энергии ионов плазмы 80
4.4. Эволюция рельефа пленок А4В6 при увеличении длительности обработки 86
4.5. Модель микромаскирования при формировании микровыступов 89
4.6. Выводы 98
Глава 5. Формирование наноструктур А4В6 на подложках Si по методу "top-down" 99
5.1. Зависимость параметров нановыступов на поверхности A4B6/CaF2/Si(l 11) от режимов обработки в аргоновой плазме 99
5.2. Свойства массивов нановыступов на поверхности A4B6/CaF2/Si(lll) 103
5.3. Выводы 105
Основные результаты работы 107
Список использованных источников 109
- Получение полупроводниковых пленок на буферных слоях пористого кремния
- Формирование структур с буферными слоями пористого кремния
- Морфология поверхности пленок А4В6 на пористом кремнии
- Формирование микро- и наноструктур на поверхности эпитаксиальных пленок А4Вб на подложках монокристаллического кремния в ходе обработки в аргоновой плазме
Введение к работе
Актуальность темы. В современной технологии полупроводников крайне важным вопросом является изучение физических процессов, имеющих место в тонких пленках и гетероэпитаксиальных структурах в ходе процессов формирования и обработки. Напряжения и деформации в гетероструктурах являются актуальной темой исследований в последние годы. Релаксация напряжений способна привести к микро- и наноструктурированию пленок, что позволяет целенаправленно формировать микро- и наноструктуры с заданными свойствами, представляющими фундаментальный интерес и широкие перспективы практического использования.
Одной из главных проблем современной полупроводниковой технологии является создание высококачественных гетероэпитаксиальных систем на кремниевых основаниях, что позволяет совместить рабочие элементы и блок обработки информации в рамках одного кристалла. Как правило, материалы, выращиваемые на кремниевой подложке, имеют рассогласование постоянных решеток и температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР). Это приводит к появлению значительных механических напряжений в пленках и как следствие возникновению ряда структурных дефектов, таких как дислокации, которые серьезно сказываются на качестве работы полупроводниковых приборов. Напряжения в гетероструктуре могут быть релаксированы посредством деформации податливого пористого буферного слоя [1-2 и др.]. С другой стороны, пористые слои могут сами выступать в качестве активных элементов полупроводниковых приборов, в связи с чем актуальными становятся вопросьь роста и изучения физических свойств пленок полупроводников, металлов и других материалов на пористых основаниях. Наибольший интерес с данной точки зрения представляет пористый кремний (ПК), совместимый с традиционной Si-технологией. Высокая упругость ПК наряду с сохранением монокристаллической структуры кремния при невысокой пористости позволяет использовать ПК в качестве буферных слоев для эпитаксии.
Актуальной задачей является исследование свойств гетероэпитаксиаль-ных структур, содержащих пленки полупроводниковых материалов А4Вб, активно применяемых при производстве оптоэлектронных устройств ИК-диапазона [3]. Полупроводники А4В6 представляют особый интерес при получении структур пониженной размерности. Использование материалов А4В6, в частности халькогенидов свинца PbTe, PbSe, PbS, позволяет осуществить переход к размерному квантованию при характерных размерах элементов - нм (для сравнения, для Si боровский радиус экситона 5 нм) [4]. Аномально высо-кая величина диэлектрической проницаемости ( ) халькогенидов свинца приводит к высокой степени локализации электронов и отсутствию флуктуации потенциала в наноструктурах [5]. Квантовые точки (КТ) А4Вб актуальны для фундаментальных и прикладных исследований, поскольку позволяют наблюдать размерные эффекты в относительно протяженных наноструктурах и использовать их в системах оптической связи. Важной задачей, решение которой позволит производить нано- и оптоэлектронные устройства в рамках традиционной технологии, является создание массивов КТ А4В6 на кремниевых подложках.
Таким образом, исследование морфологических особенностей пленок на пористых подложках, изучение релаксационных процессов при внешних воздействиях в гетеросистемах с буферными слоями ПК, разработка методов формирования наноструктур А4Вб на кремниевых подложках являются актуальными проблемами, решение которых позволит создавать электронные и оптоэлектронные устройства с высокими техническими характеристиками.
Цель работы - исследование морфологии поверхности полупроводниковых пленок А4В6, халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) и алюминиевой металлизации на пористых и монокристаллических кремниевых подложках, изучение физических особенностей процессов поверхностной модификации пленок при плазменной обработке и термическом отжиге.
Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
1. Исследована морфология поверхности эпитаксиальных пленок А4В6 различного состава на кристаллических и пористых кремниевых подложках, изучены характер и физические основы изменения морфологии пленок А4В6 при сухом травлении в аргоновой плазме.
2. Разработаны режимы формирования полупроводниковых наноструктур А4Вб методами сухого-травления-.
3. Исследована морфология пленок А1 и ХСП на пористых и кристаллических подложках. Изучены особенности релаксации напряжений в исследуемых структурах и происходящие процессы модификации поверхности?
