Введение к работе
Актуальность работы
Пленки поликристаллического кремния (ПИК) широко применяются і технологии изготовления приборов микро- и оптоэлектроники.
В большинстве случаев требуются хорошо проводящие поликремние-гые пленки. Для того, чтобы управлять свойствами необходимо контролиро-шть их структуру, которая характеризуется средним размером, дисперсией зазмера зерен и их кристаллографической ориентацией. При легировании ТЛК акцепторными или донорными примесями можно получать слои с за-іанньїми электрическими свойствами.
Легирование ППК осуществляют с помощью диффузии, ионной им-їлантации и в процессе роста. Последний метод, как низкотемпературный и эолее простой, является предпочтительным. Однако в практике производства юлупроводниковых приборов этот метод используется пока не часто. При-іиной этого является недостаточная изученность закономерностей легирования ППК в процессе роста. Именно этим обусловлена актуальность исследо-іаний, направленных на изучение физических процессов, протекающих при зсаждении легированных ППК.
Исследование закономерностей легирования поликремниевых пленок, толученных плазменным осаждением или осаждением из газовой фазы за-груднено по причине большого числа взаимосвязанных параметров процесса. В этих методах осаждения водород является основной фоновой примесью. При росте пленок происходит насыщение водородом оборванных связей на границах зерен (ГЗ), что делает затруднительной интерпретацию процесса гегирования.
При получении ППК с помощью распыления ионным пучком, при магнетронном распылении или при усиленном плазмой химическом осажде-яии из газовой фазы происходит бомбардировка поверхности роста низкоэнергетическими ионами. В этих методах трудно оценить плотность потока и распределение по энергиям падающих на подложку ионов, и, следовательно, грудно выявить степень влияния ионной бомбардировки на рост легированных плёнок.
Для установления корреляции между свойствами легированных ППК и условиями роста необходимо использовать метод осаждения с наименьшим числом параметров процесса. Кроме того, для выявления закономерностей легирования ППК в процессе роста целесообразно исследовать наиболее широкий спектр легирующих примесей.
Для решения такой задачи лучше всего подходит метод молекулярно-лучевого осаждения (МЛО) с использованием сублимационных источников кремния. Этот метод позволяет получать слои кремния в достаточно «чистых» условиях при низких температурах с минимальным числом параметров, влияющих на процесс роста пленок. При сублимации кремния используется и большее число легирующих примесей. Ионной составляющей в молеку-
лярном потоке из сублимирующего источника можно легко управлять путе приложения разности потенциалов между источником и подложкой.
Осаждение поликремниевых пленок на окисленные кремниевые по; ложки проводят в достаточно широком интервале температур от 300 д 900С. При высоких температурах кремний из источника может взаимодеї ствовать со слоем диоксида кремния, образуя при этом летучее соединени SiO. При осаждении ППК из атомарного потока с использованием cyблим^ рующих источников процесс десорбции моноокиси кремния не исследовало
Цель данной работы состояла в изучении влияния широкого спектра леп рующих примесей и бомбардировки поверхности роста пленок низкоэнерп тическими ионами кремния в процессе молекулярно - лучевого осаждения н структуру и электрические свойства ППК.
Для достижения этой цели было необходимо проведение следующи исследований:
-
Исследование возможности применения метода МЛО кремния с ис пользованием сублимационных источников для получения ППК минимальным содержанием фоновых примесей и с заданной концен трацией легирующей примеси.
-
Выявление закономерностей изменения структуры, размера зерна электропроводности пленок в зависимости от сорта легирующе: примеси.
-
Выявление условий, при которых происходит десорбция SiO прі выдержке окисленной кремниевой подложки в потоке атомов крем ния из сублимирующих источников.
-
Выявление характера изменения размера зерна в ППК, полученных процессе отжига аморфных пленок, от сорта легирующей примеси.
-
Исследование влияния низкоэнергетической бомбардировки поверх ности роста на изменение структуры и электропроводности поли кремниевых пленок.
-
Исследование возможности применения легированных ППК в техно логии изготовления твердотельных газочувствительных сенсорої (ТГС), как одного из перспективных направлений микроэлектрони ки.
Научная новизна
1. Впервые проведено комплексное исследование влияния широкого спек тра легирующих примесей на структуру и рост зерна поликремниевы; пленок, а также на их электрические свойства. Установлено, что сниже ние температуры перехода от роста пленок с аморфной структурой к рос ту поликристаллических пленок, а также ускорение роста зерна ППК за висят от сорта легирующей примеси. Сделан вывод, что атомы легирую щей примеси при росте ППК выступают в роли сурфактантов (т.е. по верхностно-активных частиц, которые способствуют встраиванию атомої
кремния в кристаллит). Определяющим фактором, ведущим к изменению структуры и размера зерна ППК, является различная склонность примесей к поверхностной сегрегации.
