научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СПЛОШНОГО СЛОЯ ПРИ ЭПИТАКСИИ И ОТЖИГЕ НА ПОРИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ (001) И (111) КРЕМНИЯ (МОДЕЛИРОВАНИЕ) Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СПЛОШНОГО СЛОЯ ПРИ ЭПИТАКСИИ И ОТЖИГЕ НА ПОРИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ (001) И (111) КРЕМНИЯ (МОДЕЛИРОВАНИЕ)»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 3, с. 175-185

= ЭПИТАКСИЯ =

УДК 621.382

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СПЛОШНОГО СЛОЯ ПРИ ЭПИТАКСИИ И ОТЖИГЕ НА ПОРИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ (001)

И (111) КРЕМНИЯ (МОДЕЛИРОВАНИЕ)

© 2004 г. A. В. Зверев, И. Г. Неизвестный, A. В. Чемакин, Н. Л. Шварц, 3. Ш. Яновицкая

Институт физики полупроводников СО Российской АН E-mail: natasha@spy.isp.nsc.ru Поступила в редакцию 14.04.2003 г.

С помощью трехмерной Монте-Карло модели эпитаксии и отжига на поверхностях алмазоподобно-го кристалла проведено моделирование процесса эпитаксиального роста на пористых поверхностях кремния (111) и (001). Показано, что на поверхности (111) формируется гладкий сплошной слой, а на поверхности (001) образуются пирамидальные ямки, ограненные плоскостями (111). Во всем исследуемом диапазоне температур, ростовых потоков и параметров пористой подложки величина критической дозы, минимальной дозы, необходимой для затягивания пор, для поверхности (111) оказалась существенно меньше, чем для поверхности (001). Разница морфологии на этих двух поверхностях после формирования сплошного слоя над порами связана с различием атомной диффузии по поверхностям (111) и (001). Получены зависимости глубины проникновения осажденного вещества в пористый слой от условий осаждения и пористости подложки. Приведены данные по спеканию пористых поверхностей Si(001) при высокотемпературных отжигах.

ВВЕДЕНИЕ

Пористый кремний имеет множество применений. Пористый кремний может использоваться как излучающий материал в интегральной оптоэ-лектронике, дешевый материал для изготовления компактных сенсорных систем, основа для новых КНИ структур с низкой диэлектрической проницаемостью, а также как податливая подложка для гетеророста [1-6]. Создание податливой подложки на основе кремния предполагает формирование тонкого сплошного слоя кремния на пористом слое. Возникает необходимость в детальном исследовании процесса формирования сплошного слоя с целью выбора оптимальных условий осаждения. Технологические процессы трудно совместимы с наблюдением атомарных процессов на поверхности, поэтому на первых этапах исследований все чаще прибегают к моделированию. В данной работе при моделировании процесса формирования сплошного слоя на пористых поверхностях (111) и (001) кремния использовалась трехмерная Монте-Карло модель эпитаксии и отжига алмазоподобного кристалла [7], в которой допускаются нависания и диффузия атомов по поверхностям с любой ориентацией. Хотя модель [7], являясь решеточной, не позволяет учитывать структурные перестройки, характерные для гладких поверхностей (111) и (001) кремния, она может использоваться для изучения процессов эпитаксии на пористых поверхностях, на которых, ввиду их сильной шероховатости, поверхностные перестройки не наблюдаются [2].

В работе представлены результаты моделирования эпитаксиального роста на пористых подложках и высокотемпературных отжигов пористых слоев. Проведено сравнение морфологии пористых поверхностей кремния двух ориентаций в процессе гомоэпитаксиального роста. Оценена осажденная доза необходимая для полного затягивания пор и глубина проникновения осажденного вещества в поры.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Гомоэпитаксия на пористой поверхности

Моделирование процесса гомоэпитаксии на пористую поверхность кремния осуществлялось для режимов осаждения и параметров подложки в соответствии с экспериментальными работами [5, 8]. Нами рассматривались цилиндрические поры, перпендикулярные поверхности с плотностью порядка 10п-1012 см-2. Диаметр пор варьировался от 2 до 20 нм, что для 81 составляет 5-50 атомных мест (а. м.), глубина пор достигала 30 нм, скорость осаждения V = 103-100 МС/с. Скорость осаждения V = 0 МС/с соответствует процессу отжига.

На рис. 1 представлено сечение поры в момент ее перекрытия при осаждении вещества: рис. 1а -поверхность (111) и рис. 16 - поверхность (001). Серым цветом отмечено вещество исходной подложки, черным - осажденное вещество. Как показал вычислительный эксперимент, поверхность (111) остается гладкой, а на поверхности

Рис. 1. Сечение поры диаметром 5 нм в момент ее перекрытия, Т = 800 К, V = 1 МС/с, N - число осажденных слоев: (а) - 81(111): N = N = 1.5 МС; (б) - 81(001): N = N = 40 МС.

Рис. 2. Зависимость критической дозы от скорости осаждения при Т = 800 К; кривая 1 - d = 10 нм; кривая 2 - d = 5 нм: (а) - 81(111); (б) - 81(001).