Научная»новизна диссертационнойработы заключается в следующем:
1. Впервые обнаружена роль пронизывающих дислокаций и террас на поверхности структур A4B /CaF2/Si(lll) в формировании микрорельефа поверхности в ходе плазменной обработки:
2. Впервые показана возможность формирования» наноструктур полупроводников А4В6 по технологии "top-down" путем плазменной обработки.
3. Впервые показано, что при высокотемпературном отжиге имеет место явле-ниє порообразования в алюминиевой металлизации на пористом кремнии.
Практическая ценность диссертационной работы:
1. Систематизированы экспериментальные данные о структуре пленок А4В6 на сплошных и-пористых подложках, что может быть использовано при формировании» гетероэпитаксиальных структур, меза-элементов и полупровод- никовых устройств на их основе.
2. Показаны особенности морфологии, имеющие место в пленках АІ и ХСП на макропористом кремнии, что позволяет выработать приемы по устранению нежелательного эффекта порообразования в таких пленках и уменьшению высот хиллоков.
3. Установлены закономерности плазменного травления пленок А4В в аргоновой плазме, определены технические параметры распыления.
4. Впервые получена экспериментальная методика формирования наноструктур А4В6 путем обработки пленок А4Вб на подложках CaF2/Si(l ) в аргоновой плазме.
Проведенные исследования позволяют вынести на защиту следующие положения:
1. Алюминиевая металлизация толщиной 1 мкм на макропористом кремнии является сплошной за счет формирования мостиков над порами. Высокотемпературный отжиг °С в инертной среде в течение - минут приводит к разрушению мостиков и порообразованию в алюминиевых пленках.
2. Травление в плотной индукционой аргоновой плазме низкого давления поликристаллических пленок А4В6, полученных на подложках пористого кремния, является однородным.
3. При обработке пленок A4B6/CaF2/Si(l ) и A4B6/BaF2(l ) в аргоновой плазме при реализации эффекта микромаскирования пронизывающие дислокации являются местом локализации микровыступов на поверхности.
4. Углы нанотеррас на поверхности пленок A4B6/CaF2/Si(l ) при травлении в аргоновой плазме приводят к появлению ансамбля нановыступов, что позволяет формировать наноструктуры А4В6 с фиксированными геометрическими параметрами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 7-й, 8-й, 9-й международных конференциях «Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, , , ); международной конференции «Микро- и наноэлектроника - (ICMNE- )» (Звенигород, ); научно-практической межрегиональной конференции «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника» (Ярославль, ); -й международной- конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП- )» (Звенигород, ); международной научно-технической конференции «Молодые Ученые - » (Москва, ); -й международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, ); Харьковской на-нотехнологической Ассамблее- (Харьков, ); 5-й международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, ); 5-й международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, ); международной научной конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, ); международной научной конференции «Пленки- » (Москва, ); 7-й, 8-й, 9-й научных молодежных школах по твердотельной электронике «Нано-технологии и нанодиагностика» (Санкт-Петербург, , ); 6-й, 7-й всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, , ) и др.
Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением высокоточных современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, сравнением полученых научных результатов с литературными данными, согласием предложенных моделей с результатами экспериментальных исследований.
Личное участие автора. В диссертации изложены результаты, полученные как лично автором под научным руководством проф. Зимина СП., так и в сотрудничестве с Герке М.Н. (АСМ-исследования), Амировым И.И. (плазменная обработка). Подготовка эксперимента, обработка и интерпретация всех полученных экспериментальных данных, построение зависимостей и физических моделей, ряд АСМ-исследований проводились соискателем самостоятельно. Научным руководителем проф. Зиминым СП. была оказана помощь в планировании эксперимента и построении физических моделей. Ряд гетероэпитакси-альных структур предоставил Цогг X. (ЕТН, Цюрих).
Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано работ, из них 5 — статьи в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ.
1. Zimin S.P., Gorlachev E.S., Amirov I.L, Gerke M.N., Zogg H., Zimin D. Role of threading dislocations during treatment of PbTe films in argon plasma II Semicond. Sci. Technol. - . - Vol. , No. 8. - P. - .
2. Zimin S.P., Bogoyavlenskaya E.A., Gorlachev E.S., Naumov V.V., Zimin D., Zogg H., Arnold M. Structural properties of Pbi.xEuxSe/CaF2/Si(l ) II Semicond. Sci. Technol.- .-Vol. , No. -P. - .
3. Зимин СП., Горлачев E.C., Герке М.Н. Свойства поверхности алюминиевого покрытия на макропористом кремнии // Поверхность. Рентген., синхротр. w нейтрон, исследования. — . - № . - С - .
4. Зимин СП., Горлачев Е.С., Герке М.Н. Порообразование в алюминиевых пленках на макропористом кремнии при высокотемпературном отжиге // Письма ЖТФ. - . - Т. , Вып. 4. - С - .
5. Зимин СП., Горлачев Е.С, Герке М.Н., Кутровская СВ., АмировИ.И. Морфология поверхности эпитаксиальных пленок Pbi.xEuxSe после плазменной обработки // Изв. вузов. Физика. - . - Т. , № - С - .