. Исследован процесс десорбции моноокиси кремния с поверхности толстых (порядка 0.3 мкм) слоев диоксида кремния при воздействии потока атомов кремния и примеси из сублимирующего источника.
. Показано, что бомбардировка поверхности роста ППК низкоэнергетическими (< 300 эВ) ионами кремния приводит к следующим структурным изменениям:
снижению температуры перехода от роста пленок с аморфной структурой к росту поликристаллических пленок;
увеличению среднего размера зерна и уменьшению дисперсии размеров зерен.
увеличению интенсивности десорбции моноокиси кремния при воздействии атомарного потока из сублимирующих источников кремния на поверхность диоксида кремния;
. Установлено, что зависимость слоевого сопротивления ППК от температуры роста носит существенно немонотонный характер. Минимальное значение сопротивления ППК, легированных различными примесями, наблюдается при разных температурах осаждения. Бомбардировка поверхности роста низкоэнергетическими ионами кремния не меняет характер этой зависимости, но ее график смещается в область более низких температур. Величина смещения составляет 50 * 70С.
. Обнаружено, что сопротивление легированных ППК может существенно (приблизительно на 60%) возрастать при адсорбции молекул метана на поверхности пленок.
Ірактическая значимость
. Полученные в работе результаты дают возможность выделить основные процессы, ответственные за изменение структуры и размера зерна ППК при легировании их в процессе осаждения. Исходя из этого, легирование соответствующим сортом примеси при определенных условиях осаждения позволяет получать ППК с заданными свойствами.
I. Толстые (~ 0.3 мкм) пленки БЮг полностью удаляются в потоке атомов кремния из сублимирующего источника при температурах подложки на 200 * 300С ниже, чем при использовании традиционного метода МЛО кремния.
\. Эффект улучшения структуры ППК под воздействием низкоэнергетической ионной бомбардировки поверхности роста может быть использован при разработке низкотемпературного метода получения ППК.
X. Результаты исследования зависимости слоевого сопротивления ППК от температуры роста могут быть рекомендованы при выборе режимов получения пленок с заданным значением сопротивления.
5. Результаты исследования, свидетельствующие об изменении сопротивле-
ния легированных ППК при адсорбции на их поверхности молекул метана, могут быть использованы при разработке твердотельных газочувствительных сенсоров.
6. Разработана методика получения электронно-прозрачных тонких фолы
кремния путем химического стравливания областей локально сформированного в подложке пористого кремния.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Легирование ППК элементами третьей и пятой групп таблицы Менделеева до концентраций порядка 2-Ю18 -г- 5-Ю19 см"3 в процессе осаждения приводит к снижению температуры перехода от аморфной к поликристаллической структуре пленок.
-
Изменение размера зерен различно в зависимости от сорта легирующей примеси. Степень ускорения роста зерна определяется процессом поверхностной сегрегации примесных атомов.
-
Поток атомов кремния из сублимирующего источника взаимодействует со слоем диоксида кремния, образуя при этом летучее соединение SiO, при более низкой температуре по сравнению с потоком из расплава, сформированным электронно-лучевым нагревом. Наличие в потоке из сублимирующего источника атомов некоторых легирующих примесей (Ga, А1) приводит к дополнительному снижению (приблизительно на 100С) температуры процесса.
-
Влияние бомбардировки поверхности роста пленок низкоэнергетическими (< 300 эВ) ионами Si+ приводит к снижению температуры перехода от роста аморфных к росту поликристаллических пленок, ускорению роста зерен и уменьшению дисперсии их размеров.
-
Дня легированных поликремниевых пленок зависимость слоевого сопротивления от температуры роста в методе МЛО имеет существенно немонотонный характер. Для пленок, выращенных под воздействием низкоэнергетических ионов, график зависимости слоевого сопротивления от температуры осаждения смещается в область более низких температур, сохраняя немонотонный характер.
-
Наблюдается существенное увеличение сопротивления легированных ППК при адсорбции на их поверхности молекул метана. Это делает возможным использование легированных пленок поликремния в качестве газочувствительного элемента при изготовлении ТГС.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 1994 г.), научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Москва, 1995 г.), X конференции по химии высокочистых веществ (Н. Новгород, 1995 г.), конференции «Струк-
тура и свойства кристаллических аморфных материалов» (Н. Новгород, 1996 г.), 1 и 2 Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 1996 г., 1997 г.), Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологии получения легированных монокристаллов кремния» («Кремний - 96») (Москва, 1996 г.), Международной конференции Е - MRS (Страсбург, 1996 г.), XIII Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП - 97) (Звенигород, 1997 г.), 2 Российском симпозиуме «Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур (Обнинск, 1997 г.), XVI научных чтениях им. Н.В. Белова (Н. Новгород, 1997 г.).
По материалам диссертации опубликовано 20 работ.
Диссертационная работа выполнена в рамках темы: «Высокоэффективные преобразователи солнечной энергии на основе кремния» (Грант РФФИ №95-02-04201-а).
Структура и объем диссертационной работы