(001) над каждой порой в осажденном слое образуется пирамидальная ямка в форме правильной четырехгранной пирамиды со сторонами основания, ориентированными по направлениям [11] и [1-1] и боковыми гранями, представляющими собой фасетки плоскости (111). Размеры пирамидальных ямок зависят от диаметра пор и не зависят от условий осаждения. Вдоль краев ямок на поверхности образуются "брустверы". Детальные исследования процесса зарастания пор на поверхности (001) представлены в [9]. Разница морфологии на этих двух поверхностях после формирования сплошного слоя над порами связана с различием атомной диффузии по поверхностям

(111) и (001): диффузия атомов по поверхности (111) выше, чем по поверхностям с другой ориентацией.

На рис. 2-3 приведены зависимости критической дозы минимального числа осажденных слоев, необходимых для полного зарастания пор, от скорости осаждения и от температуры для поверхностей (111) и (001). На рис. 2а, на зависимостях V) для двух диаметров пор на поверхности (111), заметен минимум. В области минимума и левее его все атомы, упавшие на поверхность достигают устья пор за счет диффузии и встраиваются в стенки пор. Небольшое увеличение критической дозы при низких скоростях осаждения (ле-

Nc, MC 11

9

7

5

3 600

(a) Nc, MC (б)

100

80

60

40

20

700

800

900

1000 T, K

500

600

700

800

900

1000 T, K

Рис. 3. Зависимость критической дозы от температуры для d = 10 нм: (а) - Si(111); 1 - V = 0.01 МС/с; 2 - V = 0.1 МС/с; (б) - Si(001); V = 0.1 МС/с.

вее минимума) связано с проникновением осажденного вещества вдоль стенок пор на большую глубину. Увеличение N с ростом V в области высоких скоростей осаждения связано с образованием островков на поверхности между порами, т.е. часть осажденного вещества идет не на затягивание поры, а на рост пленки на поверхности между порами. С увеличением диаметра пор критическая доза возрастает.

Зависимость ^(У) для двух диаметров пор на поверхности 81(001) показана на рис. 26. Малые значения Nc при низких V связаны с вовлечением атомов подложки в процесс формирующегося сплошного слоя над порой, аналогично тому, как это происходит при отжиге пористой поверхности. При увеличении V влияние атомов подложки становится не существенным, и критическая доза возрастает. Некоторое уменьшение критической дозы при последующем возрастании V связано с выглаживанием фасеток (111), формирующихся вокруг поры. При дальнейшем увеличении скорости осаждения критическая доза становится не зависящей от V в соответствии с механизмом зарастания пор на поверхности (001). Суть этого механизма сводится к следующему [9]: фасетки плоскостей (111) формируются уже на начальных стадиях осаждения на краях пор. Образование нового бислоя на фасетках сужает устье поры на два бислоя. Этот процесс продолжается до полного затягивания поры. Исходя из этого, становится понятным, почему критическая доза в широком диапазоне не зависит от скорости осаждения, но сильно зависит от начальных размеров пор (кривые 1 и 2). При очень больших скоростях осаждения фасетки, ограняющие ямки, становятся сильно шероховатыми из-за малой диффузионной длины адатомов (на фасетках начинают зарож-

даться островки новых слоев), что ограничивает диффузию атомов к устью, и критическая доза начинает возрастать.

Зависимость критической дозы от температуры при двух скоростях осаждения для поверхности Si(111) представлена на рис. 3 а. Спадающий участок кривой в области низких температур связан с увеличением длины миграции атомов по поверхности и уменьшению толщины слоя, формируемому между порами, так как все большая часть атомов, упавших на поверхность начинает участвовать в процессе заращивания поры. В области температур, где наблюдается плато в зависимости Nc(T), все атомы, осажденные на поверхность, достигают поры, рост пленки между порами в этом случае начинается только после формирования сплошного слоя над порами. Увеличение критической дозы при высоких температурах связано с активной диффузией атомов вглубь вдоль стенок пор. Как известно, процесс образования островков на поверхности и стенках пор определяется отношением D/V (здесь D - коэффициент диффузии), а не каждым из этих параметров в отдельности [10]. Поэтому очевидно, что увеличение скорости осаждения сдвигает всю кривую в область больших температур. Наличие минимума на зависимостях Nc(V) и Nc(T) для поверхности (111) говорит о возможности нахождения ростовых параметров обеспечивающих получение сплошного слоя над порами с минимальной толщиной. Зависимости оптимальных условий осаждения от пористости и диаметра пор исследовались нами в [11].

Температурная зависимость критической дозы для пористой поверхности Si(001) представлена на рис. 36. Спадающий участок кривой при низких температурах соответствует области низ-

кой диффузии. Так как процесс зарастания пор связан с процессом формирования фасеток на краях пор и последующей диффузией адатомов по этим фасеткам, то величина критической дозы естественно зависит от качества этих фасеток. Чем ближе эти фасетки к плоскости (111), тем выше диффузия и соответственно меньше критическая доза. Минимум на зависимости Т) соответствует такой температуре, когда фасетки ямок представляют собой абсолютно гладкие поверхности (111). При дальнейшем увеличении температуры края фасеток начинают отличаться от идеальных поверхностей (111), как сверху у "бруствера" так и снизу у устья. Это тормозит диффузию атомов к устью пор вдоль фасеток. Уменьшение критической дозы при очень высоких температурах связано с активным участием вещества подложки в процессе заращивания пор (аналогичный эффект наблюдается на рис. 26 в области малых V). Сравнение значений критической дозы в м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»