6. Амиров И.И., Горлачев Е.С, Зимин СП., Герке М.Н. Распыление эпитаксиальных пленок PbTe, PbSe, Pb EujSe в плотной аргоновой плазме // Труды -й международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП- )», Т. 3. - Звенигород, . - С. - .
7. Zimin S.P!, Gorlachev E.S., Amirov LI. Formation of IV-VL semiconductor nano-hillocks using Ar inductively coupled plasma II Proc. Int. Conf. "Micro- andnanoe-lectronics - ". - Zvenigorod, . - P2- .
8. Зимин СП., Горлачев Е.С, Амиров И.И: Формирование массива нановысту-пов на поверхности полупроводников А В методом плазменного распыления // Труды 9-й международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехно-логии и микросистемы». - Ульяновск: УлГУ, . - С. .
9. Зимин СП., Горлачев Е.С, Кантинова Е.А., Герке М.Н. AFM-исследования алюминиевой металлизации на пористом кремнии //Труды 7-й международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». — Ульяновск: УЛГУ, .-С. .
. Зимин СП., Горлачев Е.С, Герке М.Н. Исследование алюминиевой металлизации на мезопористом кремнии методами атомно-силовой микроскопии // Материалы международной научной конференции «Пленки- », часть Л.. — М1й.: МИРЭА, .-С - .
. Зимин СП., Горлачев Е.С,. Богоявленская Е.А., Бучин ЗіЮ;, Амиров ИіИ., Нестеров СИ., Герке М.Н:,. Zogg Н.,. Zimin D: Модификация- поверхности пленок теллурида свинца при обработке в аргоновой плазме // Сборник статей 4-й международной научной конференции «Материалы и технологии XXI века». — Пенза: Приволжский Дом знаний, . - С. - .
. Зимин СП;, Горлачев Е.С, Герке М.Н., Ириходько О.Ю., Рягузов А.П. Исследование структурных характеристик аморфных пленок As2Se3 на мезопористом кремнии методами атомно-силовой микроскопии // Сборник статей 5-й международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». -..- С.-Пб.: Изд-во Политехнического университета, : - С. І - . "; Зимин-. СП., Горлачев Е.С, Канагеева Ю;М., Савенко А.Ю;, Лучинин ВіВї, Мопшиков В1 А. Структурные и электрические характеристики пористого кремния со сложной морфологией,// Сборник статей 5-й международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники»: - С-Пб;: Изд-во Политехнического университета, . — С - .
. Зимин СП., Горлачев Е.С, Герке М.Н., Амиров И.И, Zbgg Н АЕМ-исследования пленок PbiJEu Se на кремнии после плазменного травления // Труды 8-й международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: УЛГУ, ; - С .
. Зимин СП., Горлачев Е.С, Герке М.Н., Приходько О.Ю-, Рягузов А.П. Атомно-силовая микроскопия поверхности пленок As2Se3 на подложках пористого кремния // Сборник трудов Харьковской нанотехнологической Ассамблеи , Т. 2 «Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике». - Харьков, . - С. - .
. Зимин СП., Горлачев Е.С., Герке М.Н., Кутровская СВ., Амиров И.И. Морфология поверхности эпитаксиальных пленок Po Eu Se после плазменной обработки // Сборник трудов -й международной конференции «Актуальные проблемы прочности». - Белгород: Изд-во БелГУ, . - С. - :
. Горлачев Е.С, Кутровская СВ: Особенности нанорельефа поверхности обработанных в плазме пленок РЬТе на подложках BaF2 // Материалы международной научно-технической школы-конференции «Молодые Ученые — », Т. 2.-М.: МИРЭА, . - С. - .
. Горлачев Е.С, Кутровская СВ. Особенности микрорельефа эпитаксиальных пленок PbSe после обработки в аргоновой плазме // Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы физики», вып. 6. -Ярославль: ЯрГУ, . - С. - .
. Зимин СП., Горлачев Е.С. Влияние термообработки в инертной среде на электрические свойства пористого кремния с оксидной фазой // Труды 5-й международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». -Томск: Изд. ТПУ, . - С. - .
. Зимин СП., Богоявленская Е.А., Горлачев Е.С, Бучин Э.Ю., Амиров И.И. Модификация эпитаксиальных пленок А4В6 на кремнии при анодировании и плазменной обработке // Труды 3-го российского совещания «Кремний- ». — Красноярск, . - С. .
. Горлачев Е.С. Атомно-силовая-микроскопия нанорельефа пленок РЬТе после плазменной обработки // Материалы 9-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Нанотехнологии и нанодиагностика». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», . - С .
. Горлачев Е.С Исследование топологии роста пленок алюминия на пористом кремнии с различной морфологией // Материалы 7-й всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто-и наноэлектронике. - С.-Пб.: Изд-во СПбГПУ, . - С. .
. Горлачев Е.С. Электрические свойства высокоомного пористого кремния с оксидной фазой // Сб. науч. трудов молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы физики», вып. 5. -Ярославль: ЯрГУ, . - С. - .
. Зимин СП., Горлачев Е.С. Электропроводность высокоомного пористого кремния с оксидной фазой // Труды 7-й междунар. конф. «Опто-, наноэлектро-ника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: УЛГУ, . — С. .
. Горлачев Е.С. Влияние кратковременного отжига и °С на электрические свойства двусторонней макропористой структуры // Материалы 8-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Актуальные аспекты нанотехнологии». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», . - С. .
. Горлачев Е.С, Кантинова Е.А. Исследование особенностей роста пленок алюминия на пористом кремнии методами атомно-силовой микроскопии // Материалы 8-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Актуальные аспекты нанотехнологии». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», . -С. .
. Горлачев Е.С. Влияние кратковременного отжига на проводимость слоев-высокопористого кремния с оксидной фазой // Материалы 7-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», . - С. .
. Горлачев Е.С. Изменение электропроводности высокопористого кремния с оксидной фазой после отжига и °С // Материалы 6-й всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой OJI-то- и наноэлектронике. - С.-Пб.: Изд-во СПбГПУ, . - С. .
Структура иобъем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит страницу текста, включая рисунка, 6 таблиц. Список литературы включает наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируется цель работы, кратко излагаются основные решаемые задачи и получен ные результаты, включая научную и практическую значимость работы, выдвигаются основные научные положения, выносимые на защиту.
Первая глава представляет собой литературный обзор научных данных, посвященных свойствам пористого кремния и его использованию в качестве материала буферного слоя при гомо- и гетероэпитаксии; основным методикам получения полупроводниковых наноструктур; физическим свойствам и применению полупроводников А4В6 и наноструктур данных материалов. Делается вывод об отсутствии информации о свойствах структуры пленок на макропористых подложках, о формировании металлических и аморфных пленок на пористом кремнии. На основании анализа приведенных публикаций показано, что на момент выполнения диссертации не существует методик формирования наноструктур А4В6 на кремнии в рамках методов "top-down".
Во второй главе приводится описание процессов получения исследуемых в данной работе пленок на монокристаллических и пористых подложках. Описаны режимы сухого плазменного травления-поверхности пленок. Описывается методика исследования морфологии поверхности образцов методами атомно-силовой микроскопии.
В третьей главе диссертации представлены результаты исследований морфологии пленок на подложках кристаллического и пористого кремния. Показано, что пленки А4В6 на буферных слоях пористого кремния являются сплошными, поликристаллическими. Описываются структурные особенности эпитаксиальных пленок А4В6 на CaF2/Si(l ) и BaF2(l ) и причины их формирования. Для А1 металлизации на пористом кремнии установлена зависимость структуры от размера пор на поверхности подложки. Описан эффект порообразования в пленках А1 на макропористом кремнии при высокотемпературном отжиге. Выявлены особенности морфологии пленок As2Se3 на пористых подложках, заключающиеся в присутствии выступов в области крупных сквозных пор.
Четвертая глава описывает результаты экспериментов модификации морфологии поверхности пленок А4В6 на пористых и кристаллических подлож-, ках в ходе плазменной обработки. Показана роль пронизывающих дислокаций и террас на поверхности в процессе формирования микро- и нановыступов в ходе распыления приповерхностной области пленок A4B6/CaF2/Si(lll). Определена зависимость морфологии поверхности пленок от энергии ионов плазмы, длительности обработки. На основании проведенных исследований построена физическая модель процессов модификации рельефа. Установлено, что причиной самоформирования микровыступов является микромаскирование А1- и F-содержащими компонентами областей выхода дислокаций на поверхности пленки, причиной формирования нановыступов - селективность распыления углов нанотеррас.
В пятой главе диссертационной работы представлен способ создания наноструктур А4В6 на подложках CaF2/Si(lll) методом сухого травления в аргоновой плазме. Установлены физические закономерности процессов нанострук-турирования пленок А4В6. Проведенные исследования позволяют впервые в рамках "top-down" технологии получать однородные (с разбросом по высотам %) массивы квантовых точек А4В6.
В заключении приводятся общий анализ полученных результатов и основные выводы по данной диссертационной работе.
Получение полупроводниковых пленок на буферных слоях пористого кремния
В последние годы большое внимание уделяется использованию ПК в качестве универсального буферного податливого слоя для создания гомо- и гете-роэпитаксиальных структур. Впервые ПК в качестве буферного слоя использовался при гомоэпитаксии Si для создания структур «кремний-на-изоляторе» [7,25]. Была показана возможность получения на пористой поверхности сплошных монокристаллических пленок кремния с хорошими характеристиками, при этом главным фактором, определяющим характер структуры эпитаксиального слоя, является пористость ПК, которая не должна превышать 50%. Температура эпитаксии должна быть менее 800С, выше которой происходит спекание и закупоривание пор. В [26] на примере пленки GaAs на ПК было показано, что релаксация механических напряжений происходит именно в слое ПК, а не в эпи-таксиальной пленке.
Моделирование процесса гомоэпитаксии на ПК было проведено в [27,28]. Механизм эпитаксии реализовался путем образования метастабильных зародышей на краю пор с их последующим разрастанием по периметру и формированием тонкого сплошного нависающего слоя, постепенно затягивающего поры и образующего мостик. В [29] было впервые обнаружено, что при эпитаксии кремния на ПК не происходит образования дислокаций несоответствия, что дало возможность применения ПК в качестве податливой подложки для получения совершенных по структуре гетероэпитаксиальных слоев на Si.
В последние годы сообщалось об успешном формировании целого ряда полупроводниковых пленок на буферных слоях ПК: Ge Sii- [1], GaAs [30,31], ZnSe [32], GaN [33], SiC [34]. Слой ПК при правильно подобранных параметрах толщины и пористости выступает как эластичная матрица и компенсирует упругие напряжения в структуре, что приводит к снижению плотности дислокаций в эпитаксиальных слоях. С точки зрения создания интегральных устройств со слоями ПК актуальным является вопрос формирования металлизации на пористых основаниях. В [35] было показано, что при нанесении А1 на мезопори-стые слои, сформированные на катодной стороне сильнолегированных Si-пластин, образуются (Ш)-аксиально текстурированные алюминиевые пленки, более стабильные к процессам электромиграции. Однако детальное исследование морфологии и особенностей релаксации напряжений в А1 металлизации на ПК в литературе отсутствует.
Пленки А4В6 на Si могут служить основой для формирования приборов ИК-оптоэлектроники в рамках кремниевой технологии. Традиционно для решения проблемы большого рассогласования постоянных решеток и ТКЛР применяются буферные слои CaF2, BaF2 с промежуточными параметрами [36]. Однако процесс роста фторидов является высокотемпературным, что препятствует внедрению пленок А В в монолитные кремниевые схемы. Альтернативой может являться использование буферных слоев ПК. В работах [2,37-39] рассматривался рост А4Вб на кремнии методом вакуумного осаждения с использованием буферного слоя ПК. При использовании слоев ПК с невысокой величиной пористости (до 40%) полученные пленки как правило являлись довольно качественными, поликристаллическими или блочными. В работе [40] показано, что можно добиться улучшения структурных параметров пленок А4Вб на ПК (переход к аксиальной текстурированности (100)), используя электронное облучение, приводящее к очистке поверхности и увеличению центров зародышеобразова-ния. В работе [41] сообщается о формировании поликристаллических слоев РЬТе с низким уровнем внутренних напряжений на ПК методом электросажде-ния. В работах [42,43] описывается использование ПК с пористостью 20-40% для выращивания высококачественных пленок PbS методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В пленках, выращенных на подложках ориентации (100), формировались микротрещины, но пленки на Si(l 11) за счет формирования переходного пористого слоя были сплошными и высококачественными. В литературе отсутствует информация о морфологии поверхности пленок А4В6 на ПК, о возможности наследования пленками А4Вб пористой структуры буферного слоя.
Для современного полупроводникового приборостроения при переходе на нанотехнологии актуальным является контролируемое, эффективное и экономичное производство наноструктур. На данный момент фотолитография обеспечивает отличный выход и контроль морфологии, но приближается, к фундаментальным ограничениям размера объектов. В настоящее время выделяют две альтернативные концепции формирования наноструктур: "bottom-up" («снизу-вверх») и "top-down" («сверху-вниз») [44,45]. Принципом первой группы является создание наноструктур путем сборки их из отдельных атомов, молекул. К данной группе относятся методы МЛЭ, газофазной эпитаксии, жидко-фазной эпитаксии, синтеза коллоидных частиц и другие методы, в которых формирование наноструктур происходит при особых условиях осаждения материала. Принципом второй группы является создание наноструктур путем уменьшения размеров, модификации поверхности, структурирования объемного материала, когда получение наноструктур осуществляется путем селективного удаления участков приповерхностного слоя. К данной группе относятся методы ионно-плазменной обработки, жидкостного травления; анодирования, ионного распыления, лазерной абляции.
Формирование структур с буферными слоями пористого кремния
Пленки А4В6 формировались на буферных слоях ПК методом осаждения в вакууме и «горячей стенки». Температура подложки при этом варьировалась в интервале 70-350С. Максимальные температуры подложки, с одной стороны, соответствовали условиям роста качественных пленок А4Вб на фториде бария [85-87], а с другой стороны, не превышали тех температур для ПК, при которых происходит резкое изменение структуры, состава и удельного сопротивления. Схематичный вид структур показан на рис. 2.2, а.
Пленки PbSe выращивались на подложках макропористого ПК с аморфной пленкой. Пленки 99,999% А1 толщиной 1 мкм наносились на ПК методом термовакуумного напыления при температуре подложки 125-150С с последующей начальной низкотемпературной термообработкой (300-350С, 10-30 мин) в азотной среде. Высокотемпературный отжиг образцов проводился в азоте в течение 10, 30 и 60 мин при температуре 550±2С, что не превышало эвтектическую температуру системы Al-Si (577С). Схематичный вид структур АІЯЖ/Si показан на рис. 2.2, б.
В качестве модельных структур в данной работе использовались образцы ХСП/ПК/Si, схематичный вид которых показан на рис. 2.2, в. В качестве подложек использовались кремниевые пластины со слоями мезопористого ПК. На поверхности присутствовала аморфизированная пленка толщиной 0,3—1,0 мкм с характерными порами диаметром 0,1-0,5 мкм и отдельными макропорами с размерами порядка единиц мкм. Пленки ХСП (As2Se3) на подложках ПК были получены методом термического испарения синтеза в вакууме при давлении остаточных газов 2-Ю-5 Торр. Состав в синтезе был аморфным. Толщина полученныхпленок As2Se3, которые были оптически прозрачными, составляла 0,4— 0,6 мкм.
Эпитаксиальные пленки А4В6 «-типа проводимости толщиной 1,5-5 мкм выращивались на подложках монокристаллического Si(l 11) методом МЛЭ в ЕТН (г. Цюрих) авторами [36,58,80]. Контроль кристаллической структуры эпитаксиальных пленок проводился in situ с помощью метода отражательной дифракции электронов высоких энергий (RHEED). Для очистки кремниевых подложек применялась стандартная процедура жидкостного химического травления Шираки [88]. Процесс роста/пленок А4В6 осуществлялся при температуре подложки 400-420С и скорости роста 1 мкм/час. Для решения проблемы; большого рассогласования постоянных решеток халькогенидов свинца, и кремния применялись буферные слои CaF2 [36]. Слои CaF2 толщиной 2-4 нм выращивались при температуре подложки 650С и скорости 0,1-0,2 А/сек. Эпитаксиальные слои А4Вб осаждались в том же цикле без развакуумирования. Нук-леация пленок А4В происходила путем образования островков, которые образовывали сплошную пленку при толщинах 200 А. Дополнительно в одном цикле с получением пленок толщиной 2-3 мкм была проведена остановка роста и получены пленки Pbo,84Euo,i6Se толщиной 0,2-0,3 мкм на подложках CaF2/Si(lll). Схематичный вид исследуемых структур A4B6/CaF2/Si(l 11) показан на рис. 2.2, г.
В качестве тестовых использовались гетероэпитаксиальные структуры PbTe/BaF2(lll), формирование которых проводилось в НПО «Орион» (г. Моек ва). Пленки РЬТе толщиной 3,5-4 мкм выращивались методом МЛЭ на подложкахВар2(1 И), свежесколотых по плоскостям скола. Процесс роста пленок осуществлялся в вакууме 10 Торр при температуре подложки 380-420С и скорости роста 5 мкм/час. Схематичный вид структур PbTe/BaF2(l 11) показан нарис. 2.2, д.
Плотность дислокаций в эпитаксиальных слоях определялась методами анизотропного химического травления и из измерений низкотемпературных подвижностей Холла и лежала в интервале 1-Ю7—4-10 см 2. Кристаллическая, структура эпитаксиальных пленок исследовалась методами рентгеновской ди-фрактометрии на дифрактометре ДРОН-ЗМ с использованием СиКа излучения? (ЯКаі=1,5405 А, ЯКа2=1,5443 А). Для обнаружения рефлексов снимались обзорные дифрактограммы в диапазоне углов 26 5-150 град. Скорость сканирования составляла 2 град/мин. - Проводилась предварительная настройка на максимум рефлекса Si(ll 1) 2 =28,47 град. Тип проводимости эпитаксиальных пленок определялся методом термозонда. Элементный состав; пленок исследовался методами вторично-ионной масс-спектрометрии: (ВИМС) на приборе, IMS-4f Cameca.
Морфология поверхности пленок А4В6 на пористом кремнии
Объектом исследования являлись структуры A4B?/TIK/Si с буферными.; слоями мезо- и макропористого ПК. Параметры получения буферных слоев ИК \ приведены в табл. 2.1. В табл. 2.2 сведены данные о режимах: выращивания пленок А4В6. Толщина буферных слоев ПК составляла 5-30 мкм. Пористость буферного слоя задавалась небольшой- для сохранения монокристаллической, структуры Si и обеспечения механической прочности кристаллической матрицы. На серии образцов проводилась операция плазмохимического травления для удаления поверхностной аморфизированной пленки. Толщина: пленок А4В составляла 0,5-3 мкм.
Пленки.имели-зеркально гладкую поверхность и высокую адгезию, кШК; . . В -; результате АОМ-исследований морфологии пленок халькогенидов свинца на: пористых подложках было выявлено, что все пленки являются:сплошными , однородными. Микротрещйны, поры или углубления на их поверхности, какие-либо особенности, связанные с порами подложки, отсутствовали.. Было установлено, что все пленки являются поликристалическими. Очевидно, в силу поликристалличности,материала происходит заполнение пор на.поверхности подложки ПК и пленка растет однородно по толщине. При этом закрываются!даже; крупные макропоры, латеральные размеры которых превышают толщину пленки А4В6. Установлено, что морфология пленок А4В6 не зависела от их толщины и величины пористости буферного слоя.
Характерное трехмерное АСМ-изображение морфологии поверхности пленки А4В6/ПК на примере PbSe на буферном слое макропористого ПК приведено на рис. 3.1. На поверхности пленки наблюдаются кристаллиты размером 150-300 мкм различной формы и ориентации с плотностью (2-4)-109 см-2. Ориентация кристаллитов является смешанной, присутствуют кристаллиты ориентации (100) и ориентации (110), что было подтверждено методами рентгеновской дифрактометрии. На поверхности пленок РЬТе присутствовали кристаллиты ориентации (100) размером 0,5-1,5 мкм, плотность которых составляла (3-5)-108 см-2. Необходимо отметить, что размер кристаллитов значительно превышает длину свободного пробега носителей заряда в данных материалах, что позволяет использовать пленки для создания оптоэлектронных приборов.
Установлено, что в зависимости от условий выращивания пленки могут быть блочными (ЮО)-текстурированными для пленок, выращенных по методу «горячей стенки», или поликристаллическими с размерами кристаллитов 150— 1500 мкм. Появление ориентации (100) для пленок РЬТе на Si(lll) не удивительно, так как ориентация (100) отвечает минимуму суммарной свободной энергии и часто является преимущественной при росте пленок теллурида свинца на неориентированных подложках.
Представленный низкотемпературный метод роста на проводящих слоях ПК может являться альтернативой применению изолирующего подслоя фторида кальция или бария с точки зрения создания оптоэлектронных приборов с использованием свойств гетерограницы узкозонный полупроводник/ПК/Si. Результаты проведенных исследований показывают, что применение буферных слоев ПК позволяет получать высококачественные слои А4Вб, которые в зависимости от условий выращивания пленки могут быть блочными или поликристаллическими с размерами кристаллитов 150-1500 мкм. Исследовались эпитаксиальные пленки А4В6 (PbTe; PbSe; Pbi-xEu Se, =0,05-0,16) толщиной 1,5-5 мкм. Пленки выращивались методом МЛЭ на подложках CaF2/Si(l 11). Установлено, что поверхность пленок характеризуется присутствием треугольных ямок выхода дислокаций и нанотеррас высотой 2 нм. Типичное АСМ-изображение поверхности на примере модельной структуры PbTe/CaF2/Si(lll) показано на рис. 3.2. На поверхности присутствуют,ямки выхода дислокаций с латеральными размерами 250-300 нм (плотность 1-Ю8 см 2) и характерные террасы высотой 1,5-2 нм (плотность выступающих углов треугольных нанотеррас составляет (2-3)-109 см-2). На рис. 3.3 приведено АСМ-изображение поверхности эпитаксиальной пленки РЬ Ец Зе (х=0,16) толщиной 2,5 мкм, которая характеризуется наличием террас высотой 2-3 нм с плотностью выступающих углов 3-Ю9 см-2. Плотность треугольных ямок соответствовала плотности дислокаций в пленке и составляла 1-Ю7 см-2.
Наблюдаемая морфология поверхности соответствует модели Цогга, описанной в [36,98,99]. Образование террас на поверхности обусловлено процессами пластической релаксации механических напряжений в эпислоях А4В6(111), вызванных значительным несоответствием ТКЛР материалов пленки и подложки, происходящей путем скольжения дислокаций в системе 011 {001}. Присутствие пронизывающих дислокаций в пленке вызвано несоответствием постоянных кристаллической решетки материалов (табл. 1.2). Дислокации скользят вдоль плоскостей {100}, наклоненных на угол 54,7 по отношению к поверхности (111) и пересекающих поверхность вдоль направлений 110 . В результате на поверхности формируются треугольные террасы, образованные пересечениями ступеней в направлении 110 (рис. 3.4) [36].
Формирование микро- и наноструктур на поверхности эпитаксиальных пленок А4Вб на подложках монокристаллического кремния в ходе обработки в аргоновой плазме
Проводилась плазменная обработка эпитаксиальных пленок А4В6 на подложках CaF2/Si(l 11): Особенностью исследуемых эпитаксиальных структур A4B6/CaF2/Si(lll) являлось присутствие на поверхности треугольных террас высотой до 2 нм и выходов пронизывающих дислокаций, плотность которых обычно находится в диапазоне 1-10 -5-10 см . Характерное АСМ-изображение исходной поверхности модельной структуры РЬТе приведено на рис. 3.2.
Установлено, что в ходе плазменной обработки происходило селективное распыление поверхности пленок, приводящее к значительной модификации рельефа. Типичное трехмерное АСМ-изображение поверхности модельной структуры РЬТе на Si после плазменной обработки приведено на рис. 4.2. Обнаружено, что на поверхности формируются крупные выступы субмикронных размеров (микровыступы) высотой 350-450 нм и полушириной (половиной ши рины на полувысоте) 300 400 нм, с плотностью 10 см . Толщина распыленного слоя составила 450 нм; скорость распыления РЬТе оказалась аномально высокой и равнялась 15 нм/сек. Высота микровыступов соответствовала толщине распыленного слоя (350-450 нм на рис. 4.2). В верхней части всех микровыступов присутствовали ямки треугольной формы с латеральными размерами 250-300 нм (рис. 4.3), что соответствует размерам ямок выхода дислокаций на исходной поверхности. АСМ-изображение типичного микровыступа и его профиль показаны на рис. 4.4. Микровыступы обладали характерной наклонной несимметричной формой, причем более пологая сторона располагалась напротив, ямки на вершине (рис. 4.4, б), как если бы, выступы росли не в вертикальном направлении, а под углом к поверхности.
Микровыступы были расположены на фоне однородного нанорельефа4 мелких выступов (нановыступов) на поверхности PbTe/CaF2/Si(lll). Высота наноструктур РЬТе составляла 15-55 нм, полуширина выступов находилась в интервале 40-85 НМ, их плотность равнялась (2-3)Т0 см . Средняя высота для различных участков поверхности образца составила 30-3 5 нм, среднее квадратичное отлонение по высоте 55-60%.
Строгое соответствие плотности дислокаций в исходных пленках и мик-ровыступов после травления, а также присутствие на вершинах выступов ямок выхода дислокаций позволяют утверждать, что крупные выступы локализуются на местах выхода пронизывающих дислокаций эпислоя. Наблюдаемая форма микровыступов при этом соответствует наклону пронизывающих дислокаций [36]. Вместе с тем плотность нановыступов соответствовала плотности углов нанотеррас на исходной поверхности и лежала в узком интервале (2-3)-10 см .
Дальнейшие исследования показали, что замена в структуре PbTe/CaF2/Si(l 11) материала пленки с РЬТе на PbSe или Pbi- Eu Se сохраняет общую закономерность формирования двух групп выступов при плазменной обработке. Для исследования роли террасированной морфологии поверхности пленок А4В в процессе распыления: был проведен эксперимент по плазменной обработке тестовых структур PbTe/BaF2(l 11). Исходная поверхность таких пленок РЬТе характеризовалась полным отсутствием террас и ямок выхода дислокаций в силу близких коэффициентов термического линейного расширения эпислоя.и подложки (-20-10"6 К-1, табл. 1.2). Плотность пронизывающих дислокаций в пленках, определенная методом анизотропного химического травления, состав-ляла (4-8)10 см . Было обнаружено, что после плазменной обработки на поверхности присутствуют только крупные выступы, тогда как нановыступьь не формировались, что связано с отсутствием террасированной морфологии исходной поверхности и однородным распылением областей пленки между диет локациями. Типичное АСМ-изображение поверхности обработанных в плазме эпислоев PbTe/BaF2(lll) приведено на рис. 4.5. Высота микровыступов составила до 300 нм при полуширине до 350 нм. Плотность выступов соответствовала плотности дислокаций в исходных,пленках и для образца, показанного на рис. 4.5, составила 4-10 см . На рис. 4.5, б приведено трехмерное AGM-изображение микровыступа, полученное с более высоким разрешением сканирования, на котором отчетливо видна характерная форма вершины и отсутствие нанорельефа. На вершине присутствует нановыступ шириной 75 нм и высотой 10 нм. Необходимо отметить, что подобные структурные элементы не наблюдались в случае присутствия на вершинах выступов ямок выхода дислокаций. после плазменной обработки; б -трехмерное АСМ-изображение микровыступов с характерной формой вершины Для объяснения полученных закономерностей процесса травления пленок А4В6 на Si предложена физическая модель роли пронизывающих дислокацийи . нанотеррас на поверхности в процессе формирования микро- и нановыступов в ходе распыления приповерхностной области пленок, что схематично показано на рис. 4.6. Согласно данной модели, формирование крупных выступов происходит на областях выхода пронизывающих дислокаций. Образование системы нановыступов происходит на углах треугольных террас на поверхности исходных пленок за счет селективности распыления данных участков. .
Для проверки данной модели был проведен эксперимент по исследованию поверхности пластины монокристаллического кремния, подвергнутой плазменной обработке в тех же режимах, что гетероструктуры A4B6/CaF2/Si(lll). Было установлено, что для Si формирование микро- или нановыступов не наблюдается. На поверхности присутствовал волнообразный на-норельеф, характерный для обработки поверхности кремния ионами инертных газов с энергией -0,5 кэВ [70,115]. На рис. 4.7 приведено типичное AGM-изображение поверхности пластины кристаллического кремния после плазменной обработки. Высота волнообразных структур составляет 2-5 :нм, период 0,5 мкм. Таким образом, формирование микро- и нановыступов на поверхности эпитаксиальных пленок А4Вб связано с их структурными особенностями и не характерно для монокристаллических материалов.